전 세계적으로 에너지원 다양화 및 온실가스 저감을 위한 다양한 신재생에너지 보급활성화 정책이 추진되고 있다. 국내에서도 500MW 이상의 발전설비를 보유한 발전사업자에게 신재생에너지 공급 의무화제도(Renewable Portfolio Standard(RPS))를 시행중이다. 발전사업자들은 의무공급량 이행을 위해 발전용 바이오중유를 사용하고 있다. 발전용 바이오중유란 동 식물성 유지, 지방산에스테르 및 그들의 혼합물로서 동점도, 유동점, 전산가 등의 품질특성을 만족해야 한다. 발전용 바이오중유는 원료물질에 의해 품질특성이 결정되었고, 중유와의 혼합비율이 증가할수록 유동점, 밀도, 황분 및 동점도는 감소하고 전산가, 요오드가, 산소함량은 증가하였다. 본 연구에서는 중유 대체연료로서의 발전용 바이오중유의 품질특성과 C 중유에 혼합 시, 혼합비율에 따른 물성 변화에 대해 검토하였다.
전 세계적으로 에너지원 다양화 및 온실가스 저감을 위한 다양한 신재생에너지 보급활성화 정책이 추진되고 있다. 국내에서도 500MW 이상의 발전설비를 보유한 발전사업자에게 신재생에너지 공급 의무화제도(Renewable Portfolio Standard(RPS))를 시행중이다. 발전사업자들은 의무공급량 이행을 위해 발전용 바이오중유를 사용하고 있다. 발전용 바이오중유란 동 식물성 유지, 지방산에스테르 및 그들의 혼합물로서 동점도, 유동점, 전산가 등의 품질특성을 만족해야 한다. 발전용 바이오중유는 원료물질에 의해 품질특성이 결정되었고, 중유와의 혼합비율이 증가할수록 유동점, 밀도, 황분 및 동점도는 감소하고 전산가, 요오드가, 산소함량은 증가하였다. 본 연구에서는 중유 대체연료로서의 발전용 바이오중유의 품질특성과 C 중유에 혼합 시, 혼합비율에 따른 물성 변화에 대해 검토하였다.
In these days, many countries carry out many renewable energy policies to increase the renewable energy portion and to reduce the GHG(Green House Gas). In Korea, RPS(Renewable Portfolio Standards) focused on over 500MW power producers is conducting. And they are using the bio-fuel oil to meet their ...
In these days, many countries carry out many renewable energy policies to increase the renewable energy portion and to reduce the GHG(Green House Gas). In Korea, RPS(Renewable Portfolio Standards) focused on over 500MW power producers is conducting. And they are using the bio-fuel oil to meet their RPS quota. The oil is a mixture of animal and vegetable fat or fatty acid ester of them and should satisfy some specifications to use the power generation such as viscosity, pour point, acid number. Depends on the raw materials, quality characteristics of power bio-fuel oil are changed. By adding the power bio-fuel oil, pour point, density, sulfur content and viscosity are decreased and acid number, iodine number, oxygen content are increased. In this study, we test the quality characteristic of power bio-fuel oil and the property changes by the blending ratio of power bio-fuel oil & conventional fuel oil.
In these days, many countries carry out many renewable energy policies to increase the renewable energy portion and to reduce the GHG(Green House Gas). In Korea, RPS(Renewable Portfolio Standards) focused on over 500MW power producers is conducting. And they are using the bio-fuel oil to meet their RPS quota. The oil is a mixture of animal and vegetable fat or fatty acid ester of them and should satisfy some specifications to use the power generation such as viscosity, pour point, acid number. Depends on the raw materials, quality characteristics of power bio-fuel oil are changed. By adding the power bio-fuel oil, pour point, density, sulfur content and viscosity are decreased and acid number, iodine number, oxygen content are increased. In this study, we test the quality characteristic of power bio-fuel oil and the property changes by the blending ratio of power bio-fuel oil & conventional fuel oil.
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문제 정의
또한, 중유 대비 점도와 발열량이 낮으므로 발전용 바이오중유의 원액을 발전설비에 전소(全燒) 하려면 버너 팁이나 연료펌프 등 기존 설비 일부를 개조하고 운전변수를 조정해야 한다. 본 연구에서는 국내에서 중유 대체연료로서 생산된 발전용 바이오중유의 연료적 특성을 살펴보고자 한다. 또한, 발전용 바이오중유를 C중유에 10 부피%, 20 부피%, 50 부피%, 70 부피% 까지 혼합하여 국내 중유 대체연료로서의 품질특성을 분석하였다.
본 연구에서는 신재생에너지 공급 의무화제도(RPS)와 관련하여 의무공급량 이행방안으로 시범 보급 중인 발전용 바이오중유 원액 및 C중유 혼합 연료에 대하여 중유 대체연료로서의 품질특성을 평가하였다. 발전용 바이오중유는 팜유계열 유지 및 부산물, 동·식물성유지, 바이오디젤 또는 공정 부산물 등의 다양한 원료를 사용하며 그 함량에 따라 물성이 변하므로 품질기준에 맞는 원료의 혼합이 중요하다.
제안 방법
발전용 바이오중유 원액에 대한 연료적 품질특성에 대한 분석은 Table 3와 같이 시범보급고시에 제시된 국내 발전용 바이오중유 품질기준 20개 항목을 분석하였다.
발전용 바이오중유는 Table 5에서 보는 바와 같이 『발전용 바이오중유 시범보급사업 추진에 관한 고시(산업부고시 2014-1호)』 상의 품질기준에 준하여 품질평가를 하였으며, 『석유 및 석유대체연료 사업법』 상의 C중유 품질기준 중 발전용 바이오중유 품질기준에 포함되지 않은 50℃에서의 동점도를 추가로 평가하였다.
발전용 바이오중유를 C중유에 비율별(10, 20, 30, 50, 70 부피%)로 혼합하여 국내 C중유 품질 기준을 만족하는지에 대한 품질 분석결과를 Table 6에 나타내었다. C중유 품질기준(인화점, 점도, 물과 침전물, 황 함량) 외에 몇 가지 주요 항목에 대해서도 분석하였다. 발전용 바이오중유는 신규 도입된 중유 대체연료로서 오랜 기간 품질이 최적화 되어 있는 중유 대비 다양한 항목에 대해 엄격하게 품질관리 되고 있으므로 발전용 바이오중유 100 부피%까지 『석유 및 석유대체 연료 사업법』 상의 C중유 품질기준을 모두 만족 하였다.
본 연구에 사용된 발전용 바이오중유는 국내 발전용 바이오중유 생산업체 3社에서 공급받았으며, C중유는 정유사에서 공급받았다. 또한, C중유에 바이오중유를 비율(10, 20, 30, 50, 70 부피%) 별로 혼합하여 품질 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 국내에서 중유 대체연료로서 생산된 발전용 바이오중유의 연료적 특성을 살펴보고자 한다. 또한, 발전용 바이오중유를 C중유에 10 부피%, 20 부피%, 50 부피%, 70 부피% 까지 혼합하여 국내 중유 대체연료로서의 품질특성을 분석하였다.
발전용 바이오중유 원액에 대한 연료적 품질특성에 대한 분석은 Table 3와 같이 시범보급고시에 제시된 국내 발전용 바이오중유 품질기준 20개 항목을 분석하였다. 연료의 구성 원소(C, H, O) 분석을 위하여 원소분석기(Thermo社의 FLASH2000)를 적용하였으며, 분석조건은 Table4와 같다. 또한, 바이오중유 혼합에 따른 연료조성 변화를 평가하기 위하여 적외선 분광광도계(Thermo社의 Nicolet 6700)를 적용하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 발전용 바이오중유는 국내 발전용 바이오중유 생산업체 3社에서 공급받았으며, C중유는 정유사에서 공급받았다. 또한, C중유에 바이오중유를 비율(10, 20, 30, 50, 70 부피%) 별로 혼합하여 품질 특성을 분석하였다.
이론/모형
연료의 구성 원소(C, H, O) 분석을 위하여 원소분석기(Thermo社의 FLASH2000)를 적용하였으며, 분석조건은 Table4와 같다. 또한, 바이오중유 혼합에 따른 연료조성 변화를 평가하기 위하여 적외선 분광광도계(Thermo社의 Nicolet 6700)를 적용하였다.
성능/효과
탄소는 연료의 고유성분으로 발열량이 7,830kcal/kg 이며, 수소는 연료의 주요성분으로 발열량이33,890kcal/kg으로 매우 높으나, 산소는 조연성 물질로 탄소나 수소와 결합하여 발열량을 감소시킨다. 따라서 발전용 바이오중유의 혼합량이 증가 할수록 산소함량이 증가하여 발열량은 감소한다(Fig. 4).
바이오매스의 황 및 질소함량은 매우 낮기 때문에 발전용 바이오중유 혼합량이 증가할수록 황및 질소 함량은 혼합비율 만큼 감소하였다. C중유 연소 시 배출가스의 환경 규제치 이하 운전을 위해서는 탈황 및 탈질설비를 가동해야 하나 발전용 바이오중유를 혼합사용 할 경우 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx) 배출량은 크게 감소하며 바이오중유 100% 사용 시 탈황 및 탈질설비 가동 없이 환경 규제치 이하로 운전할 수 있어 경제적인 효과를 얻을 수 있다.
전산가(acid number)란 시료 1g 중에 함유되어 있는 산성 성분을 적정하는데 소요되는 염기의 수량으로 시료 그램 당 수산화칼륨의 mg 단위로 표시되므로 전산가가 크면 산화된 물질이 많다는 것을 의미한다. 발전용 바이오중유는 경제성 확보를 위해 저가의 고산가 유지나 공정부산물 등을 원료로 사용하기 때문에 C 중유 대비 전산가가 높았는데, 특히 고산가의 팜 산유(PAO)가 혼합된 바이오중유(A, C) 일수록 높은 산가를 나타내었다.
C중유 품질기준(인화점, 점도, 물과 침전물, 황 함량) 외에 몇 가지 주요 항목에 대해서도 분석하였다. 발전용 바이오중유는 신규 도입된 중유 대체연료로서 오랜 기간 품질이 최적화 되어 있는 중유 대비 다양한 항목에 대해 엄격하게 품질관리 되고 있으므로 발전용 바이오중유 100 부피%까지 『석유 및 석유대체 연료 사업법』 상의 C중유 품질기준을 모두 만족 하였다.
연료별 원소함량을 살펴보면 바이오매스로부터 생산된 발전용 바이오중유는 화석연료인 C중유 대비 산소함량이 높아 연소성은 좋으나 중유 대비 쉽게 산화될 수 있으며, 탄소, 수소 함량은 낮으므로 발열량은 10% 정도 낮게 나타났다. 또한, C 중유 대비 황 및 질소 함량이 적어서 연소에 의한 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx) 등의 배출가스 저감효과가 있다.
연료의 분무특성과 관계있는 동점도는 발전용 바이오중유 혼합량이 증가할수록 감소하였다(Fig.1). C중유와 바이오중유 원액의 동점도 차이가 커서, 바이오중유를 30%만 혼합하여도 동점도는 절반 이하로 급감하였다.
원소분석 결과를 살펴보면, 발전용 바이오중유 혼합량이 증가할수록 카르복시기(-COOH)를 가진 지방산 함량이 증가하므로 탄소, 수소 함량은 낮아지고 산소함량은 증가한다(Fig. 3). 탄소는 연료의 고유성분으로 발열량이 7,830kcal/kg 이며, 수소는 연료의 주요성분으로 발열량이33,890kcal/kg으로 매우 높으나, 산소는 조연성 물질로 탄소나 수소와 결합하여 발열량을 감소시킨다.
전산가와 요오드가는 발전용 바이오중유 혼합량이 증가할수록 증가하였다(Fig. 2). 전산가가 증가할수록 연료 중의 산성 성분이 저장탱크 및 연료라인의 금속 및 고무재질에 부식을 유발시킬 위험이 커지며, 요오드가가 증가할수록 연료 중에 이중결합을 포함한 불포화 지방산의 함량이 높으므로 쉽게 산화되어 전산가를 향상시키고 검질등의 산화 생성물을 형성시켜 연료흐름을 저해 할 수 있다.
주로 동․식물성 유지의 원액이나 지방산 에스테르 등으로 구성되어 있는 발전용 바이오중유는 원유의 정제공정 중의 증류잔유물인 C중유 대비 인화점(flash point)이 높았으며, 원료물질 중 동물성유지의 혼합비율이 높은 B 시료의 인화점이 더 높게 나타났다. 인화점은 유지를 가열하여 유증기에 불꽃을 접근시켰을 때 발화하는 최소 온도로서 동물성유지의 경우 일반적으로 285℃ 이상으로 동물성유지 혼합비율이 높은 발전용 바이오중유가 인화점이 높다.
후속연구
동․식물성 유지로부터 생산된 발전용 바이오중유는 C중유 대비 황분 및 질소함량이 매우 낮아 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx) 등 배출가스 저감효과가 클 것으로 생각되지만, 전산가가 높고 점도는 낮으며 산소함량이 높아 발열량도 낮기 때문에 기존 C중유 연소 설비에 그대로 적용할 경우 펌핑 불량 및 분무패턴 변경 등이 우려된다. 따라서 발전용 바이오중유 원액 및 혼합연료를 기존 C중유 연소설비에 적용할 경우 버너 팁이나 연료펌프 등 일부 설비의 개조나 연료유량 등 분무조건 최적화, 금속재질에 대한 부식성 검토가 필요할 것으로 판단된다.
동․식물성유지의 주성분인 트리글리세라이드(triglyceride)는 주로 Palmitic acid(C16:0), Stearic Acid(C18:0), Oleic Acid(C18:1), Linoleic Acid(C18:2) 등과 같이 탄소수 16개에서 18개의 지방산 3분자가 결합되어 있으므로, C중유와 비교했을 때, 바이오 중유는 1690~1760 cm-1 사이에 영역에서 C=O피크가 나타났다. 발전용 바이오중유의 혼합량이 증가할수록 피크 강도도 선형적으로 증가하므로 석유제품 중의 발전용 바이오중유 정량․정성 분석이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
해외에서는 신재생에너지 공급 의무화제도를 어떻게 따르고 있는가?
선진 외국에서는 보일러 및 연소설비 제작자를 중심으로 바이오연료의 발전설비 적용을 위한 다양한 기술을 개발․적용시키고 있으며, 다양한 신재생연료에 대한 연소시스템 개발이 추진되고 있다. 핀란드의 선박용 엔진 및 산업용 발전설비 공급기업인 바르질라(Wartsila社)는 유지류를 디젤엔진 발전에 적용한 설비를 개발하여 자국과 이탈리아, 벨기에 등에서 실증 및 운영 중이다. 팜유, 유채유, 자트로파유 등 유지류 연료(Liquid Biofuels(LBF))에 대해 품질특성 등을 고려하여 적정 품질기준을 설정하고 일부 시설개조를 통해 디젤엔진 발전용으로 보급중이다[8]. 미국에서는 하와이 전기공사(Hawaiian Electric Company(HECO))가 카헤 발전소(Kahe Power Plant)에서 팜유 30 ~ 100% 혼합 중유에 대한 실증평가를 완료하여 연료 수급을 위한 품질기준 제정 및 운영관리 하였으나 현재는 경제성 문제로 보급되지 않고 있다. 마우이 전기공사(Maui Electric Company)는 바이오디젤에 대해 마알라에아 발전소(Maalaea Power Plant)에서 실증평가를 완료했으며, 현재는 셧다운(shutdown) 기간이나 기동유로 짧은 시간 가동하고 있다.
신재생에너지 공급 의무화제도란?
이 중, 신재생에너지 공급 의무화제도(RPS)란 일정규모(500MW) 이상의 발전설비를 보유한 발전사업자에게 총 발전량의 일정량 이상을 신재생 에너지로 생산한 전력으로 공급하게 하는 의무화 제도이다. RPS제도 시행에 따라 발전사들이 의무 공급량 이행을 위한 다양한 에너지원을 고려하면서 발전부문에서의 바이오연료 적용에 대한 검토가 이루어졌다[7].
대표적인 신재생에너지 보급활성화 정책에는 어떤것들이 있는가?
에너지 소비 증가에 따른 자원고갈 위기와 온실가스 배출 증가에 따른 자연 생태계 혼란으로 전 세계적으로 에너지원 다양화 및 온실가스 저감을 위한 신재생에너지 보급활성화 정책을 추진하고 있다. 대표적인 신재생에너지 보급활성화 정책으로는 발전부문에서의 신재생에너지 공급 의무화제도(Renewable Portfolio Standard(RPS)), 수송부문에서의 신재생에너지 연료 혼합의무화 제도(Renewable Fuel Standard(RFS)), 난방부문 에서의 신재생열원 공급의무화 제도(Renewable Heat Obligation(RHO)) 등이 있다[1-6].
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