4.1. 산림 바이오매스의 종류와 이용 방법
4.1.1. 산림 바이오매스의 종류
산림 바이오매스(forest derived biomass)는 숲에서 유래하는 바이오매스 전체를 일컬으며, 수목뿐만 아니라 조릿대, 대나무, 하층식물 등도 포함한다.
이 가운데 자원가치가 낮고 숲의 지력유지를 위해 숲에 방치하는 것이 바람 직한 잎, 잔가지 등을 제외하고 자원으로서 활용 가능성이 높은 목질계 바이 오매스를 주요 연구 대상으로 한다. 목질 바이오매스(woody biomass)는 산 림 바이오매스 가운데 목질부분을 가리키며, 바이오매스 연구 분야에서는 목재를 기원으로 하는 바이오매스의 총칭으로 사용한다. 목질 바이오매스는 수목 그 자체 외에도 원목, 제재, 집성재, 합판, 파티클보드 등의 목질보드류, 칩 등의 제품, 임지잔재, 제재공장에서 배출되는 수피와 톱밥, 죽데기 등 가 공폐목재, 건물의 신축과 해체 과정에서 발생하는 건설폐목재, 목질계의 물 류폐잔재 등도 포함하는 경우가 많다. 그러나 보통 바이오매스 연구는 널리 활용되어 오던 제품류는 제외하고 기존에 폐기물로 간주되어 온 부분에 관 심을 두고 있다. 구체적으로 산림 바이오매스의 종류는 <표 4-93>과 같다.
이 연구는 농업 분야의 바이오매스 이용 활성화에 한정하고 있으므로 도시와 산업체에서 발생하는 목질 바이오매스는 제외하고 숲 가꾸기 과정 에서 발생하는 임지잔재를 주요 연구 대상으로 하였다.
표 4-93. 산림 바이오매스의 종류
종 류 내 용
임지잔재
주벌이나 숲 가꾸기 등 산림생산 과정에서 발생하며 반출되지 않고 벌채지내에 방치된 잔재를 말한다. 여기에는 말구직경 7㎝이상으로 공업원료로 이용될 수 있는 목재도 있으며, 직경 6㎝이하의 어린나 무, 가지, 초두부 등 미활용되고 버려지는 것도 있다.
표고폐골목 표고버섯 재배에 사용되는 골목은 보통 3∼5년이 지나면 폐기되는데 이는 접종량과 동일하다고 볼 수 있다
도시가로수 도시가로수의 전정 가지
가공폐목재
제재, 합판, 칩, 보드류, 펄프 등을 생산하는 과정에서 발생하는 1차 가공폐목재와 가구, 악기, 건재 등을 생산하는 과정에서 발생되는 2 차 가공폐목재로 분류할 수 있다. 목재편, 톱밥, 수피 등이 발생한다.
건설폐목재 건물을 신축 또는 해체할 때 버려지는 목재와 토목공사에서 폐기되는 목재를 말한다.
생활폐목재 가정에서 폐기하여 시․군․구에서 수집하는 대형폐기물 중의 폐목 재를 말하며 폐가구 등이 여기에 포함된다.
물류폐목재
상품의 유통 과정에서 보관, 운반, 관리를 원활히 하기 위해 이용된 목재가 일정 기간 사용된 후 수명이 다하여 폐기된 목재를 말한다.
구체적으로 팔레트, 포장상자, 전선드럼, 철도침목, 전주 등의 폐목재 를 말한다.
흑 액 화학펄프제조 공정에서 목재섬유의 셀룰로오스를 추출하기 위해 리 그닌을 제거하는 과정에서 발생하는 검은색의 유기성 폐액.
4.1.2. 산림 바이오매스 에너지 이용의 형태
가. 산림 바이오매스의 에너지 변환 기술
목질 바이오매스의 에너지 변환기술은 크게 직접연소, 열화학적 변환, 생물화학적 변환으로 분류된다.
ꊱ 직접연소
대용량의 자동화된 난방시스템에서는 목재 칩이 주로 사용된다. 목재 칩은 수집된 임산 부산물을 분쇄하여 제조한다. 분쇄 과정에서 소비되는
에너지는 2∼5㎾h/t로 잠재 열량의 0.5% 이하이다. 자동화 난방 시스템의 연료로 사용하기 위해서는 최적 균일 크기를 유지하는 것과 수분 함량을 낮게 유지하는 것이 중요하다. 수분 함량에 따라 발열량이 크게 달라지므 로 저장방법도 중요하다. 목재 칩은 가공이 단순한 반면에 함수율이 높고 불균일하며 양이 많아 저장 공간이 많이 필요한 단점이 있다.
그러한 단점을 해결하는 수단으로 목질 펠릿(wood pellet)이 주목받고 있다. 목질 펠릿은 톱밥이나 목피 및 폐목재를 균일하게 파쇄하고 압축하 여 성형한 것이다. 펠릿의 길이는 10~20mm, 직경은 6~15mm로 하며 최대 25mm까지도 가능하며, 가정용으로는 6mm 정도가 적합하다. 목질 펠릿은 최소 발열량이 약 4,000~5,000㎉/kg이며, 함수율 8~13%, 무게 650kg/㎥, 등유 1㎥=펠릿 2.1t의 특성을 가지고 있다. 모양과 함수율이 일정하여 자 동 운전기기에 적합하고 밀도가 높기 때문에 수송에도 적합하며 건조된 것 은 장기간 저장할 수도 있다. 단점으로는 습기에 약하고, 성형 과정에 에너 지가 소비되며, 연소 후에 재가 남기 때문에 그 처리가 필요하다는 점이다.
유럽에서는 펠릿을 사용하는 난로 판매가 증가하고 있으며 지역난방에서 도 펠릿의 사용이 활발해지고 있다. 지역난방이 가능하지 않은 독립주택에서 는 지하실에 소형 펠릿 보일러를 설치하여 온수난방 하는 경우도 있다. 목질 펠릿을 보급하기 위해서는 수급상의 균형을 확보해야 하고 품질표준화가 필 요하고 석유와 동등한 수준의 안정적인공급체제가 구축되어야 한다.
ꊲ 열화학적 변환
바이오매스의 에너지 변환을 위한 열화학적 방법에는 가스화(Gasification), 열분해(Pyrolysis) 등이 있다. 열화학적 방법들은 반응시간이 수초 이내로 짧 아 반응기 단위부피당 처리량이 많고, 공정폐기물 발생량도 매우 적다. 가 스화는 800℃ 이상의 고온에서 바이오매스에 열을 가하여 수소와 일산화 탄소 등으로 구성된 혼합가스를 생산하는 기술로서 반응에 필요한 에너지 를 자체적으로 얻기 위하여 산소나 공기를 첨가한 부분 산화반응이 이용되 기도 한다. 열분해 기술은 공기나 산소가 없는 환경에서 외부에서 공급되 는 열에 의하여 바이오매스의 유기물을 액상이나 가스, 목탄으로 전환하는
기술이다. 가스화에서는 생성물질이 대부분 가스인 반면, 열분해에서는 기
ꊳ 생물화학적 변환
바이오매스를 미생물로 발효시키거나 혹은 메탄올을 더하여 에스테르 화하는 등의 기술이 있다. 가축배설물 등을 원료로 하여 메탄가스를 생성 하는 메탄발효와 식품폐기물인 폐식용유에서 바이오디젤 연료를 만들어 내는 에스테르화 등의 기술은 이미 이용되고 있지만 목질 바이오매스에 대 해서는 연구단계에 머무르고 있다. 전분을 원료로 하여 에탄올 발효하여 액체연료를 제조하는 기술에 대해서는 이미 실용화되어 있으며 셀룰로오 스계 바이오매스인 목질계 폐재와 미이용재를 당화하여 에탄올 발효하는 기술개발은 실증단계에서 추진되고 있다.
목재에서 에탄올을 만드는 것은 기술적으로는 가능하지만 전분을 주성 분으로 하는 농산물에 비해서 제조공정이 다단계(칩화, 탈리그닌, 당화, 정 제)이며 생산비가 높기 때문에 현실적인 제조기술의 개발이 필요하다.
우리나라에서도 목질계 바이오매스로부터 휘발유 대체연료인 바이오 에탄올을 생산하는 기술을 실용화하기 위해 많은 연구가 있었다. 그러나 양산 공정으로 활용하기에는 아직 문제점이 많아 현재 생산성 향상을 위한 요소기술 연구가 수행되고 있다.
나. 산림 바이오매스의 에너지 이용방법
산림 바이오매스를 에너지로 이용하는 가장 초보적인 형태는 장작과 목 탄이다. 전통적인 임산 에너지 이용은 우리나라를 비롯한 주요 선진국에서 그 비중이 크게 감소하였지만 세계적으로 보면 여전히 중요한 에너지원이 다. 특히 저개발국가에서는 취사용 연료로 널리 사용되고 있다.
임산 에너지의 이용 형태는 열, 발전, 동력이 있다. 열을 이용하는 경우 는 전통적인 장작과 탄의 이용 외에도 목재칩, 펠릿 등 다루기 쉽도록 개 발한 형태가 있다. 이들을 연소하여 증기, 온수, 온풍 등 열로 변환시켜 최 종적으로 난방과 급탕에 이용한다.
개별적 이용 외에 지역난방으로 이용하는 형태도 있다. 산림 바이오매 스를 연료로 사용하여 보일러에서 증기(온수)를 집중적으로 생산하여 지역
전체에 효율적으로 열을 공급하는 것이다. 지역난방 시스템은 북유럽에서
시스템을 구축하는 데는 효율이 높은 가스화에 의한 열병합 발전기술이 필 요하다. 가동 중인 석탄 화력발전소에서 바이오매스와 석탄을 혼합 연소 (co-firing)하는 것은 바이오매스 소비량이 많아 대체 에너지 보급 효과가 크다. 이러한 바이오매스의 다량소비는 바이오매스의 조달가능성에 따라 공정의 적용 여부가 제한되는 문제가 있다. 우리나라와 같이 바이오매스의 수집비용이 높은 곳에서는 특히 큰 문제가 될 수 있다.
그리고 아직 높은 비용 때문에 개발단계에 있지만 액체연료화가 가능해 지면 석유와 마찬가지로 자동차 등의 수송기관에도 이용하는 것이 용이하 게 된다.
이들 연료 형태는 지역의 전통과 생활관습, 산업발전의 방향, 지역개발 구상 등 그 지역의 특성을 따라 선택되어야 한다.
4.1.3. 산림 바이오매스 에너지 이용의 효과
가. 임업 및 산촌진흥에 기여
산림 바이오매스의 에너지 이용은 다른 화석연료와 달리 재생가능하다 는 장점이 있다. 그러나 바이오매스를 안정적으로 생산하기 위해서는 산림 의 생산조건을 훼손하지 않도록 지속 가능한 산림관리가 필요하다. 산림 바이오매스의 에너지 이용은 안정적인 연료 확보를 위한 산림자원 조성과 숲 가꾸기 사업, 목재의 수확․운반, 에너지 생산을 위하여 농․산촌 지역 에서 다수의 일자리를 창출하여 지역 임업과 산촌지역 진흥에 기여할 것이
산림 바이오매스의 에너지 이용은 다른 화석연료와 달리 재생가능하다 는 장점이 있다. 그러나 바이오매스를 안정적으로 생산하기 위해서는 산림 의 생산조건을 훼손하지 않도록 지속 가능한 산림관리가 필요하다. 산림 바이오매스의 에너지 이용은 안정적인 연료 확보를 위한 산림자원 조성과 숲 가꾸기 사업, 목재의 수확․운반, 에너지 생산을 위하여 농․산촌 지역 에서 다수의 일자리를 창출하여 지역 임업과 산촌지역 진흥에 기여할 것이