[연재] 신재생에너지 기술 현황과 전망(3)-바이오매스 축분 처리 자동화 시스템(독일 신공법)

편집부 기자
입력 2008.09.02 23:55

바이오매스 축분 처리 자동화 시스템(독일 신공법) 한국 바이오매스_김영식 대표 (02)553-6260~1 / biomass@seoul.korea.com ■ 에너지 기술혁신 특상 - 독일(2007.10월) ■ “이 시스템은 대단히 영리하다. 우리가 이상적으로 여겨왔던 축분처리 방법을 최적으로 구현했다. 양돈업계의 현저한 발전이며 큰 성공이다.” - P. Koerkamp, 네덜란드 축산과 교수 ■ “매우 효과적이고 깔끔하며 환경문제의 의미 있는 해결책이다.” - N. Ebeling, 독일 화공과 교수 개요 1. 기술 소개 축분 처리 자동화 시스템은 환경오염 부하량이 큰 가축분뇨를 자원화해 퇴비와 액비 또는 전기와 열에너지 생산을 가능케 한다. 골칫덩어리로만 여겨져 왔던 유기성 폐기물을 자원으로 재탄생시키는 것이다. 따라서 축산농가는 추가 소득을 얻으며, 환경문제를 동시에 해결한다. 또한 본 시스템은 개별농가뿐만 아니라 공동처리가 가능하며 세계 어느 곳이든지 그 기후 및 주변 환경과 무관하게 신뢰성을 갖고 작동되도록 설계됐다. 2. 기술 개발 동기 - 양돈 농가 한 청년의 아이디어 독일 본(Bonn)대학 축산과를 졸업한 Mr. David Schulze Wettendorf(29세)씨는 부친이 경영하던 양돈 3000두를 5000두로 늘리고자 했다. 그러나 그는 ‘추가되는 2000두의 축분 슬러리(Slurry)를 어떻게 처리할 것인가’라는 문제에 봉착하게 된다. 기존 3000두의 슬러리는 자기 경작지와 임대 경작지에 비료로 사용됐으나, 처리비용이 비싸 다른 해결책을 찾아야 했다. 그는 당시 독일에서 일반적으로 잘 알려진 ‘바이오가스 플랜트’ 설비를 고려했으나 경제성과 효율성 면에서 적합하지 않아, 축분과 축뇨를 농장에서 즉각 분리할 수 있는 아이디어를 한 농장 자동화 설비제조 회사에 제공했다. 그것은 ‘컨베이어에 구멍을 뚫는 방법’으로 대학, 회사 연구소와 함께 7년간 개발 기간을 거쳐 현장 투입이 가능해졌다. 그의 아이디어는 국제특허를 획득했고, 가축분뇨로 인한 환경문제를 해결했을 뿐만 아니라 자원화에 새로운 해법을 제시했다. 축분 처리 자동화 시스템 1. 공법 개요 축분 처리 자동화 시스템은 그 구성과 운영 면에서 아주 간단한 만큼 관련 과학과 기술이 집약되어 있다. 개별 농가형은 <그림 1>처럼 분리부, 건조부, 발전부로 구성되어 있고 대량처리를 위한 공동 처리형은 <그림 2>처럼 교반부, 건조부, 발전부로 되어 있다.

[그림 1] 축분 처리 자동화 시스템(개별 농가형) [그림 2] 축분 처리 자동화 시스템(공동 처리형)

⑴ 개별 농가형 분리부 내에 있는 축사 우리 안에서는 축분과 축뇨가 현장에서 즉각 분리됨으로써 슬러리가 발생하지 않아 암모니아 확산을 최소화(65% 이상 감소)한다. 축뇨는 한쪽으로 모여 펌프질 되어 액비로 사용되며, 축분은 건조부로 자동 운송되어 건조됨으로써 50% 이상의 축분량이 감소한다. 건축분은 발전부를 위한 고열량 연료가 되어 펠릿(Pellet)으로 만들어지며, 그 펠릿이 소각되어 가스화되고 기계적인 메커니즘에 의해 전기와 열에너지가 생산된다. 열은 축사난방과 건조부 그리고 농가 난방을 위해 사용된다. 분리부 또는 건조부에서 공급되는 낮은 함수율의 축분을 퇴비화할 수도 있다. 결과적으로 남는 것은 축뇨와 무기질 비료로 사용될 수 있는 재가 전부다. 본 시스템은 통합 솔루션을 제공하고 있으며 관리인이 필요 없다. 세계 최초 그리고 유일한 축분처리 자동화 시스템은 축산업 발전과 경영에 크게 도움이 될 것이며 환경오염(대기, 수질, 토양 등)을 최소화할 것이다. ⑵ 공동 처리형 개별 농가형 분리부가 교반부로 대치되면 그다음 공정은 모두 같다. 즉, 운송된 축분 슬러리와 (폐)톱밥을 혼합하면 약 90~95% 함수율을 갖는 축분이 되어 건조부로 운송된다. 약 20% 함수율을 갖는 혼합 건축분은 역시 펠릿으로 만들어지며 발전부 연료가 된다. 2. 공정도

[그림 3] 자동화 처리장 공정도

⑴ 분리부 축분 처리의 가장 큰 문제점은 건강에 해로운 암모니아 냄새로 인한 고충일 것이다. 이 문제 해결을 위해 분리 시스템은 축사 바닥에 놓이는 철 구조물과 그 위에 지름 3㎜의 구멍이 뚫려 있는 축분 컨베이어 그리고 돼지 보금자리인 콘크리트가 놓이게 된다. 축뇨는 구멍 뚫린 컨베이어를 통과하여 축사 우리 한쪽으로 옮겨져 펌프질 되고 액비로 사용될 수 있도록 자동 처리되어 저장조로 이동된다. 축분은 컨베이어 위에 놓이게 되며 반대편으로 옮겨져 스크루 컨베이어에 의해 축사 우리 밖으로 분리되어 운송된다. 분리 시스템은 통합 바이오매스 수익 시스템의 첫 단계로 그 작동은 놀랄 만큼 간단하다. 그런 만큼 신뢰성과 기능성 그리고 효율성이 뛰어나다. 축사 우리 안에서 현장 분리된 분과 뇨는 인력 필요 없이 자동 운송되도록 고안됐다.

[그림 4] 축사 우리의 분리 컨베이어

[그림 5] 분리 시스템 실물

① 구멍이 뚫린 컨베이어 가축분뇨 분리 시스템은 청결한 축사 우리뿐만 아니라 인간과 동물이 냄새 고충을 느끼지 않도록 설계됐다. ② 유연한 설치 시스템 분리 시스템은 설치가 대단히 간단해 이미 지어진 축사에도 적용된다. 이 시스템은 자체적으로 센서에 의해 컨베이어 길이가 조정되며, 발전부를 포함한 전체(통합) 시스템이 설치되면, 발전부 SPS-컨트롤에서 컨베이어가 조정된다. 컨베이어 벨트를 항상 팽팽히 유지하기 위해 특수 압력 시스템이 장착되어 있으며, 벨트 길이는 여름과 겨울의 온도에 따라 자동 조절된다. 따라서 분과 뇨의 분리는 날씨 상태와 무관하게 신뢰성을 갖고 작동한다. ③ 암모니아 형성 최소화 축분뇨의 즉각적인 분리는 오줌 내 요소(尿素)분해효소(Urease) 농도를 최소화시킨다. 따라서 요소가 휘발성 암모니아로 변환되는 것을 최소화한다. 또한 산(酸)이 추가되어 축뇨의 pH 값은 6으로 감소한다. 이 pH 값에서 질소(N)는 암모늄(NH4+) 형태로 연결되어 있어 암모니아(NH3)를 방출하지 않는다. <그림 6>은 분과 뇨의 즉각적인 분리에 의해 암모니아 성분이 얼마나 감소하는지를 보여준다.

[그림 6] 축분료의 즉각적인 분리에 의한 암모니아 감소 (미국 North Carolina 주립대학 연구논문

④ 분리 시스템 장점 ㈀ 분과 뇨의 즉각적인 분리는 가축, 농촌 그리고 이웃들에게 냄새에 의한 불쾌감을 주지 않는다. ㈁ 습기 저감으로 쾌적한 축사 환경이 조성되며, 폐사율이 저하된다. ㈂ 축사 청소와 소독이 간편하다. ㈃ 모기, 파리, 애벌레가 거의 발생하지 않으며 소독을 위한 의약품 사용을 최소화한다. ㈄ 축분뇨 지하 저장조(분뇨 피트)와 축분 파이프가 불필요하여 축사 건설비가 절감된다. ㈅ 분리된 축분으로 퇴비화가 가능하다. ㈆ 분리 시스템은 신축사뿐만 아니라 기존 축사에도 설치가 가능하다. ㈇ 환경적인 문제점들(악취, 수질, 토양 오염 등)은 분리 시스템에 의해 거의 최소화된다. ㈈ 농장 규모와 무관하게 분리 시스템만 설치 가능하다. ⑵ 건조부 축분을 건조하여 퇴비화 또는 연료화 분리된 축분은 건조 시스템으로 자동 운송되며, 요구된 건조율에 따라 적합한 상태로 건조된다.

[그림 7] 건조 시스템 개요

① 경제적인 효율성 최상의 건조효율을 갖는 본 시스템은 모듈화되어 있고, 구멍 뚫린 수평 컨베이어가 두 개 층으로 구성되어 한 조를 이루고 연속하여 회전한다. 높은 공기 통과율과 2m 폭의 패널 면적은 본 건조기를 극도로 콤팩트하게 구성했다. ② 건조율은 임의로 변경 가능 공기는 건조율과 에너지 소비에 결정적인 요인이 된다. 따뜻하고 건조한 공기일수록 수분은 더 잘 증발한다. 즉, 온도와 습도에 따라 건조물 건조 시간이 매우 크게 변한다. 본 건조 시스템은 최소 에너지에 의한 매우 효율적인 공기 흐름으로 항상 최대 건조율에 도달한다. 분리된 축사 내 축분은 함수율 약 60~75%가 되며, 건조 시스템에 의해 함수율 약 20%까지 건조된다. 물론 함수율을 더 낮게 조정할 수도 있다. ③ 축분량 감소 건조된 축분량은 처음 축분량의 약 50% 이상으로 줄어들게 되며, 펠릿으로 만들어져 발전 시스템 원료가 된다. 따뜻한 축사 내의 공기와 건조부 공기는 발전부의 열에너지에 의해 공급되며, 건조된 축분은 퇴비로 사용될 수도 있다.

[그림 8] 건조 시스템 실물

④ 건조 시스템 장점 ㈀ 함수율 95%의 바이오매스 물질까지도 건조시키며, 요구된 건조율에 미치지 못하면 피드백되어 다시 건조하게 된다. ㈁ 에너지 소비 최소화, 공기 통과 효율화, 콤팩트한 설치 면적, 견고한 설비 ㈂ 모듈형으로 임의로 확장이 가능하다. ㈃ 향상된 공기포화, 제곱미터당 건조면적, 세제곱미터당 공기량, ㎏당 물질의 높은 건조 효율 ㈄ 축분량의 감소로 적재 장소의 면적이 감소, 축분 운송 비용과 인건비가 감소한다. ㈅ 건조된 축분은 비료 성분인 약 3%의 N(질소), 1.4% P(인), 2.5% K(칼륨)이 함유되어 있어 판매에 의한 추가 수입이 가능하다. ㈆ 축사 우리 내에 따뜻한 공기주입은 축분을 건조하게 하며 가축을 위한 쾌적한 환경을 만든다. ㈇ 농장 규모와는 무관하게 분리 시스템과 건조 시스템만 설치 가능(별도 열원이 필요) ⑶ 발전부 소각 및 가스화로 전기와 열 에너지를 생산한다.

[그림 9] 발전 시스템 개요 [그림 10] 발전 시스템 실물

① 효율적인 에너지 생산 석탄이나 갈탄에 버금가는 높은 열량을 가진 축분(3.7M㎈/㎏)은 연료가 되어 발전 시스템 내에서 전기와 열에너지로 다시 태어난다. 이 시스템 핵심장치는 30㎾ 출력의 스터링 모터에 의한 바이오매스 가스화 설비다. 건조된 축분 펠릿은 고열 가스 제너레이터 내에서 가스화되어 바로 소각된다. 약 1100℃의 뜨거운 공기는 스터링 모터에 전달되어 생산된 총 열에너지의 약 25%가 제너레이터에 의해 전기에너지로 변환된다. 열역학 원리에 의해 폐열은 축사 난방과 축분 건조용 및 기타 난방목적으로 공급된다. 왜냐하면 폐열은 열 교환기 내에서 70~80℃의 온수를 공급하기 때문이다. ② 농가 수입 증가 이 발전 시스템은 농가 수입을 증가시키고 난방비와 축분처리 비용을 줄인다. 전기와 열에너지 생산에 의해 가중되어 왔던 환경문제를 현저히 줄인다. 이럴 때 축분 적재장소 비용, 운반 비용, 처리 비용이 들지 않으며 축사난방 비용과 농가난방 비용이 절약된다. 따라서 에너지의 자체 소모 또는 판매에 의해 추가 수입원을 창출하게 된다. 또한 타고 남은 재를 무기질 퇴비로 이용하거나 판매할 수 있다. ③ 에너지 대차 대조 발전 시스템은 시간당 약 30㎏의 건축분을 에너지화한다. 그로부터 약 30㎾/h의 전기와 약 70M㎈의 열에너지를 생산한다. 전기는 전력 계통연결에 의해 발전차액을 받게 되며 열은 건조부 및 축사 난방용으로 활용된다. 전체적으로 이 시스템은 처음 축분 용량의 약 85%가 에너지화되고 나머지 15%는 재로 남는다. 이로써 축산 농가는 퇴비 경작지 증명과 축분 과잉 문제에서 오는 고민을 덜게 될 것이다. ④ 발전 시스템 장점 ㈀ 축분량 85%가 감소한다. ㈁ 축산농가는 자체 발전소 사업을 하게 되며, 생산된 전기에 의해 추가적인 현금 수익이 발생한다. ㈂ 발전부에서 발생된 열에 의해 축사 난방이 가능해 난방비가 절약된다. ㈃ 적재장소(퇴비사)가 불필요하며 축분 퇴비의 운송 및 처리 비용이 절감된다. ㈄ 축분에 관련된 시장경제 변동(톱밥, 왕겨 등의 가격)과 환경 관련법 규제에 종속되지 않는다. 3. 처리 용량과 부지 면적 (1) 처리 용량 기본적으로 본 시스템 개별 농가형은 비육돈 약 2000두(100㎏/두)를 기준으로 제작된 설비로 일일 약 10~12톤의 분뇨를 처리하게 된다. 그 이상의 용량은 시스템을 증가시키거나 공동 처리형으로 설계된다. (2) 부지 면적 2000두의 신축사 우리를 위해서는 약 2000㎡(1㎡/두)의 부지가 필요하며, 건조부와 발전부를 위해서 추가로 약 150㎡ 부지를 요한다. 따라서 총 2150㎡ (약 650평)의 부지가 필요하다. 그러나 기존 축사는 주변을 정리하여 추가로 150㎡ 부지만 확보하면 된다. 물론 2000두 이상의 농장에도 병렬 방식으로 추가 설치가 가능하다. 이 시스템의 각 유닛은 콤팩트형으로 별도 부지가 필요 없다. (3) 공공, 공동 처리형 처리 용량에 따라 엔지니어링과 설계가 다를 수 있다. 4. 생산물 (1) 운전 자료 분리된 뇨의 PH 농도는 6이 되며, 발전 후 폐열에 의해 데워지는 물은 약 70~80°C가 된다. 모든 공정은 실시간으로 이루어지며 24시간 가동된다. 외부에서 추가로 공급해야 하는 에너지(기름, 가스 등)는 일절 없으며 자체 생산에 의한 열의 소모 그리고 생산된 전기는 일반 바이오가스 시설보다 약 3배 이상의 발전량으로 자체 소비하고도 계통 연결에 의해 많은 수익을 올릴 수 있다. (2) 생산 에너지 최종 생산물 : 전기와 열에너지 돼지 2000두에서 약 10톤의 분뇨(분 : 4톤, 뇨 : 6톤)가 발생한다고 가정하면 전기 에너지 720㎾h/일ㆍ260㎿h/년(약 100여 가구 사용량), 열 에너지 1,600M㎈/일ㆍ570G㎈/년이 생산된다. 전기는 계통 연결함으로써 신재생에너지법에 의해 발전차액을 받게 되며, 시스템 운영에 소비되는 전력은 생산 전력의 2%를 넘지 않는다. (3) 부산물 축뇨(액비 또는 정화방류)와 소각 후의 재(총 돈 분량의 약 15%ㆍ무기질 비료 또는 판매)가 남는다. 마무리 축분 처리 자동화 시스템에 의해 바이오매스 자원화로 환경과 에너지 두 마리 토끼를 잡을 수 있다. 산업이 발달하고 문화수준이 향상됨에 따라 유기성 폐기물(바이오매스)의 양이 점점 더 많아져, 환경오염의 큰 비중을 차지하게 될 것이다. 그 중 음식물 찌꺼기, 하수 슬러지 그리고 가축 분뇨는 거의 매일 일정량이 발생하고 있다. 예전에는 매립이나 방류에 의해 간단히 처리하기도 했지만 환경법 강화로 더 이상 가능한 방법이 아니다. 그러나 해양투기는 법적으로 2011년까지 허락되고 있어 아직 많은 양이 동ㆍ 서ㆍ남해안에 버려지고 있다. 이것들을 자원화하는 방법은 없을까? 굳이 자원화라는 표현을 빌리지 않아도 이미 우리 조상은 오래전부터 그것들을 비료나 사료로 또는 연료로 사용해 왔다. 그러나 이제는 이러한 용도로 사용하기에는 너무 많은 양이며, 넘쳐나는 유기성 폐기물을 대량으로 육상처리 하기 위해서는 그 어떤 적합한 방법을 찾아야 한다. 가축분뇨 처리는 환경문제 해결과 자원화라는 두마리 토끼를 잡는 분야다. 업계의 적극적인 투자와 개발을 유도하고 좋은 시설들이 현장에 투입되도록 하기 위해서는 바이오매스(유기성 폐기물 : 축산분뇨, 음식물 쓰레기, 하수 슬러지 등)에 의해 생산된 전기에 대해 보다 높은 발전차액(독일 300원, 한국 100원/1㎾h)을 적용해야 한다. 2012년부터 해양투기가 전면 금지될 예정이어서 이제 모두 육상처리를 해야 한다. 정부의 늦장 대응은 유기성 폐기물에 의한 심각한 환경문제로 이어질 수 있다. 29세의 청년 독일 축산농가 사장(Bonn대학 축산과 졸업)의 아이디어가 국제특허를 획득하고, 유럽 각국의 세미나에 초청되고 있다니 우리 축산업계의 본보기가 될 수도 있겠다.