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문제 정의
- 이를 위해 1개 바이오 에탄올 혼합연료유 제조소와 입지 및 환경조건이 다른 전국 4개 주유소(E5 : 경기, 충청지역, E3 : 호남, 영남지역)를 대상으로 저장, 공급 중의 품질 변화, 주유기 성능평가, 주요부품의 부식성 등을 평가 하고 있다. 또한 시범주유소 운영의 일환으로 실재 소비자 전국 특정소비자(Fleet user, 587명) 를 대상으로 바이오에탄올 혼합연료유를 보급하고 있으며, 차후 실 소비자를 대상으로 사용 소감에 대하여 설문조사를 실시하고자 한다.
- 바이오에탄올 혼합연료유 국내 도입에 따른 기존 유통인프라에 미치는 영향 평가를 위해 크게 바이오에탄올 및 바이오에탄올 혼합연료유 제조소와 시범주유소 운영에 대하여 면밀히 검토하고 실 증평가를 수행 하였다.
제안 방법
- 주단위로 각 시범주유소의 시료를 채취하여 19 종류의 시험항목을 통해 바이오에탄올이 혼합된 연료를 분석한 결과 실증평가 기간 동안 품질변화 없이 안정적인 것을 확인하였다. 또한 대기중 수분 혼입에 대한 평가를 위해 2개의 주유소(E3(호남), E5(용인))의 연료탱크 배기구에 수분혼입방지 장치인 PV벤트를 설치하였다. 매주 연료의 수분함량을 분석한 결과 PV벤트를 설치한 주유소와 설치하지 않은 주유소(E3(영남), E5(충청))의 연료 내 수분함량은 큰 차이가 없었다.
- 실증평가 효율화를 위해 실 사용자를 대상으로 협약서를 작성하고 연구 배경 및 개요 등을 전파 하여 연구 참여도를 고취시켰고, 시범주유소 및 평가 차량에 Figure 2와 같이 주유기 및 차량의 구분을 위해 스티커를 부착하였다. 또한 판매실적을 효율적으로 관리하기 위하여 POS(point of sale) 시스템을 도입하였다.
- 시범주유소의 지하매장 연료탱크 내의 E3, E5 저장 중 수분혼입, 품질변화 등에 대한 평가를 위해 먼저 배기구를 통한 대기 중 수분혼입에 대한 평가로 E3, E5 각 1개 주유소에 수분혼입방지장 치인 PV(Pressure Vent)벤트를 연료탱크 배기구에 장착하고 주단위로 시료를 채취하여 품질분석 하였다. 또한 휴대용 수분시험기(Vaisala 사, M170)를 이용하여 현장에서 수분함량을 관찰하였다. Figure 3은 시범주유소를 통해 수분, 연료품질 및 주유기성능평가에 관한 상세한 운영체계를 보여준다.
- 이때 탱크로리에서 시료를 채취하여 시험 분석 하였다. 매 출하 시마다 E3, E5의 에탄올 함량을 분석하여 바이오에탄올 혼합장치의 제조 성능을 평가 하였다.
- 바이오에탄올 저장탱크는 에탄올에 의한 부식을 최소화하기 위해 스테인레스 재질로 제작하였고 수분혼입방지를 위해 통기구 부분에 실리카 데시케이터(silica decicator)를 설치하였다. 부식 및 수분혼입 방지를 위해 제작된 바이오에탄올 저장 탱크의 안정성 평가는 에탄올 공급 후 1개월 마다 수분 및 에탄올 함량 등을 분석하여 품질변화 및 오염여부를 평가 하였다.
- 본 연구에서는 혼합비율에 따른 자동차용 휘발유의 품질특성시험(상분리 모사실험, 금속류 부식 실험, 고무류 침지실험 등) 결과를 토대로 실재 바이오에탄올 혼합연료유 제조, 공급, 저장, 판매 등의 실증평가를 수행하였다. 이를 위해 1개 바이오 에탄올 혼합연료유 제조소와 입지 및 환경조건이 다른 전국 4개 주유소(E5 : 경기, 충청지역, E3 : 호남, 영남지역)를 대상으로 저장, 공급 중의 품질 변화, 주유기 성능평가, 주요부품의 부식성 등을 평가 하고 있다.
- 부식 및 수분혼입 방지를 위해 제작된 바이오에탄올 저장 탱크의 안정성 평가는 에탄올 공급 후 1개월 마다 수분 및 에탄올 함량 등을 분석하여 품질변화 및 오염여부를 평가 하였다.
- 주유기에 대한 평가로 주유기 주요부품 부식성 및 성능평가를 실시하였다. 부식성은 주유소 실증 평가 시작 및 종료 시점에 주유기를 분해하여 주요부품 사진 비교로 평가하고, 성능평가는 월단위 로 표준 실린더를 활용하여 성능변화를 관찰 하였다. Figure 4에 나타낸 표준 실린더는 교정성적서가 첨부된 시료 20 L를 측정할 수 있는 용기로 1 mL 단위까지 측정이 가능하기 때문에 주유기로부터 주유된 부피의 오차로부터 주유성능의 이상여부를 판단할 수 있다.
- 서브옥탄가솔린의 장기 저장에 따른 품질변화 평가는 2개월 간격으로 시료를 채취하여 옥탄가, 증기압 등 19개 시험항목에 통하여 정밀 분석 하였다.
- 수분제거를 위하여 분자체 탈수법 공정(MSDP ; Molecular Sieve Dehydration Process)을 적용하여 무수바이오에탄올의 순도가 99.5% 이상으로 생산되는지 운전성능을 평가하였다.
- 시범주유소의 지하매장 연료탱크 내의 E3, E5 저장 중 수분혼입, 품질변화 등에 대한 평가를 위해 먼저 배기구를 통한 대기 중 수분혼입에 대한 평가로 E3, E5 각 1개 주유소에 수분혼입방지장 치인 PV(Pressure Vent)벤트를 연료탱크 배기구에 장착하고 주단위로 시료를 채취하여 품질분석 하였다. 또한 휴대용 수분시험기(Vaisala 사, M170)를 이용하여 현장에서 수분함량을 관찰하였다.
- 실증평가 효율화를 위해 실 사용자를 대상으로 협약서를 작성하고 연구 배경 및 개요 등을 전파 하여 연구 참여도를 고취시켰고, 시범주유소 및 평가 차량에 Figure 2와 같이 주유기 및 차량의 구분을 위해 스티커를 부착하였다. 또한 판매실적을 효율적으로 관리하기 위하여 POS(point of sale) 시스템을 도입하였다.
- 바이오에탄올 혼합연료유(E3, E5)제조·출하는 출하 당일 정량 조절 가능한 유량계 및 라인브랜 딩 장치를 이용하여 제조와 동시에 탱크로리에 적재된다. 이때 탱크로리에서 시료를 채취하여 시험 분석 하였다. 매 출하 시마다 E3, E5의 에탄올 함량을 분석하여 바이오에탄올 혼합장치의 제조 성능을 평가 하였다.
- 탈수탑의 온도가 일정온도(110 ~ 120 °C) 이상 유지되면 생산된 제품의 일부를 시료로 채취하여 순도를 측정함으로서 운전 성능을 판단하였다. 이러한 방식으로 약 7일간의 운전을 실시하여 제품의 순도 변화를 관찰하였다.
- 주유기에 대한 평가로 주유기 주요부품 부식성 및 성능평가를 실시하였다. 부식성은 주유소 실증 평가 시작 및 종료 시점에 주유기를 분해하여 주요부품 사진 비교로 평가하고, 성능평가는 월단위 로 표준 실린더를 활용하여 성능변화를 관찰 하였다.
- 출하당일 제조된 E3, E5를 출하장에서 시범주유소까지 탱크로리 운송 시에 안정성을 평가하기 위하여 E3, E5 제조·공급 시점에 출하 전·후 탱크 로리에서 시료를 채취하여 수분 및 에탄올 함량 변화에 대하여 정밀분석 하였다.
- 탈수탑의 온도가 일정온도(110 ~ 120 °C) 이상 유지되면 생산된 제품의 일부를 시료로 채취하여 순도를 측정함으로서 운전 성능을 판단하였다.
대상 데이터
- 서브옥탄가솔린(sub-octane gasoline)과 무수 에탄올(anhydrous ethanol)을 라인브렌딩(line blending)장치를 통해 E3와 E5농도로 제조를 한 뒤 시료운반 탱크로리를 이용해 전국 4개의 실증 평가 시범주유소에 운송되어 지하연료탱크에 저장하면서 특정소비자에게 공급되어 사용된다.
- 본 연구에서는 혼합비율에 따른 자동차용 휘발유의 품질특성시험(상분리 모사실험, 금속류 부식 실험, 고무류 침지실험 등) 결과를 토대로 실재 바이오에탄올 혼합연료유 제조, 공급, 저장, 판매 등의 실증평가를 수행하였다. 이를 위해 1개 바이오 에탄올 혼합연료유 제조소와 입지 및 환경조건이 다른 전국 4개 주유소(E5 : 경기, 충청지역, E3 : 호남, 영남지역)를 대상으로 저장, 공급 중의 품질 변화, 주유기 성능평가, 주요부품의 부식성 등을 평가 하고 있다. 또한 시범주유소 운영의 일환으로 실재 소비자 전국 특정소비자(Fleet user, 587명) 를 대상으로 바이오에탄올 혼합연료유를 보급하고 있으며, 차후 실 소비자를 대상으로 사용 소감에 대하여 설문조사를 실시하고자 한다.
- 전국 4개 시범주유소 인근에 주거하고 있는 공무원, 회사원, 자영업자 등 다양한 직종과 휘발유 차량(587대)을 대상으로 실증평가를 수행하였다. 시범주유소 및 실 사용자(Fleet User) 현황을 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
- 1. 분자체 탈수법 공정(MSDP)을 이용한 무수 바이오에탄올 제조 플랜트의 성능을 7일동안 조사한 결과 바이오에탄올 함량이 최소 99.6%이상을 유지하였다.
- 2. 바이오에탄올 혼합연료유 제조의 정밀도와 수분방지 설비를 갖춘 바이오에탄올 저장탱크의 수분함량이 1800 ppm 이하로 유지되어 연료의 층 분리 가능성은 없었다.
- 3. 바이오에탄올 혼합연료유 공급, 저장안정성 및 시범주유소를 운영하면서 연료의 품질특성을 정기적으로 분석한 결과 초기 생산과정과 최종적인 소비자에게 공급할 때까지 연료특성이 큰 변화 없이 자동차용 휘발유 품질기준을 모두 만족하였 다.
- 7일간의 제품 순도변화 관찰결과 에탄올 함량이 최소 99.6부피%에서 최대 99.9부피%까지 측 정되었으며, 해외 무수바이오에탄올 품질기준(유럽 pr EN 15376) 99.5부피% 이상을 유지하며 안정적으로 생산되는 것을 확인하였다. Figure 5는 무수바이오에탄올을 생산 파이롯 플랜트를 7일동안 운전하면서 에탄올의 순도를 분석한 결과를 보여준다.
- 혹한기 시료온도를 최소 0 °C로 가정했을 경우 E3 상분리 수분함량은 약 1000 ppm 이다. E3, E5가 보급되어있는 4개 주유소에서 시료중의 수분함량을 조사했을 시 모두 350 ppm 이하로 유지 되었으며 상분리 취약 조건을 가정한 1000 ppm 이하를 유지하였다.
- 각 4개 주유소에 총 17회 연료를 공급하였으며 탱크로리 운반 전·후 시료를 평가한 결과 품질변화 없이 모두 안정적인 것을 확인 하였다.
- 매주 연료의 수분함량을 분석한 결과 PV벤트를 설치한 주유소와 설치하지 않은 주유소(E3(영남), E5(충청))의 연료 내 수분함량은 큰 차이가 없었다. 따라서 연료탱크 배기구를 통한 대기 중 수분혼입은 미미한 것을 확인하였다. Table 4는 시범주유소(용인, 행복주유소)의 E5를 매주 채취하여 분석한 결과값을 나타내었다.
- 2부피%를 나타내었다. 또한 E5의 7회 출하한 연료의 에탄올 함량을 분석한 결과 설정농도 5.0부피%에서 평균값은 4.9부피%이고 최소값은 4.8부피%, 최대값은 5.0부피%를 나타내었다. Figure 6은 제조된 E3와 E5에 대한 에탄올함량을 매회 분석한 결과값을 보여준다.
- 외부 기온차에 의해 저장탱크 내의 대기 중 수분응축과 무수바이오에탄올의 추가공급으로 인해 수분변화가 소포 발생된 것으로 판단되며, 최대 1800 ppm의 수분을 혼입한 무수바이오에탄올로 제조한 바이오에탄올 혼합연료유의 수분함량은 약 350 ppm이하로 상분리 취약 조건을 가정한 1000 ppm 이하를 유지하였다. 또한 바이오에탄올 함량을 분석한 결과 수분함량변화에 반비례하여 에탄올 함량이 변화하였으며, 최소값이 99.8부피%으로 해외 무수바이오에탄올 품질기준인 99.5부피%이하 까지는 내려가지 않았다. 아래의 Figure 7은 에탄올의 수분을 정기적으로 분석한 결과값을 보여준다.
- 무수바이오에탄올 생산 초기 수분 1530 ppm에서 3개월 지난 후 약 1800 ppm이 되었으며 그 이후 1개월 간격으로 수분을 분석한 결과 약 1550 ~ 1750 ppm을 유지하였다. 외부 기온차에 의해 저장탱크 내의 대기 중 수분응축과 무수바이오에탄올의 추가공급으로 인해 수분변화가 소포 발생된 것으로 판단되며, 최대 1800 ppm의 수분을 혼입한 무수바이오에탄올로 제조한 바이오에탄올 혼합연료유의 수분함량은 약 350 ppm이하로 상분리 취약 조건을 가정한 1000 ppm 이하를 유지하였다.
- 서브옥탄가솔린의 장기 저장안정성을 실증평가 기간동안 Table 3와 같이 2개월 간격으로 연료의 물성 및 특성을 평가한 결과 품질변화 없이 안정적인 저장성을 확인하였다.
- 에탄올 함량은 미국재료시험협회(American society for testing and materials)에 등록된 ASTM D 6839 조건하에서 가스크로마토그래피(reformulyzer gas chromatography, Agilent 6890N/AC system)를 이용해 분석한 결과 E3와 E5의 순도변화가 없는 것을 확인하였다.
- 무수바이오에탄올 생산 초기 수분 1530 ppm에서 3개월 지난 후 약 1800 ppm이 되었으며 그 이후 1개월 간격으로 수분을 분석한 결과 약 1550 ~ 1750 ppm을 유지하였다. 외부 기온차에 의해 저장탱크 내의 대기 중 수분응축과 무수바이오에탄올의 추가공급으로 인해 수분변화가 소포 발생된 것으로 판단되며, 최대 1800 ppm의 수분을 혼입한 무수바이오에탄올로 제조한 바이오에탄올 혼합연료유의 수분함량은 약 350 ppm이하로 상분리 취약 조건을 가정한 1000 ppm 이하를 유지하였다. 또한 바이오에탄올 함량을 분석한 결과 수분함량변화에 반비례하여 에탄올 함량이 변화하였으며, 최소값이 99.
- 월단위로 주유기 성능평가를 수행한 결과 물 이외의 액체 측정시스템 일반규정 시험방법(KS B 50117)의 정확성 평가 기준인 최대허용오차 0.5% 를 실증평가 기간 동안 모두 만족 하였다. Figure 8은 5개월동안 정기적으로 주유기 성능평가를 실시한 결과를 나타내었다.
- 주단위로 각 시범주유소의 시료를 채취하여 19 종류의 시험항목을 통해 바이오에탄올이 혼합된 연료를 분석한 결과 실증평가 기간 동안 품질변화 없이 안정적인 것을 확인하였다. 또한 대기중 수분 혼입에 대한 평가를 위해 2개의 주유소(E3(호남), E5(용인))의 연료탱크 배기구에 수분혼입방지 장치인 PV벤트를 설치하였다.
후속연구
- 따라서 본 연구과제를 통해 자동차용 휘발유의 대체연료로서 E3, E5의 국내 시범보급 실증평가 를 7개월간 진행하면서, 이들의 유통시스템에 있어 문제가 야기되지 않았으며, E3와 E5의 국내도 입은 지구온난화를 가속화 시키는 온실가스(CO2) 배출을 감축시키면서 기존의 휘발유를 대체할 수 있는 재생에너지로서 실사용이 가능하리라 사료된다.
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