[논문]청정에너지농업시스템 개발에 따른 실증단지의 온실가스배출량 분석

김태훈; 윤성이

doi:10.11625/kjoa.2015.23.4.643

청정에너지농업시스템 개발에 따른 실증단지의 온실가스배출량 분석
Analysis of Greenhouse Gas Emission associated with Clean Energy Agriculture System Development 원문보기

韓國有機農業學會誌 = Korean journal of organic agriculture, v.23 no.4, 2015년, pp.643 - 658

김태훈 (동국대학교 식품산업관리학과 식품산업클러스터연구소) , 윤성이 (동국대학교 식품산업관리학과 식품클러스터연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents detailed emission of greenhouse gases of using Clean Energy Agriculture System according to a cradle-to-gate life-cycle assessment, including emission from energy use and leak of Biogas. Calculations were done with the PASS software and the covered gases are $CH_4$, $N_2O$ and $CO_2$, Total GHG fluxes of amount to $1719.03kgCO_2/day$, $39.63kgCO_2/day$ (2.31%) are from facility house process, $0.19kgCO_2/day$ (0.01%) are from transport process, $696.72kgCO_2/day$ (40.53%) are from Anaerobic digestion process, $846.61kgCO_2/day$ (49.25%) are from Heating and cooling system, $135.88kgCO_2/day$ (7.90%) are from Fertigation production process. The results suggest that for effective reduction of GHG emissions from Facility house using clean energy. Reduction targets should address both the production process as defined by IPCC sectors and the consumption process. An LCA assessment as presented here could be a basis for such efforts.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전과정평가 방법을 이용하여 화석연료를 사용하는 시설오이농가에 가축분뇨를 활용한 청정에너지농업시스템을 도입하여 바이오가스를 생산하고, 농사용 에너지로 활용하여 시설하우스의 화석연료 대체에 따른 온실가스 배출량 및 감축량을 분석하였다.

제안 방법

가스흡수식 냉온수기에서는 혐기소화공정에서 생산된 바이오가스를 하절기 냉방과 동절기 난방에너지로 공급하여 시설하우스에서 냉난방을 통한 작물의 생육환경을 조절한다. 본 연구에서는 청정에너지농업시스템을 도입한 시설하우스에서 원료운송, 혐기소화공정, 냉난방 시스템, 비료생산 4개의 공정과 시설하우스의 투입되는 비료의 양을 토대로 청정에너지농업시스템의 전과정에서 발생하는 온실가스배출량을 분석하고자 한다.
비료생산공정을 통해 생산된 비료는 시설하우스에 투입하여 요소비료를 대체하게 된다. 이 모든 과정이 본 연구의 시스템 경계이며 이 과정에서 발생되는 온실가스배출량의 분석을 통해 공정별로 온실가스 배출량을 평가하였으며, 더불어 시스템경계 내에서 발생하는 온실가스감축량을 분석하였다.

대상 데이터

실증단지는 경기도 안성시 보개면에 위치해 있으며, 해당 시설하우스에서는 오이를 재배하고 있으며, 하절기에는 촉성재배, 동절기에는 억제재배를 하고 있다. 시설에 투입되는 원료물질은 지역의 돼지농가에서 발생하는 가축분뇨 14 ㎥/d, 김치가공장에서 발생하는 농산부산물 3 ㎥/d 그리고 지역에서 발생하는 음식물쓰레기 3 ㎥/d로 총 20 ㎥/d이 수거된다. 지역에서 수거된 원료물질을 혐기소화공정에 투입하여 바이오가스화 하여 실증단지의 냉난방시스템의 에너지원으로 공급된다.
아래의 Table 1은 청정에너지농업시스템을 도입하는 농가의 데이터를 나타낸 표이다. 실증단지는 경기도 안성시 보개면에 위치해 있으며, 해당 시설하우스에서는 오이를 재배하고 있으며, 하절기에는 촉성재배, 동절기에는 억제재배를 하고 있다. 시설에 투입되는 원료물질은 지역의 돼지농가에서 발생하는 가축분뇨 14 ㎥/d, 김치가공장에서 발생하는 농산부산물 3 ㎥/d 그리고 지역에서 발생하는 음식물쓰레기 3 ㎥/d로 총 20 ㎥/d이 수거된다.

데이터처리

CEAS의 LCA의 분석을 위해 한국인정원에서 개발한 전과정평가 소프트웨어인 PASS 소프트웨어를 이용하여 분석을 진행하였다. 전기, 수송, 경유 등 국내에서 이용 가능한 전과정목록(Life Cycle Inventory)이 존재하는 경우에는 국내의 LCI D/B를 사용하였고, D/B가 존재하지 않은 경우에는 수식에 따라 온실가스배출량을 계산하였다.

성능/효과

마지막으로 비료생산공정에서는 비료 1 m3/d의 생산에 따른 시설별 전기사용량에 따른 온실가스 배출량을 산정하였다. 모든 공정의 온실가스 배출량을 살펴보면 CO₂의 배출량이 985.43 kg으로 가장 많으며 비율로 살펴보면 CO₂ 97.7%, CH₄ 2.1%, N₂O 0.09%로 대부분의 배출가스가 CO₂인 것으로 나타났다. 보통 가축분뇨를 활용하여 에너지로 사용할 경우 CH₄의 비율이 높은 것에 반하여 CO₂의 비율이 높게 나타난 것은 생산된 메탄가스의 25.
CEAS는 크게 원료수송, 혐기소화공정, 냉난방시스템, 비료생산의 4가지 공정이 존재하며 위의 공정들을 통해 바이오가스와 비료를 생산하고 온실가스가 발생하게 된다. 냉난방시스템과 혐기소화공정에서 가장 많은 온실가스가 배출되었으며 보통 가축분뇨를 활용하여 에너지로 사용할 경우 CH₄의 비율이 높은 것에 반하여 전체 배출량에서 CO₂의 비율이 높게 나타난 것은 생산된 메탄가스의 25.85%만 냉난방공정에 사용되었고 나머지 74.15%의 바이오가스는 시스템 내에서 사용하지 않았기 때문인 것으로 판단된다. 가축분뇨는 퇴비화 하는 것보다 바이오가스화 하여 처리할 경우 더 많은 온실가스를 감축할 수 있다(Nam et al.
, 2008). 따라서 CEAS를 통해 가축분뇨를 바이오가스화 할 경우 현재 한국에서 가축분뇨를 퇴비화 하는 방식보다 많은 온실가스를 감축시킬 수 있게 된다. 따라서 가축분뇨를 바이오가스화 할 수있는 청정에너지농업시스템 뿐만 아니라 지속적인 연구를 통해 농업부분에서 지속가능한 농업과 온실가스저감을 할 수 있는 농업시스템이 개발되길 바란다.

후속연구

따라서 CEAS를 통해 가축분뇨를 바이오가스화 할 경우 현재 한국에서 가축분뇨를 퇴비화 하는 방식보다 많은 온실가스를 감축시킬 수 있게 된다. 따라서 가축분뇨를 바이오가스화 할 수있는 청정에너지농업시스템 뿐만 아니라 지속적인 연구를 통해 농업부분에서 지속가능한 농업과 온실가스저감을 할 수 있는 농업시스템이 개발되길 바란다.
아직까지 농업부분에서 가축분뇨를 활용한 농업방식이 활성화되기에는 초기투자비용에 따른 진입장벽과 CEAS의 구축에 필요한 시설면적이 존재하여 영세한 농가는 활용할 수 없다는 한계가 존재한다. 하지만 가축분뇨가 한국에서 임산 바이오매스 다음으로 큰 잠재 에너지량을 지니는 바이오매스라는 점에서 향후 농촌에서의 농업용 에너지 대체를 위한 주요한 바이오매스자원으로서 다양한 활용 체계를 모색할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전과정평가란 무엇인가?	전과정평가(Life Cycle Assessment)는 제품의 원료 생산 및 제품 생산, 수송 및 유통, 사용, 폐기 등의 전 과정에서 자원투입량과 오염물질의 배출량을 정량화하고 이들이 환경에 미치는 잠재적 영향을 체계적으로 평가하는 환경성 평가 도구이다. 전과정평가는 산업제품 및 공정과정에 응용되고 있지만, 농업부분에서의 활용도 점차 늘어가는 추세이다(Shin et al.
	국내 청정에너지농업기술에는 무엇이 있는가?	지금까지 한국에서는 청정에너지농업기술이라 하면 다겹보온커튼, 부직포 등을 활용한 시설채소온실 에너지 절감기술이 있었으며, 화석연료 대체기술로는 지열, 태양열, 공기열, 목질계 바이오매스를 이용하는 청정에너지 농업기술이 보급되고 있었다. 하지만 가축분뇨 혐기소화와 같이 농업분야에서 폐기물계 바이오매스를 이용하는 사례가 많지 않은 반면, 가축분뇨가 한국에서 임산 바이오매스 다음으로 큰 잠재 에너지량을 지니는 바이오매스라는 점에서 앞으로 한국농촌에서 농업용 에너지 대체를 위한 주요한 바이오매스자원으로서 가축분뇨의 다양한 활용 체계를 모색할 필요가 있다(Heo et al.
	바이오매스자원 중 가축분뇨 바이오가스화의 장점은 무엇인가?	, 2002). 또한 가축분뇨를 활용하여 바이오가스화 할 경우 1 ㎥의 바이오가스가 21 MJ의 에너지를 가지고 있으며, 35%의 발전효율을 고려하면 2.04 kWh의 전기를 생산할 수 있다. 또한 1 ㎥의 바이오가스 당이산화탄소 4.043 kg CO2를 감축할 수 있는 것으로 분석되고 있다(Murphy et al., 2004).

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MAFRA. 2015. Establishment of Clean Energy Farming System Using the Agricultural Waste Biomass Report.

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