바이오가스(biogas) 發電

 

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바이오가스(biogas) 發電 바이오가스발전은 태양광으로 합성되는 유기물을 가스화하고 연소시켜 전기로 변환시키는 기술이다. 유기물을 가스화하여 발전하는 기술은 대별하여 두가지로 나눌 수 있다. 첫째는 나무, 건초, 농산물의 줄기를 비롯한 목질계 바이오매스를 건류하거나 열적 또는 촉매를 이용한 가스화 반응을 통하여 가스화하고 이를 연소시켜 가스 엔진이나 터빈을 돌려 열과 전기를 얻는 것으로 보통 바이오매스 가스화 발전이라 한다. 다른 하나는 물을 많이 함유한 유기물이 혐기 상태(산소가 공급되지 않는 상태)에서 발효되며 발생하는 메탄가스를 이용하는 발전 방식이다. 이 방식은 종래에는 유기물 농도가 높은 축산 분뇨 폐수, 전분질 폐수 등을 혐기소화 처리할 때 발생하는 메탄가스를 이용하여 발전하는 것에 국한되었으나, 최근에는 유기성 고형 폐기물(음식 쓰레기 등)을 반응기 안에서 혐기 소화시킬 때 나오는 가스를 이용하거나(바이오가스 발전) 또는 이들을 매립하였을 때 발생하는 농도 50∼70 %의 메탄가스를 이용하는(매립지 가스 발전) 방식도 보편화되고 있다. 이같은 바이오가스 발전이 최근 급속히 보급되고 있는 것은 먼저 바이오매스 자원은 이용되지 않을 경우 폐기물로서 주변 수계나 토양을 오염시킬 수 있기 때문이다. 따라서, 이들 폐기물성 바이오매스 자원(예를 들면, 축산 폐수, 음식 쓰레기, 폐지 등) 은 재활용되거나 에너지로 재순환되지 않으면 폐기물로 환경 문제를 일으키게 된다. 또다른 이유는 바이오매스 에너지를 이용하면 화석 연료와는 달리 대기중의 CO2를 증가시키지 않고 순환되기 때문이다. 즉, 바이오매스의 생장 기간 동안 CO2는 유기물로 고정화 되고 이를 연소시키거나 분해시키면 CO2가 방출되는 사이클이 반복되어 CO2보다 11배나 강력한 지구 온난화 물질인 대기중의 메탄을 연소시켜 CO2로 방출하는 효과도 있다(지구상의 유기물은 결국 장기간에 걸쳐 분해되면서 메탄을 발생시킨다). 이와 같이 에너지원으로서 많은 장점을 가지고 있고 100여년 전만 하더라도 지구의 주종 에너지였던던 바이오매스는 다음과 같은 몇가지 문제 때문에 그 독보적 지위를 석유에 내주었다. 바이오매스 자원은 사람이 살 수 있는 곳에는 모두 분포되어 있으나 에너지 밀도가 낮아 이들의 채집에 많은 노력과 비용이 든다. 자원의 종류가 다양하여(나무, 풀, 슬럿지) 이용 기술이나 기기가 다양하게 요구되며 바이오매스는 취급이 불편한 저급의 에너지이다. 그러나 이와 같은 해묵은 문제점은 화학공학과 생물공학의 발전으로 점차 해소의 가능성이 엿보이고 있다. 즉, 에너지 밀도가 낮은 문제는 대단위 계획 조림이나 에너지 작물 재배와 유전공학을 이용하여 태양광 고정능이 뛰어난 종자의 개발로 해결이 가능하고, 취급이 불편한 점은 바이오매스를 알코홀(에탄올, 메탄올)과 같은 액체 연료나 가스 연료 또는 전기 에너지로 전환하여 수용성을 높일 수 있기 때문이다. 바이오매스 가스화 발전은 나무칩 등을 직접 연소시켜 난방이나 발전에 이용하던 것을 가스화하여 정제하고 연소시켜 전기를 얻는 기술로서 스웨덴, 브라질, 독일, 미국 등 목재 자원이나 폐기물이 풍부한 국가에서 주로 연구되고 있다. 이 기술은 현재 선진국의 경우도 1 톤/일 정도의 pilot plant를 운영하는 단계에 머물러 있다. 가스화발전의 전단계로도 볼 수 있는 바이오매스 직접 연소 발전 기술은 영국, 덴마크, 스웨덴 등지에서 활발히 보급되고 있다. 덴마크는 밀짚이나 나무칩을 사용하여 지역 난방과 전기를 공급하는 플랜트가 8개나 가동하고 있다. Maabjerg의 열병합 발전소는 연간 15만 톤의 쓰레기와 5만 톤의 밀짚 그리고 3만 톤의 나무칩을 연소시켜 150GWh의 전력과 1,500 TJ의 열을 공급하고 있다(발전 용량 38 MW). 우리나라에는 아직 발전 설비를 갖춘 소각장은 없으며 안양 평촌 쓰레기 소각장, 대구 성서 소각장이 열공급 시설을 가동하고 있다. 바이오매스 소각 발전 혹은 가스화 발전은 2001년까지 계속되는 2단계 대체 에너지 기술 개발 사업에 개발 계획이 포함되어 있다. 바이오가스 발전과 매립지 가스 발전은 현재 전자는 유럽에서, 후자는 세계적으로 널리 보급되고 있는 폐기물 이용 발전 방식이다. 바이오가스 발전은 유기성 폐기물(음식, 동·식물성, 식품공업 쓰레기 등)을 고농도 혐기 반응기에서 소화시켜 메탄을 발생시키고 이를 발전에 이용하는 것이다. 이러한 형태의 쓰레기 처리 및 에너지 생산 공장이 1988년 프랑스 아미앙(Amiens)에 최초로 건설된 이래 1933년 현재 유럽에만 12 기 이상 가동되고 있다. 덴마크에서는 음식 쓰레기를 축산 폐기물과 통합 처리하고 있다. 우리 나라에서는 우리 연구소가 1993년 음식 쓰레기의 효율적 처리 기술 개발을 목표로 1996년에 5 톤/일 처리 규모의 pilot plant 실험을 마치고, 의왕시에 15 톤/일 처리 규모의 바이오가스 발생 시설을 건설하고 있다. 매립지 가스 발전은 1993년 현재 전세계에 독일의 98 개소, 미국의 248 개소를 포함한 481 개소에서 연간 약 240만 톤의 석유에 해당하는 에너지를 공급하고 있다. 매립지 가스 발전은 매립쓰레기의 성상(수분, 입도, 매립 밀도, 온도 등)에 크게 좌우되며 입지 조건에 따라 이용 방법도 달라진다. 예를 들면, 매립지 가스에서 흡착법 등을 이용하여 CO2와 황화수소 등을 소각하고 메탄가스가 주성분인 도시 가스로 공급하거나(네델란드) 가스 자동차의 연료로 공급(브라질)할 수도 있다. 우리나라에서는 대체 에너지 기술 개발 사업으로 연구가 진행중이나 경제성과 매립지 자체의 문제와 수분이 많은 특성 때문에 아직은 실용화되지 못하고 있다. 그러나 최근에는 매립지 자체의 문제는 많이 해결되었고 한정된 매립지의 효율적인 이용이 요구되고 있기 때문에 앞으로는 보급이 많이 늘어날 것으로 전망된다.

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