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영규 하
5 years ago
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1 수도권매립지바이오가스 자동차연료화사업

2 자동차연료화사업 Ⅰ 바이오메탄생산시장동향 Ⅱ 바이오가스정제및고질화기술 Ⅲ 수도권매립지자동차연료화사업

4 보급현황 현재전세계가동바이오가스정제시설중 85% 가 EU 에서가동중 국가명 플랜트수 ( 기 ) 오스트리아 5 캐나다 1 프랑스 2 독일 35 일본 2 노르웨이 3 네덜란드 6 스페인 2 한국 3 스웨덴 40 스위스 16 출처 : IEA Bioenergy Task Group 미국 10

5 스웨덴 2008년기준 277개바이오가스플랜트운영, 바이오가스생산량 1.36 TWh 2009년기준약 40기바이오가스고질화플랜트가동 - Water scrubber: 70%, PSA: 18%, Chemical scrubber: 12% 바이오메탄활용 : 생산량 80% 차량연료, 20% 도시가스배관망주입 08년기준천연가스자동차연료사용량의 60% 이상바이오메탄활용 2020년까지모든차량에화석연료사용전면금지목표

6 독일 2009년 35기바이오가스고질화플랜트운영중 ( 생산바이오메탄대부분천연가스배관망주입 ) - PSA 13기, Water scrubber 9기, Chemical scrubber(mea) 7기, Organic physical scrubber(genosorb) 3기 Volkswagens사차량연료화사업참여, 바이오메탄차량연료자체브랜드 SunGas 2020년까지천연가스 60억 Nm 3 를바이오가스로대체 - 100억투자하여바이오메탄생산시설약 1,000기계획 2008년바이오가스를천연가스배관망에혼입할수있는법제정

국내 서남하수처리장바이오가스자동차연료화사업시설용량 : 하수슬러지바이오가스 210Nm 3 /hr 적용기술 :

강원도바이오가스자동차연료화사업시설용량 : 유기성폐기물바이오가스 600Nm 3 /hr 적용기술 : 흡수법

수도권매립지음폐수바이오가스자동차연료화 시설용량 : 음폐수바이오가스 600Nm 3 /hr 적용기술 : 흡착법

7 국내 서남하수처리장바이오가스자동차연료화사업시설용량 : 하수슬러지바이오가스 210Nm 3 /hr 적용기술 : 흡수법 (Water scrubbing, 스웨덴 ) 최종생산물 : CNG 바이오메탄수요처 : 청소및마을버스 강원도바이오가스자동차연료화사업시설용량 : 유기성폐기물바이오가스 600Nm 3 /hr 적용기술 : 흡수법 (Water scrubbing, 스웨덴 ) 최종생산물 : CNG 바이오메탄수요처 : CNG 버스충전소 수도권매립지음폐수바이오가스자동차연료화 시설용량 : 음폐수바이오가스 600Nm 3 /hr 적용기술 : 흡착법 (PSA, 캐나다 ) 최종생산물 : CNG 바이오메탄수요처 : CNG 버스충진소 바이오가스정제및고질화 차량연료화 도시가스수요처

8 바이오메탄품질기준 항목 단위 자동차연료 대체천연가스 스웨덴 한국 프랑스 독일 스위스 메탄 Vol-% >95 >95 >97 >97 >96 이산화탄소 Vol-% - - <2 <6 <6 산소 Vol-% ppmv <3 <0.5 수소 Vol-% - - <6 <5 <5 CO 2 +O 2 +N 2 Vol-% <5 < 황 mg/nm 3 <23 <10 <75 <30 <30

(Dust), VOCs 등 고질화공정 적용기술 : 흡수 (Water scrubber), 흡착 (Activated

10 바이오메탄생산공정 바이오메탄 생산공정도 정제공정 적용기술 : 흡수 (Water scrubber), 흡착 ( 활성탄, SulfaTreat) 처리물질 : 수분, 황화수소 (H 2 S), 실록산 (Siloxane), 미세먼지 (Dust), VOCs 등 고질화공정 적용기술 : 흡수 (Water scrubber), 흡착 (Activated Carbon, PSA) 막분리 (Membrane), 심냉 (Cryogenic) 처리물질 :CH 4 와이산화탄소 (CO 2 ) 분리

바이오가스고질화기술 (Absorption separation process) (Adsorption separation process) (Membrane separation process) (Cryogenic separation process) 처리공법별특징 구분 고질화공법 Water scrubbing Chemical scrubbing PSA

11 바이오가스고질화기술 (Absorption separation process) (Adsorption separation process) (Membrane separation process) (Cryogenic separation process) 처리공법별특징 구분 고질화공법 Water scrubbing Chemical scrubbing PSA Membrane Cryogenic 원리가스용해도차이흡수제이용 가스상물질흡착특성차이 분자극성차이 액화온도차이 기술보유사 Flotech Sweden AB, Malmberg Water Carbotech, Cirmac, Lackeby Water CarboTech, Xebec(QuestAir) Air Liquide, Cirmac, Gasrec, Terracastus Tech. GtS, Prometheus 장점 상용화실적다수 상용화실적다수, 낮은 CH 4 손실 상용화실적다수, 에너지소비량낮음 고순도 CH 4 분리 낮은 CH 4 손실, 액화 CO 2 로추출 단점 다량의물소비, 높은 CH 4 손실 화학약품사용, 열손실있음 CH 4 손실다소높음 높은 CH 4 손실, 상용화실적극소 상용화실적극소, 에너지소모량높음

12 고질화기술별운전성능비교 Parameters PSA Biogas upgrading process Water scrubbing Physical scrubbing Chemical scrubbing Pre-cleaning (low gas H 2 S; <500ppm) Yes No No Yes Working pressure (bar) No pressure Methane loss <3% <2% 2-4% <0.1% Methane content in upgraded gas Electricity consumption (kwh/nm 3 low gas) >96% >97% >96% >99% < <0.15 Heat requirement ( ) No No

13 흡착법 (PSA) 고질화기술 Energy & Environment

16 공사개요 공사비 : 4,679 백만원 ( 부가세포함 ) 준공일 : 발주기관 : 수도권매립지관리공사 주요사업내용

관련시설현황 바이오가스저장조바이오메탄생산기존 CNG 충전소 기존 CNG 충전소

시간 차량충전 ( 08) 충전량 26,240m 3 / 일 충전대수 224 대 / 일

CO 2 O 2 N 2 H 2 S (ppm) 설계반영 조사결과 ( 건식기준 ) 1 차

17 관련시설현황 바이오가스저장조바이오메탄생산기존 CNG 충전소 기존 CNG 충전소 구분내용 공급가스 천연가스 (CNG) 운영시간평일평일 : 18 시간, 휴일 : 12 시간 차량충전 ( 08) 충전량 26,240m 3 / 일 충전대수 224 대 / 일 ( 버스기준 ) 바이오가스성상조사 정제시설인입바이오가스성상조사 성분 (%) CH 4 CO 2 O 2 N 2 H 2 S (ppm) 설계반영 조사결과 ( 건식기준 ) 1 차 ,380 설계반영 2 차 ,054 평균 ,717 현장시료채취 분석기관 : 한국표준과학연구원 바이오가스설계기준 ,500

18 공정선정기준 단위공정별적용기술의특성 구분인입및전처리시스템바이오가스압축시스템바이오가스정제시스템혼합시스템 선정기기및주요기능 인입가스 H 2 S 제거 폐수발생없음 내구성검증完 압축시스템자동화 전력비최소화 CH 4 회수율 97% 확보 자동계측기설치 비상대비안전장치구축 부하변동대응한여유율확보 자동계측기설치

H 2 S 흡착공정비교 / 선정 시스템선정조건 주요제거물질 :H 2 S, 기타황함유물질및수분등 - 설계기준 : 인입바이오가스 H 2 S 농도 2,500ppm - 바이오메탄 H 2 S 농도 1ppm 이하 충분한탈황을통한후단설비의안정성확보 구분 Sulfa Treat 활성탄흡착법 특징 황제거흡착제 활성탄이용한흡착 장점 단점 높은제거율 (3ppm 이하 ) 2

19 H 2 S 흡착공정비교 / 선정 시스템선정조건 주요제거물질 :H 2 S, 기타황함유물질및수분등 - 설계기준 : 인입바이오가스 H 2 S 농도 2,500ppm - 바이오메탄 H 2 S 농도 1ppm 이하 충분한탈황을통한후단설비의안정성확보 구분 Sulfa Treat 활성탄흡착법 특징 황제거흡착제 활성탄이용한흡착 장점 단점 높은제거율 (3ppm 이하 ) 2 차오염물질발생없음 초기투자비저렴 주기적인흡착제교체 활성탄교체비용및처리비용고가 SulfaTreat : 4,000ppm 의고농도 H 2 S 를처리할수있는고성능탈황제 바이오메탄중 H 2 S 농도 1ppm 목표 황화수소제거시스템 설비의구성 사양및주요기능 탈황제 : Sulfa Treat 탈황제의흡착량 :32%( 탈황제중량 )kg H 2 S/kg Fe 2 O 3 공급가스중 H 2 S 함량 :2.38kg/hr, 제거율 : 99.99% 탈황탑 보조탈황탑 미세입자제거기 형식 : 하향류흐름식흡착탑 탈황탑규모 : 8.5m 3 ( 차압 : 5kPa^G) 바이오메탄황화수소농도 : 1ppm 이하 동절기드럼하부동파방지 ( 열선설치 ) 탈황탑정기보수및흡착제교체시비상운전 형식 :Cartridge type filter 입자제거율 :99.99% at 3 μm

바이오가스고질화공정비교 시스템선정조건 환경성 / 경제성고려 PSA 정제시스템 구분 PSA Water Scrubbing 정제원리 압력변화에따른 CO 2

G 이상 ) 정제설비 CO 2 와 CH 4 흡착도 ( 분자크기 ) 차이 흡수액사용, 충진물 Pall ring 사용 배가스처리 대기방출또는 CO 2

단점 전처리 ( 탈황 ) 필요 높은 CH 4 회수율, 순도 (95% 이상 ) 대용량 (20,000N m3 /hr) 에서낮은설치비 다량의흡수액 ( 물 )

분말도 :850μm체에 90% 이상 특징 :Cavity 또는 Pore를가진분자체 흡착, 촉매작용등 운전모드 1 가압 : 흡착탑압력승압 (750kPa) 2

20 바이오가스고질화공정비교 시스템선정조건 환경성 / 경제성고려 PSA 정제시스템 구분 PSA Water Scrubbing 정제원리 압력변화에따른 CO 2 흡착효율차이 CO 2 와 CH 4 의용해도차이 전처리과정 탈황설비, 압축기 (800kPa.G 이상 ) 냉동기 (10 이하 ), 압축기 (800kPa.G 이상 ) 정제설비 CO 2 와 CH 4 흡착도 ( 분자크기 ) 차이 흡수액사용, 충진물 Pall ring 사용 배가스처리 대기방출또는 CO 2 액화처리설비 대기방출 ( 고농도 H 2 S 함유 ) 장 점 높은 CH 4 회수율, 순도 (95% 이상 ) 낮은유지비 ( 전력비小, 약품비無, 용수비無 ) 단점 전처리 ( 탈황 ) 필요 높은 CH 4 회수율, 순도 (95% 이상 ) 대용량 (20,000N m3 /hr) 에서낮은설치비 다량의흡수액 ( 물 ) 보충필요 흡수액 2 차처리필요 정제후건조공정필요, 높은전력소모량 PSA 흡착제사양시스템기능및특징 조성 :SiO 2, Al 2 O 3, K 2 O, CaO 분말도 :850μm체에 90% 이상 특징 :Cavity 또는 Pore를가진분자체 흡착, 촉매작용등 운전모드 1 가압 : 흡착탑압력승압 (750kPa) 2 흡착 : 불순물가스 (CO 2 ) 흡착 3 감압 : 흡착탑재생 (CO 2 탈착 ) 4 세정 : 불순물가스 (CO 2 배출 ) 퍼지 바이오메탄생성 : 순도 96%, 회수율 97%

바이오메탄이송 배관사양 배관연장 :1.3km 배관재질 : 매립배관용피복강관 배관압력 :7.0 bar.g 이송유량 :370Nm 3 /hr 배관구경 :50A 배관두께 :SCH40 바이오메탄공급 바이오메탄이송바이오메탄저장바이오메탄혼합혼합가스저장 CNG 충전공급 기존 CNG 충전소의바이오메탄저장탱크까지 1.

22 바이오메탄이송 배관사양 배관연장 :1.3km 배관재질 : 매립배관용피복강관 배관압력 :7.0 bar.g 이송유량 :370Nm 3 /hr 배관구경 :50A 배관두께 :SCH40 바이오메탄공급 바이오메탄이송바이오메탄저장바이오메탄혼합혼합가스저장 CNG 충전공급 기존 CNG 충전소의바이오메탄저장탱크까지 1.3km 의매립배관을통해이송 용량 :360 m 3 ( 바이오메탄 370Nm 3 /hr, 1 시간저장용량 ) 설계압력 :1MPa.G LNG 와바이오메탄가스를혼합 바이오메탄혼합비율 : 최대 23% 용량 :25m 3 ( 혼합가스 2 분저장 ) CNG 충전소의압축기가동율변동에안정적공급가능 기존 CNG 충전기를통해천연가스버스에주입

23 바이오메탄성분조성 바이오메탄품질보증조건 CH 4 CO 2 N 2 96% 3.0% 0.8% O 2 H 2 S H 2 O 0.1% 1ppm 이하 0.0% 바이오메탄생산량 : 377Nm 3 /hr( 메탄함량 :96.1%) 바이오메탄발열량 9,154kcal/Nm 3 혼합가스품질기준 구분발열량 (HCV) 바이오메탄 9,154kcal/Nm 3 ( 혼합비율 : 22.7%) CNG 10,400kcal/Nm 3 ( 혼합비율 : 77.3%) 혼합가스 바이오메탄과 CNG 혼합비 22.7% : 77.3% 혼합가스최소발열량 : 10,117kcal/Nm 3 바이오메탄차량충전계획 구분운영시간충전대수충전량비고 CNG 버스 실증실험용트럭 평일 :18시간휴일 :12시간 224대 / 일평일 :6,660Nm3 / 일휴일 :4,440Nm 3 / 일 평일 :18 시간휴일 :12 시간 시간당사용량 :370Nm3 /hr 2 대 / 일 120Nm 3 / 일시간당사용량 :7Nm 3 /hr 바이오메탄생산량 : 377Nm 3 /hr CNG 버스충전량 : 370Nm 3 /hr 실증실험용트럭충전량 : 7Nm 3 /hr 합계 - - 평일 :6,780Nm 3 / 일휴일 :4,560Nm 3 / 일 시간당사용량 :377Nm3 /hr

정제설비시운전결과 구분인입가스바이오메탄 CH 4 (%) 68.83 97.11 CO 2 (%) 30.24 2.22 질소 (%) 1.18 1.28 산소 (%) 0.324 0.

24 정제설비시운전결과 구분인입가스바이오메탄 CH 4 (%) CO 2 (%) 질소 (%) 산소 (%) 황화수소 (ppm) 3,640 미검출 고위발열량 (kcal/m 3 ) 6,603 9,275 자동차연료품질실증실험결과 메탄순도 97% 이상의고순도바이오메탄생산 바이오메탄출력이 CNG 보다 3.53% 높아양질의자동차연료로판정 바이오메탄배가스중 NMHC, NOx 가 CNG 보다낮아양질의자동차연료로판정 시험모드 ( 단위 ) CNG 시험연료 바이오메탄 CNG 대비증감율 (%) 최고출력시험 (PS/rpm) 312/ / CO(g/kw h) ETC NMHC(g/kw h) 시험 NOx(g/kw h) 비고 ) 대기환경보전법상가스차량의배출가스규제항목 : CO, NMHC, NOx

25 시설젂경 간이충젂시설 정제및고질화시설 저장및혼합탱크

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<30352DB1E2C8B9C6AFC1FD2DBFC0B1A4BCAE D E687770> 천연가스대체수송용바이오가스의연료화개발동향 : 정제기술 오광석 이교성 윤태범 김기동 * 오영삼현대건설연구개발본부플랜트연구팀, * 한국가스공사연구개발원신에너지연구센터 Biogas as a Transport Fuel : Cleaning & Upgrading Technology Kwang Seok Oh, Kyo Sung Lee, Tae Bum Yoon, Ki Dong