목질계 바이오매스 가스화 기술 현황 및 전망
이 은 도
한국생산기술연구원 에너지시스템연구그룹, 과학기술연합대학원대학교 청정공정 및 시스템 공학과
Gasification Technologies for Lignocellulosic Biomass
Uen Do Lee
Energy System R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology (KITECH), Green Process and System Engineering, University of Science and Technology
Abstract: 바이오매스 가스화 기술은 에너지 밀도가 낮아 화석연료를 직접 대체하기 어려운 바이오매스를 기존 에너지 생산 시스템에서 활용할 수 있는 에너지원으로 전환하는 기반기술이다. 가스화 공정을 통해 생산된 합성가스는 직접 연료로 활용할 수 있으며, 물리․화학적 또는 생물학적 전환을 통해 고부가 연료 또는 소재를 생산하는 플랫폼 원료로 사용할 수 있다. 본고에서는 최근 목질계 바이오매스 가스화 기술의 현황에 대해 알아보고, 고부가 연료 생산을 위한 바이오매스 가스화 기술의 향후 개발 방향을 전망해 보고자 한다.
Keywords: lignocellulosic biomass, gasification, syngas cleaning, syngas application
1. 서 론
1)
바이오매스는 오랜 인류 역사동안 주요한 에너 지원으로 이용되어 왔으며 산업혁명을 거치며 전 세계적으로 화석연료가 널리 이용되기 시작한 이 후에도 개발도상국에서는 여전히 중요한 에너지 원으로의 위치를 차지해 왔다. IEA의 통계에 따르 면 최근에도 바이오매스는 전세계 에너지원의 4%
이상을 담당하고 있으며 IEA의 Blue map 시나리 오에 따르면 2050년에는 바이오매스(폐기물 포함) 의 사용량이 석탄, 오일, 천연가스 각각의 사용량 을 넘어설 것으로 전망되고 있다. 바이오매스는 탄소중립적인 연료로써 적절한 활용을 통해 지구 온난화 문제 해결의 주요 대안의 하나이며, 화석 연료의 가파른 가격변동으로 인한 에너지 수급 불 안에 대해 완충 역할을 할 수 있는 신재생 연료로 활용 가치가 매우 크다고 평가받고 있다. 그러나 바이오매스는 기존 화석연료와 비교하여 에너지
저자 (E-mail: [email protected])
밀도가 낮기 때문에 현재 높은 에너지 밀도를 가 지는 화석연료를 대상으로 디자인된 대부분의 에 너지 생산 시스템에 직접 적용하기가 힘들다. 따 라서 이를 기존 에너지 생산 시스템에 활용할 수 있는 형태로 전환해 주어야 하며, 이를 위해 바이 오매스를 기체 상태의 합성가스로 전환하여 이용 하기 위한 가장 대표적인 기술이 바이오매스 가스 화 기술이다. 가스화를 통해 생성된 합성가스는 보일러, 엔진, 가스터빈 등 기존의 연소 시스템에 바로 적용할 수 있으며, 최근에는 보다 높은 부가 가치를 가지기 위해, 열화학적 또는 생물학적인 전환을 통해 고부가 연료로 전환하는 다양한 기술 개발이 진행되어 왔다.
Figure 1은 바이오매스의 가스화를 통해 생산된 합성가스의 이용기술을 정리한 내용이다. 주로 공 기를 가스화제로 이용해 생산되는 프로듀서 가스 (Producer gas)는 엔진, 보일러, 가스터빈 등의 기 존 연소기기에 기존연소와의 혼소 또는 전소 형태 로 활용되어 전기 및 열을 생산하는 용도로 활용 된다. 스팀 또는 산소를 가스화제로 할 경우 공기
Figure 1. Biomass gasification as a key technology for future biomass utilization.
(Source: Thermal Biomass Conversion, A. V. Bridgwater et al., 2009)
에 비해 보다 높은 발열량을 가지는 합성가스(Syn- gas) 생산이 가능하며 적절한 정제 공정 및 조성제 어 공정을 거쳐 합성천연가스(Synthetic natural gas), FT 디젤(Fisher-Tropsh diesel), 메탄올(Metha- nol), 에탄올(Ethanol), 수소(Hydrogen) 또는 DME 등의 고부가 합성 연료 생산에 활용이 가능하다.
이외에도 합성가스를 원료로 하여 미생물을 이용 한 생물학적 전환을 통한 연료 생산 기술도 개발 되고 있다.
다양한 바이오매스 자원 중 목질계 바이오매스 는 그 부존량이 가장 크고 식량과 무관하여 별도 의 윤리문제와 관계없이 에너지원으로써 활용이 가능하며, 원상태로써 생물학적인 전환이 어려우 므로 가스화를 통한 전환의 주요 대상이다. 목질 계 바이오매스는 기본적인 구성성분은 비슷하지 만 물리적 성상, 함수율, 휘발분, 고정탄소 및 회분 의 함량, 발열량 등에 큰 차이가 있으므로 이를 가 스화 시스템에 적용하기 위한 다양한 요소기술이 필요하며 크게 원료의 전처리 및 이송 기술, 가스 화 기술, 합성가스 정제 기술 및 이용기술로 구분 할 수 있다. 바이오매스 가스화에 필요한 요소기 술은 기존 화석연료의 가스화 또는 연소 기술에서 파생된 기술들로, 기존 화석 연료에 비해 상대적 으로 낮은 발열량, 높은 함수율, 높은 휘발성 물질,
많은 불순물, 분쇄와 같은 기계적 처리의 어려움 등으로 인해 보다 높은 수준의 요소기술이 요구된 다. 본고에서는 목질계 바이오매스를 대상으로 현 재까지 개발된 다양한 가스화 기술에 대해 살펴보 고, 합성가스의 다양한 이용기술 중에 고부가 연 료 생산 기술에 보다 초점을 두어 국내외 기술개 발 현황과 향후 전망에 대해 살펴보도록 하겠다.
2. 목질계 바이오매스 가스화 기술의 개요
목질계 바이오매스의 가스화 반응은 흡열 반응 으로, 반응에 필요한 적절한 열이 가해지는 조건 하에서 가스화제(Gasifying agent)와 바이오매스 가 반응하여 건조(Drying), 열분해(Pyrolysis), 가 스화 반응 또는 환원반응(Reduction or gasifica- tion), 그리고 부분 산화(Partial oxidation or con- trolled combustion) 반응이 함께 일어나며 이러한 반응들은 온도, 가스화제 종류, 체류 시간 등에 크 게 영향받는다. 단일 바이오매스 입자를 살펴보면 온도가 증가함에 따라 적절한 산화제 조건 하에서 상기 반응이 순차적으로 일어나게 되는데, 부분 산화 과정은 가스화에 필요한 열을 공급하는 역할 을 하며, 이 열이 연료에 가해지면 먼저 건조 과정 을 통해 수분이 증발하게 되고, 이후 열분해 과정
Designation Mechanism ∆H (kJ/mol)
Oxidation C(s)+O2 ⇆ CO2 -392,5
C(s)+½O2 ⇆ CO -110,5
Boudouard C(s)+CO2 ⇆ 2CO 172,0
Water gas: primary secondary C(s)+H2O ⇆ CO+H2 131,4
C(s)+2H2O ⇆ CO2+2H2 90,4
Methanation C(s)+2H2 ⇆ CH4 -74,6†
Water-gas shift CO+H2O ⇆ CO2+H2 -41,0
Steam reforming
CH4+H2O ⇆ CO+3H2 205,9†
CH4+2H2O ⇆ CO2+4H2 164,7†
CnHm+nH2O ⇆ nCO+(n+m/2)H2 210,1†ǂ CnHm+n/2H2O ⇆ n/2CO+(m-n)H2+n/2CH4 4,2†ǂ CO2 reforming
CH4+CO2 ⇆ 2CO+2H2 247,0†
CnHm+nCO2 ⇆ 2nCO+m/2H2 292,4†ǂ
CnHm+n/4CO2 ⇆ n/2CO+(m-3n/2)H2+(3n/4)CH4 45,3†ǂ
H2 reforming CO+3H2⇆ CH4+H2O -205,9†
Table 1. Representative gasification and combustion reactions of biomass (Source: Smoot, L.D. and Smith, P.J., 1985)
을 통해 다양한 결합 형태를 가지는 탄화수소 집 합체인 타르와 메탄 등이 발생하게 된다. 이때 남 은 반응물인 촤(Char)와 아직 다 분해되지 않은 타 르 등은 부분 산화 과정에서 발생된 스팀과 이산 화탄소, 기타 생성된 열분해 가스와 다시 반응하 게 되며 이를 통해 수소와 일산화탄소 등 합성가 스의 주요 성분이 생산된다. 실제 가스화에서는 이러한 반응들이 동시에 일어나며 생성물이 다시 반응물이 되는 복합적인 반응과정을 거쳐 최종적 인 합성가스를 생산하게 된다. 다음의 Table 1에 가스화 공정과 관련된 주요 화학반응 및 반응 엔 탈피를 도시하였다.
바이오매스 가스화를 통해 생산되는 합성가스의 주요 조성은 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 C2+ 이상의 탄화수소로 이루어져 있으며, 가스 화 공정에서 타르(Tar), 분진, H2S, COS, NH3 등 주요 정제 대상 물질이 함께 나오게 된다. 일반적 으로 바이오매스 가스화 기술은 대상 바이오매스 를 후단 전환공정에서 요구되는 합성가스의 조성, 발열량, 불순물 함량 등에 맞추어 얼마나 효율적 으로 생산할 수 있는지에 따라 그 기술 수준을 판
단할 수 있으며, 후단 전환공정에 최적화된 합성 가스의 조성, 가스 생산량의 극대화, 고효율 가스 화 공정 구성이 중요하다. 앞서 살펴본 바와 같아 생산된 합성가스는 다양한 전환 공정을 거쳐 기존 화석연료를 대체할 수 있는 합성연료 생산이 가능 하다. 따라서 바이오매스 가스화 기술은 화석연료 를 기반으로 하는 현 에너지 전환 시스템을 그대 로 유지하면서 대표적인 신재생연료인 바이오매 스를 연료로 사용할 수 있는 플랫폼 기술로 볼 수 있다.
바이오매스 가스화 공정은 가스화제의 종류에 따라 분류할 수 있으며, 각 가스화제에 따라 합성 가스의 조성과 생산량, 발열량 등에 큰 차이가 있 으며 이용기술의 범주도 함께 구분되게 된다. 먼 저 공기(Air)를 이용해 가스화할 경우 저발열량 (Low heating value) 합성가스를 얻을 수 있으며 이 경우에는 보일러, 엔진, 가스터빈 등에서 직접 연소 또는 기존 연료와의 혼소를 통해 에너지를 생산할 수 있으며 주로 열과 전기 형태의 에너지 를 얻을 수 있다. 스팀(Steam) 또는 산소(Oxygen) 를 이용해 가스화할 경우 중발열량(Medium hea-
Air blown gasifier fixed bed
Steam blown gasifier fluidized bed
Oxygen blown gasifier enterained flow
Calorific Value MJ/Nm3 4-6 12-14 10-12
H2 % 11-16 35-40 23-28
CO % 13-18 25-30 45-55
CO2 % 12-16 20-25 10-15
CH4 % 2-6 9-11 < 1
N2 % 45-60 < 1 < 5
Teble 2. Typical ranges of producer gas composition for selected gasifiers (Source: Thermal Biomass Conversion, A. V. Bridgwater et al., 2009)
ting value) 합성가스 생산이 가능하며, 중발열량 합성가스는 저발열량 합성가스와 같이 직접연소 를 통해 전기 및 열을 생산할 수 있으며(이 경우 공기를 이용할 경우보다 동일 출력을 생산하는데 작은 용량의 엔진, 보일러, 가스 터빈 등의 이용이 가능함), 촉매를 이용한 합성을 통해 고부가가치 수송용 액체 연료를 생산하거나 기존 석유화학 공 정에서 생산하던 다양한 종류의 화학 원료 물질을 합성할 수 있다. Table 2는 가스화제 종류에 따라 생산되는 합성가스의 평균 발열량 및 조성을 나타 낸 것으로 공기에 비해 스팀이나 산소를 이용할 경우보다 높은 발열량을 가지는 합성가스 생산이 가능함을 알 수 있으며, 스팀을 사용하면 보다 높 은 수소 생산이 가능함을 확인할 수 있다. 가스화 제 종류에 따라 보다 적합한 가스화기 종류 (Gasifier type)가 결정될 수 있으며 이 부분은 이 후에 살펴보도록 하겠다.
3. 바이오매스 가스화 시스템
3.1. 가스화 시스템의 종류
Table 3은 다양한 바이오매스 가스화 시스템의 원리를 나타낸 그림으로, 상기 열거된 방식 이외 에 다양한 형태의 바이오매스 가스화 시스템이 개 발되어 왔지만 일반적으로 고정층(Moving/Fixed Bed), 분류층(Entrianed Flow), 유동층(Fluidized Bed)의 세 가지 기술이 가장 대표적인 가스화 시 스템으로 알려져 있다. 각 가스화 시스템에 따라 사용 가능한 연료의 성상, 합성가스의 성분, 타르
및 분진 등의 함량, 운전 특성, 가스화기의 최적 용량 등이 매우 상이하며 고유의 장단점을 가지고 있다. 공정면에서 보면, 모든 방식의 가스화기가 공통적으로 가스화에 필요한 에너지를 연료의 부 분산화를 통해 공급받지만 부분산화 반응의 방식 과 열전달, 고체연료의 투입 및 이송조건에 따라 다양한 공정 구성이 가능하며 이는 가스화기 운전 온도 및 합성가스 조성 등과 밀접한 관련이 있다.
고정층 가스화기는 반응기 내에 연료를 적층시 킨 상태에서 가스화제를 투입하고 가스화가 투입 된 위치에서 부분산화-가스화-열분해(탈휘발)-건 조 형태로 순차적인 반응이 일어난다. 크게 상향 식 가스화기(Updraft gasifier)와 하향식 가스화기 (Downdraft gasifier)로 구분되며 각 방식별로 연 료와 산화제의 공급 위치, 합성가스의 출구 위치 가 달라지고 이에 따라 달라지는 내부 반응영역이 합성가스의 성상에 영향을 주게 된다. 상향식 가 스화기는 하향식 가스화기에 비해 구성이 단순하 고 수분 함량이 높은 바이오매스의 처리가 가능하 며, 고온에 의해 연료에 함유된 독성 물질을 분해 하는 효과를 거둘 수도 있다. 합성가스 내에 다량 의 Tar가 함유되는 경우가 많으므로 합성가스의 발열량은 높지만 Tar 가 응축될 경우 발생하는 다 양한 문제에 노출될 가능성이 많다. 최 하단의 grate가 고온에 노출되므로 냉각 등의 처리가 필요 한 단점이 있다. 하향식 가스화기는 열분해 가스 가 연소 영역을 통과하게 되어 합성가스 내 Tar의 양을 크게 줄일 수 있고 이 경우 합성가스의 세정 이 간단하여 바로 가스 엔진 등에 활용할 수 있다.
고정층 및 분류층 가스화 시스템 (Fixed bed and Entrained flow gasifier)
Updraft fixed bed Downdraft fixed bed Entrained flow (EF)
유동층 가스화 시스템 (Fluidized bed gasifier)
Bubbling fluidized bed (BFB) Circulating fluidized bed (CFB) Dual fluidized bed (Dual or DFB) Table 3. 목질계 바이오매스 가스화기의 종류(Source: Adapted from E4tech report, 2009)
또한 Ash와 연료를 분리하는 Grate 부분이 고온에 노출되지 않는 장점을 가진다. 그러나 합성가스를 하단으로 배출하는 과정을 구현하는 데 어려움이 있고 상향식에 비해 Scale-up이 어려운 단점이 있 다. 약 4∼7%의 카본이 미반응 상태로 Ash에 포 함되어 나가는 것으로 보고되고 있다. 고정층 가스 화기는 주로 공기를 가스화제로 사용하며 발생된 프로듀서 가스는 발전용으로 주로 활용되고 있다.
원래 미분탄의 가스화를 위해 개발되었던 분류 층 가스화기는 반응기 내에 높은 온도를 가지는 화염이 존재한다. 반응 대상인 고체연료는 미분화 된 형태로 공급되며 화염대 주변에 분사되어 가스 화 과정을 거친다. 화염대 근처에서 가장 높은 온 도가 형성되며 반응기 전체에서 비교적 균일한 온 도분포를 가진다. 분류층 가스화기의 경우 열원인 화염을 안정적으로 유지시키고 미분화된 고체연 료를 투입하는 것 또한 용이하므로 가압 가스화 시스템을 구현하는 데에도 장점이 있다. 분류층
방식은 흑액(Black liquer)과 같은 액체 바이오매 스 원료를 다루는 데 유리하며 목질계 바이오매스 를 이용할 경우 열분해 등의 전처리를 거쳐 연료 를 액상이나 미분화하는 공정이 필수적이다.
유동층 가스화기는 크게 기포유동층과 순환유 동층으로 구분할 수 있으며 유동화 매체를 사용하 여 열전달율을 높이고 수력학적인 특성을 이용하 여 유동화 매체와 고체연료를 이송시킨다. 보통 유동화 매체로 유동사(Slica sand)를 주로 사용하 며 타르 제거, 황 제거, 합성가스 조성제어 등의 목적에 따라 감람석(Olivine), 돌로마이트(Dolomite) 등을 사용하기도 한다. 고정층 반응기와 비교하여 유동층 반응기는 반응기 내부의 온도 분포가 균일 하며 반응기 내 최고 온도가 낮은 특징을 가진다.
온도가 균일한 이유는 유동사와 고체연료가 활발 히 혼합하며 반응이 일어나기 때문이며 최고온도 는 유동사의 융점(Melting point) 이하로 운전해야 하므로 일반적으로 1000도를 넘지 않도록 운전한
Gasifiers types
Fixed beds Fluidized beds Entrained
Updraft Downdraft CFB BFB flow
Feedstock characteristics
Particle size 5∼100 mm 20∼100 mm 0∼20 mm 0∼20 mm < 100 µm
Ash tolerance Max. 6% Max. 6% Max. 25% Max. 25% Max. 25%
Moisture content Max. 60% Max. 35% - - -
Operational conditions
Oxygen demand Low Low Moderate Moderate High
Steam demand High Low Moderate Moderate High
Feed-blast flow Counter-current Co-current Temperature 800∼1000 °C
(less uniform)
1000∼1200 °C (less uniform)
750∼950 °C (more uniform)
900∼1000 °C
(more uniform) 1100∼1500 °C Operating pressure Atmospheric Atmospheric Atmospheric
or pressurized
Atmospheric or pressurized
Atmospheric or pressurized Feeding pressure 7∼70 kPa 3∼1050 kPa 7∼35 kPa 7∼35 kPa 7∼350 kPa
Gas velocity Low Low Higher than BFB High High
θ time Long (15∼30 min) Long (15∼30 min) short (5∼50 s) short (5∼50 s) Very short (1∼10 s) Product characteristics
Temperature gas 425∼650 °C 425∼650 °C 900∼1050 °C 900∼1050 °C 1250∼1600 °C
HHV (air-blown) 5∼6 MJ/Nm³ 4.5∼5 MJ/Nm³ ∼5 MJ/Nm³ ∼5 MJ/Nm³ -
Tar content Very high 0.015∼0.50 g/Nm³
Low 0.015∼0.50 g/Nm³
Moderate
< 5 g/Nm³
Moderate
< 5 g/Nm³ Almost free Plant
Turndown ratio 5∼10 3∼4 3 3 -
Scale-up gasifier Limited Limited Possible Possible Possible
Thermal capapcity < 10 MW 1 kW∼10 MW 1∼100 MW 1∼25 MW -
Table 4. 가스화 시스템의 종류에 따른 특징(Source: Jean-Pierre Badeau et. al, 2009)
다. 유동층 반응기는 열전달 및 열 보존율이 높은 물질을 열전달 매체로 사용하기 때문에 비교적 광 범위한 연료를 사용할 수 있으며, 연료의 특성이 다양한 바이오매스에 적합한 것으로 알려져 있다.
가스화 공정에서 위와 같은 분류와 함께 흡열반 응인 가스화 영역과 발열반응인 연소 영역이 한 반응기에 존재하는지, 별도의 반응기로 구성하는 지 여부를 기준으로 직접가스화(Direct gasifica- tion or Auto-thermal gasification) 공정과 간접가 스화 공정(Indirect gasification or Allothermal gasification)으로 나눌 수 있다. 직접가스화 공정 의 경우 부분산화에서 발생되는 반응열을 이용해 가스화에 필요한 흡열 반응을 유지하며, 간접가스 화 공정의 경우 가스화기와 연소기가 구분되어 있
고 유동사(Fluidized material)나 히트 파이프(Heat pipe) 등을 통해 연소기에서 생성된 열을 가스화 기에 간접적으로 전달하여 합성가스를 생산한다.
다음 Table 3에서 이중유동층(Dual fluidized bed) 가스화기가 간접가스화 방식에 해당하며 유동사 를 열매체로 하여 구성한 대표적인 간접가스화 방 식의 예이다. 간접가스화 기술의 경우 연소가스와 합성가스가 분리되기 때문에 직접가스화를 통해 생산된 합성가스보다 높은 발열량을 가지는 합성 가스 생산이 가능하며 주로 스팀 가스화(Steam gasification) 등에 이용되며, 고부가 연료 생산을 위한 합성가스 공정 구성에 주로 활용된다.
3.2. 가스화 시스템의 종류별 특징
다음 Table 4는 각 가스화 시스템의 특징을 정 리한 결과이다. 각 가스화 시스템에 따라 각각에 맞는 연료 크기와 반응시간, 반응 온도 및 장단점 을 가짐을 알 수 있다. 먼저 연료 크기를 살펴보면 분류층 가스화기의 경우 500마이크로 이하의 미 분화된 입자가 필요하다. 이는 열원인 화염대 근 처에 연료를 균일하게 공급하기 위함으로 목질계 바이오매스의 경우에는 해당 크기로 연료를 전처 리하는 데 어려움이 있다. 유동층 가스화기의 경 우 연료 설계 조건에 따라 다르지만 크기는 수 센 티미터 정도까지의 연료투입이 가능한 것으로 알 려져 있다. 고정층 가스화기의 경우는 다른 방식 에 비해 연료 크기에 대한 제약이 가장 적다. 따라 서 전처리가 어려운 연료의 경우에 유리하다. 가 스화에 필요한 반응시간은 분류층이 10초 이하로 가장 짧고, 유동층의 경우 1분 이내 고정층의 경우 에는 최대 30여 분에 이르기도 한다. 반응시간은 실제 시스템의 처리 용량에 영향을 주게 되며 반 응시간이 가장 긴 고정층의 경우 연료 기준 100톤 /일 이하 급 중소형 가스화 시스템에 유동층의 경 우 기포 유동층이 100톤/일 급, 순환유동층 또는 이중유동층의 경우 수백톤/일 급의 처리가 가능하 며 가압 시스템을 적용하면 1000톤/일 급 이상의 처리가 가능하다. 분류층의 경우 전처리 공정이 수반될 경우 석탄 가스화기 규모의 대형 가스화기 건설이 가능하다(Figure 2).
4. 바이오매스 가스화 기술개발 동향
4.1. 국외 기술개발 동향
국외 바이오매스 가스화 기술의 경우 유럽과 북 미를 중심으로 발전해 왔으며, 오랜 기간의 연구 개발을 통해 상용화에 필요한 기술적 장애요인을 대부분 극복한 것으로 보고되고 있다. 그러나 석 탄, 석유, 천연가스 등 기존 화석연료와 비교하여 대량 원료 수급의 어려움, 상용화 초기에 주로 발 생하는 기술적인 장애 요인, 정부의 신재생에너지 지원 정책의 잦은 변화 등이 해당 기술의 상용화
Figure 2. Gasifier technology capacity range.
(Source: E4tech report, 2009)
에 영향을 주어 왔다. 현재까지 개발되어온 기존 바이오매스 가스화 설비는 주로 공기를 가스화제 로 사용하여 저열량 합성가스를 생산하고 이를 보 일러에서 혼소하거나 열병합 발전에 사용해 왔으 나, 최근 BTL 또는 SNG 등 합성연료 생산에 필요 한 고품질 합성가스의 생산이 가능한 가스화 시스 템에 대한 수요가 크게 증가하고 있으며, 국외 기 술개발 동향도 보다 대형화된 바이오매스 가스화 기를 기반으로 하여 발전, 열, 고부가 연료 생산을 동시에 수행하는 Polygeneration 형태의 시스템 개 발이 다수 진행 중에 있다. 다음 Figure 3은 각 연 도별 바이오매스 가스화 플랜트의 크기 및 시운전 현황을 나타낸 그래프로 그림에서 보는 바와 같이 2010년 이전까지 주로 중소형 규모의 가스화 플랜 트가 개발되어 운전되어온 반면에 2010년 이후로 는 주로 중대형 규모의 플랜트 위주로 기술개발이 집중되며 그 숫자도 크게 증가하고 있음을 알 수 있다.
Figure 4는 최근 유럽을 중심으로 바이오매스 가스화 및 이용기술 부분에 주된 연구 대상인 polygeneration 시스템에 대한 개요이다. 그림에서 보는 바와 같이 생산된 합성가스의 일부를 이용하 여 열 및 전기 생산을 기본으로 나머지 합성가스 를 촉매를 이용한 화학적 전환을 통해 수소, 합성 천연가스, 수송용 액체 연료 생산하는 시스템으로 시장의 요구에 알맞게 발전량과 고부가 연료 생산 량을 조정할 수 있다. Figure 5는 polygeneration 시스템 개발의 대표적인 예인 오스트리아 Gűssing 플랜트를 나타낸 그림이다. 이 플랜트는 빈공대에
Figure 3. Biomass gasification plant size and year of first operation (Source: E4tech report, 2009).
Figure 4. Schematic presentation of a polygeneration plant (Source: Thermal Biomass Conversion, A. V. Bridgwater et al., 2009).
서 개발한 가스화기를 기반으로 하여 2001년부터 열 및 전기 생산을 위한 상용운전을 시작하였으며 현재에는 생산된 합성가스의 일부를 이용하여 위 그림과 같은 다양한 고부가 연료 생산기술 개발에 활용하고 있다. 여기서 개발된 기술은 Austrian Energy & Environment社, Repotec社 등을 통해 상용화되고 있으며, 2007년 10 MWth 규모의
Oberwart 상용 바이오매스 가스화 열병합 발전소 를 시작으로 오스트리아, 독일, 스웨덴 등에 비슷 한 규모의 상용 가스화 플랜트(TBM: 10 MWth, Seden: 14 MWth, Heiligenkreuz: 10 MWth 등)를 설계 또는 제작하였으며, 현재 발표된 최대 규모 인 100 MWth급 스웨덴 GoBiGas 사업에도 참여 하고 있다. Table 5에 유럽의 최근 바이오매스 가
Figure 5. Austria Austrian Energy & Environment 社의 8 MWth-scale Biomass Gasification Plant (Source: Hofbaur, http://www.repotec.at).
Plant Supplier System Scale (MWth) Fuel type Product Status
Güssing, Austria Austrian Energy
& Environment FICFB 8 Wood chip CHP Start-up: 2001
Oberwart, Austria Austrian Energy
& Environment FICFB 10 Wood chip CHP Start-up: 2008
Ruien, Belgium Foster Wheeler CFB 50 Woodchip etc. Syngas for
PC boiler Start-up: 2002
Harboøre, Denmark B&W Vølund Updraft 4 Wood chip CHP Start-up: 2000
Skive, Denmark Carbona BFB 28 Wood pellet CHP Start-up: 2007
Lahti, Finland Foster Wheeler CFB 45 sawdust, forest residue, bark, SRF
Syngas for PC
boiler Start-up: 1998 Varkaus, Finland Foster Wheeler BFB 50 Al-coated residue Al ingots,
Electricity Start-up: 2000
Varkaus, Finland Foster Wheeler CFB 12 Wood
BTL diesel (demo), syngas
for lime kiln
Start-up: 2008
Freiberg, Germany Choren Entrained 45 Wood BTL Commissioning:
2010 Varö, Sweden Metso
(Götaverken) CFB 35 Bark,
wood waste
Syngas for lime
kiln Start-up: 1987
Värnamo, Sweden Bioflow
(Foster-Wheeler) CFB 18 Wood chip CHP
Operation:
1993-1999 (Refiring planned)
Vilhelmina, Sweden Bioneer Updraft 4-6 Wood chip Heat Operation
Piteå, Sweden Chemrec Entrained 3 Black liquor DME Start-up: 2010
Örnsköldsvik,
Sweden Chemrec Entrained 95∼132 Kt/yr Black liquor DME and methanol
Start-up due in 2013 Götenborg,
Sweden
Repotec
(Phase1) Allotherm 20 (gas),
80 (gas) Wood SNG Phase 1 in 2012,
Phase 2 in 2015 Table 5. Representative biomass gasification plants in EU (Source: 한국에너지기술평가원 기획보고서, 2011)
Figure 6. Different end uses for biomass gasification and examples of plants (Source: Thermal Biomass Conversion, A. V.
Bridgwater et al., 2009).
스화 플랜트의 주요 사례를 정리하였으며, Figure 6에 바이오매스 가스화를 통해 생산된 합성가스의 이용 기술 부분을 위주로 하여 보다 세분화하여 도식화하였다.
EU에서 바이오매스 가스화 및 이용기술 부분에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 북미와 일 본 등 선진국에서도 꾸준한 기술개발이 이루어져 왔다. 특히 고정층 가스화 시스템의 경우 북미에 상용화 기술을 보유한 기업이 다수 존재하고 있으 며 Nexterra社, Enerkem社, Plasco社, Cummunity power社 등 다양한 상용화 실적을 보유한 기업들 이 있다. 유동층의 경우 TRI社 등에서 흑액을 대 상으로한 기포 유동층 가스화기를 개발한 바 있으 며, 순환유동층 가스화기의 경우 Silva gas 시스템 으로 대표되는 200톤/일 규모의 상용 설비가 운전 된 바 있다. 운영상의 문제로 가동을 중지했던 Silva gas 시스템은 2009년 Rentech 에서 인수하 여 다시 시운전을 준비하고 있으며 Hawaii (IGT RENUGAS 방식), Minnesota (Carbona 방식) 등 에서 실증 프로젝트가 추진된 바 있다. 미국은 최 근 셰일 가스(shale gas)의 상용화를 통해 값싼 천 연가스 자원을 다량 확보하였지만, 향후 궁극적인 에너지 독립을 위해 바이오매스를 포함한 신재생 에너지원 개발 사업은 지속적인 연구개발을 진행 중에 있다. 일례로 최근 급격히 성장하는 에탄올
시장에 대응하기 위해 기존 Corn-based 에탄올 생 산과 더불어 목질계 바이오매스를 이용한 에탄올 생산에 정부차원의 다양한 프로젝트를 진행 중에 있으며 이 과정에서 바이오매스 가스화를 통한 고 부가 합성가스 생산이 핵심 기술의 하나이다.
부존자원이 없고 에너지의 대부분을 수입하고 있는 국내와 비슷한 환경에 있는 일본은 다양한 바이오매스 이용기술에 대한 연구개발을 진행하 고 있으며 가스화 기술 개발에도 여러 프로그램을 통한 지원을 계속하고 있다. 일본의 경우 순환형 사회형성 추진 기본계획(20000), “바이오매스 일 본종합계획”(2002), “바이오매스 에너지도입가속 화전략”(2007) 마련 및 수행중이며 재생연료 전용 발전 운영확대 및 바이오매스 에너지타운 구축중 에 있다. 우드칩 및 RPF를 대상으로 CFB 방식을 이용하는 50 MWe 규모의 이치하라 그린 전력 플 랜트 등 목질계 및 폐자원 대상 가스화-열병합 발 전에 대한 연구 개발 및 상용화 노력을 계속하고 있다.
4.2. 국내 시장동향 및 기술개발 현황 국내의 경우 전체 에너지의 96.7%를 해외에 의 존하고 있는 실정으로 국가 에너지 안보의 확립을 위해서 다양한 에너지원에 대한 기술개발이 필수 적이며 정부는 국가 에너지기본계획(2008.8)을 통
Figure 7. Development history of DFB biomass gasifier (TUV/Güssing plant vs Kitech) (Source: KITECH).
하여 2030년까지 탈화석에너지를 위해 석유 의존 도 33%, 신재생에너지 보급률 11% 목표를 수립 하고 이를 달성하기 위한 에너지 정책을 추진하고 있다. 지식경제부가 발표한 제3차 신․재생에너지 기술개발 및 이용․보급 기본계획(2009∼2030)에 의한 신․재생에너지 공급 목표상의 바이오에너 지는 2008∼2030 기간 중 연평균 증가율 14.6%을 적용하여, 2030년도에는 기준년도인 2008년도 대 비 2000% 증가가 예상된다. 최근 우리정부에서 발표한 CO2 저감 목표 달성과, 2012년부터 시행 된 RPS(신․재생에너지의무사용제) 제도의 의무 량의 충족을 위해서는 바이오매스 사용이 필수적 이며, 단기적으로 바이오매스의 직접 연소를 통한 에너지 활용이 주가 되겠지만 향후 RFS, RHO 등 이 시행될 경우 바이오매스 가스화를 통한 고부가 연료 생산이 가장 유력한 대응기술로 부상하고 있 다. 이러한 배경하에서 국내 RPS 해당 기업의 경 우 MWe급 이상 발전 가능한 바이오매스 가스화 시스템에 대한 수요가 높으며, 발전용 목질계 바
이오매스 가스화기의 경우 MWe급 이상의 경우 경제성 있는 것으로 보고되고 있으며, RPS 의무 기업의 경우 중대형 가스화-발전 시스템 개발을 선호하고 있다.
국내 바이오매스 가스화 플랜트 기술개발 현황 을 살펴보면 다년간의 연구결과 pilot 플랜트급의 설계, 제작 및 운영기술을 보유하고 있으나 상용 화 기술개발은 미흡한 실정이다. 중소형 가스화에 유리한 고정층 가스화기는 한국에너지기술연구원, 고등기술연구원이 강점을 가지고 있으며 중대형 가스화에 유리한 유동층 가스화기는 한국생산기 술연구원, 한국에너지기술연구원 등이 Pilot plant 경험을 보유하고 있고 미분 연료 및 액상 연료를 대상으로 한 분류층 가스화기는 석탄을 중심으로 개발을 진행해온 고등기술연구원이 많은 경험을 축적하고 있다.
국내 기업의 경우 주로 연소 기술을 바탕으로 가스화 기술에 접근하고 있으며 한솔 EME, 효성 Ebara, 신텍 등이 유동층 소각기술을 응용할 경우
Mid Sweden Univ.
(MIUN)* 150 kW
Univ. of Canterbury 100 kW**
Chalmers*
2∼4 MW
Güssing*
FI CFB (8 MW)
KTECH 200 kW
Gasifier type DFB DFB DFB DFB DFB
Fuel Wood pellets Wood chips/pellets Wood chips/pellets Biomass chips Wood chips/pellets Bed material Silica sand Silica sand/Olivine Silica sand Olivine Silica sand Gasifying agent/Oxidizer Steam/Air Steam/Air Steam/Air Steam/Air Steam/Air
Temperature (℃) 800 642∼753 780∼830 850∼900 766
H2 50.9 15∼30 18.74∼27 36∼42 34.0
CO 29.6 28∼40 26.9∼33.3 19∼24 20.4
CO2 12.6 13∼21 14.6∼18.3 20∼25 18.6
CH4 9.5 9∼15 11.1∼11.7 9∼12 9.8
H2/CO 1.7 0.78∼1 0.7∼0.8 1.8∼1.9 1.7
Table 6. Syngas composition of various DFB biomass gasifiers (Source: KITECH)
가스화 기술의 접근이 용이하며 이외에도 국내 중 소, 중견기업들이 정부 출연연구원에서 개발된 기 술과 해외기술 도입을 통해 가스화 사업에 참여하 고자 준비 중에 있다.
최근 연구동향을 살펴보면 2012년부터 고정층 가스화기를 기반으로 한 20톤/일급 바이오매스 가 스화 열병합 발전 과제가 상용화 개발을 목표로 시작하였고, 역시 고정층 가스화 방식을 통해 100 톤/일급 폐기물 가스화를 수행하고 생산된 가스를 이용해 초산을 생산하는 상용화 과제가 개발 중에 있다. 고정층을 이용한 가스화 기술이 상용화 시 스템을 위한 개발 중에 있다면 유동층을 이용한 가스화 시스템은 현재 파일럿 스케일 연구가 완료 단계에 있다. 유동층 가스화 시스템의 대표적인 예로 현재 고부가 합성가스 생산을 위해 한국생산 기술연구원에서 개발 중인 가스화 시스템에 대해 소개하도록 하겠다. 현재 파일럿 규모 개발을 완 료한 해당 가스화기는 이중유동층(Dual fluidized bed)을 기반으로 한 가스화기로 스팀 가스화를 통 한 고발열량 합성가스 생산을 목표로 개발되었다.
Figure 7은 한국생산기술연구원에서 개발된 이중 유동층 가스화 시스템과 앞서 소개한 대표적인 이 중유동층 가스화 시스템인 오스트리아 빈 공대 시 스템의 개발 이력을 비교 도시한 그림이고, Table 6은 세계 각 연구그룹에서 진행 중인 이중유동층 바이오매스 가스화 시스템의 성능을 비교한 결과
이다. 그림과 표에서 알 수 있듯이 파일럿 규모에 서 바이오매스의 이중유동층 가스화 기술의 국산 화가 성공적으로 진행되었으며, 세계 최고 수준인 Güssing 플랜트의 합성가스 조성과 유사한 조성의 합성가스 생산이 가능함을 확인할 수 있다.
앞서 설명한 이중유동층 바이오매스 가스화 시 스템은 생산된 합성가스는 열병합 발전용으로도 사용 가능하지만 고도 정제를 통해 Fischer-Tropsch 공정과 연계하여 BTL (Biomass to Liquid) 디젤 생산을 위한 원료로 공급할 수 있도록 개발되었 다. Figure 8은 한국생산기술연구원에 설치된 바 이오매스 가스화-고도정제-FT 반응기를 통한 BTL 디젤 생산 시스템 전체 사진이다. 전체 공정에서 바이오매스 전처리는 고등기술연구원이, 고도정 제는 한국에너지기술연구원이, FT 합성 부분은 한 국화학연구원이 참여하여 개발하였으며 200 kW 급 pilot plant에서 생산된 합성가스를 이용하여 1 bbl/일급 BTL 디젤을 생산하는 통합 시스템 개발 이 완료 단계에 와 있다. 연구결과 H₂/CO > 1, 가 스화기 냉가스 효율 > 60%, 합성가스 내 불순물 H2S, COS < 1 ppm와 약 10 MJ/m3이상의 중발열 량 합성가스를 안정적으로 생산하였고, 한국에너 지기술연구원의 고도정제 시스템, 한국화학연구 원의 F-T 반응기와 통합 연계운전(500시간)을 통 해 BTL 디젤을 생산하는 전 공정에 대한 연구를 수행하였다. 이 연구는 전 세계적으로도 몇 개 국
Figure 8. Biomass to Liquid system (200 kWth DFB biomass gasifier (KITECH), MeOH syngas cleaning system (KIER), FT reactors (KRITC)) (Source: KITECH).
가에서만 수행된 BTL 디젤 생산을 위한 통합 연 계 운전을 성공적으로 끝낸 결과로 바이오매스 가 스화를 통한 고부가 연료생산 관련 연구에 있어 큰 의미를 지닌다고 볼 수 있다.
앞서 국내외 연구개발 사례에서 살펴본 바와 같 이 바이오매스 가스화 기술은 생산된 합성가스의 이용기술이 결합될 때 독립적인 상용화가 가능하 며 이를 위해서는 고부가 연료 생산을 포함한 다 양한 합성가스 이용기술을 테스트할 수 있는 상용 급의 고효율 가스화기 개발이 우선되어야 한다.
대표적인 성공사례로 알려진 오스트리아의 경우 빈공대에서 개발된 고효율 가스화기 실증 사이트 인 Güssing plant의 운전 이후 이를 테스트 베드로 하여 다양한 합성가스 이용 기술을 개발하고 이를 상용화하여 다양한 바이오매스 관련 산업을 육성 하고 있는 바, 이러한 전략을 응용하여 장기적인 관점에서 국내 바이오매스 가스화 관련 산업을 육 성하기 위한 정부의 지원이 필요하다. 바이오매스 가스화는 초기 투자 시 Risk 요인으로 연료 확보 에 대한 문제 및 향후 정부 정책의 일관성에 대한 문제점이 주로 지적되고 있다. 따라서 국내외 바 이오매스 수급관련 사업(수집, 이송, 연료표준화 등)의 정책적 지원을 통한 바이오매스 공급 안정 화를 통해 현재 연료 확보의 어려움으로 상용화를 주저하는 기업들의 시장 참여 유도가 함께 이루어 져야 한다. 다행히 최근 여러 관련기업에서 해당
사업에 투자의사를 밝히고 있고, 정부에서도 바이 오매스 활용 분야에 대한 활성화 방안을 마련하고 있는 등 향후 관련 분야의 기술개발 전망은 밝다 고 볼 수 있다.
5. 결 론
현재 국내 가용 바이오매스 자원은 풍부한 편이 아니고 관련 인프라도 미흡한 현황이지만, 지역적 으로 유용하게 이용할 수 있는 바이오매스 풍부 지역이 존재하며, 바이오매스 폐기물 발생량이 많 은 산업체와 지자체를 중심으로 바이오매스 가스 화를 통한 청정 연료 생산은 향후 에너지 시장에 서 중요한 부분을 차지할 것으로 전망되고 있다.
이에 우리나라도 정책적으로 바이오매스의 에너 지원 활용을 위한 방안을 강구하고 이와 관련된 연구와 투자를 장려할 필요가 있다. 앞서 소개한 바와 같이 바이오매스의 에너지화에서 가장 기본 이 되는 부분이 바로 가스화 기술로, 다양한 형태 의 바이오매스 연료를 적용할 수 있고, 활용분야 에 적합한 조성, 생성 가스의 온도 압력 등의 요구 사항에 알맞은 합성가스를 생산할 수 있는 가스화 기의 개발이 필수적이며, 이는 합성가스를 이용한 열병합 복합 발전이나 중합 과정을 통한 액체 연 료의 생산, 합성 가스의 업그레이드를 통한 청정 연료의 생산 등에 있어 전체 효율과 경제성을 좌
이 은 도
1992∼1997 KAIST 기계공학과 학사 1997∼1999 KAIST 기계공학과 석사 1999∼2005 KAIST 기계공학과 박사 2005∼2005 CERC Post Doc.
2006∼2007 Sandia National Lab.
방문연구원 2008∼현재 한국생산기술연구원
에너지시스템연구그룹 수석연구원
2010∼현재 과학기술연합대학원대학교 청정공정 및 시스템 공학과 겸임교원
우하는 중요한 기술이다. 따라서 이러한 바이오매 스 가스화 기술 개발에 대한 많은 연구와 투자가 필요하며 이러한 노력은 향후 국가의 에너지 안보 와 기술 수출을 통한 경제 발전에 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
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