바이오차의 밭 토양 탄소 증진 및 온실가스 감축 효과

이선일(Sun-Il Lee),이종문(Jong-Mun Lee),최은정(Eun-Jung Choi),권효숙(Hyo-Suk Gwon),이형석(Hyoung-Seok Lee),박도균(Do-Gyun Park),강성수(Seong-Soo Kang),최우정(Woo-Jung Choi) 한국토양비료학회 2021 한국토양비료학회 학술발표회 초록집 Vol.2021 No.11

바이오차 (Biochar)는 바이오매스 (biomass)와 숯 (charcoal)의 합성어로, 식물 잔사 등 바이오매스를 산소가 없는 조건에서 열분해하여 제조한 고형물로 탄소 함량이 높다. 바이오차 원료 중 탄소는 열분해를 거치면서 안정된 형태의 방향족 구조로 재배열돼 토양 미생물에 의해 쉽게 분해되지 않는다. 바이오차를 토양에 투입하면 탄소를 반영구적으로 저장해 토양 속에서 탄소를 격리할 수 있다. 이처럼 바이오차를 토양에 투입·저장하면 대기 중 이산화탄소 농도를 줄일 수 있어 기후변화 완화기술로 주목받고 있다. 바이오차는 탄소격리 효과 이외에도 온실가스 감축, 토양개량을 통한 작물 수확량 증진 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구는 기후변화 완화를 위한 농업 분야 대응 기술로 주목받고 있는 바이오차의 토양 온실가스 저감 및 탄소저장 효과를 조사하기 위해 수행되었다. 연구 대상 농경지는 밭 (과수원 포함) 토양으로 한정하였으며, 온실가스는 이산화탄소 (CO₂)와 아산화질소 (N₂O)를 대상으로 하였다. 연구는 1) 농경지 바이오차 투입에 따른 토양 탄소저장, 온실가스 감축 및 작물생육: 한·중·일 문헌 연구, 2) 바이오차 종류별 농경지 온실가스 배출 특성 비교, 3) 콩대 바이오차 투입에 의한 밭 토양 탄소 증진 효과, 4) 과원 전정 가지 바이오차 투입에 따른 토양 탄소 및 온실가스 배출량 비교 등 4가지로 구성하였다. 문헌 연구 결과에 의하면, 바이오차 농경지 투입에 따른 탄소저장, 온실가스 저감 그리고 작물 수확량 증진 연구는 2007년 이후 급격히 증가하였다. 우리나라와 농업 환경이 유사한 중국, 일본 등 동북아시아 지역에서 수행된 연구 결과에 의하면, 바이오차의 탄소는 미생물에 분해에 대한 저항성이 있어 바이오차 투입량에 비례하여 토양 탄소저장량이 증가하였다. 그리고, 대부분 연구에서 바이오차 투입에 따른 농경지에서 배출되는 온실가스인 N₂O 배출량은 감소하였고, 작물 수확량은 증가하였으나, 실험 조건에 따라서 그 반대의 경향도 보고되었다. 따라서, 바이오차에 의한 온실가스 저감과 작물 수량 증대 효과는 기후, 토양, 작물 등 다양한 요인에 영향을 받는 것으로 해석되었다. 대표적 농업부산물인 왕겨, 콩대 그리고 배 전정 가지를 열분해하여 바이오차를 생산하고 밭 토양에 적용하여 온실가스 발생량에 대해 비교 평가한 실험 연구에서, 바이오차 투입으로 CO₂ 발생량은 바이오차 종류에 따라 1.3 ∼ 19.9% 범위로 감소하였고, N₂O의 발생량은 바이오차 종류와 상관없이 80% 이상 감축되었다. 콩대 부산물 바이오차를 콩 재배 농경지에 투입하고 토양 탄소 저장량 및 수확량을 비교검토한 결과, 문헌조사 결과와 유사하게 토양 탄소 함량은 바이오차 투입량에 비례하여 증가하였지만, 수량 증대 효과는 인정되지 않았다. 배 과원의 전정 가지 부산물로 생산한 바이오차를 토양에 환원하여 토양탄소 저장량과 토성별 온실가스 배출량을 비교 검토한 결과에 의하면, 토양 탄소저장량은 바이오차 투입량에 따라 유의성 있게 증가하였다. 또한, 바이오차에 의해 N₂O 발생이 양토에서 12.6 ∼ 31.9%, 사양토에서 27.9 ∼ 48.1% 줄이어 토성에 따라 줄이는 효과가 상이하였지만 줄이는 효과는 바이오차 투입량과 상관관계가 있었다. 본 연구 결과는 우리나라 농업 환경 여건에서 바이오차에 의한 온실가스 배출 저감과 토양 탄소 함량 증진 효과를 실험적으로 검증함으로써 향후 저탄소 농업실천 기술로서의 바이오차 활용 가능성과 방법을 제시한다.

아민흡수기술을 적용한 바이오가스 정제기술 실증연구

심동민,성현제,이종섭,민병무 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2015 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2015 No.-

유기성폐기물을 처리하는 소화조에서 발생하는 바이오가스는 다양한 에너지원으로 사용되고 있다, 최근에는 바이오가스를 보다 더 효율적인 에너지원으로 사용하기 위하여 정제를 통해서 도시가스화하고 있다. 바이오가스를 도시가스로 사용하기 위해서는 다양한 바이오가스 정제기술이 적용되고 있는데, 본 연구에서는 바이오가스 정제기술 중 메탄회수율과 정제된 바이오가스인 바이오메탄의 메탄농도가 높고, 에너지 원단위가 낮은 아민흡수기술을 적용하여 바이오가스를 정제해 도시가스로 사용하기 위한 연구를 수행하였다. 본 연구결과 아민흡수기술을 통해 도시가스 품질 기준에 적합하게 바이오가스를 정제하여 도시가스 배관망에 주입하였고, 이때의 바이오가스 정제기술인 아민흡수기술의 메탄회수율은 97% 이상, 바이오메탄의 메탄농도는 97% 이상이었고, 에너지 원단위는 2.0kW/Nm3 이하로서 다른 바이오가스 정제기술에 비하여 낮은 에너지 원단위를 나타내었다. 사사: 본 연구는 2012년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제입니다. (No. 20123010090030)

유기성폐자원 바이오가스화 부문 전문인력 대상 교육체계개발에 관한 연구

조준연 ( Jun-yeon Cho ),이정헌 ( Jung-heon Lee ),김수진 ( Su-jin Kim ),배재근 ( Chae-gun Phae ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

최근 「녹색성장기본법」과 RPS 제도 등의 시행으로 화석연료에 의존하는 기존의 에너지 시장이 신·재생에너지 시장으로 변화되어감에 따라 국내 신·재생에너지 시장의 확대가 이루어지고 있다. 또한 에너지 자립의 측면에서 국내·외적으로 유기성폐자원 바이오가스화에 대한 관심이 증가하고 있는 실정이다. 이에 따라 각 정부부처는 유기성폐자원의 바이오가스화 처리의 확대를 추진 중에 있다. 하지만 다수의 자자체 및 단체에서 바이오가스화 시설의 설치를 예정하고 있으나 설치 및 운영 인력들의 대한 바이오가스화 시설에 대한 전문성이 확보되지 않은 상태에서 설치 및 시설 운영으로 가동률 저하가 발생하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 유기성폐자원 바이오가스화 부문 산업현황 조사와 바이오가스화 부문 업체 및 종사자 인원을 조사 및 전문인력 대상 설문조사를 통해 교육체계 개발의 타당성을 입증하였다. 또한 NCS 및 전문인력의 수행 및 요구 직무를 분석하여 유기성폐자원 바이오가스화 시설의 기획단계, 설계단계, 시공단계, 운영단계까지의 필요 교육내용과 교육체계를 단계별로 도출하였다. 유기성폐자원의 바이오가스화를 주도할 수 있는 전문인력을 양성하는 프로그램을 개발하는 것으로 목적으로 하고 있다. 현재 운영되고 있는 바이오가스 산업분야에 대한 현황을 조사, 분석하여 교육체계 프로그램을 개발하여 전문인력의 전문성 제고 방안을 마련하였다. 이로 인하여 유기성폐자원 바이오가스화 부문의 전문성이 확보되고 안정적인 유기성폐자원 바이오가스화 처리가 가능하여 바이오가스화 산업의 확대가 기대된다.

중공사막을 이용한 가축분뇨 바이오가스 분리 및 정제 효율 평가

김종언,문병은,진병옥,이상윤,이충섭,김종구,유영선,김현태 경상대학교 농업생명과학연구원 2014 농업생명과학연구 Vol.48 No.6

본 연구는 가축분뇨 혐기성소화에서 발생된 바이오가스 이용 활성화를 위하여 효율적인 가스성상별 분리 및 정제 방법을 모색코자 수행하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위하여 폴리술폰 고분자 소재를 상분리법을 이용하여 중공사막을 제조하였고, 중공사막이 충진된 맴브레인 모듈을 제작하여 바이오 가스 분리 및 정제를 실시하였다. 이러한 특징을 가진 중공사막을 사용하여 멤브레인 모듈을 제작하였으며, 제작된 멤브레인 모듈을 사용하여 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제하였다. 바이오가스의 분리 및 정제를 위해서 멤브레인 모듈에 공급한 바이오가스는 실록산 0.1 ppm 이하, H2S 3 ppm 이하, Dewpoint –20℃ 이하로 제어하여 공급하였다. 멤브레인 모듈의 운전압력은 4∼7 ㎏f/㎠, 온도의 범위는 15∼45℃이였다. 가축분뇨에서 발생하는 바이오가스를 분리 및 정제한 결과, CH4 94.2%, CO2 92.0%로 분리 및 정제되었으며, 회수율은 CH4 102.1%, CO2 83.5%가 회수되었다. 따라서 본 연구에서 제작한 멤브레인 모듈을 사용한 바이오가스의 분리 및 정제 실험을 통해서 분리 전 바이오 가스의 성분(CH4 68%, CO2 28%, O2 0.6%, H2S 1 ppm 이하, Balance 2.7%)에 대해서 CH4 94.2%, CO2 92.0%의 고농도 분리 및 정제가 가능한 것을 알 수 있었다. This study was conducted to explore an efficient gas separation and purification method for specific constellation activation using biogas generated from the anaerobic digestion of cattle manure. A hollow fiber membrane was prepared for the isolation and purification of the biogas by the phase separation the polysulfone polymer material. The hollow fiber membrane is used to produce a filled membrane module was subjected to separation and purification of biogas. The membrane module as above was produced by using the produced hollow fiber membrane and we were the biogas generated in the anaerobic digester using a membrane module making isolation and purification. The isolated and purified biogas generated in the livestock manure results are shown below. Experimental results, it was isolated and purified by CH4 94.2%, CO2 92.0%, the recovery rate was CH4 102.1%, CO2 83.5%. This time was supplied by controlled below 0.1 ppm siloxanes, H2S 3 ppm or less, dew point -20℃ or less biogas is supplied to the membrane module. The membrane module of the operating pressure is 4~7 ㎏f/㎠ and the range of temperature is 15~45℃. Accordingly, it can be seen through the membrane module experiment with biogas isolation and purification that the separation and a purification of the high concentration CH4 94.2%, CO2 92.0%.

유기성폐자원 바이오가스화 부문 전문인력 대상 교육체계개발에 관한 연구

조준연,배재근,이정헌,김수진 한국폐기물자원순환학회 2018 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2018 No.05

최근 「녹색성장기본법」과 RPS 제도 등의 시행으로 화석연료에 의존하는 기존의 에너지 시장이 신・재생에너지 시장으로 변화되어감에 따라 국내 신・재생에너지 시장의 확대가 이루어지고 있다. 또한 에너지 자립의 측면에서 국내・외적으로 유기성폐자원 바이오가스화에 대한 관심이 증가하고 있는 실정이다. 이에 따라 각 정부부처는 유기성폐자원의 바이오가스화 처리의 확대를 추진 중에 있다. 하지만 다수의 자자체 및 단체에서 바이오 가스화 시설의 설치를 예정하고 있으나 설치 및 운영 인력들의 대한 바이오가스화 시설에 대한 전문성이 확보되지 않은 상태에서 설치 및 시설 운영으로 가동률 저하가 발생하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 유기성폐자원 바이오가스화 부문 산업현황 조사와 바이오가스화 부문 업체 및 종사자 인원을 조사 및 전문인력 대상 설문조사를 통해 교육체계 개발의 타당성을 입증하였다. 또한 NCS 및 전문인력의 수행 및 요구 직무를 분석하여 유기성폐자원 바이오가스화 시설의 기획단계, 설계단계, 시공단계, 운영단계까지의 필요 교육내용과 교육체계를 단계별로 도출하였다. 유기성폐자원의 바이오가스화를 주도할 수 있는 전문인력을 양성하는 프로그램을 개발하는 것으로 목적으로 하고 있다. 현재 운영되고 있는 바이오가스 산업분야에 대한 현황을 조사, 분석하여 교육체계 프로그램을 개발하여 전문인력의 전문성 제고 방안을 마련하였다. 이로 인하여 유기성폐자원 바이오가스화 부문의 전문성이 확보되고 안정적인 유기성폐자원 바이오가스화 처리가 가능하여 바이오가스화 산업의 확대가 기대된다.

바이오오일 가스화 과정에 대한 전산 시뮬레이션 기법 연구

최명규(Myung Kyu Choi),황재규(Jae Gyu Hwang),박훈채(Hoon Chae Park),최항석(Hang Seok Choi) 한국열환경공학회 2019 한국열환경공학회 학술대회지 Vol.2019 No.춘계

바이오연료는 인류의 지속 가능한 발전을 위한 신재생에너지원으로써 최근 각광을 받고 있다. 바이오연료 중 하나인 바이오오일은 바이오매스의 급속 열분해를 통해 생성된 액체상 물질이며, 바이오매스에 비해 에너지 밀도가 높고 저장과 수송에 편리한 이점을 가지고 있다. 또한 바이오오일을 가스화하여 생산된 합성 가스는 수소를 이용한 연료전지 발전과 화학 원료로 활용 가능하다. 바이오오일은 바이오매스의 직접 가스화에 비해 타르와 촤의 생성이 적기 때문에 가스화 공정을 통해 고품질의 합성가스를 생산할 수 있으며, 불순물의 양이 적기 때문에 합성가스 정화를 위한 후단 공정이 필수적이지 않은 장점을 가지고 있다. 실험을 통한 바이오오일 가스화 연구는 이미 여러 연구자들에 의해 수행되었지만, CFD 전산해석을 활용한 예는 찾아보기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 CFD 상용 프로그램인 Star-ccm+를 사용하여 분류층 가스화기(Entrained flow gasifier) 내 바이오오일의 가스화 특성을 알아보기 위한 전산해석 연구를 수행하였다. 먼저, 반응기 상부에 위치한 twin fluid atomizer nozzle에 의한 바이오오일의 분사 특성 연구가 선행되었으며, 반응기 내 액적 기화 모델과 가스화 반응 메커니즘이 고려되었다. 또한 가스화 반응 조건으로 반응 온도, 바이오오일에 따른 공기 당량비(equivalence ratio)를 설정하여 조건에 따른 반응기 내 다상 유동 흐름을 계산하였다. 최종적으로, 바이오오일 가스화 반응으로 인해 생성된 합성가스의 조성과 반응기 내 가스 분포를 알아보았으며, 그에 따른 냉-가스 효율, H2/CO 비율 등을 통해 바이오오일 가스화의 최적 조건을 도출하였다.

국산재 유래 바이오오일의 가스화 Kinetics에 관한 연구

황재규,최항석,박훈채,최명규 한국폐기물자원순환학회 2017 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2017 No.11

화석연료의 고갈 및 환경오염 문제가 대두됨에 따라 전 세계적으로 지속가능한 에너지자원의 확보에 대한 필요성과 관심이 높아지고 있다. 바이오매스 및 폐기물을 에너지원으로 하여 에너지를 생산하는 바이오 에너지분야는 최근 각광받는 신・재생 에너지 분야 중 하나이다. 바이오매스로부터 전환된 바이오 에너지를 사용할 때 발생되는 이산화탄소가 바이오매스의 성장에 다시 쓰이게 되므로 탄소 중립적이며 바이오매스의 경작, 재배를 통하여 지속적으로 생산 할 수 있다는 장점을 가진다. 바이오매스는 증기 또는 산소를 산화제로 가스화하여 공기에 비해 높은 발열량을 가지는 합성가스(syn-gas) 생산이 가능하고 적절한 정제 및 조성제어 공정을 거쳐 합성천연가스, FT 디젤, 메탄올, 수소 등의 고부가 합성 연료 생산에 활용할 수 있다. 그러나 바이오매스의 에너지 밀도가 낮기 때문에 가스화 플랜트와 바이오매스 생산지역이 원거리일 경우 높은 운송비용으로 경제성이 떨어지는 단점을 지닌다. 이러한 단점 극복을 위하여 바이오매스 생산지에 급속열분해 플랜트를 건설하여 에너지밀도가 높은 바이오오일을 생산하고 가스화 플랜트로 이송하여 가스화하는 방법이 대안으로 제시되고 있다. 또한 바이오오일 가스화가 바이오매스 직접 가스화에 비하여 TCI(total capital investment)가 낮아 경제적으로 유리하며 합성가스 내 타르 농도가 낮고 수소 및 일산화탄소의 수율이 높아 고품질 합성가스의 생산이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 국산재 유래 바이오오일 가스화를 위한 기초실험으로 바이오오일의 가스화 kinetics에 관한 연구를 진행하였다. 바이오오일 시료의 무게감량을 승온 속도에 따라 측정하여 kinetics 인자들(평균반응속도, 활성화에너지)을 도출하였으며, 이를 이용하여 반응차수를 계산하였다.

국산재 유래 바이오오일의 가스화 Kinetics에 관한 연구

황재규 ( Jae Gyu Hwang ),최항석 ( Hang Seok Choi ),박훈채 ( Hoon Chae Park ),최명규 ( Myung Kyu Choi ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

화석연료의 고갈 및 환경오염 문제가 대두됨에 따라 전 세계적으로 지속가능한 에너지자원의 확보에 대한 필요성과 관심이 높아지고 있다. 바이오매스 및 폐기물을 에너지원으로 하여 에너지를 생산하는 바이오 에너지 분야는 최근 각광받는 신·재생 에너지 분야 중 하나이다. 바이오매스로부터 전환된 바이오 에너지를 사용할 때 발생되는 이산화탄소가 바이오매스의 성장에 다시 쓰이게 되므로 탄소 중립적이며 바이오매스의 경작, 재배를 통하여 지속적으로 생산 할 수 있다는 장점을 가진다. 바이오매스는 증기 또는 산소를 산화제로 가스화하여 공기에 비해 높은 발열량을 가지는 합성가스(syn-gas) 생산이 가능하고 적절한 정제 및 조성제어 공정을 거쳐 합성천연가스, FT 디젤, 메탄올, 수소 등의 고부가 합성 연료 생산에 활용할 수 있다. 그러나 바이오매스의 에너지 밀도가 낮기 때문에 가스화 플랜트와 바이오매스 생산지역이 원거리일 경우 높은 운송비용으로 경제성이 떨어지는 단점을 지닌다. 이러한 단점 극복을 위하여 바이오매스 생산지에 급속열분해 플랜트를 건설하여 에너지 밀도가 높은 바이오오일을 생산하고 가스화 플랜트로 이송하여 가스화하는 방법이 대안으로 제시되고 있다. 또한 바이오오일 가스화가 바이오매스 직접 가스화에 비하여 TCI(total capital investment)가 낮아 경제적으로 유리하며 합성가스 내 타르 농도가 낮고 수소 및 일산화탄소의 수율이 높아 고품질 합성가스의 생산이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 국산재 유래 바이오오일 가스화를 위한 기초실험으로 바이오오일의 가스화 kinetics에 관한 연구를 진행하였다. 바이오오일 시료의 무게감량을 승온 속도에 따라 측정하여 kinetics 인자들(평균반응속도, 활성화에너지)을 도출하였으며, 이를 이용하여 반응차수를 계산하였다.

아민흡수기술을 적용한 바이오가스 정제기술 실증연구

심동민,성현제,이종섭,민병무 한국폐기물자원순환학회 2015 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2015 No.11

유기성폐기물을 처리하는 소화조에서 발생하는 바이오가스는 다양한 에너지원으로 사용되고 있다, 최근에는 바이오가스를 보다 더 효율적인 에너지원으로 사용하기 위하여 정제를 통해서 도시가스화하고 있다. 바이오가스를 도시가스로 사용하기 위해서는 다양한 바이오가스 정제기술이 적용되고 있는데, 본 연구에서는 바이오가스 정제기술 중 메탄회수율과 정제된 바이오가스인 바이오메탄의 메탄농도가 높고, 에너지 원단위가 낮은 아민흡수기술을 적용하여 바이오가스를 정제해 도시가스로 사용하기 위한 연구를 수행하였다. 본 연구결과 아민흡수기술을 통해 도시가스 품질 기준에 적합하게 바이오가스를 정제하여 도시가스 배관망에 주입하였고, 이때의 바이오가스 정제기술인 아민흡수기술의 메탄회수율은 97% 이상, 바이오메탄의 메탄농도는 97% 이상이었고, 에너지 원단위는 2.0kW/Nm³ 이하로서 다른 바이오가스 정제기술에 비하여 낮은 에너지원단위를 나타내었다.

환경,경제의 상생 기반 구축 및 잠재력 활성화 : 폐자원 및 바이오에너지의 용도별 적정 배분방안(1): 바이오가스를 중심으로

조지혜,이창훈,이희선,김건국 한국환경정책평가연구원 2014 기후환경정책연구 Vol.2014 No.-

세계 각국에서는 지구온난화와 관련하여 온실가스 배출 감축을 위해 재생에너지 개발보급에 박차를 가하고 있다. 특히 전체 온실가스 배출량의 20% 가량을 차지하는 수송 부문에서는 탄소중립의 폐자원 및 바이오매스를 원료로 한 재생에너지가 많은 주목을 받고 있다. 수송 부문 재생에너지는 온실가스 저감, 화석연료 대체, 에너지 수급 다변화를 통한 에너지 안보 강화, 신재생산업육성 등의 취지로 전 세계적으로 다양한 보급정책이 추진되고 있다. 국내에서는 관련 정책 중 수송용 연료의 일정분을 바이오연료로 공급하도록 의무화하는 ‘신재생에너지연료 혼합의무화제도(RFS, Renewable Fuel Standard)’를 2015년 7월부터 본격적으로 시행할 예정이다. 대표적인 바이오연료인 바이오디젤은 현재 고시로 경유의 2%를 대체하도록 하고 있으며 향후 RFS제도가 본격 도입될 경우 2.5~3.0%의 의무혼합률(BD2.5~3)을 시작으로 점차 확대 보급될 예정에 있다. 바이오에탄올의 경우에는 실증평가가 완료되었으며 그간의 시범보급사업 및 차량영향성 평가를 반영하여 2017년부터 3%의 의무혼합 도입이 검토되고 있다. 바이오가스(메탄)는 국내 인프라 구축 상황에 따라 2017년 도입을 검토할 예정이며, 시범사업을 거쳐 2020년 이후 본격 시행될 것으로 전망되고 있다. 특히, 바이오가스의 경우에는 기존 유기성 폐자원을 활용할 수 있어 국내 원료 수급이 보다 용이하고 정부에서 추진 중인 폐자원에너지화 관련 시설의 확충으로 향후 생산량 증가가 예상된다. 또한 바이오가스는 고질화(Upgrading)를 통해 천연가스와 유사한 발열량을 가진 고순도의 바이오메탄으로 전환될 수 있어 향후 가스에 대해서도 의무혼합이 시행된다면 천연가스 대체 수단으로서 그 활용성이 더욱 커질 것으로 전망된다. 하지만 바이오디젤/에탄올과 비교할 때 의무혼합률 산정에 필요한 잠재량 산정 등 국내 여건에 대한 검토가 부재하며 수송용 바이오메탄기술 개발 이외의 연구는 여전히 미흡한 실정이다. 한편, 발전 부문에서는 ‘신재생에너지 공급의무화제도(RPS, Renewable Portfolio Standard)’가 이미 시행되고 있어 상당량의 바이오가스가 이미 발전용으로 활용되고 있으므로 향후 수송용 연료로 사용 시 국내 바이오가스의 제한된 생산량 내에서 활용 용도(발전과 수송) 간 상충 우려가 있다. 이에 국내 유기성 폐자원을 활용한 바이오가스 및 매립가스 가용에너지량을 산정하여 수송 및 발전 부문에서의 보급 기여도를 각각 살펴보고 적정 활용을 위한 판단 기준을 제시하였다. 바이오가스(혐기소화) 가용에너지량 분석을 위한 대상 원료로 국내에서 수급 가능한 유기성 폐자원을 대상으로 하였으며, 기존의 대표적인 폐자원인 음식물류 폐기물, 음폐수, 하수 농축슬러지, 가축분뇨와 함께 향후 유망한 원료로 거론되고 있는 산업계 유기성 폐자원인 동·식물성 잔재물을 추가 검토하였다. 매립가스의 경우 일반적으로 매립량이 백만 톤 이상 되어야 매립가스 자원화사업이 가능한 것으로 분석되고 있어 국내 사용 중 매립지와 사용 종료 매립지 중 매립가스 자원화시설이 설치되었거나 2020년까지 매립량이 백만 톤 이상 되는 매립지를 대상으로 가용에너지량을 예측하였다. 우선 각 폐자원의 특성에 적합한 발생량 예측 모형을 선택하여 2035년까지 발생량을 전망하였으며, 이론적, 지리적, 기술적, 시장 잠재량 단계별로 접근하여 경제성, 입지, 보급 여건 등을 종합적으로 고려하여 실질적으로 공급 가능한 양(가용에너지량)을 예측하였다. 이론적 잠재량(Theoretical Potential)은 해당 폐기물이 모두 수거된다는 전제하에 확보할 수 있는 바이오가스에너지 총량에 해당하며, 지리적 잠재량(Geographical Potential)은 폐기물 수거율이나 폐자원에 너지화 시설이 입지할 수 있는 지리적인 여건을 고려한 잠재량으로 물량 확보 측면이 반영된것으로 볼 수 있다. 또한 기술적 잠재량(Technical Potential)은 최신의 기술 수준을 반영하여 에너지 효율 계수 및 가동률 등을 고려한 잠재량이며, 마지막으로 시장 잠재량(Market Potential= 가용에너지량)은 실질적으로 보급 가능한 잠재량으로 이미 재활용 등의 타 용도로 사용되고 있는 물량을 제외하고 향후 정부의 에너지화정책이나 기술 개발에 따른 비용 단가 변화 등을 기술적 잠재량에 반영하여 산정한 양으로 정의할 수 있다. 바이오가스를 수송이나 발전으로 활용함에 있어 에너지 효율성, 부가가치 등은 바이오가스 생산지 혹은 주변 입지 여건에 따라 상당히 좌우되므로 활용 용도별 유리한 입지 여건을 가용에너지량 예측 시 반영하였다. 특히, 고질화 적용 실적이 많은 해외에서는 인근에 천연가스 배관망이나 CNG 충전소가 존재하거나 처리 규모가 큰 중앙 집중형 바이오가스 플랜트 설치가 가능한 지역, 즉 도시 지역이 고질화가 유리하다고 할 수 있다. 최근 상용화에 적용되는 고질화공법들은 메탄가스 회수율이 매우 높아 에너지 손실이 5% 미만이고, 분리된 기체의 이산화탄소 함량도 95%이상 되는 경우가 많아 적절한 후속 공정 설치 시 이산화탄소를 용이하게 포집/저장함으로써 추가적인 탄소 저감이 가능하다. 한편, 인근에 열 수요처가 존재하거나 천연가스 배관망이 없는 시골 및 도서 지역과 개별 농장의 지역 분산형시설이 설치된 곳에서는 고질화시설보다는 열병합발전이 더 선호되고 있다. 열병합발전기는 실제 가동 시 에너지 손실이 15% 이상 되는 경우가 많고, 발생한 열에너지는 회수되더라도 인근에 수요처가 없으면 자체 사용량 외에는 버릴 수 밖에 없으며 여름철에는 더 많은 열량이 남게 되므로 인근 열수요처의 확보가 중요하다고 할 수 있다. 이에, RFS제도 도입을 앞두고 고질화공법을 통하여 바이오가스가 수송용 천연가스를 얼마나 대체 가능한지 살펴보기 위해 도시 지역(시 혹은 구)에서 발생되는 유기성 폐자원의 양으로 국한하여 바이오가스 가용에너지량을 산정한 결과, 수송용으로 활용 가능한 바이오가스의 시장 잠재량(가용에너지량)은 2012년 291천TOE이며, 2035년 453천TOE로 증가할 것으로 전망된다. 이 중하수 농축슬러지가 차지하는 비율이 절반 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 그 다음으로는 음폐수, 음식물류 폐기물, 가축분뇨, 동·식물성 잔재물의 순으로 높은 비중을 차지할 것으로 분석된다. 매립가스의 경우에는 초기 비중은 비교적 높았으나 향후에는 급격히 감소하여 2035년에는 1.5백만m3/년으로 전망되었다. 그 결과, 고질화가 유리한 지역에서의 바이오가스(매립가스포함) 총 가용에너지량은 약 307백만m3/년(2012년 기준)에 해당하여 수송용 도시가스 공급량의 25% 정도를 대체할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 2018년 기준으로 수송용으로 활용 가능한 바이오가스는 수송용 도시가스 공급량의 22% 정도 기여할 것으로 전망된다. 앞으로 신재생에너지연료 혼합의무화제도(RFS)에서 2017년부터 수송용 도시가스의 2%를 바이오가스로 대체한다고 가정할 경우 이는 29백만m3/년에 해당하며, 본 연구에서 산정한 가용에너지량의 약 9%에 해당하는 수치이다. 하지만 RFS 도입 시 매년 의무혼합률이 증가될 수 있으며, 향후 수송용 도시가스 공급량의 증가율이 본 연구에서 산정한 바이오가스(매립가스 포함)의 시장잠재량의 증가율 대비 더 높아 그 기여도는 점차 낮아질 것으로 예측된다. 따라서 지속적으로 바이오가스 생산량을 증대시킬 수 있는 방안이 요구된다. 한편, 열병합발전이 더 유리한 시골 지역에서의 바이오가스 및 발전용으로 공급 가능한 매립가스 가용에너지량을 합산한 결과, 시장 잠재량(가용에너지량)은 2012년 129GWh로 산정되었으며 2035년에는 314GWh로 현재 대비 약 1.5배 증가할 것으로 전망된다. 또한 2027년 기준으로 가용에너지량은 바이오가스 발전 보급 목표치 대비 1.2배에 해당하는것으로 분석된다. 정부의 제6차 전력수급기본계획에 따르면, 바이오에너지 부문의 발전 목표량은 211GWh(2013년 기준)로 설정되어 있다. 여기에서 바이오에너지는 바이오가스 이외의 우드칩, 임산연료 등도 포함하므로 직접적인 비교가 어렵기 때문에 신재생에너지 보급 통계 자료의 바이오에너지 중 바이오가스의 비율인 8%를 적용하였다. 향후 바이오가스가 수송 혹은 발전 부문에서 그 활용성이 증대되기 위해서는 바이오가스 공급망(Biogas Supply Chain)상 이전 단계에 해당하는 ‘원료 수급’ 및 ‘시설 운영’ 단계에서도 각각 효율성을 제고할 필요가 있다. 그간 짧은 기간임에도 불구하고 바이오가스시설별로 시행착오에 대한 노하우가 축적되고 있으며 성공적으로 운영되고 있는 시설도 존재하고 있다. 그럼에도 불구하고 여전히 운영상 다양한 문제점들이 존재하고 있으며 시설의 운영/사후 관리의 비효율성으로 인해 바이오가스 생산효율이 저조하여 바이오가스 자원 수급 안정성 등의 보장이 어렵다는 우려 역시 존재하고 있다. 우선 원료 수급단계에서 바이오가스화 물량의 확보를 위해서는 농산부산물이나 병충해, 가격폭락 등으로 폐기되는 농산물 등을 체계적으로 수거하는 시스템을 구축하여 바이오가스화 하는 방안 모색이 필요하다. 에너지작물로서 비식용 작물을 기후, 지역 여건 등을 고려하여 유휴지, 수변 구역 등에서 저렴하게 재배하는 방안을 검토할 필요도 있다. 특히, 억새, 유채 등은 경관용으로 재배하더라도 낮은 비용으로 수거가 가능하다면 바이오가스의 원료로 사용 가능하다. 또한 우리나라는 삼면이 바다이고 세계적인 해조류 양식 강국이다. 바이오가스 생산에 유리한 해조류를 선별하여 저비용으로 재배한다면 어민들의 수익에도 도움이 되고 에너지도 생산할 수 있어 향후 기술적 문제, 경제성 등을 검토하여 타당성이 있을 경우 기술 개발 및 사업화를 추진할 필요가 있다. 이와 더불어 바이오가스 생산량 제고를 위하여 시설 운영상 효율을 개선하기 위한 제도 마련이 필요하다. 지금까지는 바이오가스화를 유도하기 위한 인센티브 측면에서 국내에서는 시설 설치비에 보조 방식으로 국고를 지원하는 반면, 세계에서 가장 성공적으로 바이오가스 플랜트가 보급되고 있는 독일의 경우에는 시설비보다는 생산된 에너지를 장기간 가격 보증을 하거나 폐기물을 이용 시 매전단가에 대한 보너스제도 등의 다양한 지원제도를 시행하고 있다. 다만, 지원금은 바이오가스 플랜트 규모, 원료의 종류, 바이오가스 고질화 여부 등에 의해 결정되고 있어 운영상 효율성 제고를 유도하고 있다. 전력매입 단가는 일반적으로 기본요금, 투입원료 요금, 고질화 보너스로 산정되는데, 특히 기본요금의 경우 열병합 공정을 통하여 60% 이상의 전기가 생산되어야하며 열 또한 EEG의 Annex 2의 요구 사항에 따라 활용되는 시설에 한하여 지원되고 있다. 또한 재생에너지 지침(Renewable Energy Directive, RED)에 따라 폐기물이나 비농업 잔유물로부터 생산된 바이오연료는 에너지 함량당 가중치 두 배의 공급 인증서를 부여받도록 되어 있어 유기성 폐자원을 활용한 바이오연료 생산 및 보급을 유도하고 있다. 이에 국내에서도 바이오가스화 고효율시설에 대한 다양한 측면의 지원 도입이 필요하다. 가령, 바이오가스를 계약 시보다 초과하여 생산하는 시설 운영자에게 초과 생산분을 인센티브로 지급하는 방향을 검토할 수 있다. 바이오가스 시설 건설 시 시공사는 실시 설계 또는 성능 보증 등에서 바이오가스 생산 예정량을 제시하도록 함으로써 바이오가스 초과 생산분의 기준을 마련할 수있다. 향후 가스 부문에서도 신재생연료 사용에 대한 의무혼합이 시행된다면 천연가스 대체 수단으로서 바이오가스의 활용성이 더욱 커질 것이므로 바이오가스 고질화를 통한 바이오메탄 생산에 있어 경제성을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다. 바이오가스 플랜트 내에서 고질화는 열병합발전 대비 생산된 에너지를 보다 유연하게 적용할 수 있어, 열병합발전을 통해 생산된 열에너지가 수요처 부족 또는 판매 시장의 부재로 인하여 버려지는 경우 천연가스 배관망에 바이오메탄을 공급할 수 있는 고질화를 촉진하고 경제성을 제고하기 위해 많은 국가에서 보조금을 지급하는것이 최근의 추세이다. 고질화를 통해 천연가스 수준의 바이오메탄을 생산하는 것은 ‘규모의 경제’에 매우 큰 영향을 받으므로 고질화 플랜트의 집중화/대형화를 위해 혐기성소화의 분산화 혹은 집중화 여건에 적합한 전략을 각각 수립할 필요가 있으며 도입 초기에는 바이오메탄 시장 확대를 위하여 세제 감면이나 저리 융자 등의 다각적 지원이 검토되어야 할 것이다. This study estimates domestically available energy amount in the future from biogas, a gas form fuel of waste resources and bioenergy. It also seeks to ensure efficient distribution of biogas by comparing aspects such as location and technology for when making decisions on biogas applications in transportation and electricity generation. Particularly, renewable energy that uses carbon neutral waste resources and biomass as a feedstock is receiving much attention in transportation which takes up approximately 20% of the total greenhouse gas emission. Therefore, various dissemination policies have been derived globally, and domestically, Renewable Fuel Standards (RFS) that obligates the use of fixed amount of biofuel such as biodiesel, bioethanol and biogas in transportation fuel is going to be implemented from July 2015. Amongst these, biogas can use existing organic waste resources so meeting domestic feedstock supply is easier, and synergy effect can be expected with the expansion of waste-to-energy facilities driven by the government. RFS is expected to be introduced for biogas at the same time as bioethanol but not much research has been carried out other than the research and development (R&D) for vehicle fuels. Hence the absence of domestic conditions analysis required for policy implementation is highlighted. Meanwhile, biogas is widely applied in electricity generation through the implementation of Renewable Portfolio Standard (RPS), and when biogas is going to be used for transportation fuel a conflict is expected between transportation and electricity generation given the limited domestic production of biogas. Similarly, due to inefficient operation of anaerobic digestion facilities, the production rate of biogas could be lower so it is difficult to guarantee the stability of biogas supply. Available biogas energy for transportation and electricity generation that reflects the domestic location conditions is predicted, and the contribution level of the national plan and dissemination targets are estimated. A prediction model suited to organic waste characteristics was selected, and the generation amount through 2035 is forecasted. The amount of available energy that can be realistically supplied is predicted through stages of ``theoretical-``, ``geographical-``, ``technical-`` and ``market potential`` and by considering economic, location, dissemination conditions, etc. Energy efficiency and added value of using biogas are largely influenced by the biogas production site and the neighboring site conditions, so the location conditions are taken into account when estimating the available energy amount for different utilization of biogas (transportation or electricity generation). In other countries, where upgrading performances are high, areas where a natural gas pipeline network or compressed natural gas stations exist or where installation of a huge centralized biogas plant is feasible - in other words urban areas - are more advantageous for upgrading of biogas for transportation. On the other hand, using combined heat and power (CHP) is more favored in areas where a demand exists or countryside and island areas with no natural gas pipelines or with decentralized facilities of individual farms. Therefore, in anticipation of the introduction of the RFS system, how much of the natural gas used in transportation could be substituted with biogas through the upgrading process is examined by setting limits to the amount of organic waste generated in urban areas. The results show that the market potential of biogas including landfill gas is approximately 307,000,000㎥/year which means 25% of the natural gas supply for transportation can be substituted with biogas. Moreover, with reference to 2018, the market potential of biogas available for transportation is forecasted to contribute up to 22% of the natural gas supply for transportation. However, the obligatory mix ratio could increase every year after the introduction of RFS, and the increase of gas supply for transportation in the future can be higher than the increase rate of the market potential of biogas estimated in this study. Therefore, the contribution level of biogas is expected to gradually decrease. Areas suitable for using CHP is limited to rural areas, and the market potential of biogas in electricity generation is estimated at 129GWh in 2012 and 314GWh in 2035, an increase by 1.5 times from the current rate. In 2027, the market potential is analyzed to be 1.2 times higher than the electricity generation dissemination target. A plan to continuously increase the biogas production amount is needed to improve the efficient utilization of biogas. There still exist various problems in operating facilities using biogas, and inefficiency of operating some facilities has resulted in low production efficiency of biogas. Until now, the government treasury has funded to assist the installation cost of the facilities as an incentive to promote the use of biogas. However, in order to encourage high operational efficiency of the biogas facilities, incentives could be given to facility managers who have achieved higher production than originally commissioned. Furthermore, during the initial stages, operational efficiency could be improved by setting the level of support based on the scale of the biogas plant, feedstock types, use of best available technology, etc.