폐기물, 바이오매스를 이용한 발전기술 현황 및 전망

개요

폐기물이란 더 이상 기피 대상이 아니라 활용해야 하는 에너지원이고, 바이오매스는 CO2 배출 부담이 없는 재생에너지다. 즉 폐기물과 바이오매스는 재생에너지로의 인식 전환이 필요하며 에너지화 기술변화에 대응해야 한다.

종류

1. 폐기물

가) 생활폐기물
· 가연성 : 나무, 음식
· 불연성 : 금속, 연탄재 등
나) 사업장폐기물
· 가연성 : 종이, 합성수지, 동식물잔재
· 불연성 : 금속, 연소재 등
다) 건설폐기물
· 가연성 : 종이, 나무, 합성수지
· 불연성 : 콘크리트, 아스팔트 등

2. 바이오매스

가) 목질계(목재, 폐재)
나) 당질계(사탕수수, 과실폐액 등), 전분질계(고구마, 강냉이 등)
다) 유기게 페기물, 농산폐기물, 임산폐기물, 축산폐기물(축산 분뇨 등)
라) 기타 에너지식물, 초본식물, 수생식물, 해조, 조류, 광합성 세균

에너지원으로의 활용 방법

가연성폐기물, 바이오매스는 형태별 에너지원으로 활용할 수 있다.

1. 고체 연료로 직접 활용

· 직접 연소(연소로, 소각로), Storable char
→ 발전(스팀터빈)

2. 액체 연료로 전환 활용

· 메타놀, 에탄올, 바이오디젤유 등
· 열분해, 발효, 직접적인 기름 추출
→ 발전(스팀터빈, 엔진/가스터빈)

3. 기체 연료로 전환 활용

· 열분해/가스화를 통한 합성가스 생성
· 혐기성 분해를 통한 가스 생성
→ 발전(스팀터빈, 엔진/가스터빈)

에너지 전환 방법

가연성폐기물, 바이오매스는 에너지로 전환 할 수 있다.

1. 연소(Combustion)

산화제(주로 산소)가 충분한 상태에서 유기물이 열변환 즉 산화하고, 주로 고온에서 반응한다. 생성물은 CO2+H2O+소량의 불완전 연소 생성물(CO, CxHy)이다.

2. 열분해(Pyrolysis)

산소가 없는 상태에서 유기물이 열변환(산화 반응 없음)하고, 주로 저온에서 반응한다. 생성물은 연료의 종류에 따라 다르나 CO, H2, CxHy 등이 있다. 합성 가스량이 <30%로 연소 가스에 비해 훨씬 적다.

3. 가스화(Gasification)

환원 분위기에서 유기물이 열변환(부분 산화)하고 주로 고온에서 반응한다.
생성물은 연료의 종류에 따라 다르나 주로 CO, CO2, H2, CxHy 등이 있다. 합성 가스량이 <50%로 연소 가스에 비해 훨씬 적다.

에너지화 기술의 종류

1. 단순 연소(고체, 액체)

2. 혼소(고체, 액체, 가스)

3. 가스화(연소로)

4. 가스화(엔진/가스터빈)

발전방법 별 효율 비교

연료 및 발전 형태 별로 아래와 같이 비교한다.

연소/가스화로의 종류 및 특징

1. 고정층 기술 - 가장 단순한 가스화기

2. 유동층 기술 - 연료가 하부 가스유동에 의해 혼합 부상

3. 분류층 기술 - 산화재와 연료가 반응기 내부로 분사

4. 석탄의 경우 Entrained Flow 가스화기가 가장 많이 사용된다.

5. 폐기물이나 바이오매스의 경우 다양한 타입의 가스화기가 사용된다.

폐기물 이용 발전의 기술동향

1. 국내

에너지기술연구원에서 1MW RDF 유동상 보일러를 개발 중이고, 폐기물 가스화 보일러 및 복합발전을 위한 기술개발은 초기단계이다. 개발 중인 곳은 고기원, 생기원, 에기원, 기업(주로 일본 기술 수입) 등이다. 2006년부터 2014년에 걸쳐 정부 지원으로 300MW 석탄 IGCC 개발에 착수했다.
· 한국생산기술연구원에서는 5톤/일 Pilot 설비로 생활, 산업, 바이오매스 폐기물을 이용하여 200kW의 발전을 계획 중이다.

2. 유럽

열분해가스화 용융 폐기물 처리기술이 상용화 중(Thermoselect, Evara, Von Roll 등)이고, 폐기물을 에너지화 하기 위한 기존보일러 적용 기술개발이 추진 중이다. 최근에 폐기물 가스화 GT GE 발전 적용 기술개발도 추진 중에 있다.

3. 일본

열분해가스화 용융 소각 기술로 신 일본제철, R-21 등에서 상용화하고 있다. 폐기물을 사용한 발전 기술로는 미츠비시(STAR-MEET Program), 도시바, 가와사키 등에서 상용화 단계에 있다.
· 미츠비시의 STAR-MEET 프로그램은 20톤/일, 실증 작업/상용화하고 있으며 합성 가스 80%와 디젤 연료 205 혼합으로 900kW의 발전을 한다. 폐유 사용 복합 발전 플랜트 상용화하고 있다.
· 도시바는 60톤/일, 실증 설비로 폐기물은 ASR%, 600kW 발전을 한다.

바이오매스 이용 발전의 기술 동향

1. 국내

케너텍에서 바이오매스(목질계) 스토카 보일러가 운전 중이고, 바이오매스 가스화 연구가 연구소 및 대학에서 진행 중이다. 보일러 혼소 적용 및 복합발전을 위한 기술개발은 초기단계다.
· 대구에 운영 중인 (주)케너텍 발전소
직접연소를 통한 스팀 터빈 - 열병합 발전으로 목질계 바이오매스를 칩 형태로 처리하여 경산공장에서 12만톤/년 wood ship을 생산하며, 145톤/일 용량으로 발전용량은 1500kW다.

2. 국외

미국, 유럽, 일본에서 가스화기 기술은 거의 상용화 단계에 있다. 특히 유럽 지역에서 기술개발 및 상용화가 활발히 이루어지고 있으며, 미국의 경우는 단순 소각, 혼소 또는 바이오디젤유 생산 쪽에 더욱 치중되어 있다. 바이오에너지 발전 설비 용량은 2003년 기준 약 19.8GW다.
유럽과 일본에서 생성가스의 보일러 적용 및 희박가스 엔진을 통한 전력 생산 상용화 기술이 개발 중에 있고, 중국에서도 독자 기술 개발을 통해 바이오매스를 이용한 전력을 생산하고 있다.
· 스웨덴(Varnamo) 바이오매스 이용 IGCC
세계 최초의 Biomass IGCC, 연료로 목재류, forestry wastes, wood/bark mixtures, 볏짚, RDF를 사용한다. 가압가스화하여 효율 32%로 현재 기술로는 최대 40%까지 달성 가능하다. 현재 합성가스 생한 수 이용 공정에 중점을 두어 2단게 기술 개발을 시작했다.
· 영국 Project ARBRE
세계 최초의 상업용 Biomass IGCC 플랜트로 상압 가스화기, 설계 효율 31%이고 현재는 예산 부족으로 진행이 더뎌지고 있다.
바이오매소+폐기물 이용 발전의 기술 동향
· 핀란드 Co-firing Plant in Lathi
전력생산 175MW로 지역난방 250MW급이다. 기존의 PC 보일러를 개조하였고 바이오매스+페기물 혼합 연로 CFB 가스화기를 설치하였다. 합성가스를 사용하여 연료를 대체한다.

고효율 발전을 위한 기술적 문제점

1. 폐기물

가) 균일하게 폐기물을 투입하는 방법에 문제가 있어 IGCC 적용에 어려움이 있다.
나) 폐기물 가스화 가스의 발열량이 부족하여 고발열량 가스화 기술개발이 필요하다.
다) 폐기물에 포함된 오염물질이 폐기물로 인해 폐기물 종류별로 사전 처리가 필요하다.
라) 다이옥신 등 오염물질 배출 및 처리는 기존 기술로 가능하다.

2. 바이오매스

가) 바이오매스 가스화의 발열량이 부족하여 고발열량 가스화 기술개발이 필요하다.
나) 가스화 시 발생하는 Tar가 문제되어 고온 Cracking 기술개발이 필요하다.
다) 부피 대비 바이오매스 발열량이 부족하여 물류비용이 부담된다.

폐기물 이용 발전의 향후 전망

1. 폐기물 소각로 보일러 발전

대규모 설비의 경우 현재 기존 기술로 상용화 중이며, 환경부 고시에 의해 RPF에 이어 RDF도 연료로 사용이 가능하다. (원주에 RDF 제조 공장이 건설 중이다,)

2. 고체폐기물 혼소 발전

대형 발전 보일러에서 RPF, RDF 등을 이용한 혼소 적용이 확대 가능하나 폐기물 내 오염물질에 의한 보일러 열교환기 부식 및 Fouling에 대한 연구가 필요하다. 지역 열병합발전소, 공단, 제지업체 등 전력 소비가 과다한 업체에서 기존에너지(중유, 석탄 등) 비용 부담을 줄이기 위해 폐기물 혼소 적용이 확대될 것으로 기대된다.

3. 폐기물 가스화 발전

폐합성수지 가스화에 의한 혼소 기술은 쉽게 적용 가능하다. 향후 폐기물 가스화 엔진 기술이 확대 적용될 것으로 기대된다.

바이오매스 적용 발전의 향후 전망

1. 고체 바이오매스 전용 보일러 발전

바이오매스 전용 보일러 보급이 확대 될 것으로 기대되나 보급 확대의 가장 큰 장애요인으로 바이오매스 수급 및 물류비용이 꼽힌다.

2. 고체 바이오매스 혼소 발전

기존 산업/발전용 보일러에 혼소 적용이 가장 쉬운 상태이다. 기존 연료와 20∼30%까지 혼합하므로 CO2 배출 총량 규대에 대응이 가능하다. 한편 바이오매스 성분에 의한 보일러 열교환기 부식 및 Fouling에 대한 연구가 필요하다.

3. 바이오매스 액화/가스화 발전

향후 CO2 배출 규제 강화에 따라 바이오매스 혼소, 전용 발전 기술이 확대 적용 될 것으로 기대되며 이에 대비한 기술 개발의 필요성이 높아진다.

가능성 및 기대효과

고유가 시대에 페기물, 바이오매스의 에너지화(전력 전환)는 세계적인 추세이다. 기존 기술에 대비하여 고효율인 가스화 발전 기술의 보급이 급속히 확대 될 전망이며, 관련 발전 설비 시장도 확대 될 것이다. 이에 따라 국내 관련 기술개발이 활성화 될 필요가 있다.
기대효과로는 신재생에너지를 보급, 확산시킬 수 있고 청정보일러 기술 개발로 인한 기존 보일러 연료 비용이 절감되고, 폐기물, 바이오매스를 이용한 발전기술 개발 적용으로 분산 발전에 대한 수요를 대처한다. 또한 이산화탄소 배출 저감을 통한 기후변화협약에 대응하여 탄소세를 절감시킨다. 특히 국내 중소형 분산 발전 시장이 창출되고, 향후 독자적인 공정의 해외 수출로 수출 주도 산업으로 부각될 것으로 기대된다. 이에 따라 세계 중소형 발전 시장의 1% 점유 시 연간 약 2조원 정도의 이익이 생긴다.