[논문]산림 바이오매스의 에너지 활용을 위한 타당성 분석

강현구; 박기철; 김래현

doi:10.5855/energy.2014.23.1.007

산림 바이오매스의 에너지 활용을 위한 타당성 분석
The feasibility analysis for energy utilization of forest biomass 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.23 no.1, 2014년, pp.7 - 20

강현구 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원) , 박기철 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원) , 김래현 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원)

초록
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본 연구에서는 전국적으로 48만ha에 걸쳐 연료림으로 조성되어 있는 리기다소나무를 에너지연료로 활용하기 위해 최적의 생산시스템을 개발하고 이에 따른 공급가격과 전기 열 판매가격 및 이용률 등을 고려한 우드칩 연료한계가격을 산출하였으며 다양한 시나리오에 따른 경제성 민감도 분석을 수행하였다. 열 및 발전 전용시설에서의 경제성을 결정짓는 가장 중요한 변수는 연료공급가격이다. 열 전용시설에서는 본 연구에서 제안된 모든 생산시스템에서 생산되는 우드칩 연료의 활용이 가능하며 발전 전용시설에서는 생산비가 가장 높은 연료사용에는 일부 한계가 있으나 전기 판매가격이 현재의 SMP(pitch pine : 계통한계가격)보다 높아지거나 이용률이 80%이상으로 되는 경우 모두 활용 가능한 것으로 분석되었으며, 더욱이 RPS제도 시행에 따른 신재생에너지 인증서(REC:Renewable Energy Certificate)편익과 온실가스 절감효과로 CDM(Clean Development Mechanism)편익 등을 고려할 경우 충분히 활용 가능한 것으로 분석되었다. 따라서, 국내 발전부문에서의 RPS 공급의무율 이행을 위해서 산림 바이오매스의 활용이 적극 권장된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The optimal woodchip production system was developed and the production cost of a forest woodchip fuel was calculated for utilizing the pitch pine, which covers around 480,000ha nationwide. the marginal price of the woodchip fuel considering the factor of supply price, electricity and heat selling price as well as capacity factor were suggested and the economic sensitivity analysis was conducted for various scenario. The most important variable which determine economic feasibility was a fuel cost for the power generation facility. If the electricity price is higher than the current SMP(System Marginal Price) or the capacity factor is higher than 80%, there fully is a benefit to consume the woodchip fuels produced in the suggested production system in this study. In addition, the additional benefit becomes more obvious when considering REC(Renewable Energy Certificate) and CDM(Clean Development Mechanism). Therefore, it is strongly suggested for domestic power generation sector to utilize the forest biomass fuel to achieve the obligatory target of RPS.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 연료림인 리기다소나무를 대상으로 전목생산, 전간재생산과 같은 생산시스템의 종류 그리고 생산지와 사용지간의 운송거리에 따라 수행한 공정분석 및 시험결과를 바탕으로 최적의 생산시스템을 개발하고 생산비용 및 공급가격을 분석하고자 한다[5,11].
또한 에너지 연료 활용을 위한 산림 바이오매스의 생산비용 및 공급가격을 에너지 생산시스템(열 전용시설, 발전 전용시설)별로 적용 열·전기 판매가격 및 이용률 등을 고려한 우드칩연료 한계가격을 산출하고 다양한 시나리오에 따른 민감도 분석을 수행하여 산림 바이오매스의 에너지 활용을 위한 타당성을 분석하고자 한다.
목질계 바이오매스 에너지 활성화의 관건은 공급가격의 경제성과 공급의 안정성이 확보되어야 하는바 이러한 문제점의 해결방안을 도출하기 위해 본 연구에서는 목질계 바이오매스중의 하나인 산림 바이오매스로 국내 부존자원이며 1960~1970년대에 걸쳐 전국적으로 48만ha에 연료림으로 조성하여 현재는 벌기령이 지나 수종갱신 대상인 리기다소나무를 에너지연료로 활용하기 위한 에너지연료 생산공정분석을 통한 생산비용을 산출하고 또한 현 단계에서 생산비용을 최소화 할 수 있는 최적의 생산시스템을 개발하여 현재의 에너지 생산시스템에 적용 시 경제성 확보 여부를 경제성분석을 통해 확인하고 이에 따른 경제적 편익분석과 환경적 편익분석을 종합하여 산림 바이오매스 에너지의 활용가능 타당성을 평가하고 활성화를 위한 방안을 제시하고자 한다[2,8].
본 연구에서는 리기다소나무를 에너지 연료로 활용하기 위해 실증실험을 통해 최적의 생산시스템을 개발하고 이에 따른 연료 생산원가를 분석하였으며 공급가격과 전기·열 판매가격 및 이용률 등을 고려한 우드칩 연료 한계가격을 산출하여 열전용 시설 및 발전 전용시설에서의 에너지연료 활용을 위한 경제성을 분석하였다.

제안 방법

본 장에서는 열 전용시설과 발전 전용시설의 투자비와 예상효과를 비교 분석하여 그 사업이 투자 대비 경제적 타당성을 가지는 가를 평가하며 그 평가방법으로는 1) 내부수익률(IRR:Internal Ratio of Return) 2) 순현재가치(NPV:Net Present Value) 3) 편익비용분석(Benefit Cost Ratio) 4) 투자비회수기간(Payback Period) 5) 발전원가분석의 5가지 지표를 적용 평가하였으며 이러한 경제성 분석결과와 앞에서 산출한 생산시스템별 생산단가의 산림 바이오매스를 연료로 사용할 경우의 경제성 여부를 비교 분석하였다. 경제성 분석에 영향을 주는 인자인 에너지 공급가격, 열(증기).
Ⅱ장에서 얻은 data를 활용하여 경산~서대구간의 운송원가(운송거리 약 46km)와 동일한 조건일 때 거리별 운송원가를 산정하였다.
경비 중 기계경비는 감가상각비, 정비비, 관리비로 구분이 되며 각각 공사표준품셈에 제시된 손료를 활용하였다. 단 파쇄기는 공사표준품셈을 적용하지 않고 해외 파쇄비용 산출 자료를 인용하였다.
본 연구에서 공정조사에 참여한 기능 인력의 작업효율성을 객관적인 지표로 판단하기 위해 작업공정을 분석하여 기능인력 숙련도 기준표를 적용하여 생산비용에 적용하였다. 다만 벌목공정의 숙련도는 작업자의 경력이 5년~10년 정도의 숙련자이므로 공정분석을 생략하고, 스윙야더 등 작업자의 경력이 5년 이하의 작업자에 대하여 작업지연 사유 등 작업공정 분석 후 표준 작업량을 추정하여 현 단계의 숙련도를 분석하였다[6,30].
또한 국내에서 발전전기를 전력거래소에 판매하는 B사의 자료를 참조하여 전기 판매가격과 이용률의 민감도에 따른 연료 한계가격을 산정하였다. 그 결과 전기 판매단가가 현재의 SMP보다 낮거나 이용률이 80%이하일 경우에는 system1 ~system3까지 모든 시스템의 공급가격이 한계가격을 초과하게 되어 산림바이오매스만을 연료로 활용할 때는 경제성이 부족한 것으로 분석되었으나, 전기 판매단가가 현재의 SMP보다 높아지거나 이용률을 80%이상으로 향상시킬 경우에는 산림 바이오매스의 이용이 가능한 것으로 나타났다.
우드칩연료 생산의 경제성분석을 위해 전북 진안군에 4개 필지(8ha규모)의 실증단지를 조성하고 작업로 개설, 벌목, 집재, 파쇄, 운송 등의 작업공정별 산출량 노동력 및 투입장비, 소모품 등의 투입시간 및 투입량 등을 파악하였으며, 이를 기초로 생산원가를 산출하였다. 또한 현 기술수준 하에서 최적의 연료생산시스템으로 5개의 시스템을 제안하고 각 시스템별 생산원가를 산출하였다.
앞에서 각 공정분석에 따른 장비별 연료생산 표준단가를 산정하였다. 리기다소나무를 에너지연료로 활용하기 위하여 현 기술수준에서의 경제성 있는 생산시스템을 제안하고 앞서 산정된 장비별 표준단가를 이용하여 각 생산시스템별 생산비용을 산정하였다[11,20,29,30].
리기다소나무의 에너지연료 활용에 대한 경제성분석을 위해 현재 국내에서 열을 공급하고 있는 A사의 투자내역을 참조하여 전기·증기판매 가격과 이용률의 민감도에 따른 연료 한계가격을 분석하였다.
본 연구에서 검토한 발전 전용시설은 생산한 발전 전기를 전력거래소에 판매하는 시설로 B사에서 발표한 자료를 참조하여 검토하였으며, 전기 판매가격과 이용률의 민감도에 따른 연료 한계가격을 산정하였다. 기본 전기 판매가격은 2011년도 SMP 평균가격으로 산정하였다[29,30].
본 연구에서 검토한 열 전용시설은 산업단지에 연중 열을 공급하는 시설로 A사의 투자내역을 참조하여 검토하였으며, 증기 판매가격과 이용률의 민감도에 따른 연료 한계가격을 산정하였다.
본 연구에서 공정조사에 참여한 기능 인력의 작업효율성을 객관적인 지표로 판단하기 위해 작업공정을 분석하여 기능인력 숙련도 기준표를 적용하여 생산비용에 적용하였다. 다만 벌목공정의 숙련도는 작업자의 경력이 5년~10년 정도의 숙련자이므로 공정분석을 생략하고, 스윙야더 등 작업자의 경력이 5년 이하의 작업자에 대하여 작업지연 사유 등 작업공정 분석 후 표준 작업량을 추정하여 현 단계의 숙련도를 분석하였다[6,30].
리기다소나무의 전목 및 전간재의 재적 대비 중량에 대한 시험은 2차 시험임지인 물곡리 산 54번지에서 이루어졌으며, 전목 73본을 시료로 사용하였다. 시험 방법은 리기다소나무를 전목집재하여 수고와 경급을 측정한 후 로드셀을 이용하여 중량을 측정한 후 기계톱을 사용하여 가지치기작업을 시행하고 전간재 상태의 시료를 로드셀로 중량을 측정하여 각 시료의 재적별 전목 및 전간재의 무게의 변위를 측정하였다. 시료의 평균직경 20cm, 평균수고 16m, 평균재적은 0.
앞에서 각 공정분석에 따른 장비별 연료생산 표준단가를 산정하였다. 리기다소나무를 에너지연료로 활용하기 위하여 현 기술수준에서의 경제성 있는 생산시스템을 제안하고 앞서 산정된 장비별 표준단가를 이용하여 각 생산시스템별 생산비용을 산정하였다[11,20,29,30].
앞에서 구한 임지 경사도에 따른 장비별 표준단가에 기능 인력의 숙련도를 반영하고 추가적으로 산정한 조재비용, 단목 운송비용 및 비중을 적용하여 다음과 같이 최종 표준생산단가를 산출하였다[6,24].
우드칩연료 생산의 경제성분석을 위해 전북 진안군에 4개 필지(8ha규모)의 실증단지를 조성하고 작업로 개설, 벌목, 집재, 파쇄, 운송 등의 작업공정별 산출량 노동력 및 투입장비, 소모품 등의 투입시간 및 투입량 등을 파악하였으며, 이를 기초로 생산원가를 산출하였다. 또한 현 기술수준 하에서 최적의 연료생산시스템으로 5개의 시스템을 제안하고 각 시스템별 생산원가를 산출하였다.
전기 판매가격 및 이용률의 민감도에 따라 각각의 연료 한계가격을 산정하여 Ⅲ장에서 산출한 생산시스템별 연료가격과 비교 분석하였다[9,12,20,29,60].

대상 데이터

공정조사 대상 4개 필지의 면적은 8.68ha로 임목 축적은 904.1m³이다. 총 산주보상금액 11,900천원을 지급하여 산주보상금은 13,162원/m³(ton) 정도이다.
리기다소나무의 전목 및 전간재의 재적 대비 중량에 대한 시험은 2차 시험임지인 물곡리 산 54번지에서 이루어졌으며, 전목 73본을 시료로 사용하였다. 시험 방법은 리기다소나무를 전목집재하여 수고와 경급을 측정한 후 로드셀을 이용하여 중량을 측정한 후 기계톱을 사용하여 가지치기작업을 시행하고 전간재 상태의 시료를 로드셀로 중량을 측정하여 각 시료의 재적별 전목 및 전간재의 무게의 변위를 측정하였다.
현재 진안군 인근에서 제지공장에 납품되고 있는 자료를 참고하여 다음과 같이 단가를 산정해 보았다. 단목 운송차량은 5톤 트럭을 개조한 차량으로 대당 18 ~ 20ton가량의 단목을 운송하고 있는 것으로 조사되었으며 평균 연비는 약 3.

성능/효과

4개 필지의 실증단지에서 실험결과 얻은 전목 생산시스템의 생산원가와 기존 단목 생산시스템의 생산 원가를 비교 했을 때 40 ~ 56 %의 절감효과가 나타나는 것으로 분석되었다.
5개의 연료생산시스템은 크게 전목 생산시스템과 전간재 생산시스템으로 구분되며 임지의 작업여건 및 차량의 접근성 등을 고려할 때 벌목(전목)-집재(전목)-파쇄-운송하는 System1의 생산원가가 가장 낮은 것으로 분석되었다. 또한 임지의 작업여건 및 차량의 접근성 등을 고려하여 전목 생산시스템 또는 전간재 생산시스템을 선택적으로 적용하는 것이 필요하다.
Ⅱ장의 5개 종류의 파쇄기를 활용한 시험결과에서 얻은 파쇄량, 파쇄시간을 기본으로 하여 파쇄 공정에서의 원가를 산출하면 Disc Type(40°)인 장비가 7,736원/ton으로 생산원가 측면에서 가장 우수하였으며, Grinder(수평)가 19,747원/ton으로 가장 높은 결과를 얻었다.
또한 국내에서 발전전기를 전력거래소에 판매하는 B사의 자료를 참조하여 전기 판매가격과 이용률의 민감도에 따른 연료 한계가격을 산정하였다. 그 결과 전기 판매단가가 현재의 SMP보다 낮거나 이용률이 80%이하일 경우에는 system1 ~system3까지 모든 시스템의 공급가격이 한계가격을 초과하게 되어 산림바이오매스만을 연료로 활용할 때는 경제성이 부족한 것으로 분석되었으나, 전기 판매단가가 현재의 SMP보다 높아지거나 이용률을 80%이상으로 향상시킬 경우에는 산림 바이오매스의 이용이 가능한 것으로 나타났다. 더구나, 2012년부터 RPS제도가 시행 될 경우 목질계 바이오매스 에너지에 대한 신재생에너지 인증서(REC)편익을 고려할 때 충분히 경쟁력을 갖게 되며 발전원가 측면에서 다른 신재생에너지원보다 우수한 것으로 판단된다.
벌목과정에서 가지치기 및 조재 토막내기의 공정이 없어짐으로 인해 전간재 대비 300%의 작업 효율을 높일 수 있으며, 또한 전간재 및 단목 집재 대비 15%정도 지엽발생량을 수집하므로 물질 활용도를 높일 수 있으며, 지조물 방치로 인한 산림화재 발생 위험을 줄이는 효과가 있다.
시료의 평균직경 20cm, 평균수고 16m, 평균재적은 0.2527m3, 평균무게는 전목의 경우 평균 247.6kg으로 재적대비 무게비율이 평균 0.98, 전간재의 경우 평균 211.4kg으로 재적 대비 무게비율이 평균 0.83으로 조사 되었다.
열 전용 시설의 경우 증기(열)판매 단가, 이용률에 따라서 산림 바이오매스를 연료로 사용할 수 있는 한계가격이 큰 차이가 있는 것으로 나타났다. 증기(열)판매단가는 대부분이 수용가와의 계약에 의해 이루어지며 일반적으로 원유, LNG 등의 화석연료의 가격에 따라 변동요금을 적용하고 있다.
증기가격과 이용률을 긍정적으로 반영할 경우에는 system1, system2 및 system3의 전목 생산시스템에서 생산되는 연료는 모두 활용 가능하지만, 증기가격과 이용률이 부정적인 경우 급경사에서 생산되는 산림 바이오매스를 사용하기에는 일부 한계가 있는 것으로 나타났다.
리기다소나무의 에너지연료 활용에 대한 경제성분석을 위해 현재 국내에서 열을 공급하고 있는 A사의 투자내역을 참조하여 전기·증기판매 가격과 이용률의 민감도에 따른 연료 한계가격을 분석하였다. 증기가격과 이용률을 긍정적으로 반영할 경우에는 system1, system2 및 system3의 전목 생산시스템에서 생산되는 연료는 모두 활용 가능하지만, 증기가격과 이용률이 부정적인 경우 급경사에서 생산되는 산림 바이오매스의 사용에는 일부 한계가 있는 것으로 나타났다.

후속연구

향후 본 연구에서 투입된 장비가 개량되거나 성능이 더 좋은 장비가 투입될 될 경우, 또한 보다 숙련된 임업 기술 인력이 투입될 경우 산림 바이오매스 우드칩 생산원가는 더 낮아질 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한전 발전자회사를 포함한 13개 RPS 대상 발전사업자들과 여러 민간열병합 발전사업자 및 산업용 열 생산 설비 보유업체들이 목질계 바이오매스 에너지의 이용계획을 적극 검토하고 있는 사례는?	2006년 국내 최초로 서대구에 목질계 바이오매스 열병합발전소가 준공되어 상업운전에 들어간 이후 몇 개의 열병합발전소가 추가로 건설되어 운영 중에 있으며 현재는 제도 시행에 대응하기 위해 한전의 RPS 발전자회사인 한국동서발전이 2013년 준공목표로 동해에 30 MW급 목질계 바이오매스 발전소를 건설 중에 있으며 한국수력원자력과 한국서부발전도 30~50 MW급의 목질계 바이오매스 발전소 건설을 계획하고 있으며 한국지역난방공사와 민간부문에서도 목질계 바이오매스 열병합발전설비 건설을 계획하고 있다[1,8,9,14,17,26].
	공사원가는 어떻게 분류할 수 있는가?	예정가격 작성기준』 에 따르면 공사원가는 크게 노무비, 재료비, 경비, 일반관리비로 분류할 수 있다. 노무비에는 직접노무비와 간접노무비로 재료비는 직접재료비와 간접재료비로 경비는 기계경비, 보험료 등으로 분류할 수 있다[30].
	목질계 바이오매스 에너지 활성화의 관건은?	목질계 바이오매스 에너지 활성화의 관건은 공급가격의 경제성과 공급의 안정성이 확보되어야 하는바 이러한 문제점의 해결방안을 도출하기 위해 본 연구에서는 목질계 바이오매스중의 하나인 산림 바이오매스로 국내 부존자원이며 1960~1970년대에 걸쳐 전국적으로 48만ha에 연료림으로 조성하여 현재는 벌기령이 지나 수종갱신 대상인 리기다소나무를 에너지연료로 활용하기 위한 에너지연료 생산공정분석을 통한 생산비용을 산출하고 또한 현 단계에서 생산비용을 최소화 할 수 있는 최적의 생산시스템을 개발하여 현재의 에너지 생산시스템에 적용 시 경제성 확보 여부를 경제성분석을 통해 확인하고 이에 따른 경제적 편익분석과 환경적 편익분석을 종합하여 산림 바이오매스 에너지의 활용가능 타당성을 평가하고 활성화를 위한 방안을 제시하고자 한다[2,8].

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산업자원부, "리기다소나무 활용을 위한 경제성분석"(2008)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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