기획특집 바이오 신재생에너지－
유기성 폐자원의 바이오메탄 전환기술
정 진 영
한국과학기술연구원 환경기술연구단
Conversion Technology from Organic Wastes to Biomethane
Jin-Young Jung
Center for Environmental Technology Research, Korea Institute of Science and Technology
Abstract: 축산분뇨, 폐슬러지, 음식물쓰레기 등으로부터 바이오메탄을 생산하는 기술은 2012년부터 폐기물의 해양매립 금지 예정인 국제협약과 맞물려 국가에서 중점적으로 추진하고 있는 기술이며, 본 고에서는 유기성 폐자원으로부터 바 이오메탄을 생산 이용하는 국내⋅외 기술개발 및 시장동향에 대하여 조사하였다.
Keywords: organic wastes, biomethane, anaerobic digestion
1. 서 론1)
최근 유가의 가파른 상승과 더불어 바이오 매스로부터 대체에너지를 생산하는 바이오에 너지기술이 각광을 받고 있다. 바이오에너지기 술은 수송용연료분야, 유기성폐자원분야, 목질 계바이오매스 분야로 대별되며 그 중 유기성 폐자원분야는 최근 이들 폐기물의 단계적 해 양배출 감축대책 및 2012년 이후의 해양배출 불가에 따른 시급성으로 인해 국가의 주요 현 안문제로 대두되고 있다.
국내의 신재생에너지 공급량은 2006년 기준 5.2 Mtoe로서 총 1차 에너지 공급량의 2.24%
를 차지하고 있고, 이중 폐기물로부터 발생하는 대체에너지가 76.1%를 차지하며, 수력 16.6%, 바이오에너지 5.3%순으로 나타났다. 그 중 바 이오가스는 2006년 현재 77,390 TOE가 보급 되었다(자료출처: 2006년 신재생에너지통계, 에너지관리공단 신재생에너지센터).
혐기성 소화기술은 산소가 없는 상태에서 혐기성 미생물에 의해서 유기물이 수소나 메
저자 (E-mail: [email protected])
탄 등의 에너지원을 생산하는 기술이며, 1960
∼1970년대에는 주로 하⋅폐수 처리장 슬러지 의 부피저감을 위해 사용되었으나, 현재에는 가축분뇨, 음식물 쓰레기 등 고농도 유기성 폐 기물로부터 메탄을 생산할 뿐만 아니라 중⋅
저농도의 하⋅폐수로부터 메탄을 회수하는 기 술들이 전세계적으로 활발하게 적용되고 있다.
또한, 다양한 유기물원이 매립된 매립지에서 바이오가스를 회수하고 이용하는 기술들이 개 발되고 있다.
따라서, 혐기성 소화의 원리를 설명하고 그 간 정부에서 추진한 국내의 연구개발 현황 및 성과와 더불어 향후 시장전망에 대해서 기술 하였으며, 유럽, 미국 및 일본 등의 주요 해외 국가들의 기술개발동향을 소개하였다.
2. 혐기성 소화의 원리
혐기성 소화란 산소 부재상태에서 유기물을 분해하기 위해 혐기성 미생물을 이용하는 생 물학적 공정이다. 공학적 설계에 의한 혐기성
소화조 내에서의 유기물 소화는 밀폐 공간인 반응조 내에서 일어나며, 가스발생량과 폐기물 분해속도를 극대화하기 위해서는 반응조 내의 수분함량, 온도, pH와 같은 환경조건들이 중 요하다. 혐기성 소화는 다양한 유기물을 분해, 안정화시키는데 필요한 가수분해단계, 산생성 단계, 메탄생성단계로 구성된다.
2.1. 가수분해단계(Hydrolysis)
복잡한 유기화합물(탄수화물, 단백질, 지질) 이 가수분해균과 발효균의 가수분해효소에 의 해 분해되는 과정으로, 다당류, 탄수화물, 단백 질, 지방, 리그닌, 셀룰로오스 등의 복합유기물 이 용해성의 당, 알콜, 지방산, 아미노산, 폴리 펩타이드 등의 Monomer나 Oligomers로 분해 된다. 고형물이 많은 폐수인 경우 가수분해 단 계가 전체 공정의 율속단계가 되기 때문에 유 입 고형물의 크기가 미세할수록 효율이 향상 된다.
2.2. 산생성단계(Acidogenesis)
산생성단계에서는 산생성균(Acidogens)에 의 해 가수분해산물이 프로피온산, 부틸산, 아세 트산, 기타 저분자 유기산 및 수소, 이산화탄 소로 전환된다. 가수분해단계에서 생성된 용존 성 저분자 유기물을 프로피온산, 부틸산으로 분해시키는 미생물은 산생성균이고 이들 미생 물에 의해 생성된 유기산을 아세트산으로 분 해하는 미생물은 아세트산 생성균이다. 산생성 균은 메탄생성균에 비해 증식율과 기질 이용 속도가 빠르고 환경변화에 더욱 안정적인 특 성을 가지고 있다. 산생성단계는 가수 분해되 어 생성된 단당들이 프로피온산이나 부틸산까 지 분해되는 단계와 프로피온산 등을 이용하 여 최종적으로 아세트산으로 분해되는 Aceto- genic 단계로 나누어지는데, Acetogenic 단계 에서는 기질(lactic, propionic, butyric, valeric acids; 긴 탄소 고리를 가진 지방산, 에탄올) 이 분해되어 메탄형성의 기질인 아세트산, 수 소가스, 이산화탄소가 만들어진다.
Figure 1. 유기성폐기물의 혐기성 소화 단계.
2.3. 메탄생성단계(Methanogenesis)
혐기성 소화의 마지막 단계로 수소를 기질로 이용하여 메탄을 생성하는 미생물군인 Hydro- genotrophic Methanogens와 아세트산을 기질 로 이용하는 미생물군인 Acetoclastic Metha- nogens에 의해 혐기성 소화의 최종 생산물인 메탄과 이산화탄소를 생산한다. 두 종류의 미 생물군은 절대 혐기성균이며 기질이용과 동력 학적 특성에 있어서 상이한 특성을 가지고 있 으며, 메탄생성균은 산생성균에 비해 pH, 온 도, 독성물질 등 환경변화에 매우 민감하고, 증식 속도나 기질 이용률이 낮다.
따라서, 혐기성 소화조의 효율을 향상시키기 위해서는 운영관리상 여러가지 환경조건을 적 절하게 관리하여야 한다. 특히, 고형물을 원료 로 사용할 경우에는 가수분해단계가 전체공정 의 율속단계로 작용하고 있기 때문에 혐기성 소화공정에 있어서 가수분해를 촉진시키기 위 한 기술의 도입은 전체 혐기성 소화공정의 소 화효율 및 바이오가스의 생산을 향상시키는데 있어서 가장 중요하다고 할 수 있다.
Table 1. 신재생에너지기술개발사업 지원현황(’88~’06)
’88~’02 ’03 ’04 ’05 ’06 계
과제수 바이오 79 6 10 4 11 110
전체 471 69 116 44 65 765
정부 지원금 (단위:백만원)
바이오 (%)
17,676 (11.6%)
2,866 (8.7%)
4,233 (7.2%)
4,213 (5.3%)
7,724 (6.7%)
36,712 (8.4%) 전체 151,920 32,963 58,788 79,370 115,788 438,829
* ( )안의 수치는 전체 정부지원금 중 바이오분야에 지원된 금액의 비율을 나타냄.
3. 그간(’88~’06) R&D 추진현황
신재생에너지기술개발사업(산업자원부 지원) 은 ‘선행연구사업 - 일반기술개발사업 - 실증연 구사업’의 단계로 진행되었다. 선행연구사업 (2000년~)은 기술개발사업의 기반기술 확보 를 위해 출연연구소 또는 대학을 대상으로 지 원되며, 일반기술개발사업(1988년~)은 시장의 기술수요에 의해 필요하다고 인정되는 기술을 기업위주로 추진하였다. 또한, 실증연구사업 (2001년~)은 기술개발이 완료된 사업에 대하 여, 제품의 내구성, 신뢰성 향상을 위해 추진 하는 현장 적용 사업이다. 이러한 과정으로 진 행되는 신재생에너지기술개발사업은 신재생에 너지 11개 에너지원을 대상으로 1988년 이후 지속적으로 진행되었다. 신재생에너지기술개발 사업은 1988년부터 2006년까지 총 765개 과제, 총 사업비 7,059억원(정부지원금 4,388억원, 약 62%)을 지원하였으며 그 중, 바이오분야에 대 한 지원은 Table 1과 같이 1988년부터 2006년 까지 총 110개 과제, 총 사업비 554억원(정부 지원금 367억원, 약 66%)을 지원되었으며, 이 중 혐기성 소화를 이용한 유기성폐자원의 바 이오가스(메탄) 전환 과제는 36개로 총 사업 비는 250억원(정부지원금 158억원)에 이른다.
해당 과제들은 혐기성 소화를 이용하여 유 기성폐자원(축산분뇨, 하수슬러지, 음식물쓰레 기 등)을 바이오가스(주로 메탄)로 전환하거 나, 매립지가스를 포집하여 이용하는 기술이 대부분으로 완료되었거나 현재 수행 중인 과
제들의 세부 내역은 다음의 Table 2와 같다.
4. 주요 R&D 성과
4.1. 기술적 성과
4.1.1. 혐기성 소화 기술
유기성폐자원 분야의 기술개발은 혐기성 소 화 공정을 중심으로 원료에 대한 전처리 기술, 바이오가스를 정제하여 활용하는 기술 등이 개발되었다.
기술 개발 초기 단계에는 주정 폐수, 전분질 계 폐수, 돈분, 폐비지 등 다양한 원료를 가지 고 혐기 소화를 시도하였다. 각 원료의 특성을 분석하고 그에 맞는 소화 공정을 개발하였고, 후속 과제를 통하여 문제점을 보완하고 효율 증대를 위해 공정을 개선하였다.
최근 10년 동안은 축산분뇨의 바이오가스화 에 대한 관심이 증대되면서, 그와 관련된 사업 도 증가하였다. 축산분뇨, 음식물쓰레기, 하수 슬러지 등의 고농도 유기성폐자원의 통합 소 화에 대한 연구와 이를 열병합 발전에 사용하 기 위한 연구가 시작되었다. 또한, 원료의 소 화 효율을 높이기 위한 전처리 기술, 메탄 순 도를 높이기 위한 정제 기술, 체류시간을 줄이 기 위한 기술, 부산물로 발생되는 액비 생산 기술 등의 관련 기술이 지속적으로 연구되었다.
이 후, 기술개발 규모를 점차 늘려가며, 실 증 연구 규모의 설계 기술을 확보하고, 상용화
Table 2. 신재생에너지기술개발사업 바이오에너지 유기성폐자원 분야 과제 지원 내역(’88∼’06) (2006년 신규과제까지 포함)
구분 과제명 주관기관
(수행책임자)
사업 기간
사업비 (백만원) 정부
지원금 민간 부담금 총 기술
개발 주정 폐기물의 최적 에너지화 방안 연구
한국에너지 기술연구원 (홍종준)
88.11∼
90.12 122 36 158 기술
개발 주정폐액의 메탄발효 최적화 연구 및 신공정 개발 아주대학교
(김 철) 88.11∼
90.12 76 - 76 기술
개발
돈분을 원료로 한 대형 메탄가스 발생시설의 메탄 가스 발생량 측정시험 연구
연암축전 (리주배)
89.04∼
90.12 70 - 70 기술
개발
전분공업 폐수의 고속 메탄 발효를 위한 발효 프 로세스의 개발
고려대학교 (양한철)
89.09∼
91.12 36 - 36 기술
개발 폐비지를 이용한 메탄의 생산 정식품
(손헌수)
89.09∼
91.12 20 116 136 기술
개발
고농도 주정폐수의 고효율 메탄발효를 위한 신공 정 개발
두산기술원 (고의찬)
89.09∼
91.12 50 86 136 기술
개발 메탄발효에 의한 폐기물의 에너지화 연구 KIST (정윤철)
89.09∼
91.12 118 - 118 기술
개발 USAB에 의한 고속 메탄가스 제조기술 개발 코오롱ENG.
(손성섭)
90.08∼
93.02 291 471 762 기술
개발 고성능 메탄발효조 실용화 연구 (주)대우건설
(박칠림)
90.08∼
93.02 311 837 1,148 기술
개발
10톤 규모 산업폐수 이용 고효율 신공정 메탄가스 제조기술
(주)대우건설 (박칠림)
93.02∼
95.12 290 495 785 기술
개발 산업 폐수를 이용한 고율 메탄 제조기술의 실용화 (주)대우건설 (박칠림)
96.01∼
97.12 83 364 447 기술
개발
고농도 유기폐수의 메탄발효 에너지화를 위한 막 분리형 2상 반응시스템의 개발
KIST (정윤철)
96.01∼
98.12 421 120 541 기술
개발
고성능 이단 ASBF공정에 의한 축산폐수의 메탄 전환기술 개발
선문대학교 (김종수)
96.12∼
99.12 330 112 442 기술
개발 1000만m3/년 이상 규모 LFG 실증실험 동아건설산업 (김두영)
98.01∼
99.12 366 132 498 기술
개발
농축산 폐기물의 통합 소화처리에 의한 에너지 및 비료 생산공정 개발 연구
한국에너지 기술연구원 (박순철)
99.01∼
99.12 85 - 85 기술
개발
고농도 유기폐수로부터 메탄에너지의 생산 및 이 용을 위한 종합시스템 개발
KIST (정윤철)
99.01∼
02.03 441 152 593 기술
개발
슬러지/음식물 통합소화에 의한 바이오가스 이용 기술 실용화 연구
한국에너지 기술연구원 (박순철)
00.01∼
02.12 540 182 722 기술
개발 매립지가스로부터 도시가스 생산기술 개발
한국에너지 기술연구원 (김종남)
00.01∼
03.02 370 127 497 기술
개발
Pulse발생시스템을 이용한 하수슬러지의 고효율 메탄 전환기술 개발
(주)대우건설 (김기동)
00.01∼
03.05 615 640 1,255
구분 과제명 주관기관 (수행책임자)
사업 기간
사업비 (백만원) 정부
지원금 민간 부담금 총 기술
개발
고농도 유기성 폐수의 고효율 메탄생산을 위한 이 상소화시스템 개발
(주)대우건설 (김기동)
01.02∼
04.01 178 309 487 기술
개발 Gas Engine을 이용한 LFG활용공정의 상용화 (주)에코솔루션 (이상봉)
01.02∼
03.01 357 144 501 기술
개발
LFG를 이용한 350 kW급 전소형 가스엔진 발전 시스템 개발
한국기계연구원 (이장희)
02.06∼
05.05 567 608 1,175 기술
개발
PLC를 이용한 일체형 이상혐기 공정 및 신경회로 망형 원격제어기술 개발
포항공과대학교 (황석환)
02.06∼
05.05 364 129 493 실증 유기성폐자원의 바이오가스 생산 및 이용 기술 실
증연구
KIST (정윤철)
03.10∼
05.12 158 76 234 실증 LFG이용 에너지설비의 실용화평가에 관한 연구 (주)거신기술
(이덕생)
03.10∼
04.9 92 46 138 기술
개발
중⋅소규모 매립지에서의 LFG 생산 효율 향상을 위한 한국형 Bioreactor 매립기술 및 에너지 이용 기술 개발
서울산업대학교 (김낙주)
04.06∼
07.05 1,550 550 2,100
선행 음식물 쓰레기를 이용한 청정가스(수소/메탄) 생 산 공정 개발
KIST (상병인)
04.12∼
06.12 200 - 200 기술
개발
하이브리드형 반응기를 이용한 분뇨, 축산폐수, 하 수슬러지 및 음식물쓰레기의 고효율 바이오 가스 생산 및 재활용 기술 개발
(주)제오텍 (김준현)
04.12∼
07.12 625 233 858
실증 이상혐기공정의 축산폐수 적용을 통한 바이오 가 스 생산 및 에너지이용기술 실증연구
(주)대우건설 (홍승모)
04.08∼
06.07 597 680 1,277 실증 농가형 축산분뇨 처리를 통한 바이오가스화 처리
공정 개발 실증
유니슨(주) (김금모)
05.08∼
08.07 1,024 371 1,395 기술
개발
유기성폐자원과 음식물 탈리액 혼합 처리를 위한 고효율 고온혐기성소화공정 개발
인하대학교 (배재호)
05.12∼
08.12 614 212 826 기술
개발
고농도 유기성 바이오매스의 선택적 고율 혐기성 공정 적용을 통한 바이오 가스 발전
(주)대우건설 (홍승모)
06.08∼
09.07 2,636 906 3,542 실증 국산엔진을 이용한 LFG발전 실증연구 한국기계연구원
(이장희)
06.08∼
08.07 970 334 1,304 선행 고성능 혐기성 생물전환기술을 이용한 바이오에너
지 및 동력생산의 향상
영남대학교 (안영호)
06.08∼
08.07 161 - 161 기술
개발
축산 폐기물 Bio-Energy를 이용한 마이크로 가스 터빈 분산발전시스템 실용화기술개발
한전전력연구원 (임상규)
05.03∼
08.07 545 435 980 기술
개발 차세대 하이브리드 통합소화공정 개발 포항공과대학교
(황석환)
06.12∼
09.11 360 122 482
총 36개 과제 15,817 9,193 25,010
* 학술진흥사업 과제 및 중단 과제는 제외함.
를 위한 기술 개발을 진행하였다. 기술개발에서 실증 단계로 이어진 대표적인 사례로는 한국과 학기술연구원과 대우건설의 혐기소화 실증 플 랜트가 있다.
한국과학기술연구원(KIST)은 1999년부터 2002 년까지 ‘고농도 유기폐수로부터 메탄에너지의 생산 및 이용을 위한 종합시스템 개발’ 사업으 로 기술개발을 완료하였고, 2003년부터 2005년 까지 ‘유기성폐자원의 바이오가스 생산 및 이 용 기술 실증연구’과제를 통하여 5 ton/day 규모의 실증 플랜트를 경남 창녕에 설치하였 다. 이 실증 플랜트는 2007년 5월 처리 규모를 10 ton/day로 증가시키고 현재 가동 중에 있 고, 관련기술을 (주)삼올에 기술이전하여 상용 화를 추진중이다. 대우건설은 2001년부터 2004 년까지 ‘고농도 유기성 폐수의 고효율 메탄생 산을 위한 이상소화시스템 개발’을 완료하고, 2004년부터 2006년까지 ‘이상혐기공정의 축산 폐수 적용을 통한 바이오 가스 생산 및 에너 지이용기술 실증연구’를 수행하며 수원 축산연 구소 내에 10 ton/day 규모의 실증 플랜트를 설치하였다. 이외에도 축산분뇨의 바이오가스 화 플랜트 실증 사업으로 유니슨에서 진행 중 인 ‘농가형 축산분뇨 처리를 통한 바이오가스 화 처리공정 개발 실증’ 과제로 충남 청양에 처리 규모 20 ton/day급의 실증 플랜트가 설 치되어 가동 중에 있다.
현재 진행 중인 ‘하이브리드형 반응기를 이 용한 분뇨, 축산폐수, 하수슬러지 및 음식물쓰 레기의 고효율 바이오 가스 생산 및 재활용 기술 개발’ 과제는 축산폐수뿐만 아니라 하수 슬러지, 음식물쓰레기의 통합소화를 시도하고 있으며, ‘유기성폐자원과 음식물 탈리액 혼합 처리를 위한 고효율 고온혐기성소화공정 개발’
과제는 음식물 탈리액과 공장에서 발생하는 유기성 폐수를 혐기 소화하여 CDM 사업과 연계하기 위해 노력 중에 있다. 또한, ‘고농도 유기성 바이오매스의 선택적 고율 혐기성공정 적용을 통한 바이오 가스 발전’ 과제는 축산분 뇨와 하수슬러지, 음식물쓰레기의 통합소화에
대한 연구로 70 ton/day 규모를 목표로 하고 있으며, ‘차세대 하이브리드 통합소화공정 개 발’ 과제는 처리효율을 높이기 위한 전처리 방 법과 분해속도 향상을 위한 하이브리드형 반 응기를 연구하고 있다.
4.1.2. LFG 활용 기술
매립지가스와 관련된 기술개발은 매립지가 스를 포집하는 기술, 이산화탄소를 정제하고 분리하는 기술, 발전이나 압축 등에 이용하는 기술 등을 중심으로 진행되었다. LFG 사업은 1998년 Pilot Plant를 설치하고 그에 대한 타 당성을 분석하는 사업으로 본격적인 기술개발 을 시작하였다. 그 후, 가스 정제 및 LFG를 활용한 바이오가스 엔진 개발 등의 과제를 진 행하여 상용화를 위한 노력을 하였다. 한국기 계연구원은 2002년부터 2005년까지 ‘LFG를 이용한 350 kW급 전소형 가스엔진 발전 시스 템 개발’ 과제를 통하여 엔진을 개발하였으며, 이에 대한 실증연구로 2006년부터 ‘국산엔진을 이용한 LFG발전 실증연구’를 시작하여 수도 권매립지에서 700 kW (350 kW 2기)급 엔진 을 실증 연구 중에 있다. 엔진 개발뿐 아니라 매립지가스의 발생량과 속도를 증가시키고 매 립지의 안정화를 앞당기기 위하여 서울산업대 학교에서 진행한 ‘중⋅소규모 매립지에서의 LFG 생산 효율 향상을 위한 한국형 Bioreactor 매 립기술 및 에너지 이용 기술 개발’ 과제가 2007년 8월 기술개발에 성공하였다.
또한, 최근(2007년 6월) ‘바이오가스 액화공 정을 통한 LNG 생산 및 CO2 회수기술’ 과제 로 액화 공정을 통한 LNG 생산 기술개발을 시작하였다. 그리고, LFG 액화 관련 기술은 신재생에너지기술개발사업뿐 아니라 여러 기 업의 기술개발로 Table 3와 같은 성과를 이루 었다. 하지만 국내 LFG의 자원화 수준은 상 당히 낮은 편이므로, 지속적인 기술개발과 상 용화가 필요한 실정이다.
Table 3. LFG 액화 관련 기술 현황
기술구분 기술내용
LFG안정적공급/포집 LFG포집기술은 상용화 시험 중이고 매립지의 안정적 공급을 위하여 Bio-Reactor Landfill이 연구되고 있음
CO2정제 및 분리 액체 탄산 및 드라이아이스 기술이 상품화되어 있으며 흡수 법을 이용한 분리기술은 연구개발단계임
초저온냉각기술 극저온냉동기술과 시스템개발이 학계에서 연구되고 있으며 액체질소 등의 제조 플랜 트가 상용화되어 있음
LNG 기반 시설시공 건설사를 위주로 대형 LNG 생산 Plant 시공경험이 있으며 LNG 저장탱크, 충전, 기 화기 등이 제작되고 있음
초저온저장용기 LNG 저장탱크 제작기술과 이동충전차량 제작기술이 확보됨
4.2. 산업태동 성과
혐기성 소화를 이용하여 유기성폐자원에서 바이오가스를 생산하는 기술과 LFG를 이용한 발전 시스템 개발 등은 기술개발 단계를 거쳐 실증연구사업으로 연계되었다. 실증연구사업은 기술개발이 완료된 사업을 현장에 적용하는 사업으로 산업화를 위해 반드시 필요한 단계 이다.
지금까지 수행된 실증연구사업 중, 혐기소화 를 이용한 축산분뇨의 바이오가스화 사업은 2006년 신재생에너지시범보급사업(경기도 이 천, 처리용량 20 ton/day)으로 연계되었으며, 그 성공으로 2007년 신재생에너지지방보급사 업으로 이어졌으며 2008년에도 지속적으로 보 급사업을 추진할 예정이다.
이러한 기술개발사업 및 보급사업의 성공과 고농도 유기성폐자원의 해양투기 금지 등의 환경적 요인으로 인해 국내의 바이오가스 관 련 사업에 대한 관심이 높아졌다. 지자체에서 도 국외 기업과의 MOU 체결 등을 통해 바이 오가스 플랜트 사업에 많은 투자와 노력을 기 울이기 시작했으며, 관련 정부 부처에서도 그 중요성과 파급 효과를 인식하기 시작하였다.
본격적인 상용화를 위하여 현재 정부 지원의 사업뿐 아니라 민간 자본과 해외 자본을 활용 한 사업이 추진 중에 있다.
5. 국내 시장 동향
5.1. 보급현황 및 생산 실적
최근 5년간 신재생에너지는 Figure 2, Table 4와 같이 꾸준히 증가하였으며, 이에 따라 바 이오에너지의 보급량도 증가하였다. 신재생에너 지 중 바이오에너지가 차지하는 비중은 2002년 4.0%에서 2004년 2.9%로 감소하였다가 2006 년 5.3%로 크게 증가하였다. 신재생에너지 중 에서 차지하는 비중은 감소하였으나 보급량은 꾸준히 증가하여, 2006년 약 27만 TOE를 보 급하는 성과를 거두었다.
Figure 2와 Table 4에 의하면 유기성폐자원 을 이용한 바이오에너지 보급량은 전체 바이 오에너지 보급량의 상당한 부분을 차지하고
Figure 2. 신재생에너지 중 바이오에너지 보급 비 율(최근 5년간).
Table 4. 최근 5년간 보급 실적 (단위 : TOE)
2002 2003 2004 2005 2006
신재생에너지1) 2,917,330 4,437,428 4,582,407 4,879,211 5,225,192 바이오에너지2)
(%)
116,790 (4.0%)
131,068 (3.0%)
134,966 (2.9%)
181,275 (3.7%)
274,482 (5.3%)
유 기 성
유기성폐자원 총합3) (%)
68,349 (58.5%)
86,052 (65.7%)
95,539 (70.8%)
86,410 (47.7%)
131,221 (47.8%) 바이오가스4) 40,446 47,984 46,949 43,782 77,390 매립지
가스5)
전기 17,695 25,048 36,732 32,399 38,630 열 10,208 13,020 11,858 10,229 15,201 출처 : 2006년 신재생에너지통계(에너지관리공단 신재생에너지센터)
1) 신재생에너지 전체 보급량
2) 바이오에너지 보급량과 전체 신재생에너지 보급량 중의 바이오에너지 비율 3) 유기성폐자원에 의한 보급량과 전체 바이오에너지 보급량 중의 비율 4) 검사대상 보일러 중 바이오가스를 연료로 사용하는 설비
5) 매립지가스를 이용하여 전기 또는 열을 생산하는 설비
* 바이오가스와 매립지가스 이외에도 바이오디젤, 우드칩, 성형탄, 임산연료 등이 바이오에너지에 포함됨
있다. 2005년부터 임산연료 보급량이 포함되 고, 2006년에는 바이오디젤 보급과 바이오가스 를 이용한 보급 사업이 시작되면서 보급량이 크게 증가하였다.
Figure 3은 유기성 폐자원을 이용한 바이오 에너지 보급량을 나타내었다. 유기성 폐자원을 이용한 바이오에너지는 크게 바이오가스와 매 립지가스로 나뉘며, 매립지가스는 발전 부분과 열 생산 부분으로 구분된다. 최근 5년간의 바 이오가스와 매립지가스 보급량은 꾸준히 증가 하였고, 특히 2006년 보급사업의 시작과 함께 바이오가스 부분의 보급량이 급증한 것으로 보아 향후 본격적인 보급 사업이 시작되면, 보 급량은 크게 증가할 것으로 예측된다.
5.2. 유기성 폐자원의 자원화 현황
국내 유기성 폐자원은 지역적으로 그 발생량 과 분포가 다양하며 처리, 처분 및 재활용 방법 도 여러 가지 방법이 시도되고 있으나 부적절 한 처리방법으로 인하여 유용자원의 투기와 소각과 함께 사회적으로도 심한 환경오염이 초래되고 있다. 특히 폐기물의 자원화, 에너지 화가 전 세계적인 추세임을 감안하면 최근 고
Figure 3. 유기성폐자원을 이용한 바이오에너지 보급량(최근 5년간).
유가 시대에 있어서 유기성 폐자원의 에너지 원으로의 활용은 시급한 실정이다. 유기물이 다량으로 함유된 폐액의 경우 혐기성 분해에 의해 다량의 바이오 가스 생산이 가능하며 이 때 생산되는 바이오 가스는 메탄가스를 50∼
60% 함유하고 있어 경제적 가치가 매우 높다.
국내에서 발생되는 대표적인 고농도 유기성 폐자원은 하수슬러지, 음식물쓰레기, 축산폐수 이며, 현재 이와 같은 폐기물들에 대한 관리기 준이 엄격해지고 있어, 경제성을 고려한 처리
방법에 관심이 집중되고 있다. 특히 이러한 유 기성폐자원들은 국내외에서 심각한 환경문제 를 야기하는 원인물질로 분류되어 국내법규와 국제협약 등을 통해 직매립금지, 해양투기금지 등의 규제가 강화되고 있는 추세이다. 선진유 럽의 경우 이러한 유기성폐자원들을 재자원화 하는데 집중하고 있으며, 이에 따라 대상 처리 시설의 80% 이상이 혐기성 소화조로 이루어 져 있고, 시설에서 나오는 바이오가스를 적극 적으로 에너지화 하고 있는 실정이다.
Figure 4는 국내의 바이오매스 가용자원 현 황 및 고농도 유기성폐자원의 바이오매스 가 용자원을 보여주고 있다. 전체 가용자원 231.6 만 TOE/년 중 고농도 유기성폐자원이 차지하 는 비율은 약 5%인 9.6만 TOE/년으로 나타 나 있으며, 이를 세분화 시 음식물쓰레기 가용 자원이 5.1만 TOE/년으로 가장 많다. 그러나 가용자원 평가 시 각 항목별로 전체 부존자원 중 음식물쓰레기는 30%, 하수슬러지는 50%, 축산분뇨는 약 3%로 산정하여 평가한 결과이 므로 축산분뇨의 비율이 높아질 경우 전체 고 농도 유기성폐자원 바이오매스 가용자원은 더 욱 높아질 것으로 예상된다.
축산분뇨의 처리에 대해 국내 적용기술현황 은 대부분 재생에너지화 방법이 아닌 수처리 개념으로 처리하고 있는 관계로 에너지화 비 율을 상대적으로 낮게 잡은 것으로 사료되나, 선진 유럽의 경우 발생되는 축산분뇨의 80%
이상을 소화조 처리하고 있어 가용자원에 대 한 축산분뇨의 비율은 매우 높아질 것으로 예 상되고 있다.
국내 유기성폐자원은 9.6만 TOE/년 이상의 잠재적 에너지를 보유하고 있으나, 선진국과 달리 국내의 경우 고농도 유기성폐자원을 처 리하기 위한 시설 중 에너지화 시설은 소수에 불과하며 그 마저 하수슬러지를 처리하기 위 한 시설이 대부분이며 음식물쓰레기 및 축산 폐수처리의 소화조 시설은 거의 전무한 상태 이다. 이러한 주된 이유는 지금까지 국내 여건 상 혐오처리시설의 대형화가 요원하여 주로
Figure 4. 바이오매스 중 유기성폐자원 가용자원 현황(단위: 만 TOE/년).
소형으로 운영되고 있는 관계로, 이런 규모의 혐기성 소화시설 운영 시, 생산되는 바이오 가 스의 에너지화가 경제적 가치 면에서 떨어지 기 때문이다. 또한 생산된 바이오 가스의 활용 기술 측면에서 보면 현재 사용되는 기술은 주 로 보일러온수로 사용하거나 가스발전을 통해 전기를 생산하는 기술이 전부이며, 이와 같은 기술들은 생산된 에너지 활용지역이 국한되는 문제와 생산된 전력의 경우 전력 소비처까지 의 이송에 대한 설비 및 송전탑 설치지역의 민원발생 등의 문제점을 안고 있다.
따라서 현재 국내의 현존하는 바이오가스 에너지화 기술로는 생산된 에너지를 처리장 내에 제한적으로 사용하고 있는 열악한 실정 이므로, 재생된 에너지 사용의 광역화를 위해 저장 및 이동이 간편한 기술의 개발이 필요할 것으로 사료된다.
5.3. 장기 시장 전망
현재 발생되는 막대한 양의 유기성폐자원을 바이오가스와 같은 에너지로의 전환방식이 아 닌 호기성공정에 의해 처리하는 방법은 환경 오염의 심화뿐 아니라 처리 시 에너지 소모량 이 너무 크다. 따라서, 이들 폐기물을 에너지 생산 공정으로 전환하여 재생에너지로 생산할 때 그 경제적 가치는 막대할 것으로 사료된다.
현재 산업계 전반에 걸쳐 고유가 현실은 가장 큰 문제점으로 대두되고 있어, 그 대안 마련에 부심하고 있으며, 특히 우리나라와 같은 에너 지 수입 국가는 더욱 큰 문제에 봉착하고 있 다. 이의 대응책으로 재생 가능한 바이오에너 지에 대한 관심이 집중되고 그 중 폐기물에
포함된 유기물의 에너지화는 자원의 재순환이 라는 환경적 가치와 고열량을 가진 에너지원으 로서의 경제적 가치를 동시에 만족하며 에너지 원의 다변화를 꾀하는 국가정책에도 잘 부합되 는 훌륭한 대안이 된다는 인식이 확산되고 있 다. 이런 결과로 한국형 소화조에 대한 기술적 연구가 집중되고 있으며, 향후 빠른 시일 내에 유기성 폐자원 처리를 위한 소화조의 대형화 설비는 상용화 될 것으로 파악된다. 그러나 상 용화된 바이오가스 생산설비에서 가스의 활용 에 대한 현존 기술들은 생산된 에너지의 국지 적 사용의 한계성을 내포하며 간접적인 에너지 활용으로 인해 에너지 효율이 떨어지는 문제점 을 내포하고 있다. 이와 같은 이유로 저장성과 이동성이 탁월하고 직접적인 에너지 활용이 가 능하며 수익성이 보장되는 에너지 활용기술의 국산화는 필연적이라 할 수 있다.
현재 바이오가스 공정의 국내 활성화를 위 해서는 다음과 같은 제도적 지원 및 보완과 더불어 국민들의 적극적 참여와 지지가 필요 한 것으로 판단된다.
□ 시범보급사업의 확대 추진을 통한 최적기술 검증
2007년 현재, 산업자원부에서는 축산농가에 대한 유기성 폐자원으로부터 바이오가스의 생 산 및 에너지생산기술에 대한 시범사업을 추 진하고 있으며, 이를 확대 추진하여 최소 10개 이상의 국내외 기술개발업체의 경쟁을 도모하 여 국내실정에 가장 적합한 축산분뇨의 혐기 성 소화시스템을 검증하고 더불어 전력 판매 를 통한 농가소득 증대를 도모할 필요가 있다.
□ 정부 부처 간의 긴밀한 협력과 논의 필요 축산분뇨 바이오가스 플랜트의 경우, 에너지 문제, 환경문제와 농촌문제가 모두 연결되어 있어 부처 간 긴밀한 협력과 논의가 필요하다.
2004년 환경부와 농림부가 공동으로 수립한
“축산분뇨관리대책”에 바이오가스 플랜트 활 용측면을 추가해 재검토할 필요가 있다.
□ 발전차액 보전제도의 개선
현재 국내에서 생산되고 있는 바이오가스의 경우, 시장가격이 1 kWh당 70원 내외의 저가 로 판매되고 있어, 독일 등의 선진유럽과 같이 100원/kWh 이상의 가격을 보장해줄 수 있도 록 제도를 개선함으로써 개발기술의 보급 확 산이 가속화될 것으로 판단된다.
□ 사회적 지지와 농가의 참여
유기성 폐자원의 바이오가스 플랜트의 활성 화를 위해서는 인내와 더불어 사회적 지지와 농가의 참여가 필요하다. 특히, 공동처리 및 통합 처리형 플랜트는 혐오시설로 간주되어 입지선정에 어려움을 겪을 가능성이 크기 때 문에 사전에 주민들과의 충분한 협의가 필요 하다.
6. 해외 주요 국가의 기술동향 분석
6.1. 유럽연합(EU)
유럽은 바이오에너지의 기술이 상당히 발전 해 있어, 그 기술을 토대로 공급사업자 중심의 바이오매스 생산 및 보급 확대가 이루어지고 있고, 기술개발과 실증을 지원하는 프로그램을 각국 또는 EU 차원에서 마련하여 기술개발이 실증사업으로 연계되고, 보급이 활성화될 수 있는 체계를 마련하였다.
□ EU의 바이오에너지 산업 육성전략
□ “도약의 캠페인 계획(Campaign for Take-Off)”:
21세기 대체에너지 실행계획
⋅2010년까지 총에너지소비 중 대체에너지 비중을 12%로 높인다는 목표
⋅2010년 생산 대체에너지 중 바이오에너지 비중 은 74%(1차 에너지 소비의 8.9%), EU는 생활 폐기물 소각 등을 바이오에너지로 분류
⋅10,000 MWth(열 출력) 외 바이오매스 열병합 발전 ⋅100만호 바이오매스 개별난방
⋅1,000 MWe 메탄가스 발전 ⋅500만톤 바이오에탄올/디젤 공급
Figure 5. 미국의 Biomass Program 사업수행 및 조직체계.
독일은 고정가격 우선 매입제도, 프랑스와 아일랜드는 입찰제도, 신재생에너지발전 의무 비율 할당제 등을 도입하여 바이오가스 플랜 트사업의 활성화를 도모하고 있어, 세계적인 선도 기업을 많이 보유한 유럽은 앞으로의 시 장 전망 역시 밝은 것으로 판단된다.
6.2. 미국
온실가스 발생 감소과 함께 환경개선 효과 를 동시에 확보하기 위하여 유기성폐자원으로 부터 바이오가스 회수기술을 보급하였으며, 환 경청, 농무성, 에너지성의 협조 하에 진행되고 있다. ‘Biomass Research and Development Act of 2000'에 기반을 두고 이용분야를 세분 화하여 각각에 대한 중장기 목표를 설정하고, 달성하기 위한 사업을 추진 중이며, 바이오매 스 이용전략의 중심이 되고 있는 ‘Biomass Program'은 혐기성 소화를 통한 바이오가스화 를 포함하고 있으며, 에너지 효율 향상과 온실 가스 배출량 저감을 목표로 하고 있다.
2003년 이후 약 2천 5백만 달러가 축산분뇨 처리를 위한 혐기성 소화조 건설에 투입되었
고, 다수의 기업들이 상용 기술을 보유하고 있 어 기술을 적용한 다양한 사례가 많다.
6.3. 일본
우리나라와 여러 가지 조건이 유사한 일본 은 아시아 국가 중 바이오에너지 관련 기술이 발달한 국가로 일본의 발전과정은 우리나라가 나아가야 할 방향을 제시해 줄 수 있다. 고효 율 바이오매스 변화기술 개발 및 실용화, 바이 오리파이너리 기술 개발, 바이오매스의 다단계 적 이용 및 다분야 기술과의 연계체계 구축을 통해 기술개발을 추진 중이고, 예산지원 중 연 구단계와 실증시험단계에 대한 예산을 구분하 여 철저한 실증을 거쳐 보급이 되도록 유도하 고 있다. 일본에서는 ‘바이오매스⋅일본’의 원 활한 실현을 위하여 해결해야할 과제에 대해 실시주체 및 실시시기와 역할을 분명히 명 시한 구체적 행동계획을 제시하여, “바이오 매스⋅일본 종합전략”을 통해 추진하고 있 다. Figure 6은 “바이오매스⋅일본 종합전 략”의 추진에 대한 전체적인 흐름을 도식화 한 것이다.
출처: 일본 농림수산성, 2004 Figure 6. 일본 바이오매스⋅일본 종합전략의 추진.
7. 결 론
최근 유가의 가파른 상승과 더불어 유기성 폐기물의 해양배출 저감필요에 따라 축산분뇨, 폐슬러지 및 음식물쓰레기로부터 바이오메탄 을 생산하는 기술이 각광을 받고 있다. 바이오 메탄화 기술은 유기물이 혐기성 상태에서 혐 기성 미생물에 의해 메탄으로 전환되는 기술 로서 생산된 메탄은 가스발전 및 보일러를 통
해 전기에너지 및 열원으로 사용될 수 있다.
2006년 현재 77,390 TOE의 바이오가스 생 산시설이 보급되었는데, 정부에서는 1988년부 터 2006년까지 혐기성소화를 이용한 유기성 폐자원의 바이오가스 전환과제 36개에 총 250 억원(정부지원금 158억원)을 지원하였고, 그 결과 10∼20톤/일 처리규모의 축산분뇨로부터 바이오메탄을 생산하는 실증플랜트가 설치되 어 가동되고 있다. 최근에는 이들 유기성 폐자
원을 섞어서 바이오가스화하는 통합소화에 대 한 연구개발과 더불어 CDM사업과 연계하기 위해 노력중에 있다. 또한 매립지 침출수에서 발생하는 매립가스의 정제, 포집, 이용 기술들 이 활발히 개발되고 있다.
국내의 바이오매스 전체 가용자원 231.6만 TOE 중 고농도 유기성폐자원이 차지하는 비 율은 약 5%인 9.6만 TOE/년으로 나타나 있 으나 축산분뇨의 가용자원 비율이 점점 높아 질 것으로 예상되어 더 많은 에너지를 유기성 폐자원으로부터 회수할 수 있을 것으로 판단 된다.
유럽, 미국 및 일본 등은 바이오매스로부터 에너지를 회수하기 위해 정부의 선진화된 지 원정책에 힘입어 활발한 연구개발과 더불어 개발된 기술이 활발히 보급될 수 있는 체계를 마련하고 있다.
따라서, 우리 정부에서도 활발한 연구개발과 더불어 시범보급사업 확대 및 최적기술 검증, 발전차액보전제도 개선 등을 통한 제도적 지 원이 필요하고, 국민들의 사회적 지지와 농가
% 저 자 소 개
정 진 영
1985∼1989 영남대학교 환경공학과 학사 1989∼1992 한국과학기술원 토목공학과 석사 1995∼1999 한국과학기술원 토목공학과 박사 1992∼현재 한국과학기술연구원(KIST)
환경기술연구단 선임연구원
의 협조가 필요한 것으로 판단된다.
사 사
본 고는 지식경제부 에너지관리공단 신⋅재 생에너지센터의 지원을 받아 바이오기술연구 회의 전문위원회가 작성한 “신재생에너지 RD
&D 전략 2030 바이오(유기성 폐자원) (위원 장 KIST 정진영)” 보고서에서 주요한 내용을 요약⋅정리하였으며, 이에 모든 전문위원들에 게 감사드립니다.
참 고 문 헌
1. 산업자원부, 에너지관리공단 신⋅재생에너 지센터, “신⋅재생에너지 RD&D 전략 2030 바이오(유기성 폐자원)” 바이오기술연구회 (2007. 11).
