초록 ▼

바이오 및 자원순환 핵심기술 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
◎ 기술의 개요
○ 해수 내에 거의 무한대로 존재하지만(해양 부존량: 2,300억톤) 낮은 농도로 인하여 경제적인 회수가 어려운 리튬을 인공 단백질(펩타이드) 기반 흡착제로 회수하는 기술
◎ 기술의 필요성
○ 리튬은 노트북, 휴대폰, 전기자동차 등에 사용되는 2차전지의 필수 금속으로 수요가 급증하여 세계 자원전쟁의 핵으로 떠오르고 있으며 국내에서도 신전략광물로 지정된 바 있음
○ 특

바이오 및 자원순환 핵심기술 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
◎ 기술의 개요
○ 해수 내에 거의 무한대로 존재하지만(해양 부존량: 2,300억톤) 낮은 농도로 인하여 경제적인 회수가 어려운 리튬을 인공 단백질(펩타이드) 기반 흡착제로 회수하는 기술
◎ 기술의 필요성
○ 리튬은 노트북, 휴대폰, 전기자동차 등에 사용되는 2차전지의 필수 금속으로 수요가 급증하여 세계 자원전쟁의 핵으로 떠오르고 있으며 국내에서도 신전략광물로 지정된 바 있음
○ 특히 우리나라는 세계 2차전지 시장에서 일본과 중국에 앞서며 확고한 지위를 구축하고 있는 바, 안정적인 리튬의 수급이 절실한 상황임
- 2012년 현재 세계 시장에서 38%의 점유율 차지(한국수출입은행 해외경제연구소(2013))
○ 리튬 부존량이 없는 우리나라와 일본에서는 안정적인 리튬 확보를 위하여 해양에 거의 무한대로 존재하는 리튬을 회수하고자 기술 개발을 진행하고 있으나, 낮은 농도로 인한 회수 경제성 문제로 아직 상용화에 성공하지 못하고 있는 상황임


맞춤형 복합응집제 이용 녹조 바이오매스 회수 원천기술 개발 (Ⅱ)

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 기후변화 및 환경오염으로 인해 전국의 하천 및 호소에 주기적으로 발생하는 녹조현상은 악취유발, 생태계 교란, 식수원의 오염 등 경제적으로 큰 손실 유발
ㅇ 녹조현상은 시급한 국가 환경현안 중의 하나임(박근혜정부의 사회문제 해결형 공공기술)
ㅇ 한편 오염물질로만 생각되었던 미세조류는 재생가능한 바이오매스(단백질, 당류, 지질 등으로 구성)로, 이를 활용하고자 하는 기술개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있음
ㅇ 생물반응기 이용 미세조류 바이오디젤 생산기술은 옥수수나 콩 등의 곡물계 바이오매스보다 단위면적당 연료 생산성이 50-100배 우수하나, 아직 실용화에 이르지 못함. 본 기술은 크게 미세조류 배양, 회수, 오일추출, 디젤전환 요소기술로 구성되며, 회수기술이 bottleneck임
ㅇ 녹조 제거 또는 미세조류 바이오매스 회수에 적용되고 있는 기존 물리적 방법(원심분리, 여과 등)은 에너지소모와 처리비용의 문제가 있고, 화학적 및 생물학적 방법(화학응집제, 천적생물 등)은 제어효과에 비해 2차 오염 등의 문제가 있음
ㅇ 본 사업을 통해 ‘재생가능한 스마트 응집제’를 이용한 저비용 고효율 녹조 바이오매스 회수 원천 기술을 개발하고자 함
ㅇ 본 사업은 2013 KIER-KAIST 전략적 연구주제로 선정되었고, 효율적인 융합연구를 통해 녹조류(미세조류) 분야 세계적 기술 리더십 확보와 KIER의 새로운 기술브랜드 창출 추진 (Nature 자매지급 또는 Advanced Materials / ACS Nano, JCR-top-4% 게재)


바이오원유의 화학적 업그레이딩에 의한 발전용 디젤엔진 연료 생산기술 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
ㅇ 제2차 에너지기본계획에 의하면, 우리나라는 2035년까지 신재생에너지 보급률을 1차에너지 공급량의 11%까지 높이고, 바이오에너지 비중을 신재생에너지의 17.9%까지 증가시킬 계획임.
ㅇ 이러한 바이오에너지 보급목표를 달성하기 위해서는 무엇보다도 국⋅내외적으로 가장 자원이 풍부한 목질계 바이오매스의 효율적인 에너지 이용기술을 개발, 상용화해야 함.
ㅇ 현재 목질계 바이오매스의 주요 이용기술은 장작, 우드칩, 펠렛 등 고상 연료로 성형후 연소하여 열에너지를 얻는 기술임.
ㅇ 이와 같은 고상의 바이오연료는 에너지밀도가 낮아 운반, 저장, 이용에 드는 비용이 높을 뿐만 아니라 취급이 불편하여 도시지역이나 산업시설에서 이용하기 불편하고 다양한 에너지 생산시스템에 적용이 어려움.
ㅇ 한편, 미국의 NABC(National Advaced Biofuel Consortium)에 의하면 가장 효과적이고 경제적인 바이오연료는 현재 가장 많이 사용하고 있는 석유계의 운반, 저장, 이용 시설을 그대로 활용 할 수 있는 소위 “drop-in” 형태의 연료임.
ㅇ 목질계 바이오매스를 급속 열분해하면 바이오원유(바이오오일)라고 하는 액상의 열분해 물질을 얻는데, 거의 모든 형태의 목질계 바이오매스를 온전히 열분해 원료로 이용할 수 있을 뿐만아니라 연소나 가스화 등 다른 열화학적 공정에 비하여 장치가 단간하고 상압, 저압 운전조건으로 인하여 투자비용이 적게 드는 장점이 있음.
ㅇ 바이오원유는 물에 산화유기물이 고농도로 존재하는 액상 물질인데 에너지밀도가 목질계 바이오매스 원료에 비하여 4-7배 높아 운반, 저장 비용을 크게 절감할 수 있음.
ㅇ 그러나 바이오원유는 수분과 산소함량이 높고 원유에 비하여 열량이 낮을 뿐만 아니라 산성도가 높고 상온에서 고분자화 반응이 진행되는 등 화학적 안정성이 떨어져 고품위화 과정, 즉 업그레이딩이 필요함.
ㅇ 따라서 목질계 바이오매스로부터 바이오원유를 생산하고 이를 업그레딩하여 산업용, 수송용 탄화수소계 연료를 생산, 보급한다면 기존의 화석연료 이용시설의 개선없이도 바이오연료를 이용할 수 있으므로 바이오에너지 보급목표를 달성하는데 크게 기여할 것으로 사료됨.
ㅇ 특히 발전용 탄화수소계 바이오연료는 신재생에너지 의무할당제도(RPS) 관련하여 발전회사, 집단에너지 사업자 등을 중심으로 현재 시장수요 가 형성되어 있으며 향후 정부의 신재생에너지 보급 확대 정책으로 인하여 시장규모가 더 커질 것으로 예측되어 관련 기술 확보가 시급함.
ㅇ 관련 기술 현황을 살펴보면, 목질계 바이오원유의 생산기술은 캐나다의 Dynamotive사나 미국의 Ensyn사 등과 같은 바이오에너지 전문회사들에 의하여 수백톤/일 규모의 실증연구가 수행되어 상용화 단계에 접어 들어고, 국내의 경우에는 대경에스코, 에기연, 기계연 등에서 파일럿 연구가 수행되고 있음.
ㅇ 한편, 바이오원유의 업그레이딩에 의한 탄화수소계 액상연료 생산기술은 아직 세계적으로 핵심 기술 개발단계에 있음. 캐나다의 Dynamotive사, 미국의 Ensyn사, 네널란드의 BTG사, 미국의 PNNL, NREL 등이 바이이원유에서 탄화수소계 연료와 화학물질을 동시에 생산하는 refinery 공정을 선도적으로 개발하고 있음. 국내에서는 체계적인 관련 기술 개발 사례가 거의 없음.
ㅇ 바이오원유의 업그레이딩으로부터 얻은 탄화수소계 연료는 발전용 및 수송용 연료로 이용하는 기술이 개발되고 있음.
ㅇ 본 연구에서는 한국기계연구원 및 한국화학연구원과의 융합연구를 통하여, 지구상에서 가장 풍부한 자원인 바이오매스로부터 바이오원유를 생산하는 기술(기계연)과 이를 화학적 업그레이딩하여 액상의 탄화수소계 그린연료로 전환하는 기술(에기연)과, 그린연료를 디젤엔진에 적용하여 발전하는 기술(기계연) 등을 package로 개발하고자 함. 또한 바이오원유에 포함된 고부가가치 물질을 추출, 이용하는 기술(화학연)도 동시에 개발함으로서 바이오원유 기반 바이오리파이너리 핵심기술을 선점하고자 함.


생물학적 바이오가스 업그레이딩 기술개발

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
- 수소 및 부생가스를 이용하여 ex-/in-situ 바이오가스 업그레이딩 목표 달성
- 수소이용 ex-situ 바이오가스 업그레이딩 반응기, UASBr, 60일간 안정적으로 메탄을 생산할수 있었으며, 메탄 생산 속도 및 수소 전환율, 메탄 분압은 평균 메탄 생산속도 1.90m³ CH₄/m³/d 수소 전환율 91.5%, 메탄 분압 90.3%
- 부생가스 이용 ex-situ 바이오가스 업그레이딩 생물막 반응기(membrane bioreactor, MBR) 7.0 g COD/L/d (합성부생가스 9.5 L/L/d)로 부하에서 메탄 생산속도는 평균 2.05 m³ CH₄/m³/d 이었고, 메탄 분압은 90.1 %
- 바이오가스 업그레이딩 반응조 내 미생물 분석결과
① H₂/CO₂를 공급하는 ex-situ UASB 생물 반응조
hydrogenotrophic methanogen, Methanococcus sp.과 Methanobacterium sp. 및 acetoclastic methanogen 인 Methanothrix sp. 그리고 아세트산과 수소 모두 이용 가능한 Methanosarcina sp.로 대부분의 미생물이 구성되었음.
② 부생가스(수소/CO/CO₂)를 공급하는 ex-situ 멤브레인 생물반응조(MBR) 수소 및 CO 이용 메탄생산균인 Methanobrevibacter sp., 그리고 아세트산 이용 메탄생산균(acetoclastic methanogen)인 Methanosaeta sp.이 발견되어 기질로 주입되는 CO, 수소를 분해하는데 적합한 미생물 군집이 적응되었음.

Abstract ▼

Development of biological biogas upgrading technology

Ⅳ. Result and Recommendations
- Successful development of ex-/in-situ biogas upgrading technology
- UASBr which is developed for ex-situ biogas upgrading reactor, operated more than 60 days in stable condition and exhibited CH4 pr

Development of biological biogas upgrading technology

Ⅳ. Result and Recommendations
- Successful development of ex-/in-situ biogas upgrading technology
- UASBr which is developed for ex-situ biogas upgrading reactor, operated more than 60 days in stable condition and exhibited CH4 production rate, H2 conversion yield, and partial pressure, 1.90m³ CH₄/m³/d, 91.5%, and 90.3% respectively
- MBR which is developed for ex-situ biogas upgrading reactor using syngas showed CH₄ production rate of 2.05 m³ CH₄/m³/d and 90% partial pressure under loading rate of 7.0 g COD/L/d (syngas 9.5 L/L/d)
- Microbial analysis data showed in below
① Supply H₂/CO₂ to the ex-situ UASBr hydrogenotrophic methanogen such as Methanococcus sp. and Methanobacterium sp. and acetoclastic methanogen, Methanothrix sp. were dominant
② Supply syngas (H₂/CO/CO₂) to ex-situ MBR Methanobrevibacter sp., was dominant strain and some of acetoclastic methanogen, Methanosaeta sp. was found in the reactor at the optimum culture condition

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 목차 ... 5
• 인공 단백질(펩타이드) 기반 흡착제를 이용한 해수 내 리튬의 선택적 회수 기술 개발 ... 7
• 표지 ... 7
• 목차 ... 9
• 2015년도 주요사업 연차평가보고서 ... 11
• Ⅰ. 일반현황 ... 11
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 12
• Ⅲ. 추진 전략 ... 15
• Ⅳ. 추진 실적 ... 19
• Ⅴ. 향후 계획 ... 36
• 맞춤형 복합응집제 이용 녹조 바이오매스 회수 원천기술 개발 (Ⅱ) ... 37
• 표지 ... 37
• 목차 ... 39
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 41
• Ⅰ. 일반현황 ... 41
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 42
• Ⅲ. 추진 전략 ... 44
• Ⅳ. 추진 실적 ... 47
• Ⅴ. 향후 계획 ... 80
• 바이오원유의 화학적 업그레이딩에 의한 발전용 디젤엔진 연료 생산기술 개발 ... 82
• 표지 ... 82
• 목차 ... 84
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 86
• Ⅰ. 일반현황 ... 86
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 87
• Ⅲ. 추진 전략 ... 90
• Ⅳ. 추진 실적 ... 92
• Ⅴ. 향후 계획 ... 125
• 유기성 폐기물로부터 제조된 고형연료용 20Kw급 보급형 가스화 발전기 제품개발 ... 126
• 표지 ... 126
• 목차 ... 128
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 130
• Ⅰ. 일반현황 ... 130
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 131
• Ⅲ. 추진 전략 ... 132
• Ⅳ. 추진 실적 ... 134
• Ⅴ. 향후 계획 ... 143
• 생물학적 바이오가스 업그레이딩 기술개발 ... 144
• 표지 ... 144
• 요약문 ... 146
• SUMMARY ... 148
• CONTENTS ... 150
• 목차 ... 151
• 그림목차 ... 152
• 표목차 ... 153
• 제1장 서론 ... 154
• 제2장 국내외 정책 및 기술 동향 ... 158
• 제1절 바이오가스 업그레이딩 관련 국내/외 정책 동향 ... 158
• 제2절 바이오가스 업그레이딩 관련 국내/외 기술 동향 ... 161
• 제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 164
• 제1절 ex-situ 바이오가스 업그레이딩 ... 164
• 제2절 수소 이용 in-situ 바이오가스 업그레이딩 ... 172
• 제3절 바이오가스 업그레이딩 반응조 내 미생물 분석 ... 178
• 제4장 기대효과 및 결론 ... 180
• 참고문헌 ... 181
• 끝페이지 ... 182