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우리나라는 에너지 수입 의존도가 94.07%에 이르는 에너지 다소비 산업 국가로서
1차에너지 공급량 중 신·재생에너지의 비중은 5.7%에 불과하다. 이에 따라 화석연료에 대한 에너지 의존도를 낮게 유지할 수 있는 장기적인 에너지 공급 대책이 요구되어 왔다. 이를 위하여 신·재생에너지 보급을 위한 국가 정책으로 재생에너지 발전량 비중을 2030년까지 20%까지 달성하는 것을 목표로 하는「재생에너지 3020 이행계획」이 발표된 바 있다.
이러한 에너지 수급 대책의 하나로 환경문제 해소, 지구 온난화 방지 등의 효과가 있는 ...

우리나라는 에너지 수입 의존도가 94.07%에 이르는 에너지 다소비 산업 국가로서
1차에너지 공급량 중 신·재생에너지의 비중은 5.7%에 불과하다. 이에 따라 화석연료에 대한 에너지 의존도를 낮게 유지할 수 있는 장기적인 에너지 공급 대책이 요구되어 왔다. 이를 위하여 신·재생에너지 보급을 위한 국가 정책으로 재생에너지 발전량 비중을 2030년까지 20%까지 달성하는 것을 목표로 하는「재생에너지 3020 이행계획」이 발표된 바 있다.
이러한 에너지 수급 대책의 하나로 환경문제 해소, 지구 온난화 방지 등의 효과가 있는 바이오매스의 에너지화가 부각되고 있다. 바이오매스 자원은 산림 바이오매스, 농업 부산물 바이오매스, 축산 폐기물 바이오매스, 가연성 도시폐기물 등으로 분류된다. 이 중 국내에서 에너지로 활용되는 바이오매스는 주로 우드펠렛, 우드칩으로 이용되는 산림 바이오매스, 혐기성 소화를 통한 바이오가스 생산에 이용되는 축산 폐기물과 유기성 도시폐기물이 있다.
왕겨, 볏짚 등의 농업 부산물은 에너지화 방식이 아닌 퇴비, 축사 깔개 등의 방식으로 일부 이용되고 있다. 미활용 바이오매스는 에너지화 방식 등으로 이용되지 못한 채, 노천소각 등으로 처리되고 있는 농업 부산물 바이오매스와 산림 이용을 목적으로 벌채 후 수집되지 않고 숲 내에 방치된 산림 바이오매스 자원을 지칭한다.
국내 발생량이 풍부함에도 불구하고 이용률이 저조한 미활용 바이오매스에 관한 연구는 수거 모델이나 연료 특성에 관한 연구에 국한되어 왔다. 미활용 바이오매스에 대한 활용 방안 연구 및 경제성 분석 등을 통한 실용화 가능성에 대한 연구가 미흡한 실정이다.
이에 본 연구에서는 미활용 바이오매스 활용 방안으로서 미세먼지 등의 대기오염물질과 온실가스 저감 효과가 있는 열분해 가스화 방식을 선정하였다. 열분해 가스화 방식을 통해 Gas 발생 특성을 분석하였고, 가스엔진을 통한 발전 잠재량, 경제성 분석과 기후환경 영향 저감효과를 분석하였다.
미활용 바이오매스는 산림 부산물과 농업 부산물을 대상으로 하였고, 농업 부산물은 세부적으로 논작물, 밭작물, 과수 전정지로 구분하였다. 본 연구에서는 미활용 바이오매스 발생 현황부터 연료 특성, 가스화 반응특성, 가스화 생성물, 가스 발생 예상량 및 에너지량, 발전 가능량, 국내 발전 가능 잠재량, 경제성 분석, 환경영향 등을 종합적으로 분석하였다.
특히, 선행연구의 열분해 가스화에 대한 연구대상이 대부분 목질계 바이오매스인 반면, 본 연구에서는 바이오매스 범위를 농업 부산물까지 확대하였다. 그 결과 농업 부산물이 산림 부산물 바이오매스와 비슷한 에너지 잠재량을 보유하고 있음을 확인할 수 있었다.
미활용 바이오매스의 연료특성의 경우, 공업분석과 원소분석 결과는 일반적인 목질계 바이오매스와 유사하게 나타났다. 열중량 분석결과, 산림 부산물, 농업 부산물 모두 300~500℃ 온도 영역에서 대부분 열분해가 이루어졌고, 500~600℃ 이후 열분해 속도는 크게 감소하였다. 이를 통해 미활용 바이오매스가 주요 성분으로서 셀룰로오스와 리그닌으로 구성되어 있음을 알 수 있었다.
열분해 생성물 비율은 Tar 38~50%, Char 15~29%, Gas 32~34%로 나타나선행연구상의 우드칩에 비해 Tar와 Char 발생량이 높게 나타났다. 가스화 특성 분석결과, 바이오매스 단위중량당 가스발생량은 약 2Nm3/kg으로서, 가스 발열량은 1,100~1,200kcal/Nm3으로 나타나, 가스엔진 인입조건 1,100kcal/Nm3이상을 만족하였다.
본 연구에서는 미활용 바이오매스 가스화의 보급․확대를 위해 경제성 분석을 통해 최적의 비즈니스 모델을 선정하여 향후 미활용 바이오매스 가스화의 상용화 가능성을 분석하고자 하였다. 경제성 분석을 위한 직접 편익은 발전으로 인한 매전수익과 환경오염 저감 편익으로서 배출권 판매수익을 고려하였다.
경제성 분석 결과, 높은 연료 구입비로 인하여 산림 부산물, 농업 부산물 모두 B/C가 1.0미만으로 나타났다. 경제성 확보를 위하여 연료 구입비와 REC 가중치가 민감도 분석의 변수로 적용되었다. 연료 구입비를 고정시킨 상태에서 경제성을 확보할 수 있는 적정 REC 가중치는 산림 부산물의 경우 2.5, 농업 부산물의 경우 2.0으로 나타났다.
대기오염물질과 온실가스 저감에 따른 사회적 편익을 고려하였을 때, 높은 연료 구입비에도 불구하고 산림 부산물, 농업 부산물 모두 B/C가 1.0이상으로 나타났다. 특히, 농업 부산물 경우 기존의 처리방식인 노천소각에 비해 환경영향 저감효과가 크게 나타나 경제성이 향상되었다.
미활용 바이오매스 가스화 발전은 신·재생에너지 생산과 환경오염 예방이라는 두 가지 효과를 거둘 수 있는 방식으로 미세먼지 저감 및 기후변화 대응을 위하여 적극적으로 필요하다. 더불어 본 연구는 신생 바이오에너지인 미활용바이오매스에 관한 연구 분야 및 방법론을 확대한다는 점에서 의의가 있다고 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Korea is an energy consuming industrial country with 94.07% dependence on energy imports and renewable energy is only 5.7% among primary energy supply. As a result, long-term energy supply measures that can keep energy dependence on fossil fuels low have been demanded. To this end, the "3020 Impleme...

Korea is an energy consuming industrial country with 94.07% dependence on energy imports and renewable energy is only 5.7% among primary energy supply. As a result, long-term energy supply measures that can keep energy dependence on fossil fuels low have been demanded. To this end, the "3020 Implementation Plan for Renewable Energy" has been announced, aiming to achieve a 20% share of renewable energy generation by 2030 as a national policy for the dissemination of renewable energy.
Organic municipal waste and agricultural byproducts such as rice husk and rice straw in biomass are being used in conventional ways such as anaerobic digestion, composting, and housing rug. Unused biomass refers to forest biomass resources left in the forest after being harvested for the purpose of using forests and agricultural residues biomass such as crops and pruning branches of fruit trees being treated by open burning, etc.
Research on unused biomass has been limited to studies on collection models and fuel characteristics. Despite the abundance of domestic production, there is insufficient research on the possibility of practical application through research on utilization of unused biomass and economic analysis.
In this study, we selected the pyrolysis gasification method which has the effect of reducing air pollutants such as fine dust and greenhouse gas as a method of utilizing unused biomass, analyzed the potential of domestic power generation and economical efficiency through the gas engine power generation.
Unused biomass was targeted for forestry and agricultural residues. The agricultural residues were classified as rice field crops, field crops, and pruning branches of fruit trees. This study comprehensively analyzed the status of unused biomass generation, biomass characteristics, gasification reactions, gasification products, estimated amounts of syngas production, amounts of energy, potential for domestic power generation, economic analysis, and environmental impact, etc.
In particular, while the research subjects of pyrolysis gasification in the previous research are mostly woody biomass, the scope of this study is extended to agricultural residues and it can be confirmed that agricultural residues possesses energy potential similar to that of forestry residues biomass.
As a result of analysis of unused biomass fuel characteristics, industrial analysis and elemental analysis were similar to general woody biomass. As a result of thermogravimetric analysis, most of the forestry and agricultural residues were pyrolyzed in the temperature range of 300 ~ 500℃ and the pyrolysis rate after 500 ~ 600℃ was greatly decreased. Through those results, cellulose and lignin were mixed in the biomass. Tar and Char yields were higher than that of the wood chips in the previous study, with Tar 38 ~ 50%, Char 15 ~ 29%, Gas 32 ~ 34%.
As a result of analysis of gasification characteristics, the gas generation amount per biomass unit weight was about 2Nm3/kg, and the syngas calorific value was 1,100 ~ 1,200kcal/Nm3 which is suitable for input condition of gas engine. In order to expand the market, this study analyzed the possibility of commercialization of unused biomass gasification by selecting the best business model through economic analysis.
As a result of economic analysis, B/C was less than 1.0 due to the high biomass purchase cost in both forestry and agricultural residues. This study analysed the sensitivity of biomass purchase cost and the change of the REC weight which are the main variables of the economic analysis. The appropriate REC weights that can secure the economical efficiency with fixed biomass purchase cost are 2.5 for forest residues and 2.0 for agricultural residues.
As a result of the economic analysis considering the environmental and social benefits, all residues were economically feasible. Especially, the result of economic analysis of agricultural residues were highly improved because of the high reduction effect of environmental impact compared to the existing open burning.
Unused biomass gasification power generation is positively needed to reduce fine dust and cope with climate change in a way that can achieve two effects of prevention of environmental pollution and production of renewable energy. In addition, it is important that this study extends the research field and methodology of unused biomass, new bioenergy.

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