어려운 상황을 맞이한 박막 태양전지 기술
지난주 GE는 미국 내 최대 규모가 되는 박막 태양전지
공장의 건설을 중단한다고 발표하였다. 이러한 중단 발표 는 태양광발전에 도전하는 회사들이 단지 낮은 가격 경쟁력 만을 가진 기술로는 시장에 진출하기 어렵다는 사례를 보여 준다. GE나 이제는 더 이상 존재하지 않는 Solyndra와 Abound Solar를 포함한 수많은 태양광발전 제조사들은 박막 태양전지가 일반 실리콘 태양전지에 비해 더 적은 양 의 전기를 생산함에도 불구하고 이 기술에 대해 확신을 가 졌다. 그 이유는 바로 제조 경제성이 우수하기 때문이다. 유 일한 문제는 올바른 규모의 경제(Economies of Scale)에 도달할 정도로 생산량을 충분히 확대하는데 있었다.
그러나 박막 태양전지는 이러한 희망에 어두운 그림자를 드러내고 있다. 실리콘 태양전지판의 가격이 하락하고, 태 양전지판 효율이 보다 중요하게 되었다. 효율은 태양전지 제 조사가 다른 경쟁자들보다 앞설 수 있는 요소이기도 하며, 설치 비용을 포함한 태양발전의 전체 비용을 낮출 수 있는 방안이기도 하다. 지난주 GE사는 박막 태양전지 기술에 대 한 세밀한 검토를 수행하였으며, 이 기술이 충분한 경쟁력을 가질 정도로 효율적이지 못하다는 결론을 내렸다. 그래서 콜
로라도 Aurora에 건설되고 있는 공장을 중지시키고, 박막
태양전지 기술이 지금보다 획기적인 효율을 가질 때까지 실 험실 수준으로 되돌리기로 하였다. GE의 결정은 다른 회사 들에게 같은 전략을 반복하지 말라는 의미를 전달하고 있다.
GE Power and Water의 Danielle Merfeld는“태양 전지 개발 때 제조원가가 낮다는 점에만 의존해서는 안 된 다. 고효율의 전지판 기술도 필요하다”고 말했다. GE 및 다른 회사들이 박막 기술 분야에 뛰어들게 하도록 영감을 주었던 First Solar사는 현재 고전 중이다. First Solar는 수요가 높았던 시기에 독일 및 다른 지역의 보조금을 원동
력으로 박막 태양광기술을 시장에 소개하였다. 이는 생산 규모가 확대되면 높은 가격을 부여할 수 있다는 의미이다.
First Solar사는 세계에서 가장 큰 태양전지판 제조회사 중 하나가 되었다. 그리고 경쟁사 대비 상당히 낮은 비용을 유지하고 있었다. 이 회사는 2006년 말 주식을 상장하였으 며, 그 후 2년 동안 주식시세는 거의 10배로 증가하였다.
그러나 태양전지 가격이 하락하는 가운데 주식 또한 초기 상장 대비 절반 수준으로 급격하게 하락하였다. 이러한 상 황은 더욱 악화되고 있다. 일부 실리콘 태양전지 제조사가 보다 고효율의 태양전지판을 제공함으로써 기술 특성 개발 에 노력하고 있기 때문에 박막 및 다른 기술에 대한 기대치 가 더 높아지는 결과를 가져왔다.
GE는 아직도 개선된 재료 및 다른 기술을 이용하여 박막 태양전지의 효율을 상당 부분 개선시킬 것이라고 생각하고 있다. 이러한 개선은 기존 13%였던 효율을 일반 실리콘 태 양전지의 효율보다 높은 15%로 끌어올리는 것이다. 이러 한 일을 위해 18개월의 기간이 주어졌으나, 문제는 실리콘 과 같은 다른 경쟁기술도 빠르게 효율을 개선시키고 있다 는 점이다. 일부 태양광발전 관련 신생회사들은 다른 전략 을 추진하기도 한다. Alta Devices가 추진하고 있는 접근 법은 실리콘 보다 훨씬 효율적인 박막 태양전지를 만드는 것이다. 또 다른 방법은 실리콘 태양전지를 보강할 수 있는 기술을 제공하는 것이다. 이러한 전략은 이제 듀폰 (DuPont)사로 합병한 Innovalight사와 Twin Creeks Technologies가 선택한 방법이다.
(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2012년 7월 13일)
바이오매스(biomass)의한계를무너뜨린반탄화 기술
바이오매스(biomass)를‘바이오 석탄(bio-coal)`으로
*본 내용은 KISTI와 GTB(Global Trends Briefing 글로벌동향브리핑) 해외 과학기술동향 정보 이용협약을 통해 기사를 발췌하여 작성되었 습니다.
변환시킬 수 있는 새로운 기술은 석탄과 유기물을 혼소발 전(co-firing: 현재 사용하고 있는 석탄발전소에 바이오매 스 연료 우드펠렛을 일정비율만큼 섞어서 소각, 발전을 하 는 것을 말함)하는 데 있어 발생하는 여러 가지 문제점들을 극복할 수 있다.
전력기업들은 향후
10년 동안 중요한 한계에 부딪히게
될 것이다. 현재의 정책은 지속가능한 에너지 공급을 변화 시키면서 에너지 공급의 안정성을 보증할 수 있는 과도기 적 생각을 안고 있다. 따라서, 현재의 에너지 정책은 전력기 업으로 하여금 석탄발전소의 지속가능성을 개선하는 데 초 점을 맞추고 있다.혼소발전 바이오매스는 이산화탄소 배출을 감소시키기 위해 폭넓게 사용되고 있는 중요한 도구 중 하나이다.
1990년대 중반 이후, 미분탄을 연소하기 위해 설계된 발전
소들은 목재 및 농업용 폐기물 등 유기물을 추가적으로 사 용할 수 있다. 하지만, 석탄발전소들은 바이오매스를 처리 하기 위해 설계되지는 않았다. 약5%에서 10% 수준으로
혼소발전 비율에 제한을 두었다. 공급망 및 바이오매스 사 전처리 설비 관련 투자를 받은 혼소발전은 전체 석탄발전소의
25%에서 50%의 비중을 차지하고 있다.
우드 펠릿(Wood Pellets)
연료라는 측면에서 가장 이상적인 상황은 바이오매스를 처리하는 것이다. 왜냐하면, 바이오매스의 특성들은 석탄 의 특성과 많이 닮아있기 때문이다. 현재 가장 많이 사용되 고 있는 가공된 바이오매스 형태는 우드 펠릿(wood pellets: 톱밥을 압축해 작은 알갱이 형태로 만들어 재생산 이 가능한 차세대 연료, 지구온난화를 유발하는 CO
2를 발
생시키지 않고, 산성비의 주범인 황산화물도 발생시키지 않는 환경친화적 연료)이다. 왜냐하면, 우드 펠릿은 전세계 적으로 활용이 가능한 청정연료이기 때문이다. 뿐만 아니 라, 우드 펠릿은 관리가 편리하며(유동성이 매우 좋으며, 먼 지 배출이 적다), 상대적으로 낮은 운송비용을 가지고 있다.
우드 펠릿은 석탄발전소에서 사용이 가능하다. 그리고 현 재 그 성능과 장점이 증명된 기술 중 하나로 간주되고 있다.
그럼에도 불구하고, 우드 펠릿은 그것들만의 단점을 가 지고 있다. 우드 펠릿은 에너지 감손을 피하기 위해 전용 저 장장치를 필요로 한다. 혼소발전용 우드 펠릿은 밀링 (milling: 절삭)과 연소가 매우 중요하다. 5% 이상 혼소발 전을 하는 경우, 우드 펠릿은 1mm 크기의 입자를 만들기 위해 특수한 해머 밀(hammer milled: 해머로 분쇄하는 처리 방식) 처리가 된다. 그에 반해, 석탄 공장들은 평균 50 마이크론(micron) 크기의 미분탄을 만들기 위해 석탄을 갈게 된다. 게다가, 혼소발전은 대기의 조건, 연소 작용, 보 일러(boiler)에서의 열 전이 패턴(pattern), 보일러 효율, 부산물, 그리고 배출량 등에 영향을 미칠 것이다. 이러한 다 양한 문제는 우드 펠릿이 석탄가 혼용하여 사용될 수 있는 유용하고 일상적인 연료가 아님을 의미한다.
반탄화(가열.건조) 기술
혼소발전 비율을 추가적으로 증가시키기 위해 전력기업 들은 혁신적인 방법을 추구하고 있다. 우드 펠릿보다 혼소 발전 능력 뿐만 아니라 우수한 조절 편의성을 가진 바이오 매스 제품을 만들기 위해 반탄화(torrefaction: 광합성에 서 기인하는 바이오매스 원료를 가열·가압 성형하여 이루 어진 새로운 연료) 기술이 고려되고 있다. 사실, 반탄화 기 술은 유용하고 상품으로써 사용이 가능한 연료 생산의 꿈 을 현실화시켜 줄 수 있는 전도유망한 기술 중 하나이다.
반 탄 화 기 술 은 매 우 중 요 한 바 이 오 매 스 크 랙 킹
(cracking: 가열·분해) 기술이다. 이는 산소가 없거나 매
우 희박한 상태에서 1시간 동안 260-320℃ 온도에서 바이
오매스를 가열하는 사전처리 단계이다. 반탄화 처리 이후,
바이오매스는 부서지기 쉬운 상태가 된다. 왜냐하면, 반탄
화 기술이 헤미셀룰로오스(hemicellulose)를 분해(붕괴)
시키고 딱딱한 섬유구조에 반응하는 리그닌(lignin: 목질
소)와 셀룰로오스(celluloses: 섬유소)를 희박하게 만들 기 때문이다. 바꾸어 말하며, 바이오매스의 섬유구조가 부 분적이지만 분해가 되고 있다는 것이다. 약화된 섬유구조 는 바이오매스 분쇄 특성을 개선시키고 있다. 그리고 이는 발전소에 석탄과 함께 바이오매스를 함께 사용할 수 있게 해주었다.
게다가, 바이오매스의 열량을
12-16 MJ/kg에서 20-24 MJ/kg로 증가시켜 주고 있다. 왜냐하면, 처리가 된 바이오
매스는 휘발성과 습도를 잃어버리기 때문이다. 반탄화 처 리가 된 바이오매스의 특성은 혼소발전 비율을50% 이상
증가시켜 줄 수 있다. 그러는 동안 필요한 투자금액을 최소 화시켜 유지가 가능하게 한다.바이오매스 원천이 있는 곳에서 혼소발전이 일어나는 곳 까지의 거리에 의존하는 반탄화기술은 경제적 매력을 가지 고 있다. 특히, 가열·건조된(반탄화된) 바이오매스를 펠 릿화하는 경제적 이점을 가지고 있다. 반탄화 펠릿은
14.5- 17.5 GJ/m
3의 에너지 밀도(800 kg/m3의 용적밀도)를 가 지고 있다. 이는 전통적인 우드 펠릿(8.5-10 GJ/m3)보다
70%에서 80% 정도 높은 수치이다.
펠릿화(작은 공처럼만듦) 하기 위해, 반탄화 온도는
300℃ 이하를 유지해야만
한다. 이 온도는 리그닌을 원상태로 유지하기 위해서도 필 요하며, 리그닌은 펠릿을 만들기 위해 필요한 자연적인 결 착제로써 역할을 한다. 높은 온도에서 가열·건조된 바이 오매스는 좋은 품질의 펠릿을 생산하기 위해 첨가제를 필 요로 한다. 소수성이 증명되자마자 그것들은 야외에 저장 이 될 수 있다- 사일로(silo: 엔실리지를 만들기 위해 풀이
나 곡물 따위를 저장할 수 있는 원통 모양의 창고, 돌, 벽돌, 콘크리트 따위로 만듦)의 필요성을 제거할 수 있음. 뿐만 아니라. 이는8mm 표준크기 펠릿보다 큰 입자를 사용할
수 있다는 장점을 가지고 있다.더 많은 관심
바이오매스의 반탄화
(가열·건조)는 1970년대와 1980년대에 이미 개발이 되었다. 관심을 많이 받지 못하였
던 시기가 지난 이후, 바이오매스 시장은 좀 더 빠르게 성장 하기 시작하였다. 다른 기술 프로세스(process)를 가지고 있는 소규모 설비 공급업체들은 시험공장(pilot plant: 대규모의 공장 생산 플랜트의 건설에 착수하기 전에 공정, 설 계, 조작 등의 자료를 얻기 위하여 만드는 소규모의 설비) 에서 바이오매스를 가열·건조하기 시작하였다. 이를 통해 생산된 소량의 바이오매스를 통해 우리는 목재용 바이오매 스를 가열·건조하는 것도 가능하다는 사실을 알 수 있었 다. 그 때 반탄화 기술은 더 많은 관심을 끌기 시작하였다.
바이오매스 공급업체, 투자자, 그리고 최종사용자들 모두 가 관련 프로젝트들을 시작하고 있다. 그리고 비록 대부분 의 프로젝트들이 작은 규모라 하더라도 일부 대규모 프로 젝트들 역시 제대로 출발하고 있다. 최고의 반탄화 시설은 네덜란드(Netherlands) 두이벤(Duiven)에 있는
Topell
시설이다. 이 시설은 매년60,000톤의 산출물을 생산하기
위해 설계되었다.증명된 성공
수많은 반탄화 반응로들이 동시다발적으로 개발되고 있 다. 이는 상업적 규모 설치를 추진하는 데 있어 서로 다른 단계에 있는 반탄화 기술 공급업체들에게 만연해질 것이라 는 것을 의미한다. 반탄화를 위한 기존 계획들
- 그러한 계
획들의 성과를 평가할 수 있는- 은 거의 모든 공급업체들이
통합 계획을 개발하여왔다는 것을 보여주고 있다. 그들이 세운 통합계획은 휘발성이 풍부한 반탄화 가스를 연소시킴 으로써 그리고 바이오매스를 가열·건조하기 위해 연고가 스의 열을 사용함으로써 에너지 효율성을 최적화할 수 있 는 곳에 집중되어 있다. 이는 어느 하나의 기술이 기본적으 로 다른 것들보다는 우수하다는 것을 가정하고 있지는 않 다. 몇몇 기술들이 궁극적으로 성공적인 것으로 증명될 것 이다. 이러한 생각은 쉽게 관리될 수 있는 프로세스를 가질 수 있다는 것이다. 크랙킹은 매우 복잡한 작업이다; 이는 건 조만으로 완료할 수 있는 그리 간단한 작업이 아니다.통합적 접근방식
정말 중요한 것은 통합적인 접근방식을 활용하는 것이 다. 가열·건조 반응로 뿐만 아니라 건조, 밀링, 그리고 열 복원에 대해서 생각하는 것도 매우 중요한 일이다. 만일 이 러한 물질이 사전에 적절하게 처리되지 않는다면, 그러한 반응로가 어떻게 작동하는지의 영향(결과)을 보여주게 된
다. 예를 들어, 사전건조 단계는 좋은 반탄화(가열·거조) 조건을 결정할 정도로 중요하다. 바이오매스의 높은 습도 는‘젖어있는’반탄화 가스를 만들게 될 것이며, 이는 에너 지를 연소시키게 만들며, 전체 에너지 효율성을 감소시킨 다. 계절적 측면 역시 우리가 고려해야 될 요인이다.
순수하게 기술적 측면에서 볼 때 모든 것이 좋아보이지 는 않는다; 뿐만 아니라, 이는 최상의 경제적 솔루션
(solution)을 발견하는 것에 대한 것이다. 예를 들어, 바이
오매스가 만들어지는 곳은 전체 계획의 차이를 만들게 된 다. 바이오매스가 생산되는 곳에 따라 그에 맞는 체계와 계 획이 필요하다. 다시 말해, 바이오매스가 생산되는 곳에 따 라 무(武)에서 유(有)를 창출할 필요가 있는 것인지 또는 반 탄화 설비를 기존 발전소에 추가될 수 있는지 결정해야만 한다.반탄화 반응로의 형태
반탄화 개념은 반응로 기술, 반탄화 조건, 그리고 열교환 방법에 따라 달라질 수 있다. 주요 기술에 대한 전반적인 내 용은 아래와 같다.
다단로
다단로(다단 소각로)는 여섯 개의 소각로로 구성되어 있 다. 각각의 소각로는
1미터의 높이를 가지고 있다. 바이오
매스는 이러한 반응로 꼭대기에서 공급된다. ‘IN(안쪽) 소 각로’는 바이오매스를 중앙 통로로 이동시킴으로써 다음 소각로로 보내게 된다. ‘OUT(바깥쪽) 소각로’는 바이오 매스를 반응로 주변에 위치한 구멍에 떨어뜨리기 위해 이 동시킴으로써 다음 소각로로 이동·처리가 된다. 다른 소 각로를 통해 바이오매스를 처리하기 위해 중앙기둥(또는 중앙축)은 각각의 소각로에 교반봉(攪拌棒)을 이동시키게 된다. 반탄화(가열·건조)의 경우, 이러한 반응로는 드래 프트(draft: 제품의 용이한 추출을 위한 주형의 구배) 아래 에서 가동이 될 것이다. 이는 연고가스 흐름이 같은 방향을 따라가는 것을 의미한다. 왜냐하면, 연도가스는 흘러야하 기 때문이다.증기분사식은 매운 좋은 온도조절과 최소한의 에너지 손 실만이 존재하는 좋은 품질의 제품을 낳는다. 그로 인해, 이
러한 과정은 상대적으로 높은 효율성을 제공할 수 있다. 하 지만, 증기분사식 역시 연소를 하기 위해 상대적으로 젖어 있는 분탄화 가스들을 가열할 수 있는 가스소비를 필요로 한다.
다단로의 가장 중요한 요인은 연료의 유연성이다. 입자 크기는 교반봉의 이 사이 공간, 낙하구멍 사이의 공간, 그리 고 제품의 품질에 의해 제한이 된다; 더 큰 입자들은 가열·
건조하는 데 더 많은 시간을 필요로 한다.
로터리 킬른(Rotary kiln) 반응로
로터리 킬른 프로세스(Rotary kiln process: 폐기물소 각방식의 일종이다. 회전원통 내에 원료를 투입하고 열풍 또는 화염을 그 속에 투입시켜 가열하는 형식을 회전원통 내부가 고온이 되므로 내화벽돌로 내장하고 있다. 시멘트, 산화칼슘, 산화알루미늄, 산화마그네슘이 소성에 사용된 다. 소성과정에서 발생하는 유해가스나 분진은 제거해야 하며, 가스나 분진이 고온이기 때문에 냉각하여 처리한다.
소각로 자체가 빙빙 돌면서 소각하므로 소각효율이 높다.
산업폐기물 등의 소각에 적합한 방식)는 상업적인 열분해 설비의 성공과 유사하다. 로터리 킬른 반응로가 반탄화(가 열·건조)에 작용이 될 때, 바이오매스는
10%-15%/wt의
습도에서 건조시키는 것이 가장 효과적이다. 로터리 킬른 반응로는 열매유관(열매체로서의 고온의 기름을 보내는 관)에 의해 간접적으로 가열이 된다; 다른 측면에서 이는 과열증기에 의해 직접적으로 가열된다.로터리 킬른의 회전 속도는 반탄화(가열·건조) 기술의 제품품질을 결정하는 주요요인이다. 회전속도가 너무 느리 게 되면, 바이오매스는 가열·건조되는 대신 탄화가 되어 버릴 것이다. 그리고 회전속도가 너무 빠르게 되면, 바이오 매스는 완벽하게 가열·건조되지 않는다. 그리고 낮은 제 품 품질을 가지게 될 것이다. 게다가 회전속도는 바이오매 스에 마멸효과를 발생시킨다. 그로 인해, 반응로 길이 너머 입자크기 감소를 이끌게 된다. 입자크기의 변화는 로터리 킬른에서는 회피될 것이다. 기본적인 반응로 기술은 입자 크기를 다르게 할 수 있는 그 어떤 옵션(option)도 가지고 있지 않다. 이는 이러한 변화가 제품품질을 결정하는 매우 중요한 요인임을 의미한다.
반탄화(가열·건조)의 반응시간은
30분 정도 걸린다.
그리고 전체 프로세스 시간은
2시간 정도이다. 최적의 반
탄화(가열·건조) 조건을 위해 필요한 체류시간은 로터리 킬른의 크기를 결정하게 된다. 즉, 이러한 체류시간에 따라 로터리 킬른 반응로의 확대가능성이 달라지게 된다.토베드(Torbed) 반응로
토베드 반응로의 원리는 바닥의 도넛모양 흐름이다. 이 는 움직이지 않게 기울어져 있는 블레이드(blade)를 통해 고속(50-80 m/s)으로 공기를 주입함으로써 만들어지는 흐름이다. 주입각도는 수평속도 벡터(vector)와 수직속도 벡터 흐름을 낳게 된다. 이는 동시에 연료상을 수평적 움직 임 속으로 들어올리고 움직이게 한다. 이는 얇은 고체물질 바닥을 만들게 된다. 뿐만 아니라, 앞서 언급한 도넛모양 흐 름은 반응로 중심에 있는 수직축 근처를 순환하고 반응로 건현에 있는 수평축 근처를 순환하고 있다. 도넛모양의 움 직임은 높은 공기 속도를 허락해준다. 이는 고체입자와 가 스입자 사이 경계층을 줄여줄 수 있다. 그 결과, 가스와 고 체 간 열과 질량 전이가 개선된다. 그리고 이러한 효과는 유 보시간을 낮추어주고 좀 더 균질의 제품을 만들 수 있게 해 준다.
상업적 규모의 토베드 반탄화(가열·건조) 반응로는 네 단계의 지속적으로 이어지는 상승기류 프로세스로 구성된 다. 첫 번째 단계에서 바이오매스는 과열증기에 의해 완벽 하게 건조되고 유체화된다. 두 번째 단게는 온도를
350℃
까지 증가시켜준다. 그리고 첫 번째 단계에서 건조되지 않 은 모든 바이오매스 입자들을 위한 완충제로써 기능하게 된다. 세 번째 단계에서 바이오매스는 반탄화 처리된 가스 의 연소로부터 발생하는 뜨거운 연도가스를 직접 주입함으 로써 가열·건조가 된다. 마지막 단계는 모든 바이오매스 입자들이 제대로 가열·건조되었는지 확인하기 위한 추가 적인 측정장치로써의 기능을 한다.
이러한 네 개의 다른 단계를 통해 바이오매스를 처리하 는 데 필요한 시간은
5분 이하여야만 한다. 이는 다른 기술
보다 더 높은 반탄화(가열·건조) 온도를 증명하고 있다.그리고 높은 바이오매스 생산량을 가능하게 해준다. 하지 만, 환상적인 프로세스 조절이 화학에너지의 손실을 피하
기 위해 반드시 필요하다. 이는 전반적인 에너지 효율성 저 하라는 결과를 초래하게 된다. 높은 반탄화(가열·건조) 온 도는 석탄산, 아세톤(acetone), 그리고 다른 오염물질의 휘발성과 같다. 이는 연도가스 처리를 좀 더 어렵게 만들게 된다.
CMB(Compact moving bed) 반응로
이동층 반응로(연속적으로 탑의 정상에서 입자를 공급 하여 천천히 강하한 후, 역류 또는 병류로 기체를 접촉시켜 흡착, 이온교환, 촉매반응, 건조 등의 조작을 하는 반응장 치)에서 바이오매스는 반응로 꼭대기에서 공급이 되며, 바 닥(제품이 방출되는 곳)으로 천천히 움직이게 된다. 이동층 반응로의 길이는 제품을 생산하기 위해 필요한 유보시간에 의해 결정이 된다. 반탄화(가열·건조) 처리에 적용이 될 때, 유보시간은
25분에서 30분 사이이다.
바이오매스는 반탄화(가열·건조) 가스의 부분적인 재순환에 의해250- 300℃ 온도에서 직접 가열이 된다. 잔존하는 반탄화 가스
에서 타르(tar: 석탄·목탄 등의 흑색 건류 물질)가 분리되 며 정제된 가스가 애프터버너(afterburner: 내연 기관 배 기 중의 미연소 탄소 화합물을 줄이는 후처리 장치)에서 연 소가 된다. 애프터버너는 바이오매스 가스화 장치의 가스 와 반탄화 가스 재순환 증기에서 직접 제공이 된 연도가스 가 결합되는 곳이다. 이러한 재순환 장치는 재순환 루프(recycle loop)에서 발생하는 압력하락을 보상하기 위해
반탄화 가스의 재가압 장치와 반탄화(가열·건조) 반응로 에 필요한 열을 이동시키기 위해 재순환 가스의 열 관리 장 치로 구성되어 있다.이동층 반응로의 전형적인 현상은 연료상의 불균등한 열 처리이다. 이는 제한된 혼합(결합) 가능성으로 인해 발생하 는 현상이다. 이러한 효과는 거대한 이동층 반응로에서 좀 더 심각하게 작용한다. 왜냐하면, 이 반응로 기술의 확대잠 재력에 제한을 가하기 때문이다.
나사식 컨베이어 반응로(Screw conveyor reactor)
나사식 반응로는 반탄화 가스의 연소 인히 발생하는 연 도가스에 의해 가열이 된다. 하지만, 나사식 반응로에서 열 전이는 유동화 기술보다 효율성이 떨어진다. 그리고 나사
식 반응로의 전송능력으로 인해 바이오매스 공급은
10mm
이하의 크기를 가진 입자로 제한이 되고 있다. 게다가, 매우 낮은 용적밀도와 높은 수분량을 가진 바이오매스는 나사식 반응로에 공급이 되기 전 사전처리가 될 필요가 있다. 좋은 품질의 제품을 생산하기 위해 나사식 반응로 지름도 제한 이 되고 있다. 따라서 확대에 대한 잠재력에도 한계가 존재 한다.한계(어려움)
앞서 살펴본바와 같이 다양한 반탄화 개념이 존재한다.
모든 개념들이 시험규모에서 검증이 되어왔다. 일부 개념 들은 현재 가동이 되고 있거나 이미 반탄화 공장에 투입이 되어 사용이 되고 있다. 전형적인 크기의 실제 공장 또는 건 설되고 있는 공장들은 매년
20-60 kt/year의 제품산출량
을 낼 수 있을 것이다. 확대에 대한 어려움 이외에도 반탄화 기술의 모든 공급자들이 아래와 같은 수많은 이슈(issue) 들을 해결할 수 있는 활용가능한 솔루션(solution)을 발견 하기 위해 고군분투하고 있다:·연도가스 정제: 승인 문제를 피하기 위해 추가적인 연 도가스 정제가 반탄화 가스 연소 이후 필요하다. 대체 안은 모든 유기화합물을 완벽하게 산화시키기 위해 혼 소발전용 보일러에 반탄화 가스를 주입하는 것이다;
·프로세스 조절: 바이오매스 공급, 반탄화 온도, 그리고 유보시간 등을 조절하는 문제가 존재한다. 이는 모든 바이오매스를 탄화작용없이 완벽하게 가열·건조시 키기 위해 필요한 방법이다;
·연료 유연성: 유럽과 국가 수준의 법은 혼소발전에 이 용할 수 있는 바이오매스를 엄격하게 제한하고 있다.
다른 형태의 바이오매스는 프로세스 조건을 변화시킬 수 있으며, 최적의 반응로 기술의 선택과 통합 개념도 변화시킬 수 있다.
·지속가능성: 상대적으로 낮은 효율성과 배출량을 가 진 반응로 기술은 쇠퇴할 수 있다.
혼소발전 비율은 바이오매스의 화학적 구성에 의해 아직 제 한 이 될 것 이 다. 왜 냐 하 면, 알 칼 리 금 속
(alkaline
metals), 인광물질(자외선이나 전자 빔을 쬐면 빛을 내는
고체물), 그리고 염소와 같은 성분들은 반탄화 처리 이후에 도 남아있으며, 보일러 무결성, 부산물, 그리고 배출량에 영향을 미치게 된다. 지역에 국한된 장애는 대부분의 경우 에 존재하게 된다. 그리고 먼지 배출량, 건강 및 안전성, 공 기송풍기의 운영적 한계, 석탄 분쇄의 운영적 한계, 그리고 보일러 내 열 균형화 변화 등이 이러한 장애요인에 포함된 다. 그로 인해 관련 모델들이 이러한 장애요인을 계산하고 예측하게 된다.반탄화(가열·건조) 기술의 성능은 바이오매스의 사전 처리에 따라 달라진다. 그리고 반탄화(가열·건조) 처리가 된 바이오매스는 발전소가 개시되기 전에 할당이 될 것이 다. 그럼에도 불구하고, 우리는 반탄화 기술이 석탄발전소 에 바이오매스를 투입하여 발전을 시키는 혼소발전에 있어 매우 중요한 역할을 수행하게 될 것이다. 지금으로서는 반 탄화(가열·건조) 기술이 상업화를 향한 첫 번째 주의 깊은 단계를 형성하게 된다. 하지만, 반탄화(가열·건조) 기술과 제품 품질은 아직 불확실성을 가지고 있는 것이 사실이다.
(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2012년 7월 3일)
미국의 석유생산량 변화와 그에 대한 시사점
오늘날 석유는 중요한 자원이다. 주요 에너지 자원으로
서 지난
1965년 이후 석유 생산 동향을 다음 3개의 그래프
로 설명할 수 있다. 첫 번째 그래프에서는
1965~2011년
사이의 석유 생산 증가량을 알 수 있다. 전세계 석유 생산에 있어 최대 기록은2011년에 있었던 83.6 백만 배럴/일
(B/D)
이다. 이러한 수치는 원유 생산과 천연가솔린(Natural Gas Liquid)
을 포함하고 있다. 이와 같은 세계생산량은
BP가 소비량이라고 보고하였던 88 백만 B/D 보
다는 낮은 수치이다. 이러한 이유는
BP 보고서가 바이오연
료, 석탄을 이용하여 만든 연료, 그리고 석유가 아닌 다른 자원을 이용한 연료들을 모두 포함하고 있기 때문이다. 또 한 재고변동도 반영되어 있기 때문이다.데이터는
1965년과 2011년 사이에 전세계 석유 생산이
163%
증가하여 연간평균성장율이2.1%임을 보여준다.
많은 사람들이
2005년에 석유 생산이 피크에 도달했다고
확신했지만2011년의 석유생산은 2005년 대비 2.7% 높
았다. 그러나
2005~2011년 사이에 연간평균증가율은
0.4% 였으며, 이는 예전 평균증가율 대비 매우 낮은 수준
이다. 2030년까지 석유 생산을 예측한 데이터들은 지금까 지 평균성장율을 고려하여100~115 백만 B/D을 예상하
였다. 따라서 이러한 최근 느린 성장율은 장미빛 예측과 상 당한 차이가 있음을 보여준다.다음 그래프는 미국의 석유 생산량을 보여주고 있다. 미 국의 석유 생산이 피크에 도달한
1970년의 생산량은 11.3
백만
B/D 였다. 여기에는 2 백만 B/D의 천연가솔린이 포
함되어 있다. 그러나
1970년 이후, 미 석유생산량은 알라
스카 파이프라인이 가동을 시작했던1977년까지 감소하
였다. 그 후 알라스카 석유로 인한 생산량이 증가하여 몇 년 간 증가세가 이어졌다. 그러나 생산량은 지속적으로 감소하여
2008년에는 1970년 대비 40% 이하로 감소된 6.7
백만
B/D에 도달하였다. 그리고 오바마 정부 출범 이후로
석유 생산량은 다시 증가하기 시작하였다.
미 석유 생산량의 증가는
3가지 요인에 기인한다. 첫 번
째는 수압파쇄(Hydraulic Fracturing) 기술의 획기적인 발전이 노스다코다(North Dakota)와 텍사스 주의 석유 생산 기회를 새롭게 열었다는 것이다. 두 번째는 기록적인 석유가격으로 인해 정유회사들이 엄청난 투자로 신규 생산 량이 발생했다는 점이다. 세번째, 높아진 석유가격으로 인 해 마진이 적은 석유의 생산 경제성을 개선하였다는 점이 다. 그러나 이들 어느 요인들도 정치적인 영향을 받지는 않 은 것으로 보인다. 정책적인 영향이 이러한 석유 생산 증가 로 이어졌는지 정확하게 알 수 없으나, 내년에도 미국 석유 생산량이 증가한다는 것은 확실할 것으로 보인다.미국에서 석유 생산이 지난 몇 십년간 감소하고, 전세계 생산량은 증가했기 때문에 석유 생산에 있어 미국이 차지하 는 비율은
1970년 24%에서 2011년 9%로 하락하였다.
그럼에도 미국은 아직까지 전세계 석유 생산국
3위이며,
11.1 백만 B/D인 사우디아라비아와 10.3 백만 B/D인 러
시아를 뒤쫓고 있다. 그러나 이들 국가들과 미국을 비교했 을 때 큰 차이 중 하나는 사용량보다 생산량이 많다는 점이 다. 따라서 사우디나 러시아는 석유 생산을 통해 많은 수익 을 올리고 있다. 반면 미국은 사용되는 양보다 훨씬 적은 양 을 생산하기 때문에 석유 수입에 많은 돈을 투자하고 있다.
석유 생산과 관련하여 한가지 주목할 만한 사항은
2011
년에 생산된83.6 백만배럴의 석유가 1965년에 생산된 32백만 배럴의 석유보다 품질이 낮다는 점이다. 생산되는
원유는 점점 중질화 되면서 더 많은 황을 포함하고 있다. 따 라서 이들 원유를 생산하고 정제하는데 더 많은 비용이 요 구된다. BP의 자료에는 이러한 정보에 대해 나타나지 않았지만
EIA의 데이터를 보면 원유 품질이 나빠지고 있음을
알 수 있다. EIA의 데이터는
1985년부터 확인할 수 있지
만, 그 이후로 미국 정유공장에 사용되는 원유들이5.5 %
더 무거워 졌으며, 약54%의 황을 더 포함하고 있음을 알
수 있다.따라서 이러한 정보들로 인해 정유공장들은 이런 원유를 처리하기 위해 보다 복잡한 설비들을 갖추어야 하고, 배럴 당 얻을 수 있는 순 에너지의 양이 줄어들고 있으며, 처리 비용이 더 높아졌음을 알 수 있다. 이러한 변화는 남아있는 경질 및 고품질 원유(Sweet crude oil, 황 함량
0.5% 이
하의 초저유황 원유)를 계속 소비함에 따라 앞으로도 지속 될 것으로 보인다.(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2012년 6월 29일)
최근 환경 변화에 따른 바이오에탄올의 생산 량 하락
에탄올 제조업체들은 옥수수 가격이 급등과 고가의 기름 값에 대한 자동차 소유자들의 운전 기피 경향으로 휘발유 수요가 하락함에 따라 에탄올 생산량을 줄이거나 공장 가 동을 일시적으로 중지하고 있다. 미국내
95% 이상의 에탄
올 생산공장은 옥수수 전분(Corn Starch)을 바이오연료의 기본 원료로 사용한다. 따라서 이들 산업은 주요 옥수수 경작 지역의 고온 및 가뭄으로 인한 높은 옥수수 가격에 취 약할 수 밖에 없다. 미국내에 존재하는
200개 이상의 에탄
올 생산공장은 대부분의 옥수수가 재배되는 미 중서부에 위치하여 있다.바이오연료의 과잉공급은 에탄올 제조사를 더욱 압박할 것으로 보인다. 현재 에탄올은 주로 휘발유 혼합에 많이 사 용되는데, 침체된 경기와 높은 휘발유 가격으로 인해 자동 차 소유주들이 운전을 기피하게 되었다. 워싱턴에 위치한 신재생연료협회(Renewable Fuels Association)의 대
변인인
Matt Hartwig는“시장이 침체되면 바이오연료 산
업은 석유 산업과 유사한 모습을 보여준다. 즉, 경기가 침체 되면 정유업체들은 시설을 가동하지 않거나 생산량을 줄인 다. 에탄올 생산업체들도 이와 유사한 일을 하는 것이다.”
라고 밝혔다.
지난 금요일 미 농무부(Department of Agriculture)
는
2012년 미국내 농부들이 96.4 백만 에이커의 옥수수를
재배하고 있다고 보고하였다. 이러한 재배량은
97백만 에
이커가 재배되었던1937년 이후 가장 높은 수치이다. 그러
나 이 보고서에는 고온이나 가뭄의 피해에 대한 두려움을 완화하는 내용을 많이 담고 있지 않았다. DTN의 에탄올 분석가인
Rick Kment는“초기 에탄올 산업과 달리 침제기로
많은 에탄올 공장의 문을 닫거나 파산할 가능성이 있다. 따 라서 생산량 하락은 마진이 적을 때 위험을 관리할 수 있는 조절방안이다.”라고 설명하였다. 또한 올해 초부터 약
5개
의 에탄올 공장이 가동 중단 및 재생산을 반복하고 있으며, 다른 생산공장은 생산량을 상당량 줄이고 있다고 덧붙였다.이들 생산공장 중 메이져급 석유회사인
Valero Energy
Corp은 10개의 에탄올 공장을 가동하고 있다. Valero사는
앨비온(Albion)과 린덴(Linden) 지역에 위치한 공장의 가 동을 일시 중지하였다. 왜냐하면 판매가보다 제조가가 높기
때문이다. 각각의 에탄올 공장은 반경
50 마일내에 있는 농
장에서 옥수수를 구매하고 있다. 따라서 지역 옥수수 가격 이 너무 높으면 경제성이 맞지 않아 생산은 중단되게 된다.이러한 일은 해당 지역에 가뭄이 왔을 때 발생하게 된다.
Valero사의 대변인인 Bill Day는“이런 상황이 일시적
이기를 바라고 있으며, 장기적일 것이라 생각하지 않는다.
우리는 에너지 회사이기 때문에 에너지 경제의 상승 및 하 락에 잘 적응되어 있다.”라고 말한다. Day는“이 회사는 각 각의 공장에서
60명의 종업원을 그대로 유지하고 있다. 이
들은 환경이 개선되면 빠르게 에탄올을 다시 생산할 수 있 도록 설비 관리 및 유지에 집중하고 있다.”라고 덧붙였다.Valero사는 지난 금요일 발표된 에이커리지 보고서 (Acreage Report)에 희망을 걸고 있다. 긍정적인 내용의
이 보고서로 인해 옥수수 시장에 대한 일부 염려를 가라앉 히고, 옥수수 가격이 하락하여 공장을 재가동할 수 있을 것 으로 기대하기 때문이다. 그러나 고온 현상이 미 중서부 지 역에 지속되고 있기 때문에 소규모 에탄올 생산업체들의 걱정은 날로 커지고 있다. East Kansas Agri Energy의Steve Gardner는 2012년 1분기 이후 총 용량의 80%를
가동하고 있다고 밝혔다. 그는 옥수수 가격이 너무 높아 매 달 상황을 살펴보고 공장문을 닫을 것인지 검토하고 있다 고 말했다.미 에너지부의 바이오연료 분석가인
Sean Hill는 지난
3월 미국의 에탄올 재고는 23 백만 배럴로 최고치에 도달
하였으며, 올해
20 백만 배럴 이상의 재고량을 유지하고 있
다고 말한다. 참고로 지난2011년 재고량은 18백만 배럴
로 마감하였다. 자동차 및 픽업 트럭에 사용되는 대부분의 에탄올 연료는10%의 에탄올과 90%의 휘발유로 이루어
져 있다. 에탄올의 함량을15%로 증가시킨 새로운 혼합연
료는