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1 완결과제최종보고서 일반과제 ( ), 보안과제 ( ) ( 과제번호 : PJ007391) 농촌지역바이오매스자원의순환활용기술개발 Establishment and Assessment of Biomass Inventory for Bioenergy 국립농업과학원 농촌진흥청

2 제출문 농촌진흥청장귀하 본보고서를 농촌지역바이오매스자원의순환활용기술개발 과제의보 고서로제출합니다. 연구수행기간 : 제1세부연구과제 : 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정제2세부연구과제 : 부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발제3세부연구과제 : 농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발제4세부연구과제 : 경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO 2 저감량산정제1협동연구과제 : 지역바이오매스자원인벤토리작성 주관연구기관명 : 국립농업과학원 주관연구책임자 : 박우균 연 구 원 : 홍승길 : 신중두 : 박노백 : 권순익 제1협동연구기관명 : 세종데이터해석연구원 제1협동연구책임자 : 엄기철 주관연구책임자 : 박우균 주관연구기관장 : 국립농업과학원장직인

3 요약문 Ⅰ. 농촌지역바이오매스자원의순환활용기술개발 Ⅱ. 연구개발의목적및필요성 국내유기성바이오매스발생량은연간 8천만톤에이르고있으나, 자원의발생단계에서부터변환단계, 이용단계에이르는기초통계및 DB의구축이이루어지지않아, 국가자원화목표및정책수립에어려움이있음 화석연료사용에의한환경오염, 지구온난화그리고에너지자원의고갈은인류의지속가능한발전을위해반드시해결되어야할과제임 유럽등에서는농업부문바이오매스인유채대, 볏짚및보릿짚과같은식물체잔사, 축산분뇨, 음식물쓰레기등이대체에너지생산을위한원료로사용되고있음 바이오에너지의사용은 CO 2 배출량감소와함께환경친화적자원개발및에너지절약에기여 지구온난화대비, 세계기후협약대처를위해국가적차원의신재생에너지보급정책이진행, 농업부문에서도적극적인노력이필요 바이오매스자원발생및이용실태와주요성분량을조사하고이에대한 DB구축과함께 LCI와 LCA를통한바이오매스자원인벤토리작성이필요함 바이오매스부가가치향상을위한최적이용모델을개발은국가적으로시급히연구되어야함 Ⅲ. 연구개발의내용및범위 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정 - 농업부문바이오매스인벤토리작성을위한조사항목설정 - 농업부문바이오매스종류별열량및이화학적성분분석 - 바이오매스부존량에대한온실가스잠재발생량산정 부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발 - 농업부산물의혐기소화기술사전적용성평가 - 농업부산물최적전처리를통한유기산생산효율향상 농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발 - 바이오매스종류별바이오가스발생특성분석 - 주요바이오매스에대한 Loading비율별바이오가스발생량산정 경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO 2 저감량산정 - 3 -

4 - 바이오오일분획물에대한화학성분분석및구명 - Bio-crude oil을이용한 Catalytic cracking 적정조건및 oil fraction 비율산정 지역바이오매스자원인벤토리작성 - 농업부분바이오매스부존자원 DB화 - 바이오매스자원인벤토리작성을위한 LCI 및 LCA 연구 - 국가차원의바이오매스이용체계구축 Ⅳ. 연구개발결과 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정농작물의바이오매스잠재발생량추정을위하여단위면적당부산물발생량에서농작물생산량을기준으로 26작물 32품목에대한바이오매스환산계수를산정하였다. 벼의바이오매스환산계수는 1.02, 보리는 1.23였다. 주요농작물에대하여곡실생산량과바이오매스환산계수를적용한바이오매스잠재발생량은 11,641천톤이었으며, 초본류바이오매스가 9,924천톤, 과수전정가지인목본류바이오매스에서 1,716 천톤으로추정되었다. 농작물바이오매스의에너지원단위산정은바이오매스의발열량과단위중량으로열량환산계수를결정하였는데, 초본류의에너지원단위는바이오매스 kg당약 3,800~4,500 kcal 범위를보였으며, 목질계의에너지원단위는바이오매스 kg당약 4,100~4,300 kcal 범위를보였는데, 밤나무전정가지는 6,200 kcal 로다소높은경향을보였다. 농업부산물 27 종중초목류-셀롤로스계에서팥줄기의이론적메탄발생잠재량이 L CH 4 kg -1 으로가장높았으며, 땅콩줄기는 L CH 4 kg -1 으로낮게났는데, 평균적으로 L CH 4 kg -1, 총 1,069.7 L CH 4 kg -1 의잠재량을가지고있는것으로나타났다. 농업부산물의에너지잠재부존량은연간약 460만 TOE 였으며, 이중볏짚이 2,564천 TOE로가장높게나타났다. 또한잠재에너지량을활용하여잠재감축수단으로적용한경우를대상으로온실가스감축가능잠재량을추정하였다. 농업부문총바이오매스자원활용에따른온실가스감축가능잠재량을지역별로살펴보면경북이 2,526 천 t CO 2 /year으로가장높았고, 전남 2,372, 충남 2,155, 경남 1,621, 경기 1,350천 t CO 2 /year 순이었다. 농업부문바이오매스자원인벤토리항목으로주요농작물재배면적, 생산량, 바이오매스잠재발생량, 잠재에너지량, 바이오매스원소함량, 비료성분등으로구성하였고농업부문주요바이오매스자원잠재발생량분포도및잠재에너지부존량분포도를작성하였다. 부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발 미이용바이오매스를이용한바이오가스생산과정에서혐기소화의효율향상에 중점을두고절단, 반응온도, 초음파처리등의전처리에따른유기물의변화를조 - 4 -

5 사한결과바이오매스의분해지표로서볏짚의 SCOD( 가용성화학적산소요구량 ) 는입자크기가작아짐에따라, 반응온도가높아짐에따라그리고초음파의조사량이많아질수록증가하였다. 혐기소화과정의중간산물인휘발성유기산 (VFAs; volatile fatty acids) 는고농도로존재할경우메탄생성박테리아의활성을저해하기때문에혐기소화공정의안정도를모니터링할수있는지표로활용이가능하다. 미이용바이오매스를이용한바이오가스생산공정에서혐기소화의첫단계인가수분해의효율을증가시킬수있는총휘발성유기산 (TVFAs) 의양은가수분해시간이증가할수록증가하였다. 특히, 아세트산이가장우세하였으며증가양상은 TVFAs와유사하였고, 다음으로많이생성되는것이부티르산이었다. 알칼리를처리하였을때 TVFAs의양은급격히증가하여처리하지않은경우보다 3배나증가하였다. 농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발중온조건에서식물체잔사들중에가장높은메탄가스누적생산량은밀짚 볏짚 보릿짚 유채대순으로나타났다. 최대누적메탄발생량에대하여, 중온조건에서식물체잔사의종류중에서밀짚이가장높게나타났으며, 투입비율에있어서는공히 1% 에서메탄발생량이가장높은것으로관측되었다. 고온조건에서식물체잔사별메탄가스누적발생량은볏짚 밀짚 보릿짚 유채대순으로나타났다. 메탄잠재발생량은중온에서투입율에따라 to ml g -1 이었으며, 고온조건에서 to ml g -1 이었다. 식물체잔사종류에따른메탄생산량예측을위한 Gompertz 모델적용결과를이용하여, 농업분야혐기소화공정을통한온실가스저감량을산정하였으며, 그결과는우리나라주요작물의식물체잔사생산량중 30% 를혐기소화공정에사용시약 310,435 천톤의메탄가스가생산되므로, 6,519,135천톤에상응하는이산화탄소가점감되는것으로산정되었다. 돈분과식물체잔사혼용한온도변화 2단혐기소화시스템연속공정에있어서 Bio-gas 발생량변화는돈분만투입하였을때와비교하여약유체대 1% 를혼용하였을시고온조에서바이오가스발생량에는변화가없었지만, 중온조에서약 26% 바이오가스증대되는것으로나타났다. 바이오가스농도변화에있어고온조의메탄가스농도가약 60%, 중온조의경우, 높게는약 80% 가관측되었다. 경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO 2 저감량산정유체대의전환요율은왕겨보다약간높게나타났다. 전환효율은공히약 83% 인것으로관측되었다. 왕겨로부터 Crude oil생산은반응온도 300 까지증가하였지만, 특히바이오오일의생산은반응온도 280 에서초기주입공시재료량보다 2배이상급격히높게나타났다. 왕겨로부터생산된 Crude oil의발열량은왕겨보다 61.4% 향상된약 5,843 kcal/kg이었다. GC/MS로입증한 Crude oil의유기화합물은 8가지화합물로서 acids, alcohols, aliphatic hydrocarbons, ethers, esters, ketones, phenol - 5 -

6 and aromatics 및기타에 60종으로분류되었다. 왕겨를이용한 Liquefaction으로부터생산된 Crude oil 구성성분중에 esters와 ethers이각각 32.0과 19.2% 로대부분을차지하였다. 바이오오일성분분석에서주요화합물은 C 5 H 12 O, C 7 H 14 O 2, C 8 H 16 O 2 및 C 12 H 26 O 2 인것으로나타났다. 그러나 carboxylic acid, C 7 H 14 O 2, 및 esters, C 12 H 26 O 2 는 Crude oil과바이오오일에오일성분으로공존하는것으로나타났다. 지역바이오매스자원인벤토리작성농산부산물바이오매스발생량의수량대비비율은식량작물, 유료작물및과수는 1.0 이상이었고, 서류및채소류 ( 고추제외 ) 는 1.0 이하이었다. 주요 13종작물의농산부산물바이오매스발생량은 6,589 천톤 / 년이었다. 버섯 (5종) 재배에의한농산부산물바이오매스발생량은 972천톤 / 년이었고, 축산분뇨발생량은 2008년기준으로총 41.7백만톤 / 년, 2010년에는총 33.7 백만톤 / 년이었으며, 음식물 ( 채소류 ) 쓰레기의발생량은 11.4천톤 / 일, 기타도시생활폐기물발생총량은 39.3천톤 / 일이었다. 산림의총축적 백만m 3 에서의총임산바이오매스량은 백만톤이었다. 작물별바이오매스이용부위의 12개주요성분 (C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, B) 에대한연구결과를종합하여평균값과표준편차를산출하였다. 농산부산물바이오매스 LCI의기본개념모델을개발하였으며, 농산부산물바이오매스의에너지부존량인벤토리구축을위한산정식을설정하고, 4,742 천톤 / 년발생에대한에너지부존량을산출한결과 22,130 천 teo이었다. 또한축산분뇨의인벤토리구축을위하여양돈 ( 사육두수 2,000두기준 ) 바이오매스발생량 860 TS(kg/ 일 ) 의바이오가스생산량은 399 m 3 / 일이었으며, 발전전력량으로환산시 Kwh/ 일이었다. 임산바이오매스의부존에너지량은 184, toe/ 년이었다. 작물별바이오매스생산의 Input 요인 ( 토지이용량, 종자량, 물요구량 ( 논, 밭구분 ), 비료투입량및에너지투입량 ) 및 Output 요인 ( 작물생산, 바이오매스생산, 증발량, GHG 배출량 ) 별인벤토리를구축하였다. 바이오매스 LCA의기본개념모델을개발하였으며, 기존의 LCA관련모델활용연구사례 (5case study) 를분석하였다. 환경영향평가에대한새로운 LCA 모델을개발하였으며이의활용을위한시책건의를하였다. 바이오매스최적이용기술개발을통하여, 휴경논활용바이오에너지생산및이산화탄소배출권확보사업에대한영농활용및시책건의하였으며, 혐기소화증진을위한농산부산물이용체계에대한영농활용자료를제공하였으며, 본연구를통하여 20종의 DB를구축하였다. Ⅴ. 연구개발결과의활용계획 녹색에너지마을및자원순환농업지역등을추진함에있어지역바이오매스자 원, 에너지자원현황파악및향후에너지효율계획수립등에기초자료로활 - 6 -

7 용, 바이오매스순환이용 D/B 구축을통한온실가스감축의무저감수단의기초원천기술제공및바이오매스관리정책및영농활용자료제공으로농업유래바이오매스로부터대체에너지의창출, 바이오매스수집ㆍ자원화ㆍ이용기술발전및관련산업활성화등에기여할것으로본다. 농가실증바이오가스생산시스템연구를위한기초자료로활용하고자한다. 그리고강원도원주시양돈농가에일일약 300L의가축분뇨를처리할수있는규모의현장적응용혐기소화시스템을운영하므로서 농촌유기성의탄소격리과정평가 과제수행을위한기초자료수집에활용할것이며, 더나아가농업부문바이오매스의효율적처리및관리기술기초기반자료로활용가능할것으로판단된다. 현장적용을위한바이오매스효율적처리처리기술기반확립및농업부문기후변화대응청정개발체제 (CDM) 기반확립을위하여바이오매스의전환기술을통해얻어진산물에대한화학성분동정이필요하며, 또한이러한산물에대한생물검정을통한유용한천연화학성분에대한기초응용에활용하고대체에너지화측면에서, 바이오매스진환기술을통해생산된 Crude oil을청정녹색연료화하기위해서는 Carbon cracking공정을적용한기초연구자료로활용할수있을것으로판단된다. 농축산물탄소성적표시제도시행방안확립, 농업환경정보시스템연계인벤토리구축, 온실가스배출거래제도와연계사업화추진, 지역간물질순환이용체계확립을통한체계적 LCI구축, 바이오매스순환이용 D/B 구축을통한온실가스감축의무저감수단의기초원천기술을제공하고농축산물이용단계별탄소인벤토리구축을통한국가위상제고, 농축산물의경제가치평가시스템의신개념도입을통한소비자신뢰구축에필요한자료제공으로 < 탄소성적표시제 > 도입을통한농축산물수출확대에이바지할것으로판단된다

8 S U M M A R Y Title : Establishment and Assessment of Biomass Inventory for Bioenergy 1. Estimation of potential greenhouse gas emission and establishment of inventory for agricultural biomass production With recently increasing the penetralium price, biomass was rapidly increasing the concern of alternative energy to fossil fuel. Wold consumption energy was supplying about 10% from woody biomass according to international statistic data, and biomass such as crop residues, agricultural byproduct, animal waste and food waste was utilizing by energy resources. However, there is a lot of different biomass as well as scattering around nation wide. It is difficult to collect and to transfer the biomass, and is deficiency of utilizing and establishing the optimum plan for biomass without having the statistic data for agricultural biomass production. Therefore, there were predicted fertilizer components, carbon amount, potential methane production through physico-chemical properties of crop biomass, potential biomass yield and calorific values each kind of biomass in order to establish the data basis for biomass inventory for main crops in agricultural sector. Conversion index of biomass based on crop yield was established relative to estimate the waste production per area for potential crop biomass production. Conversion index was 1.02 for rice and 1.23 for barely. Total potential biomass production was estimated at 11,641 thousand tonne, especially for 9,924 thousand tonne of grass biomass and 1,716 thousand tonne of woody biomass as trimmed tree of orchard. Calorific values were 3,800~4,500kcal kg-1 of grass biomass and 4,100~4,300kcal kg-1 of woody biomass. It was shown that potential energy of agricultural byproducts was about 460 million TOE, especially for highest at 2,564 thousand TOE of rice straw. The carbon content of grass biomass was ranged from 39% to 43%, and the lignin content of woody biomass was ranged from 43% to 46%. Sulfate content was less than the detection limits. It was appeared that theoretically potential methane emission of red bean stem was highest at L CH4 kg-1, and was lowest at L CH4 kg-1 of peanut stem in the agricultural byproduct. Total and average potential methane emissions were 1,069.7 L CH4 kg-1 and L CH4 kg-1, respectively. For the analysis of fertilizer components in the crop residues, K contents were - 8 -

9 3.15, 3.11, 1.58 % of barely, naked barely, and wheat straws, respectively, and N contents were ranged from 0.2% to 1.68%, especially for high at soybean, red bean and mung bean. For the woody biomass, it observed that T-N contents were ranged from 0.46% to 0.76%, and SiO2 content of woody biomass was lower than its grass. For reduction of greenhouse gas emission by using potential energy for agricultural byproduct, an estimation of potential greenhouse gas emission was highest at 2,526thousand t CO2/year in Kyeongbuk, 2,372 thousand t CO2/year in Jeonnam, 2,155 thousand t CO2/year in Chungnam, 1,621 thousand t CO2/year in Gyeongnam, and 1,350 thousand t CO2/year in Gyeonggi. According to high efficiency of restoration rate for rice straw, it was appeared that potential greenhouse gas emission of crop residues except rice straw was highest at 1,276 thousand t CO2/year in Gyeongbuk, 722 thousand t CO2/year in Gyeongnam, and 628 thousand t CO2/year in Jeonnam. Furthermore, potential greenhouse gas emission for upland crop was highest at 533 thousand t CO2/year in Gyeongnam, 467 thousand t CO2/year in Jeonnam, 318 thousand t CO2/year in Gyeongbuk, and 304 thousand t CO2/year in Gangwon. For the utilization of trimmed tree in the orchard, potential reduction amount of greenhouse gas emission was highest at 959 thousand t CO2/year in Gyeongbuk, 273 thousand t CO2/year in Chung-Buk, 195 thousand t CO2/year in Chungnam, 189 thousand t CO2/year in Gyeongnam, 186 thousand t CO2/year in Gyeonggi, and 161 thousand t CO2/year in Jeonnam. 2. Improving the Efficiency of Anaerobic Digestion Process using Agricultural Biomass In the context of increasing oil price, it is a growing interest in biomass which could replace fossil-derived energy. The amount of biomass resources in agricultural sector is estimated around 12 million tons per year including 3 million tons of available ones. In this study, we focused on the improving the efficiency of anaerobic digestion process producing biogas using unused biomass and investigated the changes of organic matter properties by different pre-treatment such as particle size, reaction temperature and ultrasonic treatment. Soluble chemical oxygen demand(scod), index for the decomposition of biomass, of rice straw in this study increased with the smaller particle size, higher reaction temperature and higher ultrasonic intensity. VFAs(volatile fatty acids) are an intermediate product in the anaerobic digestion, but also capable of inhibiting methanogens in case of high concentrations. It might be considered that an indicator for monitoring the stability of digestion process were VFAs. In this study, - 9 -

10 the improvement of the hydrolysis efficiency as a initial step of anaerobic digestion process producing biogas using unused biomass was focused on. It was observed that soluble chemical oxygen demand (SCOD) as the index for the decomposition of rice straw increased with the smaller particle size, higher reaction temperature and alkali treatment. The concentration of total volatile fatty acids (TVFAs) were increased with the hydrolyzed time. Among them acetic acid was dominant which showed the similar increase with TVFAs, and next to butyric acid. With the alkali treatment the concentration of TVFAs were sharply increased which showed 3 times higher than non-treatment. 3. Estimation of CO 2 reduction rate and optimization of bio-oil production technology with biomass conversion in crop cultivation sector The liquefaction of rice hull and rapeseed straw as an agricultural residues has been conducted with n-butanol of solvent at reaction temperatures ranging from 220 to 320 for the clean and green fuel production. As a result, it was found that biomass conversion rates were increased with increasing the reaction temperatures, especially for higher at 4.4% with rapeseed straw as compared to the rice hull at 320 of reaction temperature. Also it was considered that majority of extracted conversion products was 99% of bio-butanol. However, in case of using methanol as solvent, it was observed that its conversion rate was only 39.6% at 26 0 for 30 min. Furthermore, calorific values of bio-butanol produced from rice hull s conversion were ranged from 8,283 to 8,356 kcal kg-1,especially for higher at 70kcal kg-1 in bio-butanol as relative to the solvent as n-butanol. In GC analysis of soluble portions, it was observed that their retention times were different with fraction portions. The organic compounds in the crude oil were categorized 60 species into 8 classes of compounds such as acids, alcohols, aliphatic hydrocarbons, ethers, esters, ketones, phenol and aromatics and the other, especially for predominant at 32.0 and 19.2% of esters and ethers, respectively, in the crude oil compositions from rice hull s liquefaction. For analysis of bio-oil, the main chemical components were C5H12O,C7H14O2,C8H16O2andC12H26O2. Therefore, possibility of producing the clean and green fuel energy with plant biomass liquefaction was needed to investigate the upgraded oil through carbon cracking with catalysts. 4. Development of optimum technology for anaerobic digestion system with crop residues and high efficiency for biogas production Anaerobic digestion of crop residues such as rice, barely, wheat and rapeseed

11 straw substrates for biogas production was performed in serum bottles at various biomass loading rates with different digestion temperatures. Through kinetic mode of surface methodology, the methane production was fitted to a Gompertz equation. For the different biomass loading rates of crop residues, it was observed that the order of ultimate methane production potential was wheat straw rice straw barely straw rapeseed straw in mesophilic condition. Futhermore, the ultimate methane production potential of 1% rice straw loading rate was highest at ml/g at thermophilic stage (55 ), but in the mesophilic stage (35 ) was ml/g with 1% wheat straw. For the wheat and rice straw substrates, it was appeared that maximum methane content was 64.8% after 10.7 days of digestion periods at thermophilic stage, but in mesophilic stage it was 76.3% after 31.9 days of digestion periods on both 1% biomass loading rate. Overall, it would be strongly recommended that 1% of biomass loading rate was an optimum rate on both thermophilic and mesophilic stages for using rice and wheat straws for feeding stocks. For estimation of CO2 reduction on application of Gompertz model, CO2 -equiv. for crop residues was reduced at 6,519,135 thousand tonne with 310,435 thousand tonne of methane gas production if 30% of total crop reduces produced in Korea was used as feeding stocks for anaerobic digestion system. For operation of continuos temperature phase anaerobic digestion system with co-digestion of swine waste and 1% rapeseed straw, the biogas yield in thermophilic digester was not significantly different with feeding stock of swine waste alone, but it in mesophilic digester was increased at 26% more than that of the swine waste. It observed that the methane contents were about 60% and 80% in the thermophilic and mesophilic digesters, respectively, even if nothing different with feeding stocks. 5. Establishment of biomass resource inventory in regional area Life cycle inventory (LCI) on the basis of regional biomass resources was constructed. Biomass production in agriculture, forest, livestock and city and its utilization was investigated with regional base. The production of agriculture for 13 main crops was 6,589 thousand ton per year. Mushroom for 5 kinds biomass was 973 thousand ton per year. Live stock manure biomass was 33.7 million ton per year in Accumulated forest biomass was million ton. Characteristics of the biomass was analysed for 9 component. A new LCI model for agriculture biomass was developed based on the input

12 (land use, seed, water, fertilizer, machine energy) and output (crop production, biomass production, evapotranspiration, GHG emission). The potential energy of the biomass in agriculture, forest, and livestock was estimated as 22,130 thousand toe for 4,742 thousand ton biomass per year, 184, toe per year, Kwh for 860TS (Kg/day) biomass of 2,000 head pig per day, respectively. The accumulated carbon content was 4.56 ton per ha per year calculated from the case study. A new LCA model for agriculture based on the impact on the environment and the equation to calculate the impact were developed. Nitrogen balance in agriculture was investigated with 7 area case study. Data base of 20 kinds was constructed

13 목 차 제 1 장서론 14 제 2 장국내외기술개발현황 17 제 3 장연구개발수행내용및결과 26 제 4 장연구개발목표달성도및대외기여도 절목표대비대외달성도 절정량적성과 166 제 5 장연구개발결과의활용계획 171 제 6 장연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 173 제 7 장기타중요변동사항 180 제 8 장국가과학기술종합정보시스템에등록한연구장비현황 181 제 9 장참고문헌

14 제 1 장서론 국제유가가상승하면서화석연료를대신할수있는바이오매스에대한관심이고조되고있다. 농업분야에서발생되는바이오매스의양은연간 1,200 만톤으로추정되고있으나활용도는미비한실정이다. 유럽등에서는농업부문바이오매스인옥수수대, 유채대, 밀짚및보릿짚과같은식물체잔사, 축산분뇨, 음식물쓰레기등이바이오가스생산을위한메탄발효원료로사용되고있다. 특히바이오가스활용이가장일반화된독일의경우에는바이오가스시설이 2011년현재 6,000 여개이상이운영중에있으며, 마을단위의에너지자급을실현하기위한바이오에너지마을도 50여곳이상개발되어있다. 특히윤데마을의경우에는농가에서발생하는밀, 옥수수, 해바라기등의줄기대와가축분뇨를발효하여생산한바이오가스 ( 메탄, CH 4 ) 를이용하는바이매스열병합발전소를 2005년건설하여연간 5,000MWh의전력을생산하고있으며, 마을에서소비하는약 2,000MWh/ 년의전력을제외한잉여전력은판매하여수익을창출하고있다. 또한전력생산과정에서발생하는열과온수는 6km 정도의배관망을통하여각가정으로공급하여난방에너지를절감하고있다. 이를통하여윤데마을은지역자본으로발전소를건설 운영하여석유나석탄에종속되지않는에너지자립을확보하였고, 에너지비용절감및부산물재활용으로경제적효과를얻었으며, 추가적으로년간 3,300ton CO 2 정도의온실가스를저감하여세계적으로유명한에너지자립마을의명성을얻고있다. 또한발효과정에서발생하는부산물을유기비료로서활용하여유기농업의기반을마련하였다. 이런기반을토대로독일에서의바이오매스전기생산량은크게증가하고있는데, 2004~2005년거의두배증가하여 13,114GWh에이르고있으며, 대부분의전기는목질계폐잔재와바이오가스로부터생산되고있다. 19세기이전까지전세계적으로가장많이이용된주에너지자원은바이오매스 (biomass) 이며, 현재도일부저개발국가에서바이오매스를통한에너지원으로공급받고있다 (Son et al., 2007). 국제통계에서도현재약 10% 정도의목질계바이오매스를통한에너지공급이이루어지고있으며, 또한곡물, 농업부산물, 축산분뇨, 음식물쓰레기등이바이오매스로서에너지원으로이용되고있다. 우리나라의에너지수입의존도는 96.4% 로이중석유의비중이 38.2% 로가장높고신재생에너지의비중은 3.0% 로낮은수준 ( 지식경제부, 2012) 이기때문에에너지의존도를낮게유지할수있는장기적인에너지수급정책이요구되고있다 (Kim et al., 2009). 이에따라최근대체에너지에대한관심증대로바이오매스의에너지화가부각되고있는데, 바이오매스를활용한화석연료대체와환경문제해소, 지구온난화방지등의효과와안정적인공급이가능한에너지원으로평가되고있다. 바이오매스의에너지전환중요성이부각되고있는시점에서바이오매스의활용정책과계획수립및산업적기술개발을위해가장기초가되는자원량의정확하고추정가능한정보가절실히요구되고있다 ( 노경상등, 2010). 농촌지역에서발생되는각종바이오매스자원은관리되지않을경우주변환경에

15 부정적인영향이발생가능하지만적절히활용할경우재생에너지의개발과환경보전의효과를얻을수있다 (Hong, 2004). 그러나농업바이오매스자원이산재되어있어발생량에대한정확한통계가부족하고, 수집및수송의어려움이있어효율적인계획과최적이용방안등이미흡한실정이다. 바이오매스는모든식물과동물의자양분그리고가정과산업체로부터배출물과바이오폐기물을포함하는탄소가풍부한소재이다 (Deublin and Steinhauser, 2011). 농업으로부터미사용된것이나폐기된바이오매스잔사는잠재에너지원을가지지만, 이러한물질은중요한환경문제를유발시키는온실가스배출원이될수있다. 작물과동물의잔류물로부터잠재에너지생산은지구전체로총 70EJ 중에약 34 EJ로평가된다 9). 바이오매스는인간과자연활동으로부터소산된모든유기성물질로부터유래된신재생에너지원이다. 그것은탄수화물, 지방및단백질과같은유기물질의혼합물이다. 식물바이오매스의주요구성성분은바이오매스형태에따라다양할수있는탄수화물및리그닌들이다. 탄수화물은주로섬유질을지지하는리그닌과식물체구조를강화하는셀룰로스와 hemi-cellulose 섬유질로구성되어있다. 따라서유채대, 볏짚, 보릿짚및밀짚과같은식물체잔사물로서바이오매스는대체연료자원으로서좋은원료가될수있다. 농업부문에서식물체잔사를이용한메탄생산을위한혐기소화연구는제한된천연자원을가지는국가에서는필수적이다. 소화조에의해서생산된메탄은열과전기를생산하는에너지원으로서사용될수있다. 이러한것은처리비용과대기권의메탄을줄일수있다. 또한왕겨와볏짚은주요농업부산물중의하나이며, 벼도정과정의부산물로서매년전세계적으로상당한량이발생된다. 볏짚은벼건물중의약 50% 를차지한다. 수확한곡물톤당볏짚 1.35톤이논에버려진다. 볏짚은단위당생산량이높기때문에 Ligno-셀룰로스의자원으로서높은잠재성을지닌다. 그러나일반적으로이러한식물체잔사의수거와폐기가어렵고비용이많이들기때문에논에방치하거나단순히소각시킨다. 이로인해, 환경적인문제가야기된다. 왕겨나볏짚과같은유기물을바이오에너지와같은더욱더가치있고농축된형태로전환시키는것은석유고갈에대비해도움이될것이다. 바이오매스의에너지전환방법으로는물리적, 생물학적또는열화학적인방법이될것이다. 열화학적인전환공정은관리하기어렵고비용이드는고체바이오매스와폐기물을액상으로전환시킬수있기때문에용이하다. 이러한액상은수송, 저장, 소각과시장화에장점을지닌다. 그러나바이오매스에토대를둔오일의화학적구성성분은카복실릭산, 탄수화물과리그닌을토대로한물질로구성되어있어복잡하다. Crude oil의구성성분과특성이석유화학유래오일과상당히다르기때문에이러한바이오오일은점성이있고, 온도에불안전한특성때문에취급하거나이용하는데많은문제를유발시킨다. 탄화수소의원료나연료의대체물로서미래의사용을위하여, Crude oil은특성을증진하기위해상당한개선을요할것이다. 이것은원유와반대로화학제조공정에서제한된에탄올사용으로인해낮은에너지밀도를가진다

16 셀룰로스의바이오에탄올개발은리그닌을함유하고있는많은양의폐기물을유발시킬것이다. 이러한폐기물을바이오에탄올공장에서에너지를제공하기위해소각시키는반면, 연료와화학물질을생산하기위한잠재적인원료로이용할수있다. 바이오매스의장점은첫째낮은황과질소함량, 두번째는바이오매스 balance측면에서대기권 CO 2 방출이없다는것이다. 신재생에너지원으로서바이오매스이용은온실가스효과에기여함이없이에너지를생산하는편리한방법이다 (United Nations Center for Human Settlement, 1993; Bridge water and Grassi, 1991; Prob stein and Hicks, 1982). 국내에서는바이오매스자원의발생-변환-활용에대한단계별기초통계및 DB 구축이미비하여국가자원화목표및정책수립에어려움이있다. 바이오매스인벤토리작성은기초통계및 DB를기반으로하여전과정인벤토리 (LCI : Life Cycle Inventory) 과정을따라야한다. 또한 LCI를기반으로한전과정평가 (LCA : Life Cycle Assessment) 를통한환경영향평가를하여야한다. 바이오매스를이용할경우사회경제적ㆍ유효성이매우높으며, 특히에너지의안정적확보, 지구온난화방지, 순환형사회구축기여, 소득과고용의창출및사회의질향상과안정화효과도커질수있다. 특히농업분야의바이오매스는종류가다양하고기상, 토양, 재배경종방법의차이에의해변이량이상당함에도 LCI 및 LCA에관한모델연구가전무하다시피하여 OECD 국가보고서작성에도신뢰도가낮은실정이다. 저탄소녹색성장의새로운패러다임, 즉 3E : 환경ㆍ에너지ㆍ경제성장정책의실용가능한 D/B 구축은국가적과제이며, 바이오매스자원에대한인벤토리작성을기반으로하여, LCI 및 LCA와바이오매스이용확대기술을접목시켜야바이오매스부가가치향상을위한최적모델이개발될수있다. 따라서본연구에서는농업부문에서발생되는주요농작물을대상으로바이오매스인벤토리 DB 구축을위하여바이오매스종류별열량및이화학적성분을통해바이오매스잠재발생량, 고위발열량, 잠재메탄발생량, 탄소량, 비료성분등을추정하였다. 농업부산물인볏짚의가수분해를일으키는전처리과정에대한여러조건들을구하여농업부산물의혐기소화를통한바이오가스생산공정에대한기초자료를얻고자하며, 농업부산물과가축분뇨혼합에따른메탄발효특성평가, 농업부산물이용메탄발효최적화구축및바이오매스별고효율메탄발효최적시스템을구축하고, 바이오매스의에너지전환방법의일환으로수급원료와반응온도에따른 Crude oil에대한발열량을평가하고, 식물체잔사별, 반응온도와용매별로액화물량을평가하고바이오오일에대한화학구성성분을분석하였다. 또한지역단위별바이오매스자원발생및이용실태와주요성분량을조사하고이에대한 DB구축과함께 LCI와 LCA를통한바이오매스자원에대한인벤토리를작성하여바이오매스부가가치향상을높이고자하였다

17 제 2 장국내외기술개발현황 제 1 절국내기술개발현황 1. 농업부문바이오매스부존량인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정바이오에너지는과거저가의원유생산비용등으로개발이저해되어왔으나현재및가까운미래의화석연료의불안감으로인하여국가적에너지안보유지, 저탄소에너지해결에사회 정치적초점이되고있다. 따라서바이오에너지의중요성이증대되고있는데, 앞으로이용가능한화석연료의양은지속적으로감소되고이를대체하기위한에너지의필요성이높아지며, 온실가스의증가로인한범지구적인기후변화및저탄소에너지정책의대안중의하나로제시되고있다. 멀지않은장래현실화될화석연료의고갈과세계경제의어려움속에서확대생산되는재생산에너지시장은불확실성과온실가스의무화라는가까운장래예측등에따라경제적이익과환경및개발과의조화에부흥하는새로운패러다임을요구하고있다. 이에정부는 저탄소녹색성장 이라는새로운정책적돌파구를마련하였고, 이새로운패러다임에대한정의와전략적인추진내용등이제시되고있고, 그중심에신 재생에너지의개발과보급이자리잡고있다. 이러한신 재생에너지의관심은과거 30여년전부터증대되었으나, 초기및관리운영비용이높아개발과보급이쉽지않았다. 급등하는유가로인한신 재생에너지의관심이높아지고있고, 현재이용가능한자원들을최대한활용할수있는기술은그리보급되고있지않다. 축산분뇨및농업부산물, 음식물폐기물등의혐기성소화및소각을통한에너지화는환경오염의부하가높은해양투기가금지되는 2011년이후부터오염원처리를위한비용을지불해야하는대상이되기때문에유기성폐기물의에너지화는추가적인에너지생산이용및정화처리비용의절감, 온실가스감축등의많은장점을가지고있다. 그러나국내의경우농산, 임산, 축산, 수산, 도시및산업바이오매스로구분하여자원특성, 부존량, 이용가능성에대하여분석하였고 ( 홍종준등, 1991), Hong(2004) 은농업부산물바이오매스잠재량을단위발생량, 원소조성비, 단위중량당발열량등의자료를실측, 수집및분석하여농촌지역의바이오매스잠재량을추정하는연구를보고하였다. Kim 등 (2009) 은통계자료를바탕으로바이오매스자원 DB 구축및분포도를작성하였는데, 농업부산물의경우일부에한정되어다양한농업부산물의발생량추정에어려움이있다. 국내에서바이오매스자원조사에대한연구는오래전부터간헐적으로이루어져왔으나농업부문에서는제한적이었고, 농작물의바이오매스발생량은육종기술의발전으로끊임없는품종개량과원료생산시투입되는작물의종류, 품종선택, 토양의양분상태, 비배관리, 기상여건등에따라크게달라질수있다. 그러나현재까지사용되고있는국내농업바이오매스의발생량조사자료는너무오래된과거자료를인용하고있으며, 타용도로재이용되고있는농업부산물등을포함시켜다소과다하게이용가능량을추정하여농업유래바이오매스자원의활용부분에서부족한측면이있기때문에체계적인농업부문의바이오매스부존

18 자원량조사연구가필요하다. 농촌지역에서의바이오매스자원조사및잠재량을추정하는연구가진행된바있으며 ( 홍등, 1989, 1991), 이결과를현재까지국내바이오매스잠재발생량으로인용하고있는실정이다. 국내에서진행되고있는바이오매스자원조사및잠재량평가연구는주로개별사업에대한평가가주를이루었으며, 자원조사대상도부분적으로일부만수행하거나또는특정한단지나지역을대상으로조사연구를진행하였다. 또한국내바이오매스발생량및메탄가스잠재발생량산정에대하여미국 EPA 용역과제로수행한바있다 ( 신등, 2009). 산업생산및도로교통부문에관한 LCI는상당한연구성과를축적하고있으나농축산물에대한 LCI 및 LCA를통한바이오매스자원인벤토리연구는찾아보기어려우며, 체계적으로접근하고있지도못하였다. 2. 부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발혐기성소화는다당류, 지방, 단백질같은고분자유기물질이 hydrolytic bacteria로부터분비되는 cellulases, proteases, lipases등의 extracellular enzyme에의해서단당류, 지방산, 아미노산등의용해성유기물질로분해되는과정인가수분해 (hydrolysis) 가첫번째단계로, 반응속도가다른단계에비하여상대적으로느려속도결정단계로알려져있다 (Speece, 1983; Chiu et al., 1997). 두번째는가수분해에의해생성된저분자유기물은다시유기산생성균 (fermentative acidogenic bacteria) 에의해유기산및알콜류, 케톤류등으로전환되는단계이고, 세번째단계는아세트산생성단계 (acetogenesis) 로써, 아세트산생성균 (acetogenic bacteria) 이지방산 (propionate, butyrate 등 ) 과에탄올, 벤조에이트 (benzoate) 등을산화시켜아세트산과수소를형성한다. 마지막으로메탄생성균 (methanogenic bacteria) 에의해메탄과이산화탄소를생성하는단계로구분된다. 휘발성유기산 (Volatile fatty acids; VFAs) 은가수분해된물질들이분해되어생성되는중간산물이며, 고농도로축적될경우메탄생성박테리아의활성을오히려저해한다. 따라서 VFAs는혐기소화과정의안정도를살펴볼수있는지표가되기도한다. 이러한혐기소화과정의여러단계중에서최초가수분해과정은속도가가장느리기때문에전체소화과정의속도결정단계 (rate-limiting step) 로작용한다. 따라서가수분해를촉진시킴으로중간과정인산생성, 최종단계인메탄생성이촉진될수있다. Heo et al.(2003) 은음폐수처리에서발생한슬러지에 45 meq. NaOH/L로 25, 35, 55 에서 4시간처리하였을때 COD 가용화가 28%, 31%, 38% 증가하였고, 바이오가스생산량도 66%, 73%, 88% 증가하였다고하였다. 안등 (2004) 은음식물류폐기물에 TS당 5% NaOH를처리하는것이가수분해에효율적이며 55 의고온에서의산발효가가용화와 VFAs 생성에효과적이라고하였다. 산발효단계에서는 ph가 5.5~6.0 사이에서유기산의발생량이최대가된다는연구결과도있다 ( 김등, 2002). 국내에보고된산발효연구결과들은대부분 35 의중온에서이루어지거나 ( 송등, 2002; Han et al., 2002), 셀룰로즈의분해능력이뛰어나다고알려진루멘미생물을이용하여산발효효율을향상시키고자하였다 ( 김, 2001; Shin et al., 2000)

19 3. 지역바이오매스자원인벤토리작성산업생산및도로교통부문에관한 LCI는상당한연구성과를축적하고있으나농축산물에대한 LCI 및 LCA를통한바이오매스자원인벤토리연구는찾아보기어려우며, 체계적으로접근하고있지못한실정이다. 최근의연구중하나인고재경 ( 경기개발연구원, 2007) 등이경기도시군별로지역의특성을보다정확하게반영할필요가있는부분에대해서는정밀한배출량현황조사가필요함을지적하고있고, 온실가스배출량에대한기존의연구들이산업공정등과같이자료의획득이어려운부문은배출량산정에서제외하는경우가많다. 공정부분에대한이러한결손부분을보완할수있는전과정평가기법을적용하는것은이러한문제점보완을위한적절한대안이될것으로생각되며, 이는기존의많이수행되어진하향식온실가스배출량산정의단점내지부족한점을보완할수있으리라사료된다. 이상의연구들이주로개별사업에대한평가가주를이루었고특정한단지나지역을대상으로한연구로는김동영등이경기도시군지자체의온실가스배출특성에대하여연구한바가있고, 단위지자체로는서울영등포구에서온실가스배출원및배출량조사연구를진행한바가있다. 국내의연구로는박광호등이전과정평가기법을이용하여원자력발전시스템과화력발전시스템의 CO 2, 고속도로에서의환경영향에대한정량적평가등을연구하였고, 황용우등은도로건설과건축물등의전과정평가에따른 CO 2 의배출량평가에대한연구를발표하였으며, 김중기등은제지산업에대한전과정평가를적용한연구를수행하였다. 전과정평가기법을이용한연구로는윤성이등이화석에너지원의 LCI 구축및온난화가스배출량분석을일본의사례를이용하여연구하였고, 박성태등은전과정평가기법을특정공정에적용하여카본블랙공정의원료조합모델연구등을수행한바있다. 김도군은전과정평가기법에의한강구조교량과콘크리트교량의환경성및경제성의비교연구를발표하였고, 김익수는생태도시조성을위한통합폐기물관리방안을전과정평가기법을응용하여연구한바있다. 특정산업전과정평가기법의적용예를보면가전제품을대상으로냉장고, TV모니터, 세탁기, 에어컨등에삼성, LG 등의업체들이적용하였고이를활용하여친환경제품개발에적극적으로나서고있으며, 한국생산기술연구원 (KNCPC) 에서는전세계적으로활발히진행되는친환경경영체제를우리기업들이쉽게도입할수있는기반을마련하고자 1998년부터환경친화적산업기반구축을위한환경경영표준화사업을수행하였으며, 그결과물로전과정평가소프트웨어 (PASS) 를국가 LCI 종합정보망을통하여배포하여활용토록하고있다. 한경대기후변화연구센터에서는반월시화산업단지를대상으로하여보다구체적인지구온실가스의관리방안을도출하고자시도하고있으며, 나아가산업단지등에녹지를조성함으로서얻어지는대기정화기능, 대기냉각효과등을분석한연구를수행하였다. 또한산업의발달로환경이약화됨에따라녹지의환경보전측면에서의공익적기능에대하여연구도진행중이다. 온실가스배출목록의구축과정에서가장중요하고노력이많이필요한부분으로개별배출시설에대한기초자료이

20 며, 지금까지상대적으로불확실성이큰생산공정에대한조사를대폭보완해갈필요가있음을김동영 ( 경기개발연구원, 2008) 등이지적하고있다. 각부문별 ( 산업, 에너지, 환경, 농업등 ) 로는기후모니터링, LCA평가, 환경평가, 기후협상, 대체에너지개발및보급등기후변화평가, 관리, 대응과관련한다양한연구와접근이이루어지고졌으며, 대응주체들은생태분야혹은산업분야의일편에서기후변화적응에노력하였음, 최근들어부문간, 주체간의경계가모호해지고상호관계가융합되는특성을보이고있으나이에부합하는통합적평가시스템은극히미미한상황이다. 이러한점을고려하여농업부문의 LCI와 LCA를통한바이오매스인벤토리를국가 LCI 정보망자료와객관적인 LCA 프로그램을적용하면각연구자마다산정방법을달리하여상호비교가어려웠던점의보완이가능해질것으로보인다. 제 2 절국외기술개발현황 1. 농업부문바이오매스부존량인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정국외바이오매스에대한조사연구는다양한산정방법으로꾸준히지속되고있는데, 미국에너지부 (DOE) 의신재생에너지연구소 (NREL: natural resource ecology laboratory, 2005) 에서는 FAO와 USDA에서실측분석한작물별건조중량, 작물과잔여물의비등의자료를이용하여바이오매스잠재량을추정하였다. 작물의생산성에영향을미치는인자를고려하여추정하거나위성영상자료를분석하여바이오매스잠재량을추정하는등최신기법을통한활발한연구가진행되고있다 (Emore et al., 2007; Fischer, 2004). 미환경청에서는동남아바이오매스부존량에대한매탄가스잠재발생량을추정하는 M2M용역과제를개도국에발주하여국가별기후변화온실가스잠재발생량을확보하고있다. EU에서바이오매스는에너지자원으로두가지측면, 에너지자급도의제고와지구온난화가스감축수단으로중시되고있다. EU에서바이오에너지의위상은, 전체에너지 1차소비에서 3.7%, 재생에너지가운데에서는 65.4%( 재생열에서 96.2%, 재생전기에서 11.6%, 액화바이오연료 100%) 로재생에너지정책은바이오에너지정책이라해도무방할정도이다. 독일은국토면적 (357,031km2) 의 80% 이상에서바이오매스를생산하고있는데, 주로농업에서생산되고있다. 바이오에너지와재생에너지생산에사용되는농지의전체면적이 2006년에 1,561,000ha로전체의 13% 였으며, 2003~2006년사이에만무려 87% 라는놀라운증가추세를보이고있었다. 특히유채와에너지용곡물과옥수수는 2005~2006년에거의두배정도증가되었다. 독일에서바이오매스전기생산량은크게증가하고있는데, 2004~2005년에거의두배증가하여 13,114GWh이었다. 바이오가스시설은생산되는자체에너지로시설의운전이가능하고, 악취및온실효과유발가스의배출을감소하는효과가있다. 이렇게감축된이산화탄소는 CDM(clean development mechanism) 사업을통하여탄소시장에서거래할수있어바이오가스의경제성을더욱높일수있다

21 2. 부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발혐기소화를위한전처리기술의대부분이오폐수처리분야에서개발되어왔다. 이러한전처리기술에는초음파처리, 알칼리처리, 열처리, 오존산화, 기계적처리등으로구분된다. 초음파처리는유기성폐기물 ( 주로슬러지 ) 에 khz의초음파를조사하여액체상의증가압을낮추고가스버블을형성하여세포벽을붕괴하는원리이다 (Elliot and Mahmood, 2007). 많은연구자들이생활하수처리시스템에서초음파처리를사용하였는데, 점성, 고형물, 용존가스농도등의인자들이분해도에영향을주는것으로보고되었다 (Muller et al., 2005; Roxburgh et al., 2005; de Silva, 2005). Khanal et al.(2006) 은슬러지의고형물함량과에너지투입량의상관관계를연구하고고농도의고형물함량을처리하는데초음파처리가에너지효율적이라고하였다. 알칼리처리는상대적으로저비용으로효과를얻을수있는방법으로적은양으로도유기물을가용성유기탄소형태로용해시킬수있다. Lin et al.(2009) 은슬러지의 TS대비 8% 의 NaOH를처리하였을때유기물의가용화가최적이었으며 SCOD가 83% 증가하였고 VFAs 농도도 1,040 mg acetic acid/l로유지되었으며메탄생성량도제거된 VS kg당 183.5% 증가하였다고하였다. 한편, 초음파처리과정에서알칼리를함께처리하면세포벽을약하게만들어분해가훨씬용이하게되어혐기소화조의성능이향상되었다는보고도있는데 (Chiu et al., 1997; Stephenson et al., 2005), 수산화나트륨과 20 khz의초음파를동시에처리하였을때활성슬러지의가수분해속도가최고 mg/l/min. 에도달하였고휘발성지방산 (VFAs) 이가장많이생산되었다고하였다 (Chiu et al., 1997). 열전처리는고압이함께수반되며가수분해에필요한시간을줄이면서세포를붕괴하는데효과적인방법으로알려져있다. 많은연구들이 의온도범위에서열전처리를수행하였는데, Valo et al.(2004) 은 130, 150, 170 의온도로전처리하였을때가용성 COD가각각 25%, 44%, 60% 증가하였다고하였으며, Ferrer et al.(2006) 은 70 의저온으로처리하여도바이오가스생산에효과가있음을보였다. 오존산화역시세포벽을파괴하여가용성 COD를시키는방법이다. 오존은세포막의구성성분인다당류, 단백질, 지방과반응하여저분자량의화합물로변환하여세포막이파괴되고세포질이빠져나오게되고, 오존처리량이많아지면빠져나온세포구성성분의무기화가일어나게된다 (Bablon et al., 1991). Sievers et al.(2004) 은 TS kg 당 0.06 kg 의오존을처리하여가용성 COD가 16% 증가하였으며, Vranitzky and Lahnsteiner (2002) 는 TSS kg 당 0.06 kg의오존을처리하여혐기소화율이 45% 에서 65% 로향상되었고바이오가스생산량이 30-40% 증가하였다고하였다. 기계적처리는절단또는분쇄를통해입자표면적을증대시켜가수분해를촉진하는방법이다. Springer and Higgins(1999) 에의하면활성슬러지를분쇄하여가용성 COD가 25% 증가되었으며, Baier and Schmidheiny(1997) 의연구에서는슬러지를 9분간분쇄한후액상에서의가용성 COD가 1-5% 에서 47% 로증가하였다고하였다

22 3. 농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발 EU에서바이오매스는에너지자원으로두가지측면, 에너지자급도제고와지구온난화가스감축수단으로중시되고있다. EU에서바이오에너지는전체에너지 1차소비에서 3.7%, 재생에너지가운데에서는 65.4%( 재생열에서 96.2%, 재생전기에서 11.6%, 액화바이오연료 100%) 로재생에너지정책은바이오에너지정책이라해도무방할정도이다. 독일은국토면적 (357,031km2) 의 80% 이상에서바이오매스를생산하고있는데, 주로농업에서생산되고있다. 바이오에너지와재생에너지생산에사용되는농지의전체면적이 2006년에 1,561,000ha로전체의 13% 임. 2003~2006년사이에만무려 87% 라는놀라운증가추세를보이고있고, 유채와에너지용곡물과옥수수는 2005~2006년거의두배정도증가되었다. 바이오매스전기생산량은크게증가하고있는데, 2004~2005년거의두배증가하여 13,114GWh이었다. 대부분전기는목질계폐잔재와바이오가스로부터로부터생산되었다. 현재독일에는 120개의바이오매스를연소하는열병합발전이가동중이며, 4백만톤의바이오매스를사용하여 ( 대부분폐기물과폐목재 ) 약 5,000GWh의전기를생산하고있다. 바이오매스를가스화하여발전하는시스템은 2005 년말, 2,700개이며, 650MW의전기를생산한다. 4. 경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO 2 저감량산정액화기술 (Liquefaction technology) 을적용하여바이오매스를높은에너지밀도를가지는액체로전환하는연구가수행되었다 (Putun et al., 2004; Zhong and Wei, 2004; Minowa et al., 1998; Maldas and Shiraishi, 1997; Selhan et al., 2004; Yan et al., 1999; Takao et al., 1997; Qian et al., 2007; Qu et al., 2003). 액화기술에있어바이오매스는촉매제와용매를이용하여물에작은분자로분해되었다. 이러한작은분자들은불안전하고활동적이므로광범위한분자량으로분포하는오일을구성하는분자로재합성시킬수있다 (Demirbas, 2000). 바이오매스의액화기술로서알카리용액 (Demirbas, 1994), 알카리금속을형성시킴 (Tarabanko and Gullbis, 1989), 프로판올과부탄올 (Ogi and Tokoyama, 1993) 과글리세린 (Demirbas, 1998) 용매이용및직접액화 (Minowa et al., 1994) 를구명하였다. Hydrothermal liquefaction에있어, 반응온도 320 와 14.4MPa하에서촉매제 KOH를첨가하므로서최고 Heavy oil은보릿대를사용함으로서 29% 전환율을보였으며, 최고발열량은밀짚을사용한 Heavy oil은 6190 kcal/kg를나타내었다 (Shin et al, 2010). 더나아가, 에탄올과 bulk-glycerol를혼합한용매를이용한연구에서, 왕겨의 80% 가분해되었으며, 반응온도 에서반응시간 30분에걸쳐액화되었다 (Shin et al, 2010)

23 5. 지역바이오매스자원인벤토리작성가. EU의바이오매스활용및연구현황 EU에서바이오매스는에너지자원으로두가지측면, 에너지자금도의제고와지구온난화가스감축수단으로중시되고있다. EU에서바이오에너지의위상은, 전체에너지 1차소비에서 3.7%, 재생에너지가운데에서는 65.4%( 재생열에서 96.2%, 재생전기에서 11.6%, 액화바이오연료 100%) 로재생에너지정책은바이오에너지정책이라해도무방할정도이다. EU는 2010년전체에너지에서의재생가능에너지의점유율 12%, 전기부문의 21%, 그리고바이오연료의비중 5.75% 라는목표를가지고있다. 이가운데바이오매스목표에너지량을달성하려면 2003 ~ 2010년사이무려 80Mtoe, 115.9% 의증가가필요하며, 이는연평균 11.6% 의증가세를유지해야만가능한수치이다. EU 바이오디젤생산능력도빠르게증가하고있는데 2004 ~ 2004년유럽바이오디젤의생산능력은 4,228천톤에서무려 1,841천톤, 43.5% 가증가란 6,069천톤이다. 높은바이오디젤설비의가동율 (75.3%) 과지속적인시설확장과지원강화등을고려할경우, EU 의바이오디젤의생산과생산능력의증가는당분간지속될것으로보인다. 바이오에탄올의생산량도바이오디젤과같이매년증가하고있는데, 과거 10여년전에비해무려 10배가량증가하고있다. 특히 2004 ~ 2005년사이의 23만톤, 47.0% 의증가는바이오디젤과마찬가지로과거에보기힘든빠른실정이다. EU 바이오가스의 1차생산량은 2004 ~ 2005년사이 4,227ktoe에서 4.959ktoe로 15.9% 증가하였다. 가장비중이큰바이오가스생산부분을쓰레기처리장의폐기물로부터나오는 LFG로 3,173ktoe, 64.0% 임. 다음으로하수처리장 932ktoe, 18.8% 그리고기타가 854ktoe, 17.2% 이다. EUDML 목질에너지생산은 2003 ~ 2004년 300만 toe이증가한 5,540만 toe임. 목질바이오매스는산림자원이풍부한스웨덴, 핀란드, 오스트리아등에서많이이용하고있으며, 핀란드의 2004년도목질바이오매스를이용한에너지소비는 720만toe로서 1차에너지소비의 20.5% 를차지하고있다. 나. 영국의바이오매스활용및연구현황영국에서는 Biomass의이용활성화를위한전략수립을위해 Biomass Task Force 를구성하였으며, 이들로부터제출된 2005년 11월대정부보고서는정부의면밀한검토과정을거쳐 2006년 4월 27일정부의행동계획으로이어짐. 영국내중앙과지방정무의정책은다양하며단순한 R&D 지원에서소비자에대한보조까지, 그리고통상산업부, 에너지부에서농촌환경부등정부부처에서아래와같은다양한내용의정책들이전개되고있다. 재생가능에너지의무구입제도 (RO: The Renewables Obligation) 비화석연료에너지의무구입제도 (NFFO: The Non-Fossil Fuel Obligation) 재생가능수송연료판매의무 (RTFO: Renewable Transport Fuel Obligation) 연료부담인센티브와자본금세공제 (Fuel Duty Incentives & Enhanced Capital Allowance)

24 공금인프라정부보조와이용촉진 (Goverment grant programmes) 바이오에너지자본보조사업 N (Bioenergy Capital Grants scheme) 탄소거래소 (Carbon Trust) 설치운영 저탄소건물지원프로그램 (Low Carbon Building Programme; LCBP) 에너지작물지원제도 (ECS: Energy Crops Scheme) 영국임지보조제도 (EWGS: English Woodland Grant Scheme) 바이오에너지인프라지원제도 (Bio-Energy Infrastructure Scheme) < 영국의연도별재생가능에너지의무구입 (RO) 비율 > 기간 허가공급자의추정판매량 (TWh) 2001/ 총의무구입량 (TWh) RO 비율 2002/ / / / / / / / / / 2012 GB :England and Wales Connor, P.M., UK renewable energy policy: a review, Renewable and Sustainable Energy Review 7(1), 2003, PP65~82 1) 1) 2011 년이후수치는영국 defra 홈페이지자료와달라기재하지않음

25 < 일본바이오매스발생과처리상황 > 바이오매스발생량 ( 톤 / 년 ) 이용과처리상황 가축배설물약 8,900 만톤 식품폐기물약 2,200 만톤 약 90% 가퇴비등의비료로서의이용. 일부지역에서영양과잉상태가현재화약 20% 정도는비료나사료등으로재생이용되고있고약 80% 는소각 매립처리 종이의소비량흑액 ( 펄프생산단계에서의발생폐액 ) 하우오니 약 3,600 만톤약 1,400 만톤 ( 건조중량 ) 약 7,500 만톤 ( 농축오니base) 1/2 이상이폐지로회수, 재이용. 나머지약 1,600 만톤의대부분이쓰레기소각시설에서소각 ( 소각시설의약 70% 는폐열회수, 이용 ) 에너지 ( 주로직접연소 ) 로써이용약 36% 가매립, 남은양의약 64% 가건설자재나퇴비로써이용 배설물오니약 2,900 만톤태반이소각 매립 제제공장폐재약 500 만톤거의에너지나비료로써재생, 이용 인지잔재약 370 만톤 건설발생목재약 460 만톤 겨우제지품등의원재료로써이용이있는정도로, 거의이용되고있지않음. 60% 정도제지원료, 보드원료, 가축깔깨등이나에너지 ( 주로직접연소 ) 로이용 농작물비식용부자원작물 : 유채 약 1,300 만톤 - 30% 가퇴비, 사료, 축사쌀개등으로이용, 약70% 가 농지뿌림 현시점에거의없고, 일부지역에서유채재배, 식용유로 이용후수집, 바이오디젤연료의원료로써이활용하는 대책을진행 사탕수수등 - 바이오에탄올제조, 자동차용의연료로이활용 실증시험정도

26 제 3 장연구개발수행내용및결과 제 1 절연구개발수행방법및내용 1. 농업부문바이오매스부존량인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정본연구는농촌지역에서발생되고있는농업부산물에대한바이오매스자원조사를실시하였다. 대상농업부산물은미곡, 맥류, 서류, 잡곡등과과수부산물을대상으로하였으며, 자료의수집은문헌조사, 현장조사, 통계조사및정책자료등을활용하였다. 작물의선정은연중통계자료활용이가능한작물과발생량이많은농업부산물을대상으로하였다. 농작물재배면적및생산량은농업통계연보 (2004~2008) 를활용하였으며, 바이오매스발생량은바이오매스발생량환산계수를산정하여대상연도의작물생산량을기준으로산정하였다. 주요농산물의원소분석은 Elemental analyzer, 발열량은 PARR 6200, 비료성분은분광광도계와 ICP를이용하여분석하였다. 농업부문바이오매스환산계수를산정하기위하여문헌을이용하여작물별단위면적당바이오매스발생량을조사하여정리하였다 ( 표 1). 단위면적으로산출한바이오매스발생량은조사대상년도의기후변화, 품종선택, 재배지역, 토양비옥도등외부요인에따른영향을배제하기가어렵다. 이러한외부영향을최소화하기위하여 5년간의작물생산량통계자료를활용한작물생산량평균값과작물별단위면적당바이오매스발생량을기준으로환산계수를산출하였다. 농업부문바이오매스환산계수는 Donald와 Hamblin(1976) 이제안한수확지수 (Harvest index) 를수정 (modified) 하여이용하였으며 ( 식 1), 작물시험포장에서재배된시료로부터산정된바이오매스환산계수는 Kim 등 (2009) 의자료를바탕으로하였는데, 뿌리부분의바이오매스를제외한지상부바이오매스를대상으로산정하였으며 ( 식 2, 3), 적용수식은다음과같다. (1) 식용부분건물생산량농업부문바이오매스환산계수 총건물생산량 뿌리부제외 (2) 농업부문바이오매스환산계수 생산량기준 면적당바이오매스발생량 년평균곡물생산량 (3)

27 표 1. 바이오매스종류별단위면적당발생량 Crop By-products Yield per production(kg/10a) Reference Paddy rice Straw Husks Under rice Straw Husks 79.6 Barley Haulm Naked barley Haulm Potato Haulm Sweet potato Haulm Corn Straw Soybean Stalk Shell 70.0 Pepper Stem Sesame Stem Rape Stem Apple Branch 1,899.0 Persimmon Branch Pear Branch 1,433.0 Grape Branch 2,686.0 홍종준외, 1991 홍성구외, 부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발혐기소화과정의여러단계에서최초가수분해과정은속도가가장느리기때문에전체소화과정의속도결정단계 (rate-limiting step) 로작용한다. 따라서가수분해를촉진시킴으로중간과정인산생성, 최종단계인메탄생성이촉진될수있다. 가수분해를촉진시키는방안으로효소활성화에적절한온도, 투입되는기질의표면적을넓게만들수있는절단, 농업부산물의세포벽을분해시킬수있는알칼리처리등을통해 ph 변화, 볏짚의가수분해되면서용해되어나오는용존유기물질 (SCOD) 를정량하고 SCOD가산생성단계로진입하기위해분해되어저분자량의휘발성유기산이생성될때생성되는유기산의종류에따른변화를살펴보았다. 또한볏짚등의작물부산물을구성하고있는섬유물질들이가수분해를거쳐분해될때구성성분들의분해양상을알아보기위해셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌등의변이를살펴보았다. 1년차연구에서는농업부산물중에서가장발생량이많은볏짚을공시재료로하여일정량을듀란병에넣고증류수를이용하여였으며, 전처리방법으로는온도조건 (25, 35, 45, 55, 65 ), 물리적절단 ( 분쇄, 1cm, 3cm, 5cm, 10cm 길이 ), 초음파조사 (20kHz, 40 khz) 등을처리하여단시간내의 ph, 가용성 COD, 용존탄소량의변화를조

28 사하였다. 2년차연구에서도농업부산물중에서가장발생량이많은볏짚을공시재료로이용하였으며, 1년차연구결과를토대로전처리방법중온도조건은메탄생성균의활성도가가장높은 35 ( 중온 ) 와 55 ( 고온 ) 에서혐기소화가진행되기때문에전처리시온도조건을 35 와 55 로설정하였고, 부산물의입자크기에따른차이를보기위해볏짚을분쇄하고 3cm 길이로절단하여장기간내의 ph, 가용성 COD, 휘발성지방산의변화를조사하였다. 또한가축의소화를돕기위해사료급여제로투여하는알칼리 (5% NaOH /g 볏짚건물중 ) 처리에따른변화와교반속도를 80rpm, 150 rpm, 200 rpm으로하여 ph, 가용성 COD, 휘발성지방산의변화를조사하였으며, 가수분해에따른식물구성성분인셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌의성분변화를분석하였다. (1) 이화학적분석식물체의전질소는 micro-kjeldahl법으로정량하였고, 인산, 칼리, 석회, 고토등의양분과중금속은시료일정량을 Microwave로분해하여유도결합플라즈마발광광도계 (ICP, GBC Integra XMP) 를이용하여분석하였다 ( 농과원, 2000). 시료를 105 에서 2시간건조하여전고형물함량 (TS) 을정량하였고, 다시 550 에서 4시간회화하여남은회분을감하여휘발성고형물 (VS) 을계산하였다. 셀룰로스, 헤미셀룰로스, 리그닌은천안연암대학의조섬유분석기 (Fibertec, FOSS analytical, Denmark) 를이용하여 NDF, ADF, ADL 을분석하여계산하였다. 가수분해침출액의 ph는초자전극법 (Model 720A + ) 을사용하여측정하였고, SCOD는공정시험법 (APHA, 1998) 에준하여수행하였다. 전질소는 micro-kjeldahl법으로정량하였고, 인산, 칼리, 석회, 고토등의양분과중금속은시료일정량을 Microwave로분해하여유도결합플라즈마발광광도계 (ICP, GBC Integra XMP) 를이용하여분석하였다. (2) 기기분석휘발성지방산은일정량의침출액에서상등액을 0.2 μm syringe filter로여과한후 20 μl를액체크로마토그래피 (Waters Co., USA) 로분석하였다. Shodex RSpak KC-811 (8.0 mm ID 300 mm) 컬럼을사용하였고, 0.1% H 3 PO 4 를이동상으로하여 0.5 ml/min의유속으로용출하였고, UV detector(waters 2489) 를이용하여파장 210 nm에서측정하였다. 표준용액은휘발성지방산 10종표준용액 (AccuStandard, Inc., USA) 을이용하여 Acetic acid, Propionic acid, Butyric acid, Formic acid 등을분석하였다. < 분석조건 > Column : Shodex RSpak KC-811 (8.0 mm ID 300 mm) Eluent : 0.1% H 3 PO 4 Flow rate : 0.5 ml /min Column Temp : 35 Detector : 210 nm 사진 1. 액체크로마토그래피

29 3. 농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발가. 모균용슬러지모균용슬러지는지방폐수처리장혐기소화조로부터채취하여, 휘발산고형물함량을분석하기전에일주일동안 4 에서냉장보관하였다. 모균용슬러지의휘발성고형물함량은 2.728% 이었다. 그후 35 에서 24시간동안예열하여수급원료에접종하였다. 나. 수급원료연구소포장에서수거한볏짚, 보릿짚, 밀짚, 유채대을전기분쇄기로분쇄하여바이오매스 ( 건물중 ) 량을각각 1, 3, 5% 기준으로정량하여넣은후모균을이용하여 250ml 듀란병에 200ml로맞추어충진하였다. 모균및수급원료에대한 T-C 및 T-N와같은이화학적성분은수질오염공정시험방법에준하여분석하였다 (Schafter and Farrel, 2000). 수급원료에대한이화학적특성은표 2에나타내었다. 표 2. 모균및수급원료에대한이화학적특성 Parameters Seed of microorganism Rice straw Wheat straw ph EC(mS/cm) SS(%) , 3, 5 1, 3, 5 VS(%) T-C(%) T-N(%) T-P(mg/L) 다. 혐기소화방법본실험은 3반복으로 250ml 듀란병을이용하여 200ml의모균과시료를충진하여표 3과같은실험조건으로수행하였다. 식물체잔사의종류는볏짚, 보릿짚, 밀짚및유체대로서총 4종에대하여, 충진율을 1, 3, 5% 로각각달리하였으며, 소화온도는고온조건인 55 와중온조건인 35 의 2수준으로각각나누었다. 각각의병에모균 8.18ml 과적절한돈분과음식물쓰레기산정량을첨가하였으며, 혐기상태로만들기위해질소가스를 3분동안흘려보낸후, 듀란병뚜껑을밀봉하였다

30 표 3. 식물체잔사를이용한혐기소화실험조건 Parameters Crop residues Loading volumes Loading rates Contents Rice, wheat, barely and rapeseed straws 200ml 1, 3 and 5%(D.W) Digestion temperatures 35 and 55 그리고한시간후에유리주사기를이용하여상압상태로맞추었다. 항온진탕기의온도를 55 와 35 에서각각의듀란병을넣고교반속도 50rpm 에맞추어운전하였다. 바이오가스발생량은 ml 유리주사기를이용하여계측하였으며 (APHA AWWA WEF. 1988). 동시에주기적으로바이오가스중의메탄가스및 CO 2 의농도를 GC(Varian CP3800) 를사용하여측정하였다. 라. Kinetic 모델다양한생물학적분야에서발생되는현상에대한기본적인지식으로는기계적인모델을구축하기에충분하지않다. 이러한경우에, 표면학적방법론에부합하는통계분석이나실험모델은복잡한시스템을강요하지만기본적인메카니즘을명확히하기위해공정도안및통제에대한더나은지침서를제공하고자한다 (Owen et al., 1979). 본연구에있어서, 혐기소화를통한돈분및음식물쓰레기혼합비율이메탄가스생산에미치는영향을아래와같은 Gompertz 모델을이용하여분석하였다 (Yang et al., 2003). (4) 따라서 Mp은누적메탄가스생산량 (ml), Pm은최대메탄가스생산량 (ml), Rm 은메탄가스생산율 (ml/day), X0 은정체시기 (days), 그리고 e는실험지수 1을나타낸다. 위수식의모든요인에대해서 Sigma plot 10.0 버전을이용한추산과실험실측치사이의합의평방화오차를줄이기위해뉴톤의연산을이용한회귀방정식으로평가하였다. 요인에대한유의성은상관계수및표준편차를이용하여분석하였다. 마. 온도변화혐기소화시스템반연속 Pilot plant 운영시험을위해공정시스템별로는고온조 (55 ) 와중온조 (35 ) 로구성되어있는온도변화이단혐기소화시스템과중온조 (35 ) 와중온조 (35 ) 이단으로구성되어있다. 그리고유기성자원의효율성을비교하기위해돈분및유채대 1% 와혼합한돈분사용하는 2가지혐기소화를위한수급원료로나누었다. 이러한

31 돈분의휘발성고형물함량은공히 2% 로조정하였으며, 유채대는돈분의바이오매스 1% 를섞어수급하였으며, 혐기소화시스템의운영조건은아래표 4 와같다. 표 4. 온도변화혐기소화시스템의운영조건 요인 수급조 고온조 중온조 온도 상온 교반속도 20rpm 50rpm 50rpm 충진부피 30L 19L 200ml 37L 200ml 유채대와돈분혼합비 바이오매스의 1%( 건물중 ) 이러한혐기소화공정을운영하기위한시스템을제작하여아래사진 2와같이설치하였다. 이러한시스템의주요특징은혐기소화액을수급조에서고온조및중온조로액상수급은스크루펌프를이용하였으며, 수위조절센스를부착하여각소화조의혐기소화액의수위가안정화를기했다. 각펌프의 1회 (5분) 이송량은 ml 범위이었다. 혐기소화조는 2중으로되어있으며, 항온수조를이용하여혐기소화조의설정온도를유지시켰고, 전기모터교반기를이용하여교반속도 50rpm으로유지하면서상시교반하였다. Loading rates은일일펌프를 3회가동시키므로서약 1.5L 액상을이동시켰다. 사진 2. 혐기소화시스템 4. 경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO 2 저감량산정시료수급원료로서왕겨와유채대를국립농업과학원시험포에서수거하였으며, 모든시료는마쇄한후 2mm채로걸러사용하였다. 액화공정 (Liquefaction Processes) 액화장치는교반기와냉각장치를갖추었으며, 반응기의크기는 5L로아래사진 3과같다

32 사진 3. Devised liquefaction system for producing the crude oil. 반응기는외부에서전기화로를이용하여가열되며, 온도는 500 까지올릴수있다. 왕겨와유채대와같은시료 160g과부탄올과메탄올같은용매 2L를반응기에넣어반응시켰다. 반응은초기에질소가스를이용하여공기를내보낸후압을 0.02MPa로맞추었다. 반응온도별로가열하여 30분간반응을시켰다 ( 표 5와표 6). 표 5. Reaction conditions of liquefaction of rice hull and rapeseed straw with n-butanol Reaction temperatures( ) Pressures(MPa) Agitation(rpm) 표 6. Reaction conditions of liquefaction of rice hull and rapeseed straw with methanol Reaction temperatures( ) Pressures(MPa) Agitation(rpm) 그리고다음반응기는약 12시간에걸쳐 Compressor로부터공기를불어상온으로냉각시켰다. 분리시료를액화시킬때마다, 질소가스로반응기내를순환시키고난다음반응기에공시재료를주입하였다. 반응후용매는용해되지않은부분을제거하기위해여과하였다. 용해되지않은분편과반응기내벽을용매로세번에걸쳐세척하였다. 320 에서왕겨를초임계처리한후바이오오일에대한사진은아래와같다. 용해부

33 분은바이오차, Crude oil 및바이오오일로분리되었다 ( 사진. 4). 사진 4. Typical photographs of critical solvent treatment of rice hull as a feeding stocks and fraction products. 여과한잔사는 70 건조기에서 2일간에걸쳐건조하여무게를기록하였고, 이것을바이오차라명하였다. 용매는농축기 90 와압력 1.5bar에서농축하였고잔류물을수거하였다. 수거한잔류물은무게를측정하였고, Crude oil이라명하였다 ( 표 7과 8). 농축된부분을항온수조온도 80 에서농축기를이용하여분리하였다 ( 표 7과 8). 항온수조의 Round flask에는액상이남았으며, 수거하여무게를측정하였다. 이러한액상을바이오오일이라명하였다. 바이오매스전환효율은다음수식에의해산출하였다. Conversion efficiency = (1-dry mass of solid residue/dry mass of feedstock)* (1) 표 7. Separation conditions of soluble phase of n-butanol with rice hull and rapeseed straw Parameters Vacuum pressure(bar) Temperature of rotary evaporator( ) Crude oil Bio-oil n-butanol 표 8. Separation conditions of soluble phase of methanol with rice hull and rapeseed straw Parameters Vacuum pressure(bar) Temperature of rotary evaporator( ) Crude oil Bio-oil Methanol

34 분석식물체잔사및 Crude oil에대한발열량은 Calorific Meter (C5000) 를사용하여측정하였다. Crude oil에대한구성성분은 GC-MS를이용하여분석하였다. 화학성분분리는 Agilent GC를이용하여 0.25um뚜께의 BD-Wax column (30 x 0.25mm) 를이용하였다. GC의오븐온도는 50 에서 2분동안유지한후분당 5 식상승하여 270 를유지하도록하였다. 주입부온도는 10:1 분리비로 280 이었다. 운반가스는헬륩이며, 유속은 1cm3 min-1 유지하였다. MS의운전조건은 transfer line 온도, 280 ; ion source 온도, 250, 및 electron energy, 70eV였다. 5. 지역바이오매스자원인벤토리작성바이오매스발생량조사는농산부산물, 축산분뇨, 산림바이오매스, 식품산업및생활폐기물을대상으로하였다. 주요연구개발내용은바이오매스이용형태조사분석, 바이오매스자원별주요성분량분석, 지역별및바이오매스자원별인벤토리 (LCI) 구축을위해자원별에너지부존량산정및 DB 구축, 농산부산물자원별바이오매스생산의 Input 및 Output 요인에대한인벤토리구축항목으로토지이용, 종자, 물, 비료, 에너지, GHG, 바이오매스생산량을대상으로하였다. 도한 LCA 모델개발을위해 LCA의기본개념모델설정, LCA 사례분석항목으로볏짚, 마늘, 참다래, 유채, 축산분뇨를대상으로하였으며, 환경영향평가에대한새로운 LCA 모델을개발하고바이오매스최적이용모델개발을위해서는질소수지인벤토리구축및바이오매스최적이용기술선정을통하여바이오매스자원별 DB 구축및인벤토리를작성코자하였다

35 제 2 절연구결과및고찰 1. 농업부문바이오매스부존량인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정가. 주요농작물의재배면적과수량변화및바이오매스자원특성농촌지역바이오매스자원의종류및발생특성을조사하기위하여 2003~2008년의주요농작물의재배면적과생산량의변화를조사하였다 ( 표 9). 벼의경우 2003년 1,001 천ha에서 2008년 927 천ha로매년꾸준히감소하여약 7.4% 의재배면적이감소된것으로나타난반면, 벼생산량은 2003년 609 kg/10a에서 2008년 694 kg/10a로증가된것으로나타났다. 표 9. 주요농작물의재배면적및생산량변화 Rice Common barley Sweet potato Soybean Red pepper Sesame Apple Asian pear Crop Cultivated area(ha) 1,001, , , , , ,995 Yield per area(kg/10a) Cultivated area(ha) 8,966 8,559 7,760 7,601 7,548 8,082 Yield per area(kg/10a) Cultivated area(ha) 14,161 16,570 17,178 16,668 21,093 19,451 Yield per area(kg/10a) 1,898 2,084 1,645 1,715 1,670 1,693 Cultivated area(ha) 80,447 85, ,421 90,248 76,267 75,242 Yield per area(kg/10a) Cultivated area(ha) 57,502 61,894 61,299 53,097 54,876 48,825 Yield per area(kg/10a) Cultivated area(ha) 35,036 31,843 33,971 31,077 31,321 28,794 Yield per area(kg/10a) Cultivated area(ha) 26,398 26,676 26,907 28,312 29,358 30,026 Yield per area(kg/10a) 1,384 1,339 1,366 1,440 1,484 1,569 Cultivated area(ha) 24,061 22,982 21,807 20,656 19,888 18,277 Yield per area(kg/10a) 1,316 1,966 2,033 2,089 2,350 2,576 과수중사과의경우 2003년재배면적은 26천ha에서 1,384 kg/10a의생산량을나타낸반면, 2008년재배면적 30 천ha에서 1,569 kg/10a로재배면적은감소하였으나생산량은증대된것으로나타나, 전체적으로주요농작물의재배면적은지속적으로감소되고있지만생산량은증가되고있는것으로나타났다. 작물부산물의경우에도재배면적이감소하여부산물의발생량이감소되는것이아니라일조시간, 육종관리, 품종개량등의요소가농작물생산성에영향을미치기때문에농업부산물의발생량도차이가나타날수있다. 그러나농촌지역에서발생하는이용가능한농업부산물의발생량을추정하는데있어대부분재배면적을기준으로발생량을산정하고있기때문에비교적정확한

36 통계를산정하는데있어다소무리가있을것으로판단되었다. 농촌지역에서발생되는이용가능한바이오매스자원을파악하기위해통계자료및문헌조사를실시하였다 ( 표 10). 한국에너지기술연구소보고서에의하면바이오매스자원의부존특성과국내외바이오에너지생산기술관련분석을통해국내바이오매스의연구개발방향을제시하였는데, 현지조사와통계자료를이용하여농산물의재배면적으로부터수확량을산출하여부산물을추정하였다. 미곡부산물은농림통계연보의자료를바탕으로하였고, 미곡을제외한작물은재배면적과재배면적당부산물생산량비율을이용하여부산물발생량을추정하였다. 농업부산물은연간 1,185 만톤의부존자원에서약 30% 정도인 300 만톤의가용잠재량으로 105 만TOE 정도의에너지량을가지고있는것으로나타났고, 임산자원은연간약 1,200 만톤의임목축적에의한부존자원량이발생되어, 이중연간약 200 만톤의가용자원으로 85 만TOE 정도의잠재에너지원을보유하는것으로보고하고있다 ( 홍등, 1991). 또한홍등 (2005) 은농산바이오매스의부존량을추정하기위해발열량및부존량을고려하여적정바이오매스를선정하고, 선정된바이오매스자원의부존특성을조사하였다. 표 10. 바이오매스발생량및잠재이용가능량 Biomass type Natural resources wet weight (ten thousand ton/year) Energy (ten thousand TOE/year) Available potential wet weight (ten thousand ton/year) Energy (ten thousand TOE/year) References Agricultural waste 1, Hong et al.,(1991) Livestock manure 4, Lee et al.,(1999) Food waste Lee et al.,(1999) Forest resources 1, Hong et al.,(1991) Paper and wood waste Lee et al.,(1999) Wastewater sludge Lee et al.,(1998) Total 8,208 1,128 1, 이등 (1999) 에의하면축산분뇨의경우연간 4,684 만톤이연간발생하며퇴 액비등을제외한미처리분뇨량은약 156 만톤 / 년정도인것으로보고하고있다. 자원별부존자원량은 8,208 만톤 / 년으로약 1,128 만TOE/ 년의잠재에너지를보유하고있는데이중약 20.5% 인약 1,031 만톤 / 년의가용잠재량이있는것으로보고되고있다 ( 표 10). 가축별가축분뇨배출원단위는 1999년환경부고시 ( 제99-109호 ) 를개정하여이후축산농가의품종개량, 사료이용기술의증진및가축관리기술의향상과세정수사용량을최소화하는등가축사육기술이발전함에따라축산농가의현실에맞는가축별가축분

37 뇨배출원단위를개정하여가축분뇨에의한환경오염부하량산정을현실화할수있도록하였다 ( 표 11). 강등 (2006) 은농업부문바이오매스의이용을촉진하기위한국내바이오매스의발생및이용실태를분석하여문제점을파악하여관련지원제도와정책내용을검토하였으며, 박등 (2007) 은농림업부문바이오매스의자원화에따른경제성을분석하여국내바이오매스의이용방향과전략등을제시하였다. 그러나국내의바이오매스자원조사에대한연구는축산분뇨원단위개발등일부지속적인통계조사를통하여관리한부분도있지만, 농업부산물의경우표 10과같이잠재이용량이가장높은부분임에도불구하고과거자료를근거로현재까지인용되어잠재발생량이산출되고있다. 또한농작물바이오매스발생량은육종기술의발전으로끊임없는품종개량과원료생산시투입되는작물의종류, 품종선택, 토양의양분상태, 비배관리, 기상여건등에따라차이가나타나고, 다년생과수의경우수령에따라바이오매스의양이달라질수있기때문에국가단위의바이오매스인벤토리의구축이요구되며특히농업부산물의경우신뢰도와재현성이높은바이오매스환산계수개발을통해효과적인자원관리가요구되어진다. 표 11. 가축분뇨원단위발생량 (MOE, 2008a,b) Livestock animals (unit) Pig (L/heads day) Korean native Cattle (L/heads day) Dairy cattle (L/heads day) Lay Chicken (L/1,000 heads day) Broiler Chicken (L/1,000 heads day) Manure production unit's factor 나. 주요농작물의생산량및재배면적에따른바이오매스잠재발생량환산계수산정농촌지역에서발생하는농업부산물의발생량을추정하기위한방법은기준연도의총생산량에단위면적당생산량에대한부산물의비율로구하는방법과기준연도의총재배면적에단위면적당부산물발생비율로구하는방법이있다 ( 홍등, 1991). 그러나바이오매스발생량을추정하기위하여기존문헌에서대부분기준연도의총재배면적을바탕으로산정하고있다. Table 5는홍등 (1991) 의바이오매스자원조사및에너지평가분석 (Ⅲ) 자료를바탕으로기준연도 (2009) 의총재배면적에단위면적당발생량을정리하여이를바이오매스전환계수로환산한결과이다. 그결과농업부산물은재배면적과단위면적당부산물의발생단위에비례하여발생하는것으로나타났는데, 미곡류의총재배면적이 928,000 ha( 농업통계연보, 2009) 일때부산물인볏짚과왕겨의발생

38 량은각각 6,067.3, 1,096 천톤이었고, 이때바이오매스환산계수는 6.538, 이었다 ( 표 12). 보리의경우 8,100 ha의재배면적에서연간 22,300 천톤의보리짚이발생하였으며, 바이오매스환산계수는 2.75이었다. 그러나기준연도의총재배면적을바탕으로단위면적당부산물을추정하는방법은기준연도에따라서곡물생산량에차이가발생하고이에따라부산물의발생양도달라질수있기때문에농업부문의바이오매스발생량환산계수를산정하기위한기초데이터로활용하기에는무리가있을것으로판단되었다. 따라서본연구에서는총생산량에단위면적당생산량에대한부산물의비율로산출하였는데, 작물의종류, 품종, 토양양분상태, 기상조건에따라곡물의생산량과이에따른농작물부산물의발생량도차이가발생하기때문에농작물총생산량을 2004~2008년의 5년간평균값을이용하여농업부산물의단위발생량을산출하여바이오매스환산계수를산정하였다 ( 그림 1, 표 12). 미곡류와맥류의 5년평균 (2004~2008) 총생산량에단위면적당생산량의비율을바탕으로산정한부산물의바이오매스환산계수는논볏짚 0.982, 왕겨 0.177, 밭볏짚 1.062, 왕겨 등으로나타났다. 그림 1. 주요농작물의바이오매스발생단위보정 표 12. 작물재배면적과생산량에의한바이오매스발생량환산계수산정 Paddy rice Upland rice Cultivated area Crop production Production By-products Conversion ( kg /10a) 1,000 ha ton/ha kg/10a factor straw husks straw husks Barley haulm Naked barley haulm 표 13 은국립농업과학원포장에서 2003~2007 년까지 10 개작물을대상으로재배하여 바이오매스생산량을조사한결과이다. 작물의지상부바이오매스생산량은작물의식 용부분건물량을수확지수로나누어표현하였고, 수확지수는총건물중경제적소득

39 즉, 식용부분의비율을적용하여바이오매스생산량을산출하였다 (Kim et al., 2009). 벼의경우곡실부분과줄기, 잎부분의양이각각 4.1, 4.2 ton/ha로비슷하였고, 유지작물인참깨, 들깨, 땅콩, 유채등은곡실부분이줄기, 잎보다생산량이낮았다. 곡실과줄기, 잎을고려하여산정한바이오매스환산계수는벼의경우 1.02, 참깨 5.8, 고구마 0.85, 고추 2.6 등으로산정되었다. 표 13. 포장시험에의한바이오매스전환환산계수산정 (Kim et al., 2009) Crop Fruit(ton/ha, A) Stem, Leaf(ton/ha, B) Total(ton/ha) Biomass conversion factor(b/a) Rice Unhulled barley Soybean Sesame Perilla Peanut Rape Sweet potato Potato Pepper 농촌지역에서발생하는바이오매스발생량을조사하기위해 5년평균총생산량을기준으로단위면적당부산물생산량, 총재배면적에단위면적당부산물발생비율, 그리고시험포장조사결과를바탕으로한바이오매스환산계수를비교분석하여나타내었다 ( 그림 2). 조사방법에따라총 26 항목의환산계수값이상이하였으나전체적으로시험포장조사를통한바이오매스환산계수값이높게나타났는데, 이는식량작물및유지류의경우볏짚과왕겨의구분없이통합하여산정하였기때문으로판단된다. 그러나재배면적을적용한바이오매스환산계수가생산량기준바이오매스환산계수보다높게나타났는데, 생산량기준논벼의바이오매스환산계수는재배면적기준보다약 5.6배낮게나타났고, 왕겨의경우도 3.02배정도낮았다. 고추의경우생산량기준환산계수 2.18, 재배면적기준 0.465로생산량기준보다약 4.7배정도높았으나, 시험포장조사를통한환산계수는 2.6으로생산량기준환산계수와유사하였다. 기존의바이오매스발생량산정을위한재배면적기준바이오매스환산계수가외부환경인자의영향을고려하지않았기때문에비교적높게산출되는경향을나타내었다. 또한포장조사결과도통계를바탕으로한바이오매스발생량과차이를보였는데, 보리줄기의경우재배면적기준보다약 1.27배높은바이오매스환산계수 1.23으로나타났고, 조미채소류나유지류, 과수전정가지도통계에의한바이오매스발생량보다포장조사를통한발생량이높게나타났다. 따라서농업부산물의바이오매스발생량산정을위한방법은실제조사를통해산정하여활용하는것이타당하지만현실적으로전수조사가불가능

40 하기때문에포장조사를통한바이오매스환산계수를최대한이용하고재배면적을이 용한방법보다생산량을고려한농업부산물바이오매스산정이적절할것으로판단된 다. Paddy Rice-Straw Padddy Rice-husks Upland Rice-Straw Upland Rice-husks Common Barley-Straw Naked Barley-Straw Beer Barley-Straw Wheat-Straw white-stalk Swee potatoes-stalk Corn-Stalk Millet-Stalk Buck Wheat-Stalk Soybeans-Stalk Soybeans-Pod Red Beans-Stalk Red Beans-Pod Green Beans-Stalk Green Beans-Pod Red Peppers-Stalk Sesame-Stalk Perilla Seeds-Stalk Peanuts-Stalk Peanuts-Pod Rape-Stalk Apples-Pruned branch Persimmons-Pruned branch Tangerines-Pruned branch Asian Pears-Pruned branch Grapes-Pruned branch Peaches-Pruned branch Plums-Pruned branch Cultivated area Production NAAS 그림 2. 바이오매스종류별환산계수비교 표 14 는주요농작물의바이오매스환산계수를결정하고, 이를바탕으로 26 종의농 작물의바이오매스발생량을산정한결과이다

41 표 14. 주요농작물의바이오매스환산계수와바이오매스잠재발생량추정 Crop Production (ton) Paddy rice 6,441,875 Under rice 26,406 By-products Biomass conversion factor Biomass total production (1,000 ton/year) Straw ,570.7 Husks ,140.2 Straw Husks Barley 37,529 Haulm Naked barley 120,609 Haulm Two-rowed barley 82,907 Haulm Wheat 10,359 Straw Potato 604,592 Haulm Sweet potato 329,351 Haulm Corn 92,830 Straw Foxtail millet 1,249 Haulm Buck wheat 2,545 Haulm Soybean 132,674 Red bean 5,995 Mung bean 1,589 Stalk Shell Stalk Shell Stalk Shell Pepper 385,763 Stem ,003.0 Sesame 19,472 Stem Perilla seed 24,205 Stem Peanut 7,459 Stem Shell Rape 1,225 Stem Sum 9,924.8 Apple 470,865 Branch Persimmon 430,521 Branch Citrus fruit 636,413 Branch Pear 470,745 Branch Grape 333,596 Branch Peach 189,064 Branch Plum 66,748 Branch Sum 1,716.8 Total 11,

42 바이오매스환산계수는실제포장조사를통해산정한바이오매스환산계수를우선사용하였고, 그외농작물의바이오매스환산계수는 5년평균총곡물생산량을기준으로산정한환산계수로결정하여 2009년주요농작물의바이오매스연간발생량을추정하였다. 논벼의 2009년생산량은 6,441 천톤이었고환산계수 1.02를적용하였을때연간약 6,570 천톤의볏짚이발생하였으며, 왕겨의경우환산계수 0.777을적용하였을때약 1,140 천톤이발생한것으로산정되었다. 과수의경우 2009년사과생산량은 470 천톤이었고, 환산계수 1.316을적용하였을때약 619 천톤의전정가지가발생되는것으로나타났다. 과수의경우사과, 포도, 배의전정가지가주로많이발생하는것으로나타났고, 농업부산물의경우볏짚이가장많이발생되었으며, 고추줄기, 고구마줄기, 들깨줄기순으로부산물이발생되는것으로나타났다. 농업부산물과과수부산물의발생량별비율을그림 3에나타내었다. 이중가장많은부분을차지하고있는것은볏짚이었고, 왕겨를포함시킬경우전체부산물발생량에 75% 를차지하고있으며, 고추줄기가약 10%, 사과전정가지가약 6% 정도발생되는것으로나타났다. Soybean-pop 1% Sesame-Stalk 1% Red peppers- Stalk 10% Apples- Pruned branch 6% Soybeans-Stalk 1% Corn-Stalk 1% Sweet potatoes- Stalk 3% White potatoes- Stalk 1% Nake Barley-Straw 1% Rice husks 11% Rice-Straw 64% 그림 3. 주요농산부산물의발생비율 그러나볏짚과왕겨의경우기존에가축사료나축사깔짚등으로재이용되고있는측면이높기때문에실제바이오매스에너지원으로의활용측면은낮을것으로예상된다. 이와같이농업부산물의에너지화를위해서잠재발생량의정확한산정도필요하지만농업부산물의특성상시기별발생량과부산물의종류가달라지기때문에시기별바이오매스발생을고려해야한다 ( 표 15)

43 표 15. 농업부문바이오매스발생의계절별특성 Crop Jan. Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec. Paddy rice Under rice Barley Two-rowed barey Wheat Potato Sweet potato Foxtail millet Corn Buck wheat Soybean Red bean Mung bean Sesame Perilla seed Peanut Rape Pepper Apple Pear Peach Grape Citrus fruit Persimmon Plum 다. 주요농작물바이오매스열량환산계수산정주요농업부산물의에너지원단위산정은바이오매스의발열량을분석하고단위중량으로열량환산계수를결정하였다. 초본류는벼등 17작물을대상으로 21종에대하여에너지원단위를산정한결과바이오매스 kg당약 3,800~4,500 kcal 범위를보였다. 문헌조사를통한볏짚, 왕겨등초본류의발열량은여러연구자에의하여보고되고있으나일부작물에국한되어있으며, 단위중량당발열량에도차이를보이고있다 ( 박등 (2007), Lee 등 (2008), Hong 등 (2007), 홍등 (1989)). 또한현장에서채취한시료를분석한결과볏짚, 왕겨, 보리짚, 유채줄기등은문헌보다다소높은발열량을보였으며, 옥수수, 조, 콩줄기, 콩깍지등은문헌과유사한결과를보였다 ( 표 16)

44 표 16. 초본류 - 셀롤로스계의열량에너지원단위산정 미곡 구분부산물 벼 단위중량당에너지량 (kcal kg -1 건중량 ) 볏짚 3,755~4199 왕겨 4,057~4,066 Ref. 3,312(Park) 3,418(Hong) 3,433(Park) 3,616(Hong) 에너지원단위 ( 열량 ) 3,903 4,061 3,653(Park) 보리보리짚 3,784~4,208 3,946 4,100(Hong) 맥류쌀보리보리짚 3,780~3,810 4,100(Hong) 3,790 밀 밀짚 3,823~4,275 3,978(Hong) 4,049 서류 감자줄기 - 4,107(Lee) 4,107 고구마줄기 4,109~4,161 4,534(Hong) 4,133 옥수수 줄기 3,950~4,234 4,097(Hong) 4,104 잡곡 조 짚 4,076-4,076 메밀 줄기 4,566~4,586-4,576 4,044(Park) 줄기 4,171~4,291 콩 4,069(Hong) 4,081 깍지 3,961~3,982-3,971 두류줄기 4,183~4,363-4,302 팥깍지 4,239~4,355-4,297 녹두 줄기 4,219-4,219 깍지 4,179-4,179 조미채소 고추 줄기 4,111~4,278 4,469(Hong) 4,301 참깨 줄기 3,848~4,268 4,384(Hong) 4,077 유지류 들깨줄기 3,969~4,315-4,195 땅콩줄기 3,972~4,168-4,059 유채 줄기 4,209 3,970(Park) 4,209 목질계의에너지원단위는바이오매스 kg 당약 4,100~4,300 kcal 범위를보였는데, 밤나 무전정가지는 6,200 kcal 로다소높은경향을보였다 ( 표 17). 표 17. 목질계 - 리그닌부산물의열량에너지원단위산정 과수 구분부산물 단위중량당에너지량 (kcal kg -1 건중량 ) 사과전정가지 - Ref. 4,599(Hong) 4,320(Hong) 에너지원단위 ( 열량 ) 4,421 감전정가지 4,155~4,240-4,210 배전정가지 4,293~4,319 4,532(Hong) 4,306 포도전정가지 4,111~4,239 4,486(Hong) 4,156 복숭아전정가지 4,216~4,267 4,601(Hong) 4,246 밤전정가지 4,320~6,278-4,

45 라. 주요농업부문바이오매스의원소함량과이산화탄소잠재량추정농업부산물 23작물 27종의원소분석결과, 목질계바이오매스의탄소함량이비교적높은것으로나타났으며, 황 (S) 성분은기기검출한계이하로존재하는것으로판단되었다. 초본류셀룰로스계 18작물 22종의탄소함량은 39~43% 범위였으며, 목질계리그닌부산물 5작물의탄소함량은 43~46% 범위로초본류셀룰로스계보다조금높은경향을보였다 ( 표 18). 원소분석결과는아래와같은화학양론식을이용하여이론적메탄발생잠재량추정이가능하다. [ Stoichiometry(C, H, O, N)] 농업부산물 27종중초목류-셀롤로스계에서팥줄기의이론적메탄발생잠재량이 L CH 4 kg -1 으로가장높았으며, 땅콩줄기는 L CH 4 kg -1 으로낮게났는데, 평균적으로 L CH 4 kg -1, 총 1,069.7 L CH 4 kg -1 의잠재량을가지고있는것으로조사되었다 (Table 11). 표 18. 원소분석및이론적메탄발생가능량추정 종류 \ 원소 벼 C H O N Theoretical CH 4 (L CH 4 kg -1 ) % 볏짚 왕겨 보리짚 쌀보리짚 밀짚 고구마줄기 콩 팥 녹두 옥수수대 조짚 메밀줄기 줄기 깍지 줄기 깍지 줄기 깍지 고추대 참깨대 들깨대

46 C H O N Theoretical CH 4 (L CH 4 kg -1 ) % 땅콩줄기 종류 \ 원소 유채줄기 토마토줄기 가지줄기 감전정가지 배전정가지 포도전정가지 복숭아전정가지 밤전정가지 마. 주요바이오매스의메탄전환공정에의한이산화탄소환산량산정이론적메탄발생잠재량으로부터환산된온실가스 (CO 2) 환산량은작물별평균값으로약 8,237.9 L CO 2 kg -1, 총 222,423.2 L CO 2 kg -1 으로농업부산물의메탄전환공정을이용할경우감축가능한온실가스양이높을것으로예상되었다 ( 표 19). 표 19. 이론적메탄발생가능량추정에의한이산화탄소환산량산정 종류 \ 원소 Theoretical CH 4 (L CH 4 kg -1 ) CO 2 환산량 (L CO 2 kg -1 ) 벼 볏짚 ,438.2 왕겨 ,391.1 보리짚 ,621.9 쌀보리짚 ,729.1 밀짚 ,900.4 고구마줄기 ,827.6 옥수수대 ,185.7 조짚 ,433.6 메밀줄기 ,377.5 콩 줄기 ,507.9 깍지 ,260.9 팥 줄기 ,481.2 깍지 ,876.8 녹두 줄기 ,830.5 깍지 ,212.6 고추대 ,001.3 참깨대 ,

47 종류 \ 원소 Theoretical CH 4 (L CH 4 kg -1 ) CO 2 환산량 (L CO 2 kg -1 ) 들깨대 ,694.3 땅콩줄기 ,925.5 유채줄기 ,359.9 토마토줄기 ,038.9 가지줄기 ,323.7 감전정가지 ,288.3 배전정가지 ,411.4 포도전정가지 ,995.9 복숭아전정가지 ,645.6 밤전정가지 ,450.9 바. 주요농업부산물의에너지잠재부존량및에너지값비교주요농업부산물에대한바이오매스에너지잠재부존량은바이오매스잠재발생량에에너지원단위를곱하여산출하였다. 에너지원단위는에너지잠재부존량을계산할때필요한단위중량당에너지량 (kcal kg -1 ) 을계수로산정한값으로사용하였다. 주요농업부산물의에너지잠재부존량은년간볏짚이 2,564천 TOE로가장높게나타났으나 (Table 13), 볏짚및왕겨는다른바이오매스에비해이용률이높아에너지전환으로사용할수있는가능량은더적을것으로판단된다. 기타농작물의에너지잠재부존량은고추대 ( 줄기 ) 가년간 431천 TOE, 사과전정가지 274천 TOE, 고구마줄기 115 천 TOE, 콩대 54천 TOE에해당되는양이었다 ( 표 20). 표 20. 농업부산물의바이오매스발생량및에너지잠재부존량산정 구분부산물바이오매스발생량 (1000ton y -1 에너지원단위에너지잠재부존량 ) (1,000 TOE) 미곡 논벼 볏짚 6, ,903 2,564.5 왕겨 1, , 보리 보리짚 , 맥류 쌀보리 보리짚 , 밀 밀짚 7.3 4, 서류 감자줄기 , 고구마줄기 , 옥수수 줄기 , 잡곡 조 짚 2.1 4, 메밀 줄기 3.3 4,

48 구분부산물바이오매스발생량 (1000ton y -1 에너지원단위에너지잠재부존량 ) (1,000 TOE) 콩 줄기 , 깍지 , 두류 팥 줄기 6.5 4, 깍지 2.2 4, 녹두 줄기 1.7 4, 깍지 0.6 4, 조미채소 고추 줄기 1, , 참깨 줄기 , 유지류 들깨줄기 , 땅콩줄기 , 유채 줄기 5.8 4, 사과 전정가지 , 감 전정가지 , 과수 배 전정가지 , 포도 전정가지 , 복숭아 전정가지 , 바이오매스발생량 : 2008 년 ( 농업통계연보 ) 작물생산량기준 고위발열량분석방법에따른주요농업부산물의에너지값은고위발열량 (kcal/kg) 을 PARR 6200 분석기로측정한발열량 (Measured HHV) 과 Elemental analyzer 원소분석기로분석한원소함량을이용하여산출된고위발열량 (Theoretical HHV) 과의차이를비교하였다. 고위발열량산출식 (Dulong equation) 은아래와같이 Dulong 식을적용하였다. 주요농업부산물의에너지값은실제측정된발열량보다이론적으로계산된발열량이대체적으로높게나타났으며, 초본류보다목질계바이오매스의발열량이높게나타났다 ( 그림 4). 초본류바이오매스중목질계성분이높은팥줄기, 고추대 ( 줄기 ), 들깨대 ( 줄기 ) 등의발열량이높은것으로나타났다. 발열량계로측정한고위발열량과원소함량을이용한이론적고위발열량의비는 0.55~1.57로넓은범위로나타났었다 ( 표 21). 표 21. 주요농업부산물의실측발열량과이론적고위발열량비 종류 고위발열량 (kcal kg -1 ) Measured HHV Theoretical HHV 측정 / 이론치 볏짚 3,903 5, 왕겨 4,061 3, 보리짚 3,946 6, 쌀보리짚 3,790 5,

49 종류 고위발열량 (kcal kg -1 ) Measured HHV Theoretical HHV 측정 / 이론치 밀짚 4,049 6, 고구마줄기 4,133 4, 옥수수대 ( 줄기 ) 4,104 5, 조짚 4,076 5, 메밀대 ( 줄기 ) 4,576 2, 콩 줄기 4,081 7, 깍지 3,971 5, 팥 줄기 4,302 5, 깍지 4,297 6, 고추대 ( 줄기 ) 4,301 4, 참깨대 ( 줄기 ) 4,077 5, 들깨대 ( 줄기 ) 4,195 6, 땅콩대 ( 줄기 ) 4,059 4, 유채대 ( 줄기 ) 4,209 5, 토마토줄기 3,957 4, 가지대 ( 줄기 ) 3,949 4, 감전정가지 4,210 5, 배전정가지 4,306 4, 포도전정가지 4,156 4, 복숭아전정가지 4,246 4, 밤전정가지 4,137 4, Theoretical HHV (kcal/kg) Measured HHV(kcal/kg) 밤포도고구마콩깍지콩줄기옥수수들깨고추쌀보리짚왕겨볏짚 그림 4. 주요농업부산물별이론적고위발열량과발열량계측정값비교

50 사. 농업부문바이오매스자원의온실가스감축가능잠재량추정농업부문바이오매스의온실가스감축가능잠재량추정은바이오매스인벤토리를분석하여바이오매스종류, 잠재발생량, 바이오매스발열량을적용하여이산화탄소만을대상으로온실가스감축수단에따른감축잠재가능량산정에적용하였다 ( 그림 5). 추정단계및추정방법은바이오매스로사용된에너지에서발생하는이산화탄소배출량을계산하기위하여국제에너지기구에서정한단위인 TOE( 석유환산톤 ) 으로변환시켰다 ( 그림 6, 표 22). TOE 환산시에는 에너지열량환산기준 의총발열량을이용하였다. 그림 5. 바이오매스이용에따른온실가스감축가능잠재량평가방법론적접근 이산화탄소배출량추정방법은해당바이오매스의 TOE에탄소배출계수 (TC/toe) 를곱하여계산하였으며, IPCC에서만든배출계수를사용하였다 ( 표 23). 이들바이오매스를온실가스감축수단으로이용함에따라산정된이산화탄소배출량을감축잠재가능량으로추정하였다. 그림 6. 바이오매스발열량을이용한온실가스감축가능잠재량추정체계

51 표 22. 주요에너지종류별발열량과석유환산계수 에너지종류 단위 발열량 (kcal) 석유환산계수총발열량순발열량총발열량기준순발열량기준 원유 kg 10,730 10, 휘발유 L 7,780 7, 등유 L 8,790 8, 경유 L 9,010 8, 전력 kwh 2,300 2, 자료 : 에너지법시행규칙제 5 조 1 항 ( 개정 ) 표 23. 주요연료별 IPCC 탄소배출계수 연료구분 탄소배출계수 (Ton C / TOE) 1차연료 원유 휘발유 액체화석연료등유 차연료경유 중유 무연탄 고체화석연료 1차연료 유연탄 peat 바이오매스 고체바이오매스 자료 : IPCC 탄소배출계수 농업부문바이오매스이용에따른온실가스감축가능잠재량추정은주요농작물에대하여산정된바이오매스잠재발생량에단위중량당발열량을이용하여잠재에너지를추정하였으며, 잠재에너지량을활용하여잠재감축수단으로적용한경우를대상으로온실가스감축가능잠재량으로추정하였다 ( 표 24). 표 24. 바이오매스별온실가스감축가능잠재량추정 미곡 맥류 서류 구분부산물바이오매스발생량 (1000ton y -1 ) 논벼 에너지부존량 (1,000 TOE) 온실가스감축잠재량 (10 3 t CO 2 / 년 ) 볏짚 6, , ,795.4 왕겨 1, ,407.5 보리보리짚 쌀보리보리짚 밀밀짚 감자줄기 고구마줄기

52 잡곡 구분부산물바이오매스발생량 (1000ton y -1 ) 에너지부존량 (1,000 TOE) 온실가스감축잠재량 (10 3 t CO 2 / 년 ) 옥수수줄기 조짚 메밀줄기 두류 콩 팥 녹두 줄기 깍지 줄기 깍지 줄기 깍지 조미채소고추줄기 1, ,311.3 참깨줄기 유지류 들깨줄기 땅콩줄기 유채줄기 사과전정가지 감전정가지 과수 배전정가지 포도전정가지 복숭아전정가지 바이오매스발생량 : 2008 년 ( 농업통계연보 ) 작물생산량기준 농업부문총바이오매스자원활용에따른온실가스감축가능잠재량을지역별로살펴보면경북이 2,526 천 t CO 2 /year으로가장많았고, 전남 2,372, 충남 2,155, 경남 1,621, 경기 1,350천 t CO 2 /year 순이었다 ( 표 25). 볏짚의경우사료로이용되거나농경지에환원비율이높기때문에이를고려하여벼를제외한바이오매스로환산할경우에는경북이 1,276천 t CO 2 /year으로가장많은온실가스감축가능잠재량을가졌으며경남 722, 전남 628천 t CO 2 /year 으로나타났다. 또한벼와과수를제외한밭작물에서발생되는바이오매스자원활용으로온실가스감축가능잠재량을추정한결과경남이 533천 t CO 2 /year으로가장많았고전남 467, 경북 318, 강원 304천 t CO 2 /year 순이었다. 과수원에서발생되는전정가지의활용에따른온실가스감축가능잠재량은경북이 959 천 t CO 2 /year으로가장많았고, 충북 273, 충남 195, 경남 189, 경기 186, 전남 161t CO 2 /year 순이었다

53 표 25. 지역단위별온실가스감축가능잠재량추정 ( 천 t CO 2 / 년 ) 구분전체벼제외벼 - 과수제외과수부문 계 14, , , ,165.3 서울특별시 부산광역시 대구광역시 인천광역시 광주광역시 대전광역시 울산광역시 경기도 1, 강원도 충청북도 충청남도 2, 전라북도 1, 전라남도 2, 경상북도 2, , 경상남도 1, 제주도 년 ( 농업통계연보 ) 작물생산량기준 아. 주요농업부산물의인벤토리 D/B화주요농업부산물의인벤토리 D/B화항목으로바이오매스잠재발생량, 고위발열량, 잠재메탄전환가능량, 탄소량, 비료성분량으로하였다. 잠재메탄전환가능량은원소함량과화학양론식을이용하여이론적메탄발생잠재량을적용하였다 ( 표 26, 표 27). 그러나밤나무전정가지의잠재발생량은밤나무에대한농림수산식품부의통계자료에잡혀있지않아추정이불가능하였다. 표 26. 초본류 - 셀룰로스계바이오매스자원 미곡 맥류 서류 구분부산물잠재발생량 ( 천톤 / 년 ) 벼 고위발열량 (kcal kg -1 ) 잠재메탄전환가능량 (L CH 4 kg -1 ) 탄소량 (%) 볏짚 6, , 왕겨 1, , 보리보리짚 , 쌀보리보리짚 , 밀밀짚 7.3 3, 감자줄기 , 고구마줄기 ,

54 잡곡 구분부산물잠재발생량 ( 천톤 / 년 ) 고위발열량 (kcal kg -1 ) 잠재메탄전환가능량 (L CH 4 kg -1 ) 탄소량 옥수수 줄기 , 조 짚 2.1 4, 메밀 줄기 3.3 4, 콩 줄기 , 깍지 , 두류 팥 줄기 6.5 4, 깍지 2.2 4, 녹두 줄기 1.7 4, 깍지 0.6 4, 조미채소 고추 줄기 1, , 유지류 참깨 줄기 , 들깨 줄기 , 땅콩 줄기 , 유채 줄기 5.8 4, 바이오매스잠재발생량 : 2008 년 ( 농업통계연보 ) 작물생산량기준 (%) 표 27. 목질계 - 리그닌바이오매스자원 과수 구분부산물잠재발생량고위발열량 잠재메탄전환가능량 탄소량 사과 전정가지 , 감 전정가지 , 배 전정가지 , 포도 전정가지 , 복숭아 전정가지 , 밤 전정가지 - 4, 바이오매스잠재발생량 : 2008 년 ( 농업통계연보 ) 작물생산량기준 주요농작물의비료성분분석은볏짚등 21종의농업부산물을대상으로실시하였고, 목질계바이오매스인과수전정가지도분석하였다. 맥류부산물인보리짚, 쌀보리짚, 밀짚의 K 함량이 3.15, 3.11, 1.58 % 로초본류셀룰로스계바이오매스중가장높은분포를나타내었다. 주요농업부산물의 T-N 함량은 % 였으며, 두류인콩, 팥, 녹두줄기및깍지의질소함량이높은것으로나타났다. 과수전정가지등목질계바이오매스의경우전체적으로비료성분이낮은수준이었고, T-N 함량은 % 로배나무전정가지만이약간낮은질소함량을보였으나다른과수나무전정가지에서는비슷한값을보였다. 특히 SiO 2 의함량이초본류에비하여낮게함유되어있는것으로나타났다 ( 표 28)

55 표 28. 주요농업부산물의비료성분함량 ( 단위 : %) 구분부산물 T-N P K SiO 2 미곡 벼 볏짚 왕겨 보리 보리짚 맥류 쌀보리 보리짚 밀 밀짚 서류 고구마 줄기 옥수수 줄기 잡곡 조 짚 메밀 줄기 콩 줄기 깍지 두류 팥 줄기 깍지 녹두 줄기 깍지 조미채소 고추 줄기 참깨 줄기 유지류 들깨줄기 땅콩줄기 유채 줄기 감 전정가지 감귤 전정가지 과수 배전정가지 포도전정가지 복숭아 전정가지 밤 전정가지

56 농업부문바이오매스자원인벤토리작성을위한인벤토리항목으로주요농작물재 배면적, 생산량, 바이오매스잠재발생량, 잠재에너지량, 바이오매스원소함량, 비료성 분등으로구성하였다 ( 그림 7). 그림 7. 지역단위주요농업부산물발생량및에너지부존량인벤토리구성 농업부문바이오매스의지역별작물별재배면적및생산량변화는주요작물별재 배면적, 단위면적당수량, 작물별총생산량의변화를보여주고있는데주요작물은아 래줄에나타나있는것과같이일반작물, 과수로분류하여작성하였다 ( 그림 8)

57 그림 8. 주요작물별재배면적및생산량변화 그림 9는사과, 배, 고추, 참깨의주산단지별재배면적을보여주고있다 ( 그림 9). 농촌지역바이오매스의발생특성은벼, 보리를제외하면대부분의농업바이오매스는발생량이적고산발적으로흩어져있다는단점을가지고있다. 농촌지역바이오매스의효율적활용을위해서는수집이쉬운주산단지를형성하고있는작물과지역에대한정보를제공하고있다. < 과수 - 사과, 배 > < 고추, 참깨 > 그림 9. 농작물주요단지별재배면적

58 농촌지역에서발생되는대표적인바이오매스자원은볏짚을꼽을수있는데, 전국적인발생분포는충남, 전북, 전남이발생밀도가높음을보여주고있다 ( 그림 10). 고추대는전남, 경남이사과전정가지는경북에서높은밀도를보여주고있다. 볏짚을제외한기타바이오매스발생량은충북, 전남, 경북, 경남이높게나타났다. < 볏짚 > < 기타바이오매스 > < 고추대 > < 사과전정가지 > 그림 10. 농업부문주요바이오매스자원잠재발생량분포도 ( 기준년도, 2008) 농업부문바이오매스자원의잠재에너지부존량은바이오매스자원잠재발생량과같은경향을보이고있는데볏짚의잠재에너지부존량의전국적인분포는충남, 전북, 전남이발생밀도가높음을보여주고있다 ( 그림 11). 고추대는경남이사과전정가지는충북, 경북에서높은밀도를보여주고있다. 기타바이오매스자원의잠재에너지부존량은전남, 경북, 경남이높게나타났다. 잠재량과잠재에너지분포의차이는밀도범위설정에따른차이로보여진다. < 볏짚 > < 기타바이오매스 > < 고추대 > < 사과전정가지 > 그림 11. 농업부문주요바이오매스자원의잠재에너지부존량분포도

59 2. 부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발 ph는혐기성소화에서중요한환경인자중의하나로단상혐기성소화는중성조건으로공정이운용되며, 초기소화조의 ph는산성을나타내다가점차소화조가안정화되면서중성으로전환된다. 2상소화조의경우에는단상과는달리산발효조와메탄발효조가분리되어각소화조별 ph를다르게유지하여운영하여야한다. 이러한조건에앞선전처리에서의 ph변화는다음단계와연계시단상이나 2상에서의운전조건을설정할수있게해준다. 볏짚을기계적으로절단하여 35 에서 7시간정치하며 ph의변화를측정한결과를그림 12에나타냈다. 그림에서보듯이정치가시작되면서초기 ph 7.7에서급격한감소가일어나 6.5 전후로떨어진후에 ph가일정하게유지되었다. 그림 12. 볏짚의절단길이별 ph 변화 (35 ) 절단으로물리적크기를줄이면세포내물질이빠져나오고 (Palmowski & Mueller, 2000), 표면적이증가하여가수분해효소와의접촉면증가하게된다 (Mshandete et al., 2006). 25 ~65 온도조건에서절단길이별로 SCOD의변화를살펴보았다 ( 그림 13). 그림3에서보듯이 55 이상에서는 SCOD가운전초기에급격히증가하였다가평형에이르고, 45 이하에서는서서히증가하였다. 분쇄한시료와 3cm 절단한시료에서의초기 SCOD가가장높게나타나고있었다. (a) Milled (b) 1cm

60 (c) 3cm (d) 5cm (e) 10cm 그림 13. 볏짚의절단길이별 SCOD 변화 온도가증가하면가수분해효소의활성이증가하기때문에세포를붕괴하여가수분해에필요한시간을줄이게된다. 그림 14에는온도별로볏짚의절단길이에따른 SCOD의변화를살펴보았다. 55 와 65 에서는분쇄한볏짚과 1cm로짧게절단한볏짚시료의 SCOD가 3cm 이상으로절단한볏짚시료에비해운전초기부터높게형성되고있는반면, 45 이하에서는볏짚의길이에따른차이가현저히감소하였다. 특히 3 5 에서는볏짚의길이간에 SCOD의차이가거의보이지않았다. (a) 65 (b)

61 (c) 45 (d) 35 (e) 25 그림 14. 온도조건에따른 SCOD 변화 초음파처리는유기성폐기물에 khz의초음파를조사하여액체상의증가압을낮추고가스버블을형성하여세포벽을붕괴하는방법으로 (Elliot and Mahmood, 2007), 그림 15에는 35 에서초음파를 5분간조사하였을때볏짚의절단길이에따른 SCOD 의변화를살펴보았다. 볏짚을 3cm 크기이하로절단하였을때는고주파의초음파 (40kHz) 를조사시에 SCOD가월등히증가하였다. 저주파초음파 (20kHz) 를조사하였을때는조사하지않았을때와큰차이를보이지않았다. 5cm 이상으로절단한볏짚에서는초음파처리의효과가보이지않았다. (a) 분쇄 (b) 1cm

62 (c) 3cm (d) 5cm (e) 10cm 그림 15. 초음파전처리에의한볏짚의절단길이별 SCOD 성상변화 볏짚의가수분해에서용출되어나온용존탄소량은혐기소화과정에서산생성을거쳐메탄으로전환될수있는에너지원이다. 그림 16에서처럼볏짚을분쇄한시료에서는 15% 이상의탄소가용출되었으나일정길이로절단한시료에서는탄소용출이많이일어나지않아혐기소화공정으로갈때장기간의분해시간이소요될것으로예상되었다. 그림 16. 볏짚의절단길이별용출된용존탄소량변화 알칼리를처리하면식물체의리그닌구조가파괴되고, 셀룰로스가팽창되어셀룰 로스결정구조도파괴되기때문에표면적이증가하며미생물이분해하기쉬운

63 monomer 형태로된다 (He et al., 2008). 볏짚을분쇄및 3cm로절단한시료에알칼리처리후가수분해에따른 ph변화를살펴보았다 ( 그림 17). 온도, 볏짚의절단크기및알칼리처리에관계없이 ph는서서히감소하였으며, 35 에서는안정화되어최종적으로약 5.0로되는경향이나 55 에서는변동폭이크게나타났다. 짧은시간동안의 ph변화를보았던그림 2에비해장기간가수분해에서는 ph가더감소하는것으로나타나여러형태의유기산이생성되는것으로판단되었다. (a) 35 (b) 55 그림 17. 절단및알칼리처리에따른볏짚의가수분해시 ph 변화 그림 18에는볏짚을분쇄및 3cm로절단한시료에알칼리처리후가수분해에따른 SCOD의변화를나타냈다. 35 에서 SCOD는약 17일경과후평형상태를보였는데, 분쇄시 6,000 mg L -1, 3cm 크기에서는 3,000 mg L -1 까지나타나입자크기가작을수록용출되어나오는양이많았다. 55 에서 SCOD는초기부터일정한양상을보였으며, 분쇄와 3cm에서모두약 3,000 mg L -1 전후로차이를보이지않았다. 5% NaOH를처리한경우 35 에서는 SCOD가최고 9,000 mg L -1 로증가하였으며, 55 에서는최고 6,000 mg L -1 까지증가하였다가감소하는경향을보였다. (a) 35 (b) 55 그림 18. 절단및알칼리처리에따른볏짚의가수분해시 SCOD 변화

64 가수분해과정에서용출되어나온탄소물질은산생성과정을거치며고분자의유기산과분해가더진행되어아세트산및프로피온산이생성된다. 그림 19에는 35 와 55 에서절단및알칼리처리에따른볏짚의 VFAs 생성및변화과정을나타냈다. 35 에서분쇄시료의 TVFAs는 Acetic acid와동일한패턴으로 1,300 mg L -1 까지증가하였으며특히 SCOD가증가하면서 Acetic acid와 Butyric acid가함께증가하는경향을보였으며, 3cm 크기에서는 10일경과후 TVFAs중 Acetic acid 65% 와 Butyric acid 30% 로유지되어 Butyric acid의기여도가높아졌다. 55 에서 TVFAs는초기에약 2,500 mg L -1 의농도를보이다가점점감소하였으며크기에관계없이 Acetic acid와동일한패턴을보였고, 35 에서의결과에비해 Lactic acid 발생량이 TVFAs에기여를하였고 Butyric acid는거의생성되지않았다. Lactic acid는생분해성플라스틱인 poly-lactic acid(pla) 의합성원료로써환경문제를풀어나갈수있는유망한고분자물질중의하나이다 (Miura et al., 2003; Bai et al., 2003). 5% NaOH를처리한경우 35 에서는 TVFAs가분쇄와 3cm 모두유사한경향을보이며 3,500 mg L -1 까지증가하였으며 Butyric acid 발생량에따라차이를보인반면, 55 에서는 TVFAs의변동폭이크게나타났으며 Acetic acid가 TVFAs의대부분을차지하고있었다. VFA농도가가장높은적정 NaOH 농도를 8g NaOH/100g TS라고한 Lin et al.(2009) 의연구에서도메탄생산에유리한아세트산이가장우세하였다. (a) Milled at 35 (b) Milled at 55 (c) 3cm at 35 (d) 3cm at

65 (e) Milled + 5% NaOH at 35 (f) Milled + 5% NaOH at 55 (g) 3cm + 5% NaOH at 35 (h) 3cm + 5% NaOH at 55 그림 19. 절단및알칼리처리에따른볏짚의가수분해시 VFAs 변화양상 가축분뇨나슬러리의혐기소화과정에서는침전물이생기지않도록일정시간간격으로교반을하여메탄생성효율을높이고있다. 볏짚을가수분해시에적정한교반속도를구하기위해 80, 150, 200 rpm의속도로교반하였다. 그림 20에서보면 35 와 55 모두교반을하지않은대조구에서는 SCOD의용출이거의일어나지않았지만, 교반을한경우에는 SCOD의용출량이급속히증가하는것으로나타났다. 따라서 2% OLR의본실험조건에서는교반속도 150 rpm에서 SCOD 용출이가장우수한것으로나타났다. (a) 35 (b) 55 그림 20. 볏짚의가수분해시교반속도별 SCOD 변화

66 가수분해과정에서교반속도에따라생성되는 VFAs의변화를본결과에서는 ( 그림 21), 35 에서는 acetic acid가증가하면서 7일째에최고값을나타내며, 특히 150 rpm에서는 acetic acid와함께 butyric acid가생성되는경향을보였다. acetic acid와 TVFAs가같은패턴을보이고있었다. 반면 55 에서는교반속도에관계없이 acetic acid와 lactic acid가감소하면서 3일째에 formic acid 생성이일시증가하며 acetic acid생성이일어나지않으나 7일째에다시 acetic acid가급증하면서전체 TVFAs를구성하는동일한경향을보였다. 단 80rpm과 200 rpm에서 acetic acid의최고생산을보이고있었다. 따라서 35 와 55 에서교반속도에따라유기산종류나 TVFAs 패턴의차이는보이지만모두 7일째에 acetic acid가대부분인 TVFAs 형성을보이고있었다. (a) 80 rpm at 35 (b) 80 rpm at 55 (c) 150 rpm at 35 (d) 150 rpm at 55 (e) 200 rpm at 35 (f) 200 rpm at 55 그림 21. 전처리에따른볏짚의가수분해시교반속도별 VFAs 변화양상

67 알칼리를처리하면식물체의리그닌구조가파괴되고, 셀룰로스가팽창되어셀룰로스결정구조도파괴되어미생물이분해하기쉬운형태로전환된다 (He et al., 2008). Wu et al.(2006) 의연구결과에따르면밀짚에 NaOH를처리하여셀룰로스 (16.4%), 헤미셀룰로스 (36.8%), 리그닌 (28.4%) 이분해된다고하였다. 본연구에서는가수분해에따라볏짚의헤미셀룰로스는서서히분해되는경향을보이고있으며, 셀룰로스에서는알칼리처리전후에서성분함량의변화가보였다. 하지만난분해성인리그닌의함량은거의일정하게유지되었다 ( 그림 22). (a) Cellulose at 35 (b) Cellulose at 55 (c) Hemi-cellulose at 35 (d) Hemi-cellulose at 55 (e) Lignin at 35 (f) Lignin at 55 그림 22. 전처리에따른볏짚의가수분해시섬유성분변화

68 3. 농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발가. 식물체잔사및투입율이누적메탄발생량에미치는영향 Gompertz 모델을적용한식물체잔사별 Loading rates에따른중온조건및고온조건에서메탄가스누적발생량에대한경향을그림 23과 24에나타내었다. 중온조건에서식물체잔사들중에가장높은메탄가스누적생산량은밀짚 볏짚 보릿짚 유채대순으로나타났다 ( 그림 23). 반면에가장낮은메탄누적발생량은보릿대 5% 투입할경우이었으며, 그다음은밀짚 5% 투입조건이었다. C um.ulative C H 4 production (ml/g) % 3% 5% Barley Cumulative CH4 production (ml/g) % 3% 5% Rapeseed Digestion periods (days) Digestion periods (days) 그림 23. Gompertz 모델을적용한식물체잔사및투입율에따른중온조건에서메탄발생량예측결과 최대누적메탄발생량에대하여, 중온조건에서식물체잔사의종류중에서밀짚이가장높게나타났으며, 투입비율에있어서는공히 1% 에서메탄발생량이가장높은것으로관측되었다. 또한중온조건에서물체류시간 (Water retention time) 측면에서밀짚 1% 를투입할

69 경우메탄잠재발생량이정점에달하는시간은 25 일로가장짧게관측되었으며, 보릿 짚 5% 를투입할경우메탄누적발생량이소화후 3 일후부터는증가되지않았으며, 가장낮게관측되었다. C um ulative C H 4 production (m l/g) % 3% 5% Barley C um ula tive C H 4 p ro d uctio n (m l/g ) % 3% 5% Rapeseed Digestion periods (days) Digestion periods (days) 그림 24. Gompertz 모델을적용한식물체잔사및투입율에따른고온조건에서메탄발생량예측결과 고온조건에서식물체잔사별메탄가스누적발생량은볏짚 밀짚 보릿짚 유채대순으로나타났으며, 바이오매스 Loading rates에있어서는보릿대 3, 5% 와유채대 5%, 그리고밀짚 3, 5% 에서메탄가스누적발생량이적은것으로관측되었다 ( 그림 24). 따라서전반적으로중온조건에서는밀짚 1% 와고온조건에서볏짚 1% 가가장높은메탄가스누적발생량을보였다

70 나. Logistic 회귀모델을이용한메탄잠재발생량산출제1절연구개발수행방법및내용의수식 (4) 에서제공된회귀모델은메탄생산측면에서적합하므로적용하였고, 각각의적합성에대한우수성은모델의 P수치를사용하여결정된다. 4종의식물체잔사와 3 수준의투입율에대한누적메탄발생량에대한 Curve는수식 4와더불어잘설명된다. 표 29. 식물체잔사의 Loading rates 에따른중온조건에서메탄생산량예측을위한 Gompertz 모델적용결과 Feeding stocks Rice straw Loading rates (%) P m R m X 0 R Wheat straw Barely straw Rapeseed straw **Pm was ultimate methane production(ml), Rm was methane production rate(ml/day), X0 was lag-phase time (days), and R2was regression coefficient. 모든모델의 p 수치는표 30과 31에서보는바와같이통계적으로고도의유의성이인정되는 이하이다. 비록수소생산곡선이수정된 Gompertz 수식 (Momirlan, 1999) 에적합하다할지라도, 이러한것은회분식수소생산을설명하는적절한모델로서사용되었다 (Chae et al., 2008; Momirlan et al., 1999; Lay, 2001). Gompertz모델이또한식물체잔사를이용한메탄생산성을예측하는데적합한것으로관측되었다. 표 29는메탄잠재발생량은중온에서투입율에따라 29.24~ ml g -1 이었으며, 고온조건에서 13.70~ ml g -1 이었음을나타내었다 ( 표 30). 특히보리 5% 의투입율에서중온과고온조건공히메탄발생량이낮았으며, 밀의경우는중온조건에서투입율 5% 에서, 고온조건에서투입율 1% 에서메탄발생량이가장높은것으로나타났다

71 표 30. 식물체잔사의 Loading rates 에따른고온조건에서메탄생산량예측을위한 Gompertz 모델적용결과 Feeding stocks Loading rates(%) P m R m X 0 R Rice straw Wheat straw Barely straw Rapeseed straw 그러나이러한수치는목초와사탕수수대와우분을혼합하였을때의최고발생량인 268,229 및 213ml g -1 VS fed 보다높은것으로관측되었다 (Lethtomaki et al., 2006). 또한이러한수치는 Gunaseelan(1997) 에의해검토된입자의크기및실험조건에따른밀짚을이용한회분식실험에서메탄수량 ml g -1 VS과비교될수있다. 최고메탄발생량은중온조건에서볏짚 1%, ml g -1, 밀짚 1%, ml g -1, 보릿짚 1%, ml g -1, 그리고유채대 5%, ml g -1 로, 그리고고온조건에서볏짚 1%, ml g -1, 밀짚 1%, ml g -1, 보릿짚 1%, ml g -1, 그리고유채대 3%, ml g -1 로각각산정되었다. 밀짚을원료로한최대메탄발생량은도온도조건공히볏짚을이용한메탄발생량보다크지만, 두작물의잔사물의투입율에따라서는일정한경향을보이지는않았다. 다. Gompertz 모델적용메탄생산량예측결과를이용한 CO 2 발생량저감량산정이러한식물체잔사종류에따른메탄생산량예측을위한 Gompertz 모델적용결과를이용하여, 농업분야혐기소화공정을통한온실가스저감량을산정하였으며, 그결과는표 31에제시하였다. 우리나라주요작물의식물체잔사생산량중 30% 를혐기소화공정에사용시약

72 310,435 천톤의메탄가스가생산되므로, 6,519,135 천톤에상응하는이산화탄소가점감 되는것으로산정되었다. 표 31. 혐기소화공정시식물체잔사의 Loading rates 에따른 Gompertz 모델적용메 탄생산량예측결과를이용한 CO 2 발생량저감량산정 Crop residues 1) Biomass production (tons/yr) CH 4 production (Thousand tons/yr) t CO 2 -e (Thousand tons/yr) Rice straw 1,256, ,976 6,488,496 Barely straw 7,500 1,200 25,200 Rapeseed straw 1, ,439 Total,264, ,435 6,519,135 1) Calculation was conducted by assuming that 30% of crop residues was used for mesophilic anaerobic digestion. 라. 바이오가스생산량증대를위한시스템최적화돈분과식물체잔사혼용한온도변화 2단혐기소화시스템 ( 사진 2) 연속공정에있어서분쇄한유채대를총용량대비 1% 로충진하여혐기소하공정시스템을운영하였을때 Bio-gas 발생량변화는돈분만투입하였을때와비교하여약유체대 1% 를혼용하였을시고온조에서는바이오가스발생량에는변화가없었지만, 중온조에서약 26% 바이오가스증대되는것으로나타났다 ( 그림 25). 그림 25. 온도변화 2 단혐기소화공정시스템운영에따른 돈분과유채대 1% 혼용시바이오가스발생량변화

73 또한바이오가스농도변화에있어고온조의메탄가스농도가약 60%, 중온조의경우, 높게는약 80% 가관측되었다 ( 그림 26). 그림 26. 온도변화 2 단혐기소화공정시스템운영에따른 돈분과유채대 1% 혼용시바이오가스농도변화

74 4. 경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO 2 저감량산정가. 식물체잔사별반응온도바이오매스전환효율에대한반응온도의영향은그림 27에나타내었다. 이그림에서제시된전환효율은초기질소가스압력 0.02MPa과촉매제없이동일반응온도에서 30분간초임계범위 250 에서 320 의액화조건으로부터얻은것이었다. 시험한전온도범위에걸쳐그림에서보여준바와같이전환효율은두식물체잔사공히반응온도가증가함으로서계속하여증가하였다. 그러나유대대의전환효율이왕겨보다약간높은것으로나타났다. 전환효율은두식물체잔사공히약 83% 인것으로관측되었다. 이러한액화생산량은반응온도 160 에서수급원료로서옥수숫대를이용하고용매로서 Ethylene carbonate, polyethylene glycol과글리세린혼합물및 ethylene glycol을사용했을때반응시간 60분에걸쳐각각 80, 74 및 60% 에다다랐던연구보다는약간높았다 (Liang et al., 2006). 그림 27. 바이오매스전환효율에대한반응온도의영향 Crude oil 과 Bio-oil 에대한반응온도에대한영향은표 32 에나타내었다. 표 32. Crude oil 과 Bio-oil 에대한반응온도에대한영향 Parameters Crude oil (g/150g) Rice hull Rapeseed straw Bio-oil(g/150g)

75 표 32에서나타낸바와같이왕겨로부터소산된 Crude oil은 300 까지증가하였지만, 280 에서소산된바이오오일은초기투입원료보다 2배이상크게증대되었다. Bio-oil과 Crude oil의최대생산량은각각 280 및 300 에서관측되었다. 그러나유채로부터소산된 Bio-oil과 Crude oil은계속해서 320 까지증가하였다. 나. 공시재료로부터생산된다양한생성물에대한발열량공시재료및생성물에대한발열량은표 33에나타내었다. 벼로부터생성된 Crude oil에대한발열량은 5,843kcal/kg인것으로나타났다. 공시재료로서왕겨에대한 Crude oil에대한발열량은 61.4% 향상되었다. 볏짚, 밀짚, 보리짚, 및유체대와같은식물체잔사를이용한 hydrothermal liquefaction로부터생산된 Crude oil의발열량은공시재료와비교하여 55% 에서 66% 로증가된것으로보고된바있으며, 밀짚을이용한 hydrothermal liquefaction을통한 Crude oil의최고발열량은약 6190kcal/kg이었다 (Shin et al, 2008). Ucart 및 Ozkan(2008) 의연구결과에따르면유채유오일부산물을이용한 500 에서의열분해로부터생산된유체오일케익과바이오오일에대한발열량은각각 1,949 및 3,317 kcal/kg인것으로나타났다. 이러한것은본연구에서사용되고생산된왕겨및 Crude oil의발열량보다 1.8배나작은것으로나타났다. 왕겨로부터생산된바이오오일에대한발열량 (8,061은쓰레기를이용한열화학적 Liqufaction으로부터생산된바이오오일 (8,600kcal/kg) 보다는낮게나타났다 (Minowa et al., 1995). 부가적으로, 왕겨로부터생산된바이오오일에대한발열량은부탄올에대한발열량 (8,000 kcal/kg) 과비슷하였으며, 이러한발열량은가솔린의발열량과동일하다는것을의미한다. 그러므로왕겨로부터생산된바이오오일은엔진시험결과에따라서가솔린대체연로로서사용할수있을지고려해야한다. 표 33. 공시재료및생성물에대한발열량비교 Sources Calorific values (kcal/kg) Rice hull 3,589 Crude oil 5,843 Bio-oil 8,061 Solvent(1-butanol) 8,286 다. Crude oil에대한 GC-MS 분석복잡한화합물을포함하는 Crude oil은진한검정색액체이다. GC-MS는에탄올에녹은분편의유기화합물을분석하는데사용되었으며, 결과는표 34에나타내었다. Crude oil에대한복잡한구성성분때문에모든피크에대한완전한분리는불가능하였

76 다. 단지많은양의분리산물에대해서만반양적으로평가하였다. 이러한화합물은 MS search file (NIST library) 로입증하였다. GC/MS로입증된유기화합물은 acids, alcohols, aliphatic hydrocarbons, ethers, esters, ketones, phenol and aromatics 및기타로서 8개부류로분류하였다. 왕겨를이용한 Liquefaction으로부터생산된 Crude oil 구성성분중에 esters와 ethers이각각 32.0과 19.2% 로대부분을차지하였다. Crude oil은몇몇바람직하지못한화합물을포함하는매우복잡한화합물이며, 이러한화합물은 Carbon cracking공정을이용하여증제해야만한다. 또한 Crude oil은 Carbon cracking하면서다른새로운화합물로전환시켜야만한다. 더나아가, 이러한 Crude oil은촉매제와더불어 Carbon cracking을통하여정제된오일에대하여규명할필요가있다. 표 34. 왕겨를이용한 crude oil 화합물의 GC/MS 분석 Chemical Family Compound Name RT (min) Area (%) *1 Acids 1.9 cis-vaccenicacid Methyloctanoic acid Butanedioic acid, 2-(1-methoxy-1-methylethoxy) Hexanoic acid, 2-ethoxycarbonyl Alcohols Furanmethanol Oxirane,3-hydroxypropyl Butanol, 2-methyl Pentanol, 2,4-dimethyl Propanol 2-methyl Octanol, 2,4-dimethyl Nonanol, 5-butyl Propylene Glycol Nonanol, 5-methyl Malonic acid, butyl-2-methylpentyl ester ,4-Hexanediol, 2,5-dimethyl Aliphatic Hydrocarbons 1.0 Nonane,2,6-dimethyl Pentane,2,3,4-trimethyl Esters 32.0 Acetic acid, butyl ester Butanedioic acid, dibutyl ester Butanedioic acid,methyl-, bis(1-methylpropyl) ester Butanoic acid, 2-methylpropyl ester Butanoic acid, 2-propenyl ester

77 Chemical Family Compound Name RT (min) Area (%) *1 Butyl glycolate Formic acid, butyl ester Hexadecanoic acid, butyl ester Pentanedioic acid, dibutyl ester Pentanoic acid, 4-oxo-, butyl ester Propanoic acid, 2-hydroxy-,butyl ester Butanedioic acid, dibutyl ester Hexylvanillate+4,4-dibutyric acid, butyl ester Isobutoxyethyl acetate Isobutoxyethyl butyrate ,4-Dibutoxybutyric acid, buty lester Benzenepropanoic acid, 4-hydroxy-, methyl ester Butanoic acid, 3-hydroxy-, butyl ester Ethyl-alpha-(4-hydroxy-3-methoxy-phenyl)-propionate Acetic acid, butoxyhydroxy-, butyl ester Propanoic acid, 2-hydroxy-, 2-methylpropyl ester Ethers 19.2 Butane, 1,1-dibutoxy Furan, 2-butyltetrahydro Propane, 1,1'-[ethylidenebis(oxy)]bis[2-methyl-] tert-butyl ether Ethanol, 2-butoxy Ketones Pentanone, 4-hydroxy-4-methyl Cyclopenten-1-one,3-ethyl-2-hydroxy Butane, butoxy Phenol and aromatics 7.2 Benzene, 1,3-bis(1,1-dimethylethyl) Methyl-(2-hydoxy-3-ethoxy-benzyl)ether Phenol, 2,6-dimethoxy Phenol, 2-methoxy Phenol, 2-methoxy-4-methyl Phenol, 2-methoxy-4-propyl Phenol, 4-ethyl Phenol, 4-ethyl-2-methoxy Others Methylpropylhydroxyl amine alpha-d-glucopyranose, 1,6-anhydro alpha-methylxyloside Methyl-alpha-d-ribofuranoside Sucrose Galactoheputlose Total 79.6 *1 Peak area percentage on TIC chromatogram

78 라. 바이오오일에대한 GC-MS 분석노란색을뛴바이오오일을 GC/MS로분석하고바이오오일에대한 GC/MS spectra 는그림 27에나타내었다. 왕겨로부터생산된바이오오일에대한화학조성성분은유사성측정과신뢰도에따라 NIST spectrum library가부착된 GC/MS로확인하였다. GC/MS 분석결과에의해바이오오일은극히복잡하며, 수백가지의화합물과유도체로구성되어있다고결론지었다. 주요화합물은 C 5 H 12 O, C 7 H 14 O 2, C 8 H 16 O 2 및 C 12 H 26 O 2 인것으로나타났다. 그러나 carboxylic acid, C 7 H 14 O 2, 및 esters, C 12 H 26 O 2 는 Crude oil과바이오오일에오일성분으로공존하는것으로나타났다. 그림 2에서보는바와같이중간의끓는점을가진화합물범주에속하는 (RT 15분-30분 ) 것으로서 1-Butanol, 2-methyl (RT 23.37) and 2-Furanmethanol (29.79) 이있었다. 반면에비교적높은끓는점을가지는화합물로서는알콜유도체및 carboxylic acids이있었다. 비방향족화합물은형성기작에따라두가지분편으로분리될수있다. 한분편은 Furan 유도체로분해되는데기여하는유도체와 Propanoic acids를구성한다 (Wang et al., 2008ab). 다른분편은 ester, alcohol 및 carboxylic acids와같은길게뻗은사슬로구성되어있다. 바이오오일의구성성분은공시재료에의해직접적으로영향을받으며, 또한 Liquefaction 방법에의해영향을받는다 (Zou, et al., 2009). 그림 27. 왕겨의액화공저에의한바이오오일의 GC MS spectra 유체대의전환요율은왕겨보다약간높게나타났다. 전환효율은공히약 83% 인것으로관측되었다. 왕겨로부터 Crude oil생산은반응온도 300 까지증가하였지만, 특히바이오오일의생산은반응온도 280 에서초기주입공시재료량보다 2배이상급격히높게나타났다. 왕겨로부터생산된 Crude oil의발열량은왕겨보다 61.4% 향상된약 5,843kcal/kg이었다. GC/MS로입증한 Crude oil의유기화합물은 8가지화합물로서 acids, alcohols, aliphatic hydrocarbons, ethers, esters, ketones, phenol and aromatics 및기타

79 에 60종으로분류되었다. 왕겨를이용한 Liquefaction으로부터생산된 Crude oil 구성성분중에 esters와 ethers이각각 32.0과 19.2% 로대부분을차지하였다. 바이오오일성분분석에서주요화합물은 C 5 H 12 O, C 7 H 14 O 2, C 8 H 16 O 2 및 C 12 H 26 O 2 인것으로나타났다. 그러나 carboxylic acid, C 7 H 14 O 2, 및 esters, C 12 H 26 O 2 는 Crude oil과바이오오일에오일성분으로공존하는것으로나타났다

80 5. 지역바이오매스자원인벤토리작성가. 바이오매스발생량조사작물별바이오매스발생율을조사하기위하여포장시험과타연구결과를종합분석하여산출된작물별바이오매스발생율 ( 표 35) 은식량작물, 유료작물수량보다많았으며, 서류및채소류 ( 고추제외 ) 는수량보다적은경향이었다. 표 35. 작물바이오매스 (BM) 의수량대비비율구분작물 BM율 (%) 구분작물 BM율 (%) 벼 1.02 고구마 0.85 서류겉보리 1.23 감자 0.41 식량작물콩 1.00 고추 1.98 옥수수 1.55 수박 0.20 과채류참깨 5.80 가지 0.35 유료작물땅콩 1.61 토마토 0.46 유채 4.70 당근 0.11 뿌리채소사과 459 마늘 0.75 과수인경채소 ( 정전 ) (kg/ha) 양파 0.38 작물별바이오매스 (BM) 발생량은작물별바이오매스수량대비비율 (Ri) 을원단위로 하여 2010 년도재배면적기준으로식 1 에따라산출된주요 13 종의농산부산물의총 바이오매스발생량 ( 표 36) 은 6,589 ( 천톤 ) 이었다. 1 (Xi : 작물별농산부산물바이오매스발생량 [ 톤 /ha], Yi : 수량 [ 톤 /ha] 표 36. 작물별바이오매스발생량 작물 BM율 재배면적 ( 천 ha) BM발생량 ( 천톤 ) 벼 ,368.4 보리 콩 옥수수 고구마

81 작물 BM율 재배면적 ( 천 ha) BM발생량 ( 천톤 ) 감자 참깨 땅콩 고추 토마토 마늘 양파 사과 459(kg/ha) 계 1,159 6,589 작물재배면적 : 2010 년기준 지역별농산부산물바이오매스발생량은 2010 년도작물별재배면적을기준으로식 1 에따라산출한지역별 12 종 ( 과수제외 ) 의농산부산물바이오매스발생량은표 37 과같 으며, 연간총 6,575 천톤이었다. 표 37. 지역별벼및전작물의농산부산물바이오매스발생량 (2010 년기준 ) 시도별 작물 ( 천톤 ) 논벼보리콩고구마 소계 서울특별시 부산광역시 대구광역시 인천광역시 광주광역시 대전광역시 울산광역시 경기도 강원도 충청북도 충청남도 전라북도 전라남도 ,426 경상북도 경상남도 제주도 합계 4, ,

82 지역별과수의바이오매스발생량 (2010) 지역 사과배재배면적 (ha) 최소 ( 톤 ) 최대 ( 톤 ) 재배면적 (ha) 최소 ( 톤 ) 최대 ( 톤 ) 서울특별시 부산광역시 ,615 대구광역시 , 인천광역시 ,064 광주광역시 ,753 대전광역시 ,477 울산광역시 ,075 23,000 경기도 ,016 3,026 3,873 82,852 강원도 , ,969 충청북도 4,252 2, , ,494 충청남도 1, ,151 2,786 3,566 76,281 전라북도 1, , ,768 전라남도 ,679 4,079 5, ,683 경상북도 19,543 9, ,276 1,995 2,553 54,623 경상남도 2,868 1, ,463 1,312 1,679 35,922 제주도 소계 30,992 15,808 1,161,269 16,239 20, ,624 지역 복숭아포도재배면적 (ha) 최소 ( 톤 ) 최대 ( 톤 ) 재배면적 (ha) 최소 ( 톤 ) 최대 ( 톤 ) 서울특별시 부산광역시 대구광역시 , ,229 인천광역시 ,043 광주광역시 ,011 대전광역시 ,686 울산광역시 경기도 1, ,010 2,793 7, ,555 강원도 , ,760 충청북도 3,826 3,253 36,615 2,750 7, ,360 충청남도 ,106 1,363 3,639 69,567 전라북도 , ,096 40,067 전라남도 , ,528 경상북도 6,011 5,110 57,526 8,341 22, ,725 경상남도 , ,038 제주도 소계 13,908 11, ,957 17,572 46, ,

83 버섯의 폐배지발생량은주요버섯 5 종에대한우리나라시군별바이오매스발 생량표 38 에서보는바와같이총 972 천톤이었다. 표 38. 지역및버섯종류별폐배지발생량 ( 단위 : M/T) 구분 병재배 새송이느타리팽이소계 봉지재배 ( 느타리버섯 ) 균상재배 ( 느타리버섯 ) 합계 경기 7,845 16,728 35,749 60,322 41,670 15, ,529 강원 - 9,402 3,742 13,144 7,001 37,954 58,099 충북 2,307 8,653 9,774 20,734 5,208 19,120 45,062 충남 21,041 11,956 37,334 70,331 8,007 37, ,933 전북 14,297 11,496 43,603 69,396 3,940 15,380 88,716 전남 67,433 27, , ,571 28,619 28, ,154 경북 27,737 7,632 34,391 69,760 14,427 23, ,235 경남 64,059 13,924 20,857 98,840 4,396 10, ,500 제주 574 3,209-3, ,783 주요도시 7,110 25,694 7,133 39,937 11,611 3,584 55,132 총계 212, , , , , , ,141 출처 : 김영일,

84 표 39. 시군구별주요농산부산물 (4 종 ) 의발생량 ( 단위 : 톤 ) 시도명시군구명벼콩고구마사과 서울 부산 중구 성동구 광진구 동대문구 중랑구 강북구 도봉구 노원구 은평구 마포구 양천구 강서구 구로구 영등포구 동작구 관악구 서초구 강남구 송파구 강동구 소계 1, 서구 동구 영도구 부산진구 동래구 남구 북구 해운대구 사하구 금정구 강서구 12, 연제구 수영구 사상구 기장군 4, 소계 17,

85 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 중구 동구 1, 서구 남구 대구 북구 수성구 달서구 달성군 12, 소계 15, , 중구 3, 동구 남구 연수구 인천 남동구 1, 부평구 계양구 2, 서구 3, 강화군 40, , 옹진군 3, , 소계 55, , 동구 서구 2, 광주 남구 4, 북구 5, 광산구 16, 소계 29, , 동구 중구 대전 서구 1, 유성구 4, 대덕구 소계 8, ,

86 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 중구 남구 울산 동구 북구 4, 울주군 22, 소계 29, , 수원시 3, 성남시 의정부시 1, 안양시 부천시 1, 광명시 평택시 58, 동두천시 1, 안산시 3, 고양시 10, 과천시 구리시 경기 남양주시 3, 오산시 3, 시흥시 5, 군포시 의왕시 하남시 용인시 21, 파주시 34, 이천시 34, , 안성시 36, 김포시 26, 양주군 10, 여주군 34, , 화성군 55, ,

87 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 광주군 6, 연천군 18, , 포천군 20, 가평군 6, 양평군 21, 소계 425, , , 춘천시 11, 원주시 18, , 강릉시 15, 동해시 1, 태백시 속초시 1, 삼척시 4, , 홍천군 18, , 강원 횡성군 14, 영월군 3, , 평창군 3, 정선군 2, 철원군 40, 화천군 5, 양구군 9, 인제군 4, 고성군 13, 양양군 9, 소계 179, , , 충북 청주시 11, , 충주시 29, , , 제천시 12, , , 청원군 44, , 보은군 22, , , 옥천군 14, , 영동군 12, ,

88 시도명시군구명벼콩고구마사과 충남 진천군 23, 괴산군 19, , , 음성군 28, , , 단양군 3, , 증평출장소 5, 소계 227, , , ,951.7 천안시 41, , 공주시 50, , 보령시 48, , 아산시 61, , 서산시 72, , 논산시 72, , 금산군 18, 연기군 26, 부여군 68, , 서천군 52, , 청양군 32, 홍성군 46, , 예산군 60, 태안군 42, , , 당진군 107, , 계룡출장소 1, 소계 805, , , 전주시 19, 군산시 63, , 익산시 98, , 정읍시 80, , 남원시 56, , 전북 김제시 107, , 완주군 33, , 진안군 18, 무주군 10, 장수군 17, 임실군 24,

89 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 순창군 31, 고창군 69, , , 부안군 73, , 소계 704, , , 목포시 2, 여수시 15, , 순천시 38, , 나주시 66, , 광양시 16, 담양군 33, 곡성군 24, 구례군 13, 고흥군 58, , , 보성군 45, 전남 경북 화순군 28, 장흥군 43, , 강진군 48, , 해남군 88, , , 영암군 72, , 무안군 43, , , 함평군 41, 영광군 52, , 장성군 31, 완도군 12, , , 진도군 28, 신안군 47, , , 소계 854, , , 포항시 39, , 경주시 62, , 김천시 31, , 안동시 36, , , ,

90 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 구미시 35, ,, 영주시 26, , ,, ,305.7 영천시 23, 상주시 71, , , 문경시 27, , 경산시 9, 군위군 14, 의성군 53, , ,304.4 청송군 8, , 영양군 5, 영덕군 13, , 청도군 18, 고령군 19, , 성주군 17, , 칠곡군 13, 예천군 45, , , 봉화군 15, , 울진군 13, 울릉군 소계 602, , , ,970.2 창원시 15, 마산시 8, 진주시 31, , 진해시 1, 통영시 3, , 경남 사천시 21, , 김해시 24, 밀양시 35, 거제시 10, , 양산시 7, 의령군 18, 함안군 26,

91 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 창녕군 31, 고성군 27, , 남해군 15, , , 하동군 25, 산청군 23, , 함양군 20, 거창군 25, 합천군 34, , 소계 411, , , ,316.4 제주시 2.7 1, 제주 서귀포시 북제주군 , 남제주군 , , 소계 , , 합계 (ton) 4,368, , ,089 14,

92 다. 최근 10 년간 ( 년 ) 지역별볏짚발생량의연차별변화양상은표 40 과같 표 40. 지역별볏짚의연도별생산량 시도명 서울특별시 3,197 2,633 2,188 2,156 1,398 1,185 부산광역시 26,210 18,244 21,592 19,991 20,486 17,284 대구광역시 29,535 19,364 22,764 20,870 19,529 15,915 인천광역시 83,445 81,343 81,168 67,279 63,465 55,399 광주광역시 44,211 34,377 34,810 29,907 32,393 29,006 대전광역시 14,502 10,614 11,466 9,193 9,656 8,020 울산광역시 44,358 30,338 34,340 31,258 31,775 29,235 경기도 611, , , , , ,482 강원도 234, , , , , ,717 충청북도 325, , , , , ,973 충청남도 972, , , , , ,905 전라북도 851, , , , , ,548 전라남도 1,048, , , , , ,905 경상북도 739, , , , , ,323 경상남도 530, , , , , ,876 제주도 합계 ( 천톤 ) 5,559 4,504 4,830 4,476 4,997 4,368 지역별농산부산물바이오매스발생량의연차별변화양상을조사하여표 41- 표 50 에지역별, 연도별, 작물생산량을보리, 콩, 참깨, 땅콩, 고추, 고구마, 감자, 마늘, 옥수수, 사과순으로표기하였다

93 표 41. 지역별보리의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 대구광역시 3,990 5,840 5,658 8,238 4,489 1,651 인천광역시 543 1, 광주광역시 대전광역시 울산광역시 경기도 강원도 1,992 2,123 2,020 1,595 1, 충청북도 2,173 1,116 2, , 충청남도 3,453 1,504 1, 전라북도 22,730 19,961 18,126 17,112 8,783 29,209 전라남도 , ,504 19,439 경상북도 18,846 17,497 15,094 12,144 9,421 2,947 경상남도 27,680 29,088 27,916 27,095 36,565 11,583 제주도 합계 ( 천톤 )

94 표 42. 지역별콩의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 대구광역시 인천광역시 , 광주광역시 대전광역시 울산광역시 경기도 9,557 8,572 15,833 10,184 13,116 8,482 강원도 10,804 8,201 17,941 10,419 14,947 10,730 충청북도 9,946 12,845 19,843 13,083 17,738 14,996 충청남도 8,647 9,175 15,477 10,487 12,002 8,752 전라북도 6,830 5,883 12,567 6,390 6,482 6,543 전라남도 29,163 29,394 42,736 23,029 24,079 19,057 경상북도 20,073 16,731 34,425 22,363 25,014 17,179 경상남도 11,901 7,541 11,995 10,266 8,889 7,170 제주도 8,328 5,028 9,126 5,486 14,637 11,210 합계 ( 천톤 )

95 표 43. 지역별참깨의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 대구광역시 1, , 인천광역시 광주광역시 1, , 대전광역시 울산광역시 경기도 8,120 4,425 5,342 5,382 4,831 3,700 강원도 3,903 2,140 2,848 1,966 2,343 1,288 충청북도 15,312 7,859 10,724 7,349 8,120 6,380 충청남도 17,023 7,262 8,132 6,798 6,566 5,585 전라북도 15,132 5,812 9,761 10,695 5,783 7,610 전라남도 46,922 17,301 42,149 35,879 20,712 25,427 경상북도 42,671 16,333 33,164 18,345 15,515 14,778 경상남도 17,771 4,988 11,994 8,288 4,982 4,396 제주도 8,462 1,369 8,277 4,420 3,555 2,436 합계 ( 천톤 )

96 표 44. 지역별땅콩의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 대구광역시 인천광역시 광주광역시 대전광역시 울산광역시 경기도 1,587 1,072 1,022 1,195 1,447 2,022 강원도 충청북도 1, ,022 1,328 3,107 충청남도 3,840 2,359 1,766 1,536 2,914 2,941 전라북도 2,768 2,072 2,800 2,470 3,859 5,432 전라남도 ,253 경상북도 3,003 3,006 2,565 2,874 4,260 5,563 경상남도 제주도 1, 합계 ( 천톤 )

97 표 45. 지역별고추의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 2, 대구광역시 3,978 1,754 4,110 4,600 2,627 2,819 인천광역시 6,742 5,906 5,956 3,673 3,552 3,804 광주광역시 49,696 37,430 27,427 35,531 40,788 40,219 대전광역시 2,095 1,645 1,725 1,867 1, 울산광역시 1,604 2,160 1, , 경기도 28,845 31,250 34,907 41,950 36,238 28,263 강원도 37,012 46,172 74,894 93,991 87,276 73,917 충청북도 69,894 45,708 50,551 47,338 39,194 23,732 충청남도 67,649 57,949 66,312 77,468 59,125 47,591 전라북도 57,951 52,456 57,173 52,492 32,232 32,526 전라남도 130,298 98, , ,229 96,969 92,392 경상북도 111,094 92, , ,550 85,540 74,715 경상남도 245, , , , , ,156 제주도 , 합계 ( 천톤 )

98 표 46. 지역별고구마의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 대구광역시 ,471 1,301 인천광역시 4,208 4,659 6,862 9,268 11,480 9,007 광주광역시 613 1,630 2,547 2,004 1,878 1,426 대전광역시 1, ,298 1,652 1,232 1,007 울산광역시 1, ,658 1,890 1,640 1,193 경기도 55,497 55,302 49,776 57,485 49,332 40,788 강원도 3,918 5,401 7,986 9,272 8,524 6,252 충청북도 9,037 12,477 12,748 15,677 20,889 18,907 충청남도 18,187 25,787 25,315 39,550 43,327 30,279 전라북도 25,486 30,709 34,458 42,266 44,894 35,854 전라남도 51,018 48,694 46,108 70,155 66,539 63,481 경상북도 16,336 15,171 21,516 24,948 24,109 24,531 경상남도 33,694 23,904 26,331 19,273 19,459 17,187 제주도 10,642 1,905 1,861 4,166 2,431 2,043 합계 ( 천톤 )

99 표 47. 지역별감자의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 대구광역시 1, 인천광역시 1, , ,190 1,198 광주광역시 대전광역시 울산광역시 경기도 6,263 3,254 5,928 4,967 6,173 7,211 강원도 94,166 31,197 40,037 29,911 30,342 33,095 충청북도 8,792 3,898 8,847 4,532 6,787 6,907 충청남도 9,525 5,663 11,407 9,299 10,335 13,488 전라북도 18,245 6,809 14,422 8,814 7,777 7,209 전라남도 20,263 9,026 18,439 9,635 9,608 10,431 경상북도 18,055 7,093 17,306 12,473 14,029 12,346 경상남도 24,694 8,303 15,451 10,059 8,194 7,458 제주도 43,533 11,620 23,691 9,754 8,974 8,773 합계 ( 천톤 )

100 표 48. 지역별마늘의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 대구광역시 2,810 2,742 2,818 1,877 2,413 2,381 인천광역시 광주광역시 대전광역시 울산광역시 경기도 4,520 3,451 3,605 3,439 3,688 2,943 강원도 3,059 1,762 1,971 1,947 2,522 2,208 충청북도 3,683 2,962 3,302 3,293 3,560 3,809 충청남도 22,961 20,098 22,661 18,144 22,295 17,276 전라북도 5,729 4,562 5,057 5,183 5,365 4,783 전라남도 134, , ,955 96,803 90,767 62,181 경상북도 35,212 33,251 38,169 34,628 35,306 29,164 경상남도 53,035 47,815 48,317 52,532 59,271 48,295 제주도 37,769 44,794 44,237 41,504 41,487 29,429 합계 ( 천톤 )

101 표 49. 지역별옥수수의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 대구광역시 인천광역시 광주광역시 대전광역시 울산광역시 경기도 4,244 7,314 11,496 10,255 8,370 7,634 강원도 42,716 53,863 45,364 53,393 49,653 50,296 충청북도 14,849 21,040 26,755 41,461 34,661 33,385 충청남도 1,274 1,175 5,929 1,485 1,744 1,459 전라북도 3,624 2,909 2,689 3,023 3,350 3,970 전라남도 6,817 8,665 8,559 6,147 6,329 6,459 경상북도 8,575 9,027 6,867 7,048 9,529 6,628 경상남도 4,281 2,891 3,001 3,824 3,356 2,988 제주도 합계 ( 천톤 )

102 표 50. 지역별사과의연도별생산량 서울특별시 부산광역시 대구광역시 인천광역시 광주광역시 대전광역시 울산광역시 경기도 강원도 충청북도 1,640 1,585 1,453 1,646 2,173 2,010 충청남도 1,282 1,096 1, 전라북도 전라남도 경상북도 7,504 7,145 6,798 8,397 9,421 9,056 경상남도 1, ,205 1,542 1,654 1,307 제주도 합계 ( 천톤 )

103 지역별축종별가축사육규모 (2010년) 우리나라의가축사육규모 ( 표 51) 는한우 2.78, 육우 0.16, 젖소 0.43, 돼지 9.90, 산란 계 60.10, 육계 백만마리이었고, 총축산농가수 ( 표 52) 는 327,940호이었으며, 지역별로는전라남도와경상남도가가장많았다. 표 51. 우리나라의지역별축종별가축사육두수 시도별 한우 육우 젖소 돼지 산란계 육계 전국 2,788, , ,368 9,901,062 60,095,272 71,270,734 서울특별시 부산광역시 2, ,659 20,304 39,000 대구광역시 19,887 1,912 2,164 22, ,000 88,000 인천광역시 11,003 2,474 2,481 27, , ,040 광주광역시 7, ,206 60, ,000 대전광역시 5, ,051 26,000 20,800 울산광역시 26, ,010 36, ,585 3,000 경기도 227,621 67, ,196 1,840,269 17,352,837 12,350,665 강원도 228,367 3,749 16, ,181 3,000,859 1,590,627 충청북도 183,988 23,788 22, ,622 3,479,248 6,425,820 충청남도 365,097 22,747 79,903 1,912,161 10,367,593 12,599,900 전라북도 328,808 7,426 29,986 1,180,833 3,138,289 15,523,477 전라남도 492,149 6,022 29, ,540 4,165,797 11,081,300 경상북도 562,921 18,421 38,217 1,227,975 11,210,590 7,248,550 경상남도 300,371 3,619 27,501 1,227,147 5,264,210 3,105,255 제주도 26,897 3,368 4, , , ,300 출처 : 통계청축산통계,

104 표 52. 우리나라의지역별축산농가수 지역 농가수 ( 호 ) 계젖소소 말돼지양 사슴닭 오리 계 327,940 11, ,121 18,952 40,087 62,033 서울특별시 부산광역시 대구광역시 1, , 인천광역시 1, 광주광역시 대전광역시 울산광역시 4, , 경기도 18,699 4,064 7,176 3,071 1,860 2,528 강원도 24, , ,084 6,772 충청북도 23, , ,011 4,464 충청남도 43,250 2,157 24,131 3,195 7,208 6,559 전라북도 29, ,712 2,538 3,431 6,305 전라남도 61, ,072 3,177 9,182 15,172 경상북도 55,101 1,205 38,839 1,709 3,934 9,414 경상남도 60, ,440 2,575 7,706 9,090 제주도 2, ,

105 지역별및축종별가축분뇨발생량 (2010년) 지역별가축분뇨발생량은2008년에는총 41.7 백만톤 / 년이었으며, 2010년 ( 표 53) 에서는총 33.7 백만톤 / 년 ( 한우 13.9, 육우 0.8, 젖소 4.7, 돼지 9.4, 산란계 2.7, 육계 2.2) 이었다. 표 53. 지역별가축분뇨발생량 (2010 년 ) ( 단위 : 천톤 / 년 ) 시도별구분한우육우젖소돼지산란계육계 전국서울특별시부산광역시대구광역시인천광역시광주광역시대전광역시울산광역시 분 8, ,009 3,144 2,735 2,224 뇨 5, ,708 6, 계 13, ,717 9,432 2,735 2,224 분 뇨 계 분 뇨 계 분 뇨 계 분 뇨 계 분 뇨 계 분 뇨 계 분 뇨 계

106 시도별 구분 한우 육우 젖소 돼지 산란계 육계 분 , 경기도 뇨 , 계 1, , , 분 강원도 뇨 계 1, 분 충청뇨 북도계 분 1, 충청뇨 , 남도계 1, , 분 전라뇨 북도계 1, , 분 1, 전라뇨 1, 남도계 2, 분 1, 경상뇨 1, 북도계 2, , 분 경상뇨 남도계 1, , 분 제주도 뇨 계

107 임산바이오매스량 산림축적및바이오매스총량 ( 표 54,55) 은 백만m2및 백만톤이었으며, 지역별시군별산림축적은표 24 과같다. 표 54. 산림시업지산림바이오매스총량 구분 총축적 ( 백만 m 3 ) 침엽수축적 ( 백만 m 3 ) 활엽수축적 ( 백만 m 3 ) 혼효림축적 ( 백만 m 3 ) 총바이오매스 ( 백만톤 ) 침엽수바이오매스 ( 백만톤 ) 활엽수바이오매스 ( 천톤 ) 혼효림바이오매스 ( 백만톤 ) 시업지산림 * 자료 : 국립산림과학원, 2007, 우리나라산림바이오매스자원평가 표 55. 침엽수와활엽수로구분한국내임산자원총바이오매스 구분 총바이오매스 ( 천톤 ) 침엽수바이오매스 ( 천톤 ) 활엽수바이오매스 ( 천톤 ) 계 402, , ,082 서울특별시 부산광역시 대구광역시 인천광역시 광주광역시 대전광역시 울산광역시 2, ,590 경기도 31,739 12,597 19,142 강원도 108,293 41,189 67,104 충청북도 29,470 14,222 15,248 충청남도 26,127 12,533 13,595 전라북도 ,559 16,780 전라남도 39,460 23,495 15,966 경상북도 88,080 43,443 44,637 경상남도 39,106 19,827 19,279 제주도 6,326 2,212 4,114 출처 : 국립환경과학원,

108 음식물및도시생활폐기물발생량지역별폐기물종류별발생량은표 56과같으며, 음식물 ( 채소류 ) 쓰레기발생량은 11,398 톤 / 일이었으며, 이를포함한도시생활폐기물발생총량은 50,737 톤 / 일이었다. 표 56. 음식물및도시생활폐기물발생량 ( 단위 : 톤 / 일 ) 가연성 구분총계소계 음식물채소류종이류나무류고무피혁류 플라스틱류 기타 합계 서울 부산 대구 인천 광주 대전 울산 경기 강원 충북 충남 전북 전남 경북 경남 제주

109 표 계속 구분 소계 불연성 연탄재금속초자류토사류기타 합계 서울 부산 대구 인천 광주 대전 울산 경기 강원 충북 충남 전북 전남 경북 경남 제주

110 표 계속 재활용품 구분소계플라스틱종이류병류고철류캔류류 기타 합계 서울 부산 대구 인천 광주 대전 울산 경기 강원 충북 충남 전북 전남 경북 경남 제주 * 출처 : 신재생에너지데이터센터 (2011)

111 나. 바이오매스이용형태조사분석 우리나라의분야별주요바이오매스자원별이용형태는표 57 표 67 과같다. 표 57. 농업부문바이오매스종류별자원화현황 농산 분류바이오매스자원화가능분야현재단계 축산 임산 수도작 과수 에너지작물 출처 : 박현태등, 2007 볏짚, 왕겨, 미강, 쇄미등 전정가지 분뇨 - 왕겨숯등친환경자재 - 퇴비, 사료 - 가스화를통한열에너지 - 톱밥 - 펠릿 - 가스화를통한열에너지 -퇴비, 액비 - 가스화를통한열에너지 - 전기 - 실용단계 - 실용단계 - 시험단계 - 실용단계 - 실용단계 - 시험단계 - 실용단계 - 실용단계 - 시험단계 - 톱밥 - 실용단계 폐잔재 - 목재칩, 펠릿 - 실용단계 - 가스화를통한열에너지 - 시험단계 - 전기 - 시험단계 유지계 ( 유채등 ) - 바이오디젤 - 실용단계 당질계 ( 쌀등 ) - 바이오에탄올 - 시험단계 표 58. 미곡처리장에서의왕겨처리실태 RPC 발생시기품종발생량처리상태가격 /kg 사용실태 보개연중일정추청 17% 양성연중일정추청 16.5% 일죽 안중 송탄 팽성 연중일정 겨울多여름小일정하지않다봄多여름小 추청고시히까리 18% 추청 20% 추청 20% 추청, 일품, 안성곡산연중일정수라, 오대, 화송, 대안 협성농산 연중일정추청, 수라, 대안 출처 : 홍성구등, 2005 업자에의해수거업자에의해수거업자에의해수거농협자체처리업자에의해수거 추청고시히까리 15~18% 업자에의해수거 17% 18% 업자에의해수거 업자에의해수거 25 원 ~30 원 공산품 ( 헬멧제조 ), 사료 25 원사료, 퇴비 15 원축사깔재 10 원발효퇴비로이용 10 원 ~20 원축사깔재 15 원축산농가 23 원분쇄 50 원 축사깔재, 강아지사료 20 원축사깔재

112 표 59. 볏짚발생량및이용가능량추정 (2009 년기준 ) 연간생산량수거량사료등타용도에너지화이용가능량 6,304 천톤 2,414 2, (100%) (40.0%) (37.6%) (2.4%) 자료 : 사료등타용도는농림수산식품부 ( 조사료이용, 수급계획, 2009) 주 ) 수거량은기계적손실량 ( 수거계수 0.8 적용 ) 과퇴비등의목적으로경지에환원되는양을뺀수거량 표 60. 과수부산물의발생시기및처리실태 품종발생시기판매의사이용실태 포도 사과 배 복숭아 버팔로, 델라웨어, 신로또, 캠벨, 청포도거봉, 마스카토시스카드 부사, 아우리, 홍노, 천추 신고, 감천, 원황, 화산, 장십량 미백, 월미, 얼미, 유명, 황도, 천중도 2 월초전지 가을전지 11월전지 수확후부터 3 월전까지 잎이떨어지고 2 월말까지 동사때문에 2 월 ~3 월 95% 정도 - 판매의사있음 5% 정도 - 판매의사없음 파쇄하여땅에뿌려퇴비로시용하고땔감으로사용하거나그냥태운다그냥태우거나땔감으로사용모아서울타리로사용굵은가지는추려내고가는가지는파쇄하여퇴비로사용그냥태우거나땔감으로사용그냥태우거나땔감으로사용모아서울타리로사용 출처 : 홍성구등, 2005 표 61. 가축분뇨처리현황 (2008 년기준 ) 발량 ( 천톤 / 년 ) 퇴비 자원화 액비 정화공공처리해양배출에너지화기타 41,743 (100%) 32,912 (78.8%) 2,295 (5.5%) 1,184 (2.8%) 2,907 (7.0%) 1,460 (3.5%) 98 (0.3%) 887 (2.1%) 출처 : 환경부,

113 표 62. 연도별가축분뇨자원화현황 ( 단위 : 천톤, %) 연도 발생량 자원화물량 정화방류 소계퇴비액비농가환경부 해양배출 기타 2004 년 41,172 (100%) 33,160 (80.5) 32,661 (79.3) 98 (1.2) 1,398 (3.4) 2,331 (5.7) 2,346 (5.7) 1,937 (4.7) 2005 년 41,846 (100%) 34,345 (82.1) 33,196 (97.3) 1,149 (2.7) 1,407 (3.4) 2,784 (6.7) 2,745 (6.6) 년 43,915 (100%) 36,254 (82.4) 34,904 (79.4) 1,300 (3.0) 1,473 (3.4) 3,039 (6.9) 2,607 (5.9) 년 45,145 (100%) 37,574 (83.2) 35,780 (79.3) 1,794 (4.0) 1,508 (3.0) 2,871 (6.4) 2,019 (4.5) 1, 년 41,743 (100) 35,207 (84.3) 32,912 (78.8) 2,295 (5.5) 1,184 (2.8) 2,907 (7.0) 1,460 (3.5) 985 (2.4) 2009 년 43,702 (100) 37,396 (85.6) 34,742 (79.5) 2,654 (6.1) 1,199 (2.7) 2,973 (6.8) 1,180 (2.7) 955 출처 : 농림수산식품부, 환경부, 농협중앙회자료를근거로산출, 해양경찰청 ( 해양배출물량 ), 축산분뇨발생량은소 돼지 닭이외기타가축포함 출처 : 농림수산식품부, 2009 표 63. 축종별가축분뇨자원화현황 (2008 년기준 ) ( 단위 : 천두 / 수, 천톤, %) 축종 사육두수 연간발생량 % 자원화 계퇴비액비 정화처리 공공정화 ( 환경부 ) 해양배출 기타 소 말 2,901 18, ,413 18, 돼지 9,087 16, ,206 8,026 2,180 1,184 2,677 1, 닭 오리 130,297 5, ,707 5, 기타가축 15,985 1, ,112 1, 계 158,270 41, ,207 32,912 2,295 1,184 2,907 1, 비율 축종별분뇨발생량 (1일두당 ) 한우 13.7kg, 젖소 37.7kg, 돼지 ( 슬러리돈사 5.1kg, 톱밥깔짚 2.61kg, 정화 5.1kg ), 닭 오리 0.12kg, 사슴 양0.7 kg, 개1.1 kg 출처 : 농림수산식품부,

114 표 64. 음식물 채소류폐기물이용현황 ( 단위 : 톤 / 일 ) 연도 발생량 바이오매스이용가능량 (b+c) 소계 (a) 매립 (b) 이용량 소각 (c) 재활용 (d) 이용율 d/a (%) , , , , , , , , , , , 기타 * 자료 : 환경부, 전국폐기물발생및처리현황, 2008, 2009, 2010 표 65. 음식물쓰레기바이오가스화시설현황 소재지 시설명 시설용량 ( 톤 / 일 ) 소화방식설치연월생산방식 경기파주시광주시퇴비화시설 20 습식 열 경기의왕시의왕시퇴비화시설 30 습식 열 경기파주시파주시퇴비화시설 30 습식 발전 경기김포시 ( 주 ) 삼영이엔시 50 습식 열 강원고성군향목리환경자원사업소 10 습식 열 경북영덕군영농조합법인 10 습식 열 부산강서구생곡음식물자원화시설 200 건식 발전차액 인천연수구송도자원환경센터 200 습식 열 출처 : 환경부, 2009 표 66. 우리나라폐기물이용현황 (2007 년 ) 구분 소각열이용보일러 대형도시폐기물소각로 시멘트킬른보조연료 ( 폐타이어, 폐고무등 ) RDF/RPF 정제폐유 합계 시설 개소 9 개소 4 개소 64 개소 631 공급량 50,709 천톤 5,049Tcal 485,586 톤 92,235 톤 32,467KL toe/ 년 2,156, , , , ,222 3,794,028 대체에너지보급통계,

115 표 67. 바이오매스종류별발생및에너지화이용가능량 ( 단위 : 천톤 / 년 ) 발생량 (A) 미수거및 타용도 이용가능량 (B) 에너지화 %(B/A) 발생년도 총량 91,886 58,988 32, 농산부산물 9,192 9, 볏짚 6,034 5, 왕겨 1,090 1, 과수전정지 1,411 1,411* 0 0 기타 축산폐기물 43,771 37,665 6, 가축분뇨 43,702 37,665 6, 폐사축 임산부산물 23,298 2,368 20, 입목축적 20, , 연평균 ( 00-05) 벌목잔재물 숲가꾸기부산물 2,483 2, 생활및산업폐기물 15,625 9,931 5, 음식물쓰레기 5,527 5, 폐지, 폐목재 5,643 2,963 2, 슬러지 ( 오니 ) 1, , 제지폐수 ( 오니 ) 1, 동물성잔재물 폐식용유

116 외국의바이오매스이용현황 외국의바이오매스이용현황은표 68 표 46 과같다. 표 68. 바이오에너지의용도별비교 이용 현황 구분전기생산 / 난방용수송용 종류 혐기소화메탄가스 고형바이오연료 ( 우드칩, 펠릿등 ) 바이오디젤 바이오에탄올 기타바이오부탄올등 선진국 한국 정책효과 공급안정성 ( 자원잠재량 ) 경제성 R&D 투자현황 지원정책 : 대, : 중, : 소 출처 : STEDII, 2007 표 69. 바이오매스중연료형태별구성비중 (2003년기준 ) 국가 고체 액체 가스 미국 83.7% 9.9% 6.5% 일본 81.1% % 독일 77.7% 8.6% 13.6% 프랑스 95.4% 2.6% 2.0% 스페인 90.5% 3.7% 5.8% 한국 100% - - 출처 : 고유상에서재인용,

117 표 70. 국가별바이오연료생산량 (2007) ( 단위 : 백만리터 ) 국가 에탄올 바이오디젤 합계 미국 26,500 1,688 28,188 캐나다 1, ,097 EU 2,254 6,109 8,361 브라질 19, ,227 중국 1, ,954 인도 인도네시아 말레이시아 기타 1,017 1,186 2,203 세계합계 52,009 10,204 62,213 출처 : OECD 보고서 'Economic Assessment of Biofuel Support Policies' 참고 표 71. 해외바이오에탄올개발사례 국가 원료 생산량전망 (2007 년, 백만리터 ) 미국옥수수 24,600.3 브라질 사탕수수, 대두, 야자유 혼합비율목표 2012 년바이오연료사용량 284 억리터, 2022 년까지재생가능한에너지사용량 1,363 억리터제시 18, %(2007 년 ) 캐나다옥수수, 밀, 짚 1, %(2010 년 ) 중국 EU 옥수수, 밀, 카사바, 단수수밀, 기타곡종, 사탕무, 와인, 알콜 1, %(5 개성 ) 2,303.0 인도당밀, 사탕수수 % (2007 년 ) 인도네시아 태국 사탕수수, 카사바 당밀, 카사바, 사탕수수 출처 : F.O. Licht. USDA, 미국에너지부자료참고 수송용연료중바이오연료비중 5.75% (2010 년 ) 10%(2020 년 ) 0.0 바이오연료 10% (2010 년 ) 년까지에탄올 10% ( 가격인센티브제공 )

118 표 72. EU25 의재생에너지생산량 ( 단위 : 1,000toe) 합계 93,439 97,594 95, , , ,248 태양에너지 바이오매스및쓰레기 62,143 63,240 65,642 71,004 75,292 80,780 지열 3,412 3,622 3,942 5,305 5,464 5,395 수력 30,374 32,046 27,120 26,332 27,830 26,394 풍력 1,913 2,320 3,071 3,815 5,057 6,060 출처 : Eurostat, 2006 표 73. 주요국의재생에너지생산추이 ( 단위 : 1,000toe.%) 연평균성장률 EU25 93,439 97,594 95, , , ,248 4 독일 9,609 10,428 11,593 12,369 13,973 16, 프랑스 8,065 8,936 17,140 17,311 17,282 16, 스웨덴 5,040 14,532 13,418 12,767 13,559 15, 핀란드 7,752 7,425 7,729 7,817 8,662 8, 영국 2,600 2,516 2,784 2,871 3,153 3, 출처 : Eurostat, 2006 표 74. 연도별 EU 바이오연료생산추이 ( 단위 : 톤,%) 연평균성장률 합계 946,690 1,071,135 1,382,586 1,869,494 2,356,154 3,904, 바이오디젤 715, ,700 1,000,000 1,445,000 1,933,400 3,184, 바이오에탄올 231, , , , , , 바이오디젤비중 출처 : Eurosta,

119 다. 작물부위및농산부산물바이오매스종류별성분분석 표 75. 작물부위별탄소함량 ( 단위 : %) 작물 경, 엽 열매 뿌리 수확부위 벼 식량작물 겉보리 콩 참깨 들깨 유료작물 땅콩 유채 아주까리 서류작물 고구마 감자 과채류 고추 수박 뿌리당근 채소인경마늘 작물경업대파 * 출처 : 농과원 (2006)

120 표 76. 작물별 Biomass 이용부위의특성분석 작물 알타리무 재배 생육시기 조사부위 표본점수 양액생육초기전체엽 44 시설수확전전체엽 10 애호박시설과비대기상위엽 28 양배추시설결구중기중위엽 20 양파 노지인편비대전체 24 노지엽신장기전체 10 시설수확중기상위엽 26 N (%) P (%) K (%) Ca (%) Mg (%) Fe (mg / kg) Mn (mg / kg) Zn (mg / kg) B (mg / kg) 오이 시설수확중기중간엽 시설수확중기하위엽 배추 고추 양액생육초기전체엽 44 시설수확전전체엽 38 양액착과기과실 14 양액착과기줄기 12 양액착과기잎 14 노지착과초기경엽 401 시설수확기상위엽 딸기시설수확기상위엽

121 작물 재배 생육시기 마늘노지인편비대초기 조사부위 표본점수 N (%) 지상부 상위전개엽 무시설수확전전체엽 32 상추 수박 시설수확기전개엽 8 양액생육초기전체엽 44 양액착과기상위엽 38 양액착과기하위엽 45 노지 과비대 초기 시설과비대기중간엽 42 시설과비대기하위엽 22 시설과비대기상위엽 16 시금치노지수확기지상부 110 쑥갓양액생육초기지상부 44 P (%) K (%) Ca (%) Mg (%) Fe (mg / kg) Mn (mg / kg) Zn (mg / kg) B (mg / kg)

122 표 77. 가축분뇨주요성분 구분 수분 N P 2 O 5 K 2 O CaO MgO 한우 분 뇨 젖소 분 뇨 돼지 분 뇨 닭 육계 산란계 * 출처 : 축산원, 2000 표 78. 도축장에서발생하는돼지부산물주요성분분석 구분 분석항목 단위 값 조지방 (EE) %(w/w, DM) 조성분 조섬유 (CF) %(w/w, DM) 조단백 (CF) %(w/w, DM) 탄소 (C) %(w/w, DM) 수소 (H) %(w/w, DM) 7.13 원소분석 산소 (O) %(w/w, DM) 질소 (N) %(w/w, DM) 6.42 황 (S) %(w/w, DM) 0.28 재 (ash) %(w/w, DM) 수소이온농도 (ph) 총질소 (TKN) mg/kg 18,137.51,702.1 암모니아성질소 (NH + 4 -N) mg/kg 4, 총고형물함량 (TS) mg/kg 297, , 휘발성고형물함량 (VS) mg/kg 256, , 화학성상 총인 (TP) mg/kg K mg/kg 368 Ca mg/kg 1, Mg mg/kg Na mg/kg Fe mg/kg

123 구분분석항목단위값 화학성상 Co mg/kg 0.1 Ni mg/kg 3 Mo mg/kg N.D Cu mg/kg 5.1 Zn mg/kg 14.9 이론적메탄생산퍼텐셜 (B th ) m 3 -CH 4 /kg-vs added 실험적메탄생산퍼텐셜 (B o ) m 3 -CH 4 /kg-vs added 혐기소화 특성 휘발성고형물분해율 (VS r ) % 이론적 CO 2 생산퍼텐셜 (CO 3th ) m 3 -CO 2 /kg-vs added 이론적 NH 3 생산퍼텐셜 (NH 3th ) m 3 -NH 3 /kg-vs added 이론적 H 2 S 생산퍼텐셜 (H 2 Sth) m3 -H 2 S/kg-VS added * 출처 : 한경대학교,

124 라. 바이오매스인벤토리 (LCI) 구축 (1) LCI (Life Cycle Inventory) 모델분석및구축 LCI (Life Cycle Inventory) 모델분석을위한기본개념모델은그림 28과같이설정하였다. 그림 28. LCI 의기본개념모델설정 ( 농산부산물 ) 모델분석은 Biomass 활용관련인벤토리구축을목적으로실시하는데 LCI 모델활용을 위한자료조사내용은표 52 와같다. 표 79. LCI 모델활용을위한자료조사내용 자료 IPCC 2006 가이드라인국내통계자료 조사내용 - 지상부, 지하부바이오매스 ( 탄소분율, 성장 ) - 가축장내발효메탄배출계수 - 토양탄소축적량변화 ( 무기, 유기토양 ) - 토지이용면적조사 ( 토지이용카테고리, 통계청 ) - 산림면적 ( 침엽수, 활엽수 ) - 산림피해면적 ( 인위적, 자연재해 ) - 비료투입량 ( 요소 ) - 분뇨발생량및처리현황 ( 지자체 ) - 가축사육두수 ( 종별 ) - 가축장내발효배출계수 ( 축산과학원, 지자체 )

125 (2) 인벤토리작성관련 IPCC 가이드라인분석 표 80. IPCC 가이드라인분석내용 분야 일반지침및보고 (General Guidance and Reporting) 에너지 (Energy) 산업공정및제품사용 (Industrial Processes and Product Use) 농업, 산림및기타토지이용 (Agriculture, Forestry and Other Land Use) 폐기물 (Waste) 분석내용 1. 자료수집에대한접근법 2. 불확실도 3. 방법론선택및주카테고리 (Key Categories) 의확인 4. 시계열일관성 5. QA/QC와검증 6. 전구체 (Precursors) 와간접적배출 1. 고정연소 2. 이동연소 3. 탈루성배출 (Fugitive Emissions) 4. 이산화탄소수송, 주입및지중저장 5. 기본접근법 (Reference Approach) 1. 광물산업배출 2. 화학산업배출 3. 금속산업배출 4. 연료로부터비에너지제품및용매사용 5. 전자산업배출 6. 오존층파괴물질에대한불소화대체물질의배출 7. 기타제품제조및사용 1. 임지 2. 농경지 3. 초지 4. 습지 5. 주거지 6. 기타토지 7. 가축및분뇨관리로인한배출 8. 관리토양에서의 N 2 O 배출및석회와요소사용으로인한 CO 2 배출 9. 수확된목제품 (Harvested Wood Products) 1. 폐기물발생, 조성및관리자료 2. 고형폐기물매립 3. 고형폐기물의생물학적처리 4. 폐기물의소각및노천소각 5. 폐수처리및배출

126 IPCC 의 Inventory 작성 Guide line 응용 < 기본이론 > Estimation Value(EV) = Activity Data(AD) Factor(F) [ F = Scale factor, default factor, estimation parameter, measurement ] F의핵심성분 : 탄소량 < Inventory의질 (Quality) 평가지표 > = ( 대외신뢰도 ) 투명성 (Transparency) : Sufficient, Clear 완전도 (Completeness) : Category 일관성 (Consistency) : Method, Data sources 적절성 ( 비교성 : Comparability) : Definition, Classification, Table 정확성 (Accuracy) : Over/Under estimation, Uncertainty

127 마. 바이오매스자원별에너지부존량인벤토리구축 < 농업부산물 > 농업부산물에너지부존량산정식 - Mei : 작물별부산물의연간바이오매스에너지부존량 (toe) - Ai : 작물별재배면적 (ha) - Yi = 작물별생산성 (ton/ha) - Ri : 작물별부산물의상대비율 Ui : 부산물별에너지이용율 - Wi : 수분함량보정계수 - Hi : 부산물별발열량환산계수 (Kcal/kg) * 1toe = 1, Kcal 표 81. 농산부산물에너지부존량산정요인별계수 부산물 Ri Ui Wi Hi(Kcal/ 건중 kg) 볏짚 ,418 벼왕겨 ,616 보리 ,100 콩 ,069 고구마 ,534 사과전정지 459 (kg/ha) ,

128 표 82. 우리나라시군별농산부산물에너지부존량산정 ( 단위 : toe) 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 중구 성동구 광진구 동대문구 중랑구 강북구 도봉구 노원구 은평구 서울 마포구 양천구 강서구 3, 구로구 영등포구 동작구 관악구 서초구 강남구 송파구 강동구 소계 4,

129 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 서구 동구 영도구 부산진구 동래구 남구 북구 부산 해운대구 사하구 금정구 강서구 51, , 연제구 수영구 사상구 기장군 16, 소계 70, , 중구 대구 동구 4, , ,031.4 서구

130 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 남구 북구 2, 수성구 1, 달서구 2, 달성군 52, , , 소계 64, , , ,664.5 중구 12, 동구 남구 연수구 인천 남동구 5, , 부평구 계양구 10, 서구 13, , 강화군 166, , , 옹진군 14, , 소계 225, , , 광주 동구 1, 서구 11, ,

131 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 남구 17, , , 북구 22, , 광산구 65, , 소계 118, , , 동구 3, , 중구 2, 대전 서구 7, , 유성구 16, , 대덕구 2, 소계 32, , , 중구 4, , 남구 1, 울산 동구 북구 19, , 울주군 93, , , 소계 119, , , 수원시 15, , 경기 성남시 2, , , 의정부시 5,

132 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 안양시 부천시 5, 광명시 3, 평택시 237, , , 동두천시 4, , 안산시 14, , 고양시 42, , , 과천시 1, 구리시 남양주시 15, , , 오산시 13, , 시흥시 21, , , 군포시 3, 의왕시 3, , 하남시 3, , 용인시 87, , , 파주시 142, , , 이천시 142, , , ,256.5 안성시 150, , ,

133 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 김포시 107, , , 양주군 41, , , 여주군 142, , , 화성군 227, , , 광주군 26, , , 연천군 73, , , 포천군 85, , , 가평군 26, , , ,115.9 양평군 86, , , 소계 1,735, , , ,044.9 춘천시 45, , , 원주시 77, , , 강릉시 63, , , 동해시 5, , , 강원 태백시 속초시 8, , 삼척시 16, , , 홍천군 77, , , 횡성군 59, , ,

134 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 영월군 15, , , 평창군 15, , , 정선군 , , 철원군 166, , , 화천군 22, , 양구군 38, , 인제군 19, , 고성군 54, , , 양양군 38, , , 소계 732, , , ,706.5 청주시 46, , , 충주시 119, , , ,194.9 제천시 49, , , ,890.4 청원군 182, , , ,424.9 충북 보은군 91, , , ,013.8 옥천군 60, , , 영동군 51, , , ,732.1 진천군 97, , , ,550.6 괴산군 78, , , ,

135 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 음성군 114, , , ,253.7 단양군 14, , , ,708.9 증평출장소 23, , , 소계 929, , , ,962.4 천안시 168, , , 공주시 206, , , 보령시 199, , , 아산시 251, , , ,609.3 서산시 295, , , 논산시 296, , , 금산군 77, , , 충남 연기군 107, , , 부여군 280, , , 서천군 215, , , 청양군 132, , , 홍성군 188, , , ,048.5 예산군 248, , , ,168.1 태안군 174, , , 당진군 437, , , ,234.4 계룡출장소 7, , 소계 3,286, , , ,

136 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 전주시 80, , , 군산시 259, , , 익산시 400, , , ,761.4 정읍시 326, , , ,272.4 남원시 228, , , ,768.2 김제시 439, , , ,250.4 전북 완주군 137, , , 진안군 74, , , 무주군 41, , , ,208.1 장수군 72, , , ,912.0 임실군 99, , , 순창군 130, , , 고창군 282, , , ,057.5 부안군 300, , , ,253.8 소계 2,873, , , ,252.3 목포시 11, , , 전남 여수시 64, , , 순천시 158, , , 나주시 271, , ,

137 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 광양시 65, , , 담양군 135, , , 곡성군 98, , , ,801.8 구례군 56, , , 고흥군 240, , , 보성군 183, , , 화순군 116, , , 장흥군 179, , , 강진군 198, , , 해남군 362, , , 영암군 293, , , 무안군 178, , , 함평군 168, , , 영광군 213, , , 장성군 128, , , ,967.2 완도군 49, , , 진도군 116, , , 신안군 192, , , 소계 3,485, , , ,

138 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 포항시 163, , , ,437.4 경주시 253, , , ,413.2 김천시 126, , , ,433.9 안동시 147, , , ,190.4 구미시 146, , , ,999.4 영주시 106, , , ,813.0 영천시 95, , , ,369.9 상주시 293, , , ,565.5 문경시 110, , , ,306.4 경북 경산시 38, , , 군위군 58, , , ,462.2 의성군 216, , , ,762.8 청송군 34, , , ,083.6 영양군 22, , , ,530.9 영덕군 55, , , ,036.9 청도군 76, , , ,137.3 고령군 81, , , 성주군 71, , , ,246.4 칠곡군 55, , , ,

139 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 예천군 186, , , ,717.8 봉화군 62, , , ,859.2 울진군 54, , , 울릉군 소계 2,456, , , ,348.9 창원시 62, , 마산시 33, , , 진주시 129, , , 진해시 7, , 통영시 14, , , 사천시 88, , , 경남 김해시 101, , , 밀양시 142, , ,395.5 거제시 44, , , 양산시 32, , , 의령군 77, , , 함안군 109, , , 창녕군 130, , , 고성군 110, , ,

140 시도명 시군구명 벼 콩 고구마 사과 남해군 62, , , 하동군 105, , , 산청군 95, , , ,229.2 함양군 84, , , ,877.1 거창군 104, , , ,833.2 합천군 142, , , ,182.8 소계 1679, , , ,213.6 제주시 , 제주 서귀포시 , 북제주군 , , 남제주군 , , 소계 , , 합계 (ton) 17,816,944 2,119,160 1,661, ,808 주요농산부산물 4 종 ( 볏짚, 콩, 고구마, 사과 ) 에대하여에너지부존량, 바이오매 스 4,742 천톤발생에대한에너지부존량은 22,130 천 toe 이었다 ( 표 83). 표 83. 주요농산물의총바이오매스생산량과총에너지부존량 작물 볏짚 콩 고구마 사과 계 바이오매스 ( 천톤 ) 에너지부존량 ( 천 toe)

141 < 축산분야 > - LEi : 축산폐기물의에너지부존량 (toe) - Li : 축종별생분뇨발생량 (kg / 일 두 ) - Mi : 생분뇨중 Biogas화가능유기물함량을건량으로산정하는계수 ( 건량 ton / 생분뇨 ton) - Gi : Biogas화수율계수, 즉 Biogas화가능유기물건량톤당 Biogas 발생량 (Biogas m 3 / 건량 ton) - Hi : Biogas의열량환산계수 (Kcal / Biogas m 3 ) * 1toe = 1, Kcal 표 84. 축산폐기물의에너지부존량산정요인별계수 축종 Li Mi Gi Hi (kg / 일 두 ) ( 건량 ton/ 생분뇨 ton) m3 건량 m3 우분뇨 ,158 돈분뇨 ,158 계분뇨 ,158 축종별생분뇨발생량 (LS) 산정식 - LSi : 가축분뇨배출량 (kg / 일 ) - Bi : 사육두수 ( 두 ) - Ci : 배출계수 (kg / 일 / 두 ) < 돼지 : 5.1, 한우. 육우 : 13.7, 젖소 : 37.7 >

142 표 85. 양돈바이오매스발생량및에너지생산량 구분 규모 ( 사육두수, 일 ) 1,000 2,000 3,000 5,000 10,000 바이오매스생산량 양돈바이오매스발생량 ( m3 / 일 ) TS 량 (kg/ 일 ) , , ,300.0 VS 량 (kg/ 일 ) , , ,440.0 바이오에너지생산량 바이오가스발생량 ( m3 / 일 ) 발전전력량 (kwh/ 일 ) 199.5* , * *1 : 분해 VS 량 (206.4kg/ 일 ) * 단위메탄가스발생량 (0.58)/ 메탄농도 (60%) *2 : 바이오가스발생량 (199.5 m3 / 일 )/ 발전기바이오가스소비량 (13.7/ m3 / 시간 )* 전력환산기준 30kHh/ 시간 * 출처 : KEI(2011)

143 < 임산바이오매스 > 임산바이오매스자원의에너지부존량산정식 (1) - TEi : 임산별연간바이오매스에너지부존량 (toe) - Ai : 임산별임목축적 ( m2 ) - Di : 전건밀도사용전건량환산계수 ( 건량 ton / 임목축적m2 ) - Hi : 임산별발열량환산계수 (Kcal / 건량 kg) * 연간신규임목축적량 = 총임목에너지축적량 0.05 표 86. 임산바이오매스에너지부존량산정요인별계수 임산 Di Hi 단위 ( 건량 ton / 임목축적m2 ) (Kcal / 건량 kg) 침엽수림 ,000 활엽수림 ,706 혼효림 ,853 임산바이오매스자원의에너지부존량산정식 (2) - TEi : 임목의발열량 (Kcal) - Ci : 임목의탄소함량 (%) - Hi : 임목의수소함량 (%) - Oi : 임목의산소함량 (%) - Si : 임목의황함량 (%) 표 87. 상업적벌채로인한바이오매스및발열량 구분 산업벌채 ( 천m3 ) 이용계수목재밀도확장계수 수집가능바이오매스 ( 천 ton) 발열량 (Gcal) 침엽수 1, ,387,042 활엽수 ,847 합계 1, ,210,889 * 출처 : KEI (2009)

144 표 88. 숲가꾸기에의한바이오매스생산잠재량및실제수집량 숲가꾸기면적 (ha) 294,115 산물공급가능량 ( 생중량, ton) 5,089,626 산물수집량 ( m3 ) 143,747 바이오매스 (ton) 2,483,737 바이오매스 (ton) 114,556 발열량 (Gcal) 11,560,567 발열량 (Gcal) 533,199 * 출처 : KEI (2009)

145 < 도시 ( 가연성 ) 폐기물바이오매스자원의에너지부존량산정식 > - UEi : 도시가연성바이오매스자원의에너지부존량 (toe) - Ui : 도시가연성바이오매스발생량 (kg) - Hi : 저위발열량환산계수 (Kcal / kg) - Ci : 단위환산계수 1 toe = 1, kcal 표 89. 도시폐기물바이오매스의에너지부존량산정요인별계수 종류 Hi (Kcal / kg) 종이류 3,177 나무류 2,673 고무피혁류 6,510 플라스틱류 6,510 기타 ( 섬유등 ) 3,

146 < 결과물 : Inventory work sheet > 표 90. 농경지전환토양내연간탄소축적 Work sheet ( 사례 ) 형태코드 토지이용범주 농경지로변경한토지 : 바이오매스내탄소축적량 3B2b 시트번호 1 of 2 사용방정식방정식 2.2 방정식 2.16 토지이용형태 Annual area of Land Converted to Crop land Biomass stocks before the conversion Carbon fraction of dry matter 최초토지이용형태 1 보고기간동안의토지이용형태 보고기간동안의 토지용형태 (ha) (tonnes dm ha -1 ) [tonnes C (tonne dm) -1 ] < 참고표 1 참조 > 0.5 산림초지습지거주지기타잡종지 농경지소계농경지 Sub-total 농경지 Sub-total 농경지 Sub-total 농경지 ΔA TO_OTHERS B BEFORE CF (a) 0.5 (b) 0.5 (a) 0.5 (b) 0.5 (a) 0.5 (b) 0.5 (a) 0.5 (b) 0.5 (a) 0.5 (b) 0.5 소계 총계 만약최초토지이용형태에관한자료가없을경우비농경지 ( 기타지 ) 로산정

147 < LCI 구축을위한 IPCC 모델의적용사례 : 포장시험 > 인벤토리작성대상토지이용도전환 ( 벼논 부들초지 ) 에따른바이오매스의탄소축적량의초기변화량산정 적용식 < 토지이용전환카테고리의전환에따른바이오매스의탄소 (C) 축적량의변화 > = 토지이용카테고리의전환에따른바이오매스의연간탄소 (C) 축적량의변화, tonnes C yr -1 = 토지이용카테고리의전환에따른바이오매스의증가에의한연간탄소 (C) 축적량의증가, tonnes yr -1 = 토지이용카테고리의전환에따른바이오매스의탄소 (C) 축적량의초기변화, tonnes C yr -1 = 산림수확, 난방용땔감수집, 토지이용카테고리의전환에따른교란으로감소한바이오매스의연간탄소 (C) 축적량의감소, tonnes C yr -1 포장시험결과 = ha당부들건중량 : 톤, C함량 = 42.99% 따라서, 탄소축적량 = = 4.56톤 /yr/ha = => 전환전바이오매스탄소축적량 = 벼는일년생작물로써탄소획득과손실이같다고보아탄소축적량은없음 = 교란으로인한감소는없다고가정 그림 3. 벼논에서부들습지로의토지이용전환포장실험과정

148 바. 작물별바이오매스생산의 Input 요인별인벤토리구축 (1) 토지이용작물별바이오매스건물 1kg 발생에소요되는토지면적 ( 표 91) 은양파, 토마토, 고추는 2m2이하였으나, 콩, 마늘, 참깨, 보리, 감자, 고구마, 땅콩은 3m2이상이었으며, 볏짚과옥수수는 2 3m2이었다. 표 91. 작물별바이오매스건물 1kg 발생에소요되는토지면적 작물 토지소요면적 ( m2 ) 작물 토지소요면적 ( m2 ) 작물 토지소요면적 ( m2 ) 사과정전 감자 3.59 옥수수 2.20 콩 9.05 고구마 3.10 양파 1.60 마늘 4.17 땅콩 3.00 토마토 1.47 참깨 4.05 벼 ( 볏짚 ) 2.52 고추 0.67 보리 4.04 평균 : 4.95 작물별 1toe 의바이오에너지생산을위하여소요되는토지면적은 ( 표 92) 은사과 ( 정 전 ), 콩, 참깨, 보리의경우 100 m2이상이었으며, 벼 ( 볏짚 ), 고구마, 옥수수, 감자의경우는 100 m2이하이었다. 표 92. 작물별 1toe의바이오에너지생산을위해소요되는토지면적 작물 토지소요면적 ( m2 /toe) 작물 토지소요면적 ( m2 /toe) 사과 ( 정전 ) 벼 ( 볏짚 ) 76.7 콩 고구마 71.1 참깨 옥수수 56.2 보리 감자 82.3 (2) 종자 작물별바이오매스건물 1kg 발생에소요되는종자의양 ( 표 93) 은참깨 10.0 g 감 자 521.6g 수준이었다

149 표 93. 작물별바이오매스건물 1kg 발생에소요되는종자량 작물 바이오매스발생 ( 건물 kg/10a) 파종량 (kg/10a) 종자소요량 (g/ 건물 kg) 벼 ( 기계이앙 ) 보리 ( 기계파종 ) 콩 옥수수 참깨 감자 작물별 1 toe 의바이오에너지생산을위하여소요되는종자의양 ( 표 94) 은보리, 콩, 감자는 1kg 이상이었으며, 벼 ( 볏짚 ), 옥수수, 참깨는 1kg 이하이었다. 표 94. 작물별 1 toe의바이오에너지생산에소요되는종자량 작물 종자소요량 (kg/toe) 작물 종자소요량 (kg/toe) 벼 0.30 옥수수 0.10 보리 1.29 참깨 0.04 콩 1.61 감자

150 (3) 에너지 표 95. 벼농사의투입에너지양 ( 단위 : Mcal h -1 ) 농약처리 농약무처리 처리 볏짚 ( 무비 ) 화학비료볏짚 + 화학비료볏짚 + 돈분액비볏짚 ( 무비 ) 화학비료볏짚 + 화학비료볏짚 + 돈분액비 에너지투입 종자 연료 비료유기물 농약 계 , , , , , , , , , , , , , , ,565 출처 : 농과원 (2004) 표 96. 노지밭작물의에너지투입량 ( 단위 : Mcal h -1 year -1 ) 작물투입에너지작물투입에너지 감자 24,337 배추 2) 32,591 옥수수 17,986 배추 3) 35,583 콩 21,625 무 1) 27,050 팥 24,953 무 2) 26,929 녹두 24,953 당근 37,426 오이 175,096 고추 45,258 참외 63,792 파 67,230 수박 69,300 생강 51,847 토마토 76,959 들깨 40,895 딸기 122,385 땅콩 25,671 배추 1) 35,444 1) 봄재배 2) 준고령지지역 3) 가을재배 * 출처 : 농과원 (2009)

151 사. LCA 모델개발 (1) LCA 모델분석및개발 그림 29. LCA 의기본개념모델설정 기존의 LCA 관련모델활용연구분석 97 와같다. 현재국내의몇가지 LCA ( 전과정평가 ) 연구에서사용되고있는관련모델은표 표 97. 국내의전과정평가모델 저자연구제목 LCA 모델 정연수등 (2006) 발표에의한에탄올의공정의전과정평가 Eco-indicator 95 윤성이등 (2011) 임송택등 (2010) 전과정평가를통한유기농자재의탄소배출량산정연구 전과정평가 (Life Cycle Assessment) 를이용한관행농과유기농쌀의환경성및외부비용분석 IPCC-GL, 2006 Eco-indicator 99. 홍승길등 (2011) 전과정평가를이용한유채재배의환경영향평가 Eco-indcator 95 Markus Deurer 등 (2011) 과수의탄소발자국표지를위한 LCA 동향및해석 : 경남지역참다래를중심으로 ISO14040, PAS 2050, MED,

152 (2) 환경영향평가에대한새로운 LCA 모델개발 기존모델과의차이점 작물수량및농산부산물바이오매스생산에의한사회 문화 환경적공익 기능에대한계량화평가모형 표 98. 다원적기능과수혜자 구분 기능 세부기능 수혜자 농업생산 안전농산물의안정적공급소비자 바이오매스생산 바이오에너지원 농가, 소비자 내부경제 농가소득형성 농가 소득 자산형성 지역고용파생자산유지 피고용인농사 식량안보 식량안보 국민 환경보전 국토 환경보전거주환경보전생물자원보전 국민지역주민지역주민국민 인류 외부경제경관보전지역주민 방문자녹지공간제공휴식처제공지역주민 방문자 보건휴양 레크레이션 지역주민 방문자 교육 자연 심미교육환경제공 지역주민 방문자 전통문화보전계승 지역주민 방문자국민 < 작물수량및바이오매스생산에의한사회문화적가치의정량적평가방법 > 가장많이사용되고있는방법은 CVM(Contingent valuation Method : 조건부가치평가법 ) 이며, 그기본개념은다음과같다. CVM은사람들이어떤공공재나환경재에부여하고있는가치를직접적으로이끌어내는방법임. 즉, CVM은간단히설명해개인대개인, 우편혹은전화인터뷰를통해사람들의환경재에대한가치를설문하는방식을사용하고있음. 최근에는인터넷을통한설문조사도빈번이이루어지고있는실정임. 특별히고안된설문지는환경재변화에도가상적인상황을설정하고여러조건을달아사람들을가상적인상황에결합시키며, 이런조건하에서응답자들은환경질의가상적인변화에대해서어느정도지불의사 (Willingness To Pay; WTP) 기있는지를대답하게됨 CVM 은강한이론적근거에기반을두고있고, 간접적방법을적용할수있는대상

153 에는물론, 간접적방법을사용할수없는대상에도다양하게사용할수있다는장점 이있음. 하지만선호를나타내려는응답자의의사와능력에크게의존하고있음 이러한과점에서볼때 CVM이성공적으로편익추정에사용되려면설문지작성, 설문과정등적용과정에서 CVM의배경상논쟁이되었던전략적행위, 가상성, 의향과행동의상관관계등을충분히살펴보아야함. 또설문방식을편익측정의수단으로사용하기에지불의사유도방법이나설문방법등도 CVM에서는중요한부분이됨 ( 신효중등, 1999) CVM 에의한편익추정은강한이론적배경을가지고있음. 힉스적후생개념이직접 응답자편의지불의사 (WTP) 나보상의사 (WTA) 를통해표현된다는것임 총가치 (TEV : Total Economic Value) 및세부가치의산출방식 TEV = DUV + IUV + OV + BV + XV 단, V R : 가치종류별 Value, WTP : 지불의사금액 (Willingness to Pay), β k : 가치종류별 proportion임 CVM 에의한실제지불의사액 (RWTP : Real WTP) 산정 RWTP = WTP h N h (WTP h : 가구당연간 WTP, N h : 지불가구수 ) N h = H f (H : 가구수, f : 지불의사비율 ) 가중치법 (WE : Weighted Evaluation) 에의한사회문화적가치의세부기능별 정량적평가 산출식 : 단, : 세부기능별가치, : 세부기능별가중치 단, n : 우선순위개수, : 우선순위

154 연구결과 : 사례 표 99. 도시지역농작물재배의사회문화적가치에대한정량적평가 가치기능우선순위가중치정량적평가 ( 백만원 / 년 ) 농업생산 ,174.9 DUV 소득자산형성 소계 (2,261.9) IUV-1 환경보전 * ,761.7* 생물자원보전 IUV-2 국토보전 발전 소계 (891.7) 보건휴양교육 ,065.7 OV XV BV 녹지공간제공 ,391.9 생활공간제공 소계 (2,479.3) 생물다양성유지및생물서식지제공 전통문화계승및전통생활양식유지 합계 (IUV-1제외) 6,

155 < 작물수량과농산부산물바이오매스생산에의한환경영향의정량적평가방법 > (1) 재배식물별대기정화기능 기능발휘기작 광 < 광합성 > 엽록체 CO 2 흡수량및 O 2 배출량의산정식 재배단위면적당 CO 2 흡수량 : = P Y = 식물의총건물생산량 C P = 식물체의총 C 함량 K C = CO 2 환산계수 = [ CO 2 / C ] = [44 / 12 = 3.67] CH P = 식물체의당함량 K H = [ CO 2 / 당 ] = [1.466] 재배단위면적당 O 2 발생량 : K O = O 2 환산계수 = [ O 2 / CO 2 ] = [32 / 44] = [0.727] 작물별대기정화기능 (CO 2 흡수및 O 2 방출 ) 의정량적평가 작물별대기정화기능은생산자의생산능력에따른재배작물의수량에따라 그양이결정되므로, 작물별건물생산량을 Y i 로표시함 벼 ( 생산건물중 : Y 1 ) - CO 2 흡수량 = Y 1 (kg / m 2 ) 0.42 (44 / 12) = 1.54 Y 1 (kg / m 2 ) - O 2 방출량 = 1.54 Y 1 (kg / m 2 ) (32 / 44) = 1.12 Y 1 (kg / m 2 ) 곡류작물 ( 생산건물중 : Y i ) 콩 - CO 2 흡수량 = Y 2 (kg / m 2 ) (44 / 12) = Y 2 (kg / m 2 ) - O 2 방출량 = Y 2 (kg / m 2 ) (32 / 44) = Y 2 (kg / m 2 ) 보리 - CO 2 흡수량 = Y 3 (kg / m 2 ) (44 / 12) = Y 3 (kg / m 2 ) - O 2 방출량 = Y 3 (kg / m 2 ) (32 / 44) = Y 3 (kg / m 2 )

156 원예작물 ( 생산건물중 : Y j ) 고추 - CO 2 흡수량 = Y 4 (kg / m 2 ) (44 / 12) = Y 4 (kg / m 2 ) - O 2 방출량 = Y 4 (kg / m 2 ) (32 / 44) = Y 4 (kg / m 2 ) 들깨 - CO 2 흡수량 = Y 5 (kg / m 2 ) (44 / 12) = Y 5 (kg / m 2 ) - O 2 방출량 = Y 5 (kg / m 2 ) (32 / 44) = Y 5 (kg / m 2 ) 포도 - CO 2 흡수량 = Y 6 (kg / m 2 ) (44 / 12) = Y 6 (kg / m 2 ) - O 2 방출량 = Y 6 (kg / m 2 ) (32 / 44) = Y 6 (kg / m 2 ) 대기정화기능금액화평가 대기오염저감효과 : CO 2 흡수 - CO 2 흡수량 [g CO 2 / m 2 / day] 0.273[C / CO 2 ] 탄소제거비용 [ 원 / g C 2 ] 대기정화효과 : O 2 배출 - O 2 배출량 [g O 2 / m 2 / day] 산소제조원가 [ 원 / g O 2 ] (2) 홍수조절기능 기능발휘기작 1 논 : 논둑을이용한담수량및홍수기간의지하침투량 2 밭 : 토양의물보유로홍수에가담되는경우유출량감소 재배단위면적당홍수조절기능산출식 1 논 : 홍수조절량 = (H D W ) + I P D F [mm] - H : 논뚝높이 (mm) - D W : 홍수이전담수심 - I P : 토양의투수속도 (mm/day) - D F : 홍수기간 (day)

157 2 밭 : 홍수조절량 = R F R r [mm] - R F : 홍수기강우량 (mm) - R r : 홍수기강우유출량 (mm) = R : USLE 공식의강우인자 K : USLE 공식의토양인자 LS : USLE 공식의경사인자 C : USLE 공식의작물인자 P W : USLE 공식의토양관리인자 e : 강우유출율 홍수조절기능의금액화평가산정식 * 평가금액 (V FL ) = 홍수조절량 물값 단, 물값 : 하수도요금또는빗물세적용가능 (3) 지하수함양기능 기능발휘기작 근권이하로토양수분이침투하여지하수로저장 재배면적단위면적당지하수함양기능산출식 1 논 : 지하수함양물량 (W P ) = D W + [I P D F ] [mm] - D W : 평균담수깊이 (mm) - I P : 논토양의투수속도 (mm / day) - D F : 담수기간 (day) 2 밭 : 지하수함양물량 (W u ) = K S D u - K S : 밭토양의포화수리전도도 (mm / day) - D u : 투수기간

158 (4) 벼재배에의한수질정화기능 기능발휘기작 수질정화기능의정량화평가 < 수질정화성분량 > 산출 : 관개수량 오염관개수비율 (10%) 오염성분함량 정화율 < 수질정화수량 : COD 기준 > 정화수량산출 : 관개수량 오염관개수비율 (10%) 정화율 단위환산계수 금액화평가 = 정화수량 처리단가 (5) 토양유실저감기능 적용대상도시농업 : 실외도시농업 기능발휘기작 토양표면을작물로피복함으로서강우에의한토양표면충격량을완화시켜 토양유실저감 도시농업의토양유실저감기능산출식 토양유실저감기능 = ( 나지의토양유실량 ) - ( 도시농업지의토양유실량 ) 토양유실량 = R K LS C P [kg / m 2 / yr] R : USLE 공식의강우인자 (444.6) K : USLE 공식의토양인자 (0.287) LS : USLE 공식의경사인자 (0.800) C : USLE 공식의작물인자 ( 논 : 0, 밭 : 0.271) P : USLE 공식의토양관리인자 ( 논 : 0, 밭 : 0.811)

159 토양유실저감기능의금액화평가 평가액 = 토양유실저감량 ( 객토및사방댐비용 ) (7) 도시열섬현상저감효과 적용대상도시농업 : 모든유형의도시농업 도시열섬현상저감기능발휘기작 ( 그림 6) 그림 30. 도시농업에의한도시열섬현상저감기능발휘기작

160 도시열섬현상저감효과의정량적평가를위한산정식 * 에너지절약효과 = 저감온도 ( ) 500 MW -1 * 작물증발산에따른잠열에의한도시열섬저감효과의원유량 [L 원유 10a -1 day -1 ] 으로환산 = 증발산량 (g10a -1 day -1 ) 잠열 (cal g -1 ) / [ cal 원유 L -1 ] * 대기오염저감효과 < CO 2 흡수량 > [kg CO 2 10a -1 day -1 ] = 벼 : [ 년간흡수량 CO 2 kg 10a -1 1/2 / (150 day/5) = 밭작물 ( 콩 ) : [1.452 일생장량 kg 10a -1 day -1 ] < 오존농도저감효과 > (ppb) = 저감온도 2 ppb -1 * 대기정화효과 < O 2 발생량 > [kg O 2 10a -1 day -1 ] = 벼 : [ 년간발생량 CO 2 kg 10a (O 2 / CO 2 ) = 밭작물 ( 콩 ) : [1.056 일생장량 kg 10a -1 day -1 ]

161 아. 바이오매스최적이용모델개발 (1) 바이오매스이용관련국내외현황및문제점국내바이오매스에너지개발현황은 1970년대초대학및연구소를중심으로바이오매스를활용한대체에너지연구가시작되었으며, 1988년이후대체에너지개발촉진법에따라정부차원의기술개발이수행되었으며, 바이오에탄올의경우고유가및원자재가격상승에의해서대체에너지개발에관한관심이최근에재부각되어기초단계의연구개발이진행되고있다. 국내바이오에너지의기술개발수준은선진국대비 50~60% 에불과하며, OECD 평균신재생에너지보급률 6.7% 에비해국내보급률은 2.4% 로매우낮다. 표 100. 바이오매스에너지관련사업현황 분류사업명관련부처 / 청 농작물해양 ( 수산 ) 임업폐자원 바이오에너지유용작물개발및경제적당화기술개발 / 농림기술개발사업 목질계바이오에탄올생산을위한 Enzyme Platform 연구 / 특정과제 바이오에너지센터 ( 유채품종개발 )/ 바이오그린 21 사업 목질계바이오매스의부탄올연료전환및이용기술개발 홍조류유래바이오에탄올생산기술개발 해조류를이용한바이오연료생산기획 임산자원을이용한바이오에너지화연구 셀룰로스당화효소의대량생산등 / 바이오그린 21 사업 1) 폐자원및바이오매스에너지대책 ( 안 ) 2) 음식물류폐기물처리시설에너지화종합대책 ( 안 ) 농수산식품부산림청농촌진흥청지식경제부지식경제부국토해양부산림청농촌진흥청환경부 (2) 농업제도 정책 2011년한해동안의경지면적증감내용을살펴보면증가면적은 6.3천ha이고, 감소면적은 23.6천ha로순감소면적은 17.3천ha이었다 ( 표 101). 2011년경지면적의전년대비감소율은 1.0% 로, 이는최근 10년간경지면적연평균감소율 (-1.0%) 과동일하였으나경지면적이감소된사유는건물건축 7.9천ha, 공공시설 5.6천ha, 유휴지 7.4천ha, 기타 2.6천ha이었다. 경지면적이증가된사유는개간 5.2천ha, 간척 0.4천ha, 기타 0.7천ha 였는데논은감소한반면밭이증가한이유는논벼재배보다수익성이높은밭작물재배를위한논의밭전환증가에기인하는것으로판단된다. 그러나휴경지를이용한탄소배출권확보제도및활성화사업은전혀없었다

162 표 101. 연도별경지면적및증감률 ( 단위 : 천 ha, %) '02 '03 '04 '05 '06 '07 '08 '09 '10 '11 경지면적 1, , , , , , , , , ,698.0 증감면적 증감율 증감면적및증감률은전년대비임 표 102. 연도별휴경농경지비율 (%) 및면적 년도 휴경농지 (%) 면적 (ha) 16,800 44,200 46,899 49,735 54,600 자. 주요결과요약지역별바이오매스자원인벤토리작성을위하여바이오매스발생량및이용현황조사분석을통하여 LCI 구축및 LCA를통한바이오매스최적이용방안에관한연구결과는다음과같다. 농산부산물바이오매스발생량의수량대비비율은식량작물, 유료작물및과수는 1.0 이상이었고, 서류및채소류 ( 고추제외 ) 는 1.0 이하이었다. 주요 13종작물의농산부산물바이오매스발생량은 6,589 천톤 / 년이었다. 버섯 (5종) 재배에의한농산부산물바이오매스발생량은 972천톤 / 년이었다. 축산분뇨발생량은 327,940호의축산농가에서 2008년에는총 41.7백만톤 / 년, 2010 년에는총 33.7 백만톤 / 년이었다. 산림의총축적 백만m 3 에서의총임산바이오매스량은 백만톤이었다. 음식물 ( 채소류 ) 쓰레기의발생량은 11.4천톤 / 일, 기타도시생활폐기물발생총량은 39.3천톤 / 일이었다. 작물별바이오매스이용부위의 12개주요성분 (C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, B) 에대한연구결과를종합하여평균값과표준편차를산출하였다. 농산부산물바이오매스 LCI의기본개념모델을개발하였다. 농산부산물바이오매스의에너지부존량인벤토리구축을위한산정식을설정하고, 4,742 천톤 / 년발생에대한에너지부존량은 22,130 천 teo이었다. 축산분뇨의인벤토리구축을위하여양돈 ( 사육두수 2,000두기준 ) 바이오매스발생량

163 860 TS(kg/ 일 ) 의바이오가스생산량은 399 m 3 / 일이었으며, 발전전력량으로환산시 Kwh/ 일이었다. 임산바이오매스의부존에너지량은 184, toe/ 년이었다. 도시폐기물에대한에너지부존량을산출할수있는산정식 ( 일본의경우 ) 과산정요인별계수를제시하였다. 바이오매스 LCI구축에필요한토양탄소축적관련산정식설정과함께포장재배시험을통하여작물별뿌리부위무게비율을구명하였으며, Case study 차원의벼와부들의포장재배시험결과탄소축적량은연간 4.56 톤 /ha이었다. 작물별바이오매스생산의 Input 요인 ( 토지이용량, 종자량, 물요구량 ( 논, 밭구분 ), 비료투입량및에너지투입량 ) 및 Output 요인 ( 작물생산, 바이오매스생산, 증발량, GHG 배출량 ) 별인벤토리를구축하였다. 바이오매스 LCA의기본개념모델을개발하였으며, 기존의 LCA관련모델활용연구사례 (5case study) 를분석하였다. 환경영향평가에대한새로운 LCA 모델을개발하였으며이의활용을위한시책건의를하였다. 바이오매스최적이용을위한질소수지모델을개발하고우리나라농경지에대한질소수지를산정하였으며, Case study 차원의팔당수계 7개시군에대한질소와인의수지를구명하였다. 바이오매스최적이용기술개발을통하여, 휴경논활용바이오에너지생산및이산화탄소배출권확보사업에대한영농활용및시책건의하였으며, 혐기소화증진을위한농산부산물이용체계에대한영농활용자료를제공하였다. 본과제의연구를통하여 20종의 DB를구축하였다. 1 전국시 군단위의주요농산부산물바이오매스생산량 2 전국광역시 도단위의주요농산부산물의최근 10년간 (2001년 2010년) 연도별바이오매스생산량 3 전국광역시 도단위의축산농가수및가축사육두수, 가축분뇨발생량 4 경기도의시 군 면 ( 읍, 동 ) 단위의축종별농가수및사육두수 5 전국시 군단위의산림바이오매스축적량 6 전국광역시 도단위의음식물및도시생활폐기물종류별바이오매스발생량 7 바이오매스종류별자원화현황 8 농산부산물바이오매스종류별 12개성분함량 9 축산분뇨의 6개성분함량 10 전국시 군단위의 4개주요농산부산물바이오매스의에너지부존량 11 전국시 군단위의임산바이오매스의에너지부존량 12 토양탄소축적량관련산정식 13 전국 45개시 군단위의작물생육시기별최근 30년간평균 PET

164 14 콩, 감자, 사과의전국 45개시 군단위의시기별물공급량 15 6개작물별생육기간별물요구량 16 벼및밭작물의투입에너지및에너지수지 17 논벼와가축분뇨의 CH 4 배출관련적용산정식 18 LCA 연구사례 (5작목) 19환경영향평가산정식 20 팔당수계 7개시군의읍 면 동단위의질소및인수지분석

165 제 4 장연구개발목표달성도및대외기여도 제 1 절목표대비달성도 1. 연도별연구목표 구분연도연구목표 1 년차 2010 농업부문바이오매스자원특성조사및자원이용체계구축 2 년차 년차 2012 농업부문바이오매스에대한메탄잠재발생량산정및각공정별전환산물에대한생산효율영향요인도출농업부문바이오매스및각공정별생산효율최적화에따른온실가스잠재발생산정 최종농업부문바이오매스인벤토리구축및전환기술기반구축 2. 연구개발목표의달성도 연구개발의목표 농업부문바이오매스인벤토리작성을위한분석항목설정 바이오매스에대한메탄잠재발생량및에너지가원단위산정 농업부문바이오매스부존량에따른온실가스잠재감축가능량산정 농업부산물의 사전적용성평가 혐기소화기술 농업부산물최적전처리를통한유기산생산효율향상 Liquefaction technology 적용 반응온도에따른바이오매스 전환효율산정 이용성구명을위한바이오 오일전환화합물성분분석 달성도 (%) 주요연구내용 주요농작물의바이오매스잠재발생량환산계수산정 농업부문주요농작물의바이오매스잠재발생량산정 주요농업부산물의열량에너지원단위산정 메탄발생가능량추정및이산화탄소환산량산정 바이오매스별열량에너지원단위산정 농업부문바이오매스부존량에따른온실가스감축잠재가능량추정 주요농업부산물의인벤토리 D/B화 - 농업부문바이오매스자원의발열량및탄소량 - 농업부문바이오매스자원의비료성분 - 농업부문바이오매스자원인벤토리작성 농업부산물의혐기소화기술사전적용성평가 - 농업부산물의혐기소화기술적용현황분석 - 농업부산물의혐기소화기술사전적용성평가 농업부산물최적전처리로유기산생산효율향상 - 혐기소화를통한유기산생산효율향상 Liquefaction technology 적용바이오매스전환효율성산정 - 왕겨및유채 액화산물에대한화학성분분석 - Crude oil 및 Bio-oil

166 제 2 절정량적성과 세부 ( 협동 ) 과제명 경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO2 저감량산정경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO2 저감량산정 지역바이오매스 자원인벤토리작성 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO2 저감량산정농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발지역바이오매스자원인벤토리작성 지역바이오매스자원인벤토리작성 지역바이오매스자원인벤토리작성 지역바이오매스자원인벤토리작성부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발 과제책임자 신중두 신중두 성과물유형 논문게재 ( 비 SCI) 논문게재 ( 비 SCI) 엄기철비 SCI 박우균 신중두 박우균 홍승길 신중두 논문게재 ( 비 SCI) 산업재산권등록 학술발표 ( 국내 ) 학술발표 ( 국내 ) 학술발표 ( 국내 ) 엄기철학술발표 ( 국내 ) 엄기철학술발표 ( 국내 ) 엄기철학술발표 ( 국내 ) 엄기철학술발표 ( 국내 ) 홍승길 학술발표 ( 국제 ) 성과물명 Hydro-thermal Liquefaction Technology 적용시유채대를이용한 Crude oil 생산에미치는반응온도의영향 Liquefaction technology 적용시왕겨를이용한 Crude oil 생산및활용연구 Response of Leaf Pigment and Chlorophyll Fluorescence to Light Quality in Soybean (Glicine max Merr. var Seoritae) 돈분슬러리의저장형태및온도에따른가용화특성 바이오디젤제조용고체촉매제 및이를이용한바이오디젤의 제조방법 농업부문바이오매스자원환산계수산정및잠재발생량 Life cycle impact assessment of rapeseed cultivation 농업부산물을이용한혐기성소화공정에따른메탄잠재발생량예측부들의대량번식을위한육묘방법연구 잡초부들을이용한바이오에탄올생산 중금속축적식물의엽록소형광분석 토양오염정화식물의중금속함량분석 Environmental Impact Assessment of Rapeseed Cultivation in Korea using LCA 성과물주담당자 신중두 신중두 박세준 박우균 신중두 박우균 홍승길 신중두 박준영 김태완 최경미 김지영 홍승길 적용년월 2010 년 5 월 2010 년 5 월 2010 년 03 월 2010 년 12 월 2010 년 11 월 2010 년 10 월 2010 년 10 월 2010 년 11 월 2010 년 11월 2010 년 11월 2010 년 11월 2010 년 11 월 2010 년 11 월 승인여부 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인

167 세부 ( 협동 ) 과제명 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발지역바이오매스자원인벤토리작성지역바이오매스자원인벤토리작성농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO2 저감량산정 과제책임자 박우균 박우균 박우균 신중두 성과물유형 논문게재 ( 비 SCI) 논문게재 ( 비 SCI) 논문게재 ( 비 SCI) 논문게재 ( 비 SCI) 논문게재엄기철 ( 비SCI) 논문게재엄기철 ( 비SCI) 박우균 박우균 홍승길 신중두 신중두 학술발표 ( 국내 ) 학술발표 ( 국내 ) 학술발표 ( 국내 ) 학술발표 ( 국내 ) 학술발표 ( 국내 ) 성과물명 Study on Characteristics of Biogas Production and Liquid Fertilizer with Anaerobic Co digestion of Livestock Manure and Food Waste Effects of Antimicrobials on Methane Production in an Anaerobic Digestion Process Performance Evaluation and Characteristic Study of the Single Anaerobic Digestion Effect of biogas production to different anaerobic digestion systems and feeding stocks 셀룰로오스계바이오에탄올의경제성평가및지원정책바이오매스를이용한해외바이오에탄올생산현황과전망 농업부문주요바이오매스의잠재발생량및잠재에너지추정 가축분뇨의혐기성소화에서메탄생성에미치는항생항균물질영향 부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발 경작지바이오매스종류에따른바이오가스생산량산정 농업유래바이오매스를이용한액화기술적용녹색화학물질생산 성과물주담당자 박우균 오승용 박우균 신중두 유성녕 이성은 박우균 박노백 홍승길 신중두 신중두 적용년월 2011 년 11 월 2011 년 10 월 2011 년 03 월 승인여부 승인 승인 승인 2011 년 11 월승인 2011 년 11월승인 2011 년 11월승인 2011 년 05 월 2011 년 11 월 2011 년 05 월 2011 년 05 월 2011 년 05 월 승인 승인 승인 승인 승인

168 세부 ( 협동 ) 과제명 지역바이오매스자원인벤토리작성지역바이오매스자원인벤토리작성 과제책임자 성과물유형 학술발표엄기철 ( 국내 ) 학술발표엄기철 ( 국내 ) 성과물명 비선택성제초제처리에따른엽록소형광분석원자현미경을이용한기장의나노구조관찰분석 성과물주담당자 김태완 김태완 적용년월 2011 년 06월 2011 년 06월 승인여부 승인 승인 경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO2 저감량산정 신중두 학술발표 ( 국제 ) Clean and Green Fuel Production from Application of Liquefaction with Plant Residues (1st Annual World Congress of Bioenergy 학술구두발표 ) 신중두 2011 년 05 월 승인 농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발 부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발 지역바이오매스자원인벤토리작성 신중두 홍승길 학술발표 ( 국제 ) 학술발표 ( 국제 ) 엄기철학술발표 ( 국제 ) Effect of Biogas Production to Different Loading Rate of Rice Straw and Anaerobic Digestion Temperatures Characteristics of Volatile Fatty Acids Release During the Hydrolysis of Rice Straw Image Analysis of Photosynthetic Activity in Heavy Metal Polluted Ecosystem 국가차원질소수지분석과관리지역바이오매스자원인벤토리작성엄기철정책제안방안을위한경종농업분야의질소수지분석방법개선지역바이오매스영농활용콩의인산증시에따른수량및엄기철자원인벤토리작성기관제출 Biomass 증대효과지역바이오매스영농활용콩의인산증시에따른수량및엄기철자원인벤토리작성채택 Biomass 증대효과농업부문바이오매스부존량에대한바이오매스자원의순환이용 ( 충인벤토리작성및박우균기고청일보 ) 온실가스잠재발생량산정 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발 박우균기고 홍승길홍보 신중두홍보 바이오매스에주목하자 ( 경남매일등 2 종 ) 가축분뇨액비를이용하면화학비료를덜쓴다 볏짚으로부터바이오가스생산한다 ( 공감코리아등 17 종 ) 신중두 홍승길 정필균 엄기철 엄기철 엄기철 박우균 박우균 홍승길 신중두 2011 년 07 월 2011 년 07 월 2011 년 11 월 2011 년 11 월 2011 년 11월 2011 년 11월 2011 년 3 월 2011 년 4 월 2011 년 2 월 2011 년 11 월 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인

169 세부 ( 협동 ) 과제명 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정부존자원이용고효율메탄생성향상을위한공정개발농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발 지역바이오매스자원인벤토리작성 농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO2 저감량산정 과제책임자 박우균 홍승길 신중두 성과물유형 논문게재 ( 비 SCI) 논문게재 ( 비 SCI) 논문게재 ( 비 SCI) 엄기철논문게재 ( 비 SCI) 신중두 신중두 신중두 박우균 신중두 산업재산권등록산업재산권등록 학술발표 ( 국내 ) 학술발표 ( 국내 ) 학술발표 ( 국내 ) 성과물명 산 / 가스분리혐기소화공정을이용한음식물탈리액의처리효율평가 전처리방법에따른볏짚의가용화특성변화 볏짚의가수분해과정중유기산생성특성 고추의엽록소형광이미지분석법에의한한발스트레스지표화가능성 성과물주담당자 박노백 홍승길 홍승길 유승녕 적용년월 2012 년 3 월 2012 년 3 월 2012 년 5 월 2012 년 11 월 메탄가스고질화장치신중두 2012 년 5 월 황화수소제거장치신중두 2012 년 6 월 볏짚을이용한혐기소화시메탄생산량예측 농업부문바이오매스의온실가스감축잠재가능량추정 밀짚을이용한혐기소화시메탄생산량예측 신중두 박우균 신중두 2012 년 6 월 2012 년 10 월 2012 년 11 월 승인여부 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 승인 지역바이오매스자원인벤토리작성 엄기철학술발표 ( 국내 ) 옥수수의질소비료증시에의한수량및 Biomass 증대 엄기철 2012 년 11 월 승인 지역바이오매스자원인벤토리작성 엄기철학술발표 ( 국내 ) 콩의인산비료증시에의한수량및 Biomass 증대 엄기철 2012 년 11 월 승인 경종부문바이오매스전환 Bio-oil 생산기술최적화및 CO2 저감량산정 지역바이오매스자원인벤토리작성 신중두 학술발표 ( 국내 ) 엄기철정책제안채택 CRUDE AND BIO-OILS PRODUCTION FROM APPLICATION OF LIQUEFACTION WITH PLANT RESIDUES 국가차원질소수지분석과관리방안을위한경종농업분야의질소수지분석방법개선 신중두 엄기철 2012 년 11 월 2012 년 3 월 승인 승인

170 세부 ( 협동 ) 과제명 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정 지역바이오매스자원인벤토리작성 과제책임자 박우균 성과물유형 정책제안기관제출 엄기철정책제안기관제출 성과물명 농업부문바이오매스자원의잠재발생량및환산계수활용 휴경논활용바이오에너지생산및이산화탄소배출권확보사업 성과물주담당자 박우균 엄기철 적용년월 2012 년 11 월 2012 년 11 월 승인여부 승인 승인 지역바이오매스자원인벤토리작성 엄기철정책제안기관제출 연구결과활용가능성평가를위한환경영향성평가기준 엄기철 2012 년 11 월 승인 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정 박우균 영농활용기관제출 농업부문바이오매스자원의잠재발생량추정및비료성분활용 박우균 2012 년 11 월 승인 지역바이오매스자원인벤토리작성 엄기철영농활용기관제출 혐기소화증진을위한농산부산물이용체계방안 엄기철 2012 년 11 월 승인 지역바이오매스자원인벤토리작성 엄기철영농활용기관제출 휴경논을활용한부들바이오매스의대량생산재배 엄기철 2012 년 11 월 승인 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성및온실가스잠재발생량산정 박우균홍보성과 박우균홍보성과 박우균홍보성과 신중두홍보성과 박우균 우수인력양성지원 농업연간바이오매스잠재발생량 1 천 164 만톤 농업연간바이오매스발생량 1164 만 t 농촌진흥청, 잠재에너지농업부산물 1,164 만톤추정 볏짚으로바이오가스만든다 ( 복지 TV) 박우균 박우균 박우균 신중두 2012 년 2 월 2012 년 2 월 2012 년 2 월 2012 년 6 월 박사후연구원지도박우균 2012 년 7 월 승인승인승인승인승인

171 제 5 장연구개발결과의활용계획 농업분야온실가스배출을감축하기위해농업탄소상쇄시범사업과저탄소농축산물인증시범사업이진행되고있는데, 지열히트펌프활용, 녹색마을조성, 발전폐열활용, 목재펠릿이용, 화학비료절감 ( 녹비재배 ) 등 5개탄소상쇄모델을농업탄소상쇄시범사업으로추진하고있다. 농업부산물을활용한바이오매스활용이농업분야온실가스감축및에너지절약에중요한역할을할수있음에도불구하고, 그에대한연구가부족한실정이다. 현재까지농업부문바이오매스총량에대한산출근거가불분명하고발생량추정또한단위면적기준으로추정해왔기때문에품종, 기후, 토양비옥도, 비료관리등에따른추정오차가컸다. 현재탄소감축활동모니터링, 검 인증등이가능한저탄소농법발굴과방법론을개발중에있다. 또한농업분야온실가스감축, 녹색농업기술을통한에너지절감및농업경영체의새로운소득원발굴사업이추진되고있다. 따라서녹색에너지마을, 자원순환농업지역등을추진함에있어지역바이오매스자원, 에너지자원현황파악및향후에너지효율계획수립등에기초자료로활용, 바이오매스순환이용 D/B 구축을통한온실가스감축의무저감수단의기초원천기술제공및바이오매스관리정책및영농활용자료제공으로농업유래바이오매스로부터대체에너지의창출, 바이오매스수집ㆍ자원화ㆍ이용기술발전및관련산업활성화등에기여할것으로본다. 정부에서추진하고있는저탄소녹색마을건설이대부분가축분뇨와음식물류폐기물에치중되고있으나악취민원등현지주민의반대로진행이순조롭지않고있다. 본연구에서는악취를유발하지않는농업부산물을이용하기때문에녹색마을조성후마을내에서발생하고방치되는농업부산물의최적활용을위한기초자료를제공할수있을것으로판단된다. 본연구에서얻어진결과는학회에논문으로투고되어관련분야에적용할수있도록정보를제공할계획이다. 농가실증바이오가스생산시스템연구를위한기초자료로활용하고자한다. 그리고강원도원주시양돈농가에일일약 300L의가축분뇨를처리할수있는규모의혐기소화바이오가스생산시스템을아래사진과같이시공하여운전할것이다. 또한이러한현장적응용혐기소하시스템을운영하므로서현재수행중에있는 농촌유기성의탄소격리과정평가 과제수행을위한기초자료수집을위한중요한시스템으로이용할것이다

172 현장적용을위한바이오매스효율적처리처리기술기반확립및농업부문기후변화대응청정개발체제 (CDM) 기반확립을위하여바이오매스의전환기술을통해얻어진산물에대한화학성분동정이필요하며, 또한이러한산물에대한생물검정을통한유용한천연화학성분에대한기초응용에활용하고대체에너지화측면에서, 바이오매스진환기술을통해생산된 Crude oil을청정녹색연료화하기위해서는 Carbon cracking공정을적용한기초연구자료로활용. 농축산물탄소성적표시제도시행방안확립, 농업환경정보시스템연계인벤토리구축, 온실가스배출거래제도와연계사업화추진, 지역간물질순환이용체계확립을통한체계적 LCI구축, 바이오매스순환이용 D/B 구축을통한온실가스감축의무저감수단의기초원천기술을제공하고농업환경정보시스템활용확대, 바이오매스수집ㆍ자원화ㆍ이용기술발전및관련산업활성화로농촌개발촉진및농업고용증대와농가의안정적소득제공및농축산물이용단계별탄소인벤토리구축을통한국가위상제고, 농축산물의경제가치평가시스템의신개념도입을통한소비자신뢰구축에필요한자료제공으로 < 탄소성적표시제 > 도입을통한농축산물수출확대에이바지할것으로판단됨

173 제 6 장연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 5 세부과제 ( 협동과제 ) < 영국내바이오매스작물과바이오에너지전환시스템에대한지원제도요약 > 지원제도지원제도총지원예산현재까지지원금액사업추진내용비고 조림보조제도 (WGS) 기존임지의관리와신규조림을지원하는것. 지금폐지되었음 2006 년까지 7년간 139백만 임지관리 : 46,248m 신규조림 : 43,956ha (01/01/02~31/03/05) 임지관리 : 224,037ha 신규조림 : 25,952ha 이제도는잉글랜드조림보조제도로계승되었음. 조림보조금 : 에너지작물의 - 억새 920/ha 조림을지원하기 157 개의조림 - 경작지또는목초 에너지작물제도 위한것. -조림보조금 -SRC 버드나무생산자단체의 6년간 17.9 백만 조림보조금 : 1.3 백만생산자단체 : 545,000 보조 : -억새 668ha -SRC 660ha 생산자단체가착수 지에 SRC조림 1000~1600ha -생산자단체의지원은개시비용 조직및운영 한 3 개프로젝트 의 50% 을지원함 비용 k/erdp/schemes 농지조림제도 (FWS) FWPS 시행에앞선시범사업 (1988~1992) 장기협약으로운영 에 2백만 N/A 약 9,400ha 농지조림특별지원제도로계승됨. k/erdp/schemes 농지조림특별지원제도 (FWPS) 잉글랜드농촌개발프로그램 (ERDP) 의일부이며, WGS와연계해야만이용가능함. 농민에게이전농업소득수준을지불함. 이제도는폐지됨 년까지 7년간 77백만 ( 에 8.5 백만지출 ) 2001/01~2005/05 에 42,584백만 ( 진행중인 FWS 사업지출을포함 ) 1992년에시작하여종료되는 2004/05 까지조림 43,068ha 승인 이제도는잉글랜드조림보조제도로계승됨 v.uk/erdp/sc hemes 잉글랜드조림보조제도 생물다양성또는접근성이우수하여공익성이높은지역에대하여신규조림과기존임지관리를지원하기위해보조함. WGS의미집행자금 (01/04/06 이후신규사업에대해 10 백만 ) 이후신규사업에대한자금지원 이후신규사업에대한자금지원 2005 년 7월부터적용됨. WGS 와 FWPS 를계승하여임업위원회가관리하는프로그램. 바이오 목재연료와짚의에너 이사업은공급망을주로다루며, 여 에너지인프라 지사용을촉진하기위해공급망과시장인 3.5 백만 3.5 백만할당 기에는 CHP, 열이용, 가스화, 기타기술들이포함. 지원제도 프라개발을지원함

174 지원제도지원제도총지원예산현재까지지원금액사업추진내용비고 59 개의국내용 청정대기 바이오매스열을포함하여재생에너지기술의도입을지원 에 12.5 백만 c. 8.2 백만할당 목재연료사업에 53,850 을지원함. 바이오매스를이용하는61개의지역사업에 1,347,550 을지 이사업에는 25 개의목재연료보일러와 34개목재연료스토브도포함됨. 원함 지역공동체에너지프로그램 자본을보조하여공공분야의지역남방계획을지원. 60 백만 ( 지도사업 10 백만함. 05/06-07 /08) 50 백만예산가운데 5.45 백만이바이오매스에대한것임. 75개지원사업중에12개의바이오매스보조사업이승인됨.(16%) 이분야에서바이오매스에대한관심과중요성이증대하고있음. nviroment/energy 지역의재생에너지구상 농촌개발청, 임업위원회, DTI가자금지원함. 소규모재생에너지생산을촉진하기위해지역기반협력구축을위한정보와시설제공함 c. 2백만 ( 에는연간 c. 500 천 ) e. 15 백만 89개사업이완료되었고, 착수된사업이 256개 3천건의전화 / 전자메일등 잉글랜드의대부분지역이해당됨. 지나친사전규정을피하기우해소규모를한정하기않음. v.uk/newenterp rise/economies 열, CHP, 발전에 바이오매스난방 바이오에너지자본보조제도 서바이오매스시장개발을위해도입됨, 도는신규고효율기술개발을위한시범사업 66 백만 25.6 백만 보일러에 4.2 백만중소규모의바이오매스발전소에 22 백만, 대규모발전사업에 k/renewables 을지원하기위함. 백만지원 탄소저감을위해 Carbon Trust RD&D 프로그램 저탄소프로젝트를위한연구개발및시연사업 이용가능한수치없음 바이오매스에 460 천지원 30개프로젝트중 6개는바이오매스관련지원임 기존기술의추가적인개발을지원함. trust.co.uk/thec arbontrust EU의공동농업정책 휴경계획농지나비휴경계획농지에서에너지작물을재배할수있음. 비휴경계획농지에 45ha 2003년휴경계획농지에에너지작물조성은 1,822ha임 단기순화림과억새류 k/farm/ag2000.h tml

175 지원제도지원제도총지원예산 현재까지지원 금액 사업추진내용 비고 재생에너지구입의무는전 해당되는전기는바이오매스를직접 력공급자들의공급하는전 이요하거나바이오매스를이용한열 재생에너지구입의무증서 (ROCs) 력의일부비율을재생에너지원에서구입하도록강제하는제도임. 이비율은매년증가하여 2004/05 년 4.9% 에서 2010/11 에 10.4% 도달하게됨. 2005/06 의구입가격은 MWh 병합발전의전기임 년만료 2004 년 ofgem 보고서에의하면바이오매스는 ROCs 와 SROCs 의 16% 를차지하고있으며, 혼소는 14% 를차지하고있음. 재생에너지의 MWh 에대하여 거래가능한인증서를발급함. 배출권거래제도 (UK&EU ETS) 기업들은온실가스배출에대한연간목표를수립하며, 기업들은목표달성을위해에너지효율을높이거나저탄소기술도입, 또는배출허가권을구입하여야함. 현행제도의거래가격 UK ETS=e. 2.50~ 3.00/tCO2 (07/10/05) EU ETS= 23.65/tCO2(07/10/05) UK ETS에 32개의직접적참여자가있으며기후변화협약의참여자는이제도를이용하여거래할수있음. EU ETS는 2005년 1월부터운영되고있음. change 협약은정부 (Defra) 와기 42 개사업분야에서 10,000 개의 업은에너지순소비와 시설이협약하였음 기후변화 CO2 배출을줄이기위 기업의기후변화협약참여를 협약 해에너지효율성제고또 유도하는방안은다음과같음. (CCA) 는탄소절감목표를달성 1. 목표를달성하면기후변화부 해야하며면세인증서를 과금이최대 80% 까지감소됨. 받음 2. 에너지사용이줄여비용이절감됨. 부과금면제 부과금 기업이정부와기후변화 인증서는 기후변화부과금은에너지절약을 면제 협약을체결하면기후변 기후변화 촉진하기위해영국기업에부과 인증서 화부과금의일부를변제해 부과금을 하는에너지세임. 이는기업의에너 (LECs) 주는것임. 최대 80% 까 지비용을약 15% 높였음. 지줄여줌 DTI 기술 프로그램 기업들이프로그램을이용하기위해서 DTI의기업지원체제인 공동연구 와 지식이전네트워크 를통해기업이이용할수있는지원프로그램. 2005~2008 에 320 백만 현재까지 (2005년4월) 1회의공개경쟁으로 100 백만 신재생에너지기술의 17 개프 로젝트에 9 백만지원함

176 < 독일의바이오매스이용과연구현황 > 독일은국토면적 (357,031km2) 의 80% 이상에서바이오매스를생산하고있는데, 주로농업에서생산됨. 바이오에너지와재생에너지생산에사용되는농지의전체면적이 2006년에 1,561,000ha로전체의 13% 임. 2003~2006년사이에만무려 87% 라는놀라운증가추세를보이고있음. 특히유채와에너지용곡물과옥수수는 2005~2006년거의두배정도증가됨 일반농지에서에너지생산을위해오일식물, 곡물, grass, 옥수수를재배할경우 EU로부터 45 /ha의보조를받고있음. 현재독일바이오매스의이용에따른경제성은 EU의강력한보조금을통해서실현되고있음. 보조가없을경우여전히바이오매스생산의대부분이경제성을유지하지못함 독일목질바이오매스의 1/3은이미에너지용으로쓰이고있으며이중절반은가정에서, 나머지절반은열과전기생산시설에서사용되고있음. 대규모시설 (>1MW) 에서는주로폐목재를, 소규모시설 (15kW-1MW) 에서는산림잔재를 50% 까지사용함. 가정에서는주로 (85%) 장작을사용하며, 펠릿오븐을사용하는비율이점차증가하고있음 2005년에독일의 1차에너지소비는 14,238PJ, 이가운데재생에너지가차지하는비율은 4.6% 이며, 바이오에너지는 3.3% 임. 바이오에너지는수송부문에서 3.6%, 열부문에서 5.1%, 전기생산에서 2.2% 기여하고있음. 재생에너지에너지에서의비중이그만큼큼. 2005년에에너지용바이오매스소비는 2002년에비해거의두배가되어 470PJ임. 하지만에너지로의이용잠재력이높은짚 (21%), 액분 (15%), 가정용쓰레기 (13%) 는지금까지충분히이용되지못하고있음 난방을위한연료재 ( 材 ) 로의바이오매스는중요한에너지자원임. 2005년에연료재의에너지량은 201.6PJ 이었음. 2006년 6월 1,200가구에대한조사에따르면장작은지금까지가장중요한연료제임. 기타제재소폐잔재 (11.2%), 톱밥성형탄 (Briquettes) 2.8%, 우드칩 1.1%, 펠릿 0.9% 등의순임. 지금까지비중이낮았으나목재펠릿난방시스템은연간100% 이상성장하고있음

177 독일에서바이오매스전기생산량은크게증가하고있는데, 2004~2005 년거의두 배증가하여 13,114GWh 임. 대부분전기는목질계폐잔재와바이오가스로부터로부 터생산되었음 현재독일에는 120 개의바이오매스를연소하는열병합발전이가동중이며, 4 백만 톤의바이오매스를사용하여 ( 대부분폐기물과폐목재 ) 약 5,000GWh 의전기를생 산함 바이오매스를가스화하여발전하는시스템은 2005 년말, 2,700 개이며, 650 MW의전 기를생산함 독일에서바이오매스의이용활성화재생지원법 (EEG, the Renewable Energy Sources Act) 의기여가큼. 이외에도입법부는다른촉진수단도만들었는데열시장에대한시장자극계획 (MAP, the Market Stimulation Programme) 과생물성연료에대한조세혜택이있음. 또한아래와같은지방정부의보조와연구지원등이이루어지고있음 재생에너지원법 (EEG) 시장자극프로그램 (MAP) 생물성연료에대한조세해택 주와지방단위의보조금 연구개발프로그램진행 바이오매스이용촉진과정에서문제 : 미세먼지에의한대기오염, 자원의경쟁 ( 예 : 나 무의용도간경쟁 ), 농작물시장에서식량과에너지사이의경합, 토지이용의경 쟁등의문제가야기되고있음 바이오매스이용의전망 : 유럽연합과독일정부는농업및목질바이오매스의에너지이용증진을강력하게추진하고있음. 농업에대한 EU의재정지원, 연구개발프로그램의강화는지속될것임. 그결과바이오에너지생산과이용의효율성을증진시킬것임. 이와달리농림업의생산능력농업의잉여토지와사용되지않는산림자원이점차감소하고있는문제도예상됨. 한편보조지원이가능한혼농임업체계가도입될것으로보임. 최근의 EU 프로젝트 (SAFE: Silvoarable Agroforestry For Europe) 는나무와농작물의결합생산이생태적으로뿐만아니라경제적으로도바람직하다는것을보여주고있어서이부분의확대도예상됨

178 < 일본의바이오매스활용및연구현황 > 일본의바이오매스이용촉진정책의종합적인전략은 2002년 12월에각의발의된 바이로매스ㆍ일본종합전략 이수정결정되었음. 여기에서바이오매스는첫째, 지구온난화방지, 둘째, 순환형사회의형성, 셋째, 경쟁력이있는전략적산업의육성, 넷째, 농림어업ㆍ농산어촌활성화라는측면에서강조되고있음 바이오매스일본종합전략에서의목표는기술적, 지역적, 전국적관점에서구체적으로정립하고있음. 예컨대직접연소및가스화플랜트등함수율이낮은바이오매스를에너지로변환하는기술의경우바이오매스일처리량 10톤정도의플랜트 ( 합병후의시장총규모를상정 ), 에너지변환효율이전력으로써 20% 혹은열로써 80% 정도의기술을개발한다고되어있으며, 지역적관점에서바이오매스타운을 2010년까지 300개정도를조정한다는것임 정부의목표실천을위해관련부처를총괄하는팀이구성되었고각부처는매년 관련소관업무를기획, 추진하고있는등협동적인정책추진이이루어지고 있음 바이오매스사업추진에관한지원은사업도입전, 사업도입시, 사업운영시지원제도로아래와같이분류할수있음 사업도입전지원제도 : 1 지역신에너지비전책정사업, 2 바이오매스미활용에너지사업조사사업, 3 바이오매스의환경만들기보조금, 4 중소기업ㆍ벤처도전기원사업 사업도입시지원제도 : 1 바이오매스사업비지원제도, 2 융자지원제도, 3 이자조성지원제도 사업시지원제도 ( 세금의감면조치 ): 1 지역에너지이용설비와관련한고정자산세의과세표준특례조치, 2 에너지수급구조개혁투자촉진세제, 3 고정자산제의과세표준경감조치 일본정부는지역단위의바이오매스이용촉진시스템으로바이오매스타운의구축에심혈을기울이고있음. 2006년 9월현재바이오매스일본종합전략추진회의에서승인된바이오매스타운구상은전국에 60건임. 지역별로부면홋카이도 10건, 토호쿠 13건, 간토ㆍ토신 11건, 호쿠리쿠 6건, 간사이 5건, 츄고쿠 3건시코쿠 2건및규슈 10건임 일본정부역시바이오매스이용촉진정책을추진하는과정에서적지않은문제 에봉착하고있음

179 전반적인과제 : 낮은바이오매스에대한사회적인식, 바이오매스이용의전체설계와평가지표미흡, 지역설정에맞은바이오매스타운의추진애로등 이용간단계에서의과제 : 첫째, 바이오매스의생산ㆍ수집ㆍ수송에서 넓고얇게 보존하는바이오매스를얼마나효율적으로수집ㆍ수송하느냐임. 둘째, 바이오매스이용의경제성을향상시키기위한보다효율적인변환기술의개발임. 셋째, 바이오매스의변화후이용상의과제인데, 바이오제품이나바이오에너지는화석에너지및화석에너지제품과아직은경쟁에서열위에있음 메탄가스이용상과제 : 메탄가스를발전시적정수입을보장하기어렵고메탄발효후발생하는액체비료의이용범위가협소하다는점임 목질바이오매스의에너지이용과제 : 다이옥신문제와함께, 아직은목질바이오매스발전시설이나보일러에대한투자대비정의수익을기대하기힘듬. 건축폐재를소각할경우배기가스에대한주민반대운동, 간벌재등의임지폐재의경우수송비용이비싸다는점등이있음

180 제 7 장중요변동사항 2 세부과제 당초 2010년에서 2012년까지계획된연구과제는농업환경업무조정에따라탄소순환연구업무로전환되었고, 2011년연말과제평가에서조기종결조치를지시받아연구기간을단축하게됨. 본연구과제에서얻은결과는제3세부과제 농업부산물을이용한고효율메탄발효최적화기술개발 로적용하여통합수행하였음. 4 세부과제 본과제는 2010 년부터 2013 년까지 3 년에걸쳐연구하기로하였으나, 2011 년연말 평과시심사위원들이조기완결하기로결정됨에따라연구기간이단축되었음

181 제 8 장국가과학기술종합정보시스템에등록한연구장비현황 5 세부과제 ( 협동과제 ) 연구기자재및 연구시설 규격수량활용용도보유기관확보 방안 비고 Sigma-plot R10 3 Data 처리및분석세종연보유 2008 Soft ware ELTA-03 2 모형개발용 P/G 세종연보유 2008 Tensio-meter S.M. 3 환경조건 ( 토양수 ) 측정세종연보유 2008 적외선 Camera SATO 1 식생조건 ( 군락온도 ) 측정세종연보유 2008 적외선온도계 sk-sato 3 표면온도측정세종연보유 2008 Geo-radar ELTA-Geo 1 환경조건 ( 지하수 ) 측정세종연보유 2008 Core-sampler 자체제작 4 토양물리성측정세종연보유 2008 유도프라즈마질량분석기 (I.C.P) Hitach 시료분석 한경대 Spectrophotometer Shimazu 2 시료분석 한경대 광학현미경 Olympus 2 시료관찰 한경대 초고속원심분리기 Hanil 1 시료제조 한경대 광합성형광측정기 PSI 1 광합성측정 한경대 CO 2 분석기 ADC 2 광합성측정 한경대 초저온냉동고 Shinil 4 시료보관 한경대 온실 400평 1 작물재배 한경대 공동활용 2002 공동활용 1999 공동활용 2005 공동활용 2001 공동활용 2004 공동활용 2004 공동활용 2005 공동활용

182 제 9 장참고문헌 강창용, 박현태 바이오매스이용의사회경제적유용성. 농촌경제. 29(50: 국립산림과학원, 2007, 우리나라산림바이오매스자원평가 국립산림과학원, 손영모등, 2008, 우리나라산림바이오매스자원평가 김남천, 유기영, 안중우, 김영준, 허관, 정연구, 배재근 혐기성소화공정에의한바 이오가스화의기술원리및응용 ( 음식물쓰레기및하수슬러지의혐기성소화기술 ), 폐 기물자원화, 10(1):7~23. 김영일, 배지선, 정세형, 안문환, 곽완섭. 2007a, 버섯폐배지의발생량조사및새송이, 느타리, 팽이버섯폐배지의버섯종류별과재배방식별의물리화학적특성평가, 한국동 물자원과학회지 49:79-88 김희조 음식물쓰레기에너지화를위한발효단계의최적 VFA 생성에관한연구. 강원대학교대학원석사학위논문. 노경상, 정연태, 양정희, 천현식, 정소영 우리나라바이오매스이용실태에관한 기초조사. 한국축산경제연구원보고서 (K10-06/2010). 농림수산식품부, 2009, 가축분뇨자원화시설표준설계도 ( 해설서 ) 농림수산식품부, 2009, 조사료이용, 조사료수급계획 농림수산식품기술기획평가원, 2010, 우리나라바이오매스이용실태에관한기초조사 농업과학기술원, 2004, 벼재배를위한양분의종합관리 (INM) 농촌진흥청, 강창성, 2006, 지역단위친환경물질순환연구, 각시군행정통계 농촌진흥청. 국립농업과학원, 2009, 식물영양생리분야시험연구주요성과 ( ) 농촌진흥청농업과학기술원, 2006, 작물별시비처방기준 ( 개정판 )

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195 주 의 1. 이보고서는농촌진흥청에서시행한 농업과학기술개발공동연구사업 의연구보고서입니다. 2. 이보고서의내용을인용 발표할때는반드시농촌진흥청에서시행한 농업과학기술개발공동연구사업 의결과임을밝혀야합니다. 3. 국가과학기술기밀유지에필요한내용은대외적으로발표또는공개해서는안됩니다

196 < 참고 > 주요연구성과요약 연구배경 농촌지역바이오매스자원의인벤토리구축 국내유기성바이오매스발생량은연간 8 천만톤에이르고있음. - 자원의발생단계에서부터변환단계, 이용단계에이르는기초통계및 DB 의 구축이이루어지지않고있음. - 국가자원화목표및정책수립에어려움으로필요성제기 바이오매스부가가치향상을위한최적이용모델을개발은국가적으 로시급히연구되어야할과제임. 주요연구성과 농업부문바이오매스부존량에대한인벤토리작성 - 농업부산물별이론적메탄발생가능량추정 : 벼등 23 작물 바이오매스별원소분석 이론적메탄발생가능량추정및온실가스환산량산정 바이오매스종류별고위발열량분석 : 볏짚등농산부산물 27 품목 초본류 17 작물, 과수 6 작물 : 농업부산물의에너지부존량산정 온실가스잠재감축량추정 바이오매스자원관리체계구축 농업부문바이오매스잠재발생량과에너지잠재부존량산정 바이오매스잠재발생량 ( 천톤 / 년 ) 에너지잠재부존량 ( 천 TOE/ 년 ) 파급효과 지역간물질순환이용정책을위한기초자료제공 바이오매스수립 자원화 이용기술발전및관련산업활성화 어젠다 예산사업명국책기술개발 _ 핵심전략기술개발 과제번호 PJ 연구과제명농촌지역바이오매스자원의순환활용기술개발 연구자농촌진흥청국립농업과학원박우균, T ,

197 농업부문바이오매스의잠재발생량및온실가스감축잠재량추정 연구배경 국내유기성바이오매스발생량은연간 8천만톤에이르고있음. - 자원의발생단계에서부터변환단계, 이용단계에이르는기초통계및 DB의구축이이루어지지않고있음. - 국가자원화목표및정책수립에어려움으로필요성제기 바이오매스부가가치향상을위한최적이용모델을개발은국가적으로시급히연구되어야할과제임. 주요연구성과 농업부문주요농작물의바이오매스환산계수및잠재발생량산정 - 현재까지단위면적당부산물발생량으로추정 - 품종, 영농방법, 토양조건, 기상상태에따라바이오매스량도변하는문제발생 - 농작물생산량을기준으로바이오매스잠재발생량환산계수산정바이오매스잠재발생량 ( 천톤 / 년 ) = 작물생산량 ( 톤 ) 바이오매스환산계수 농업부문바이오매스자원의온실가스감축잠재량추정 [ 온실가스감축잠재량추정단계 ] [ 온실가스감축잠재량 ] 파급효과 지역간물질순환이용정책을위한기초자료제공 바이오매스수립 자원화 이용기술발전및관련산업활성화 어젠다 예산사업명국책기술개발 _ 핵심전략기술개발 과제번호 PJ 연구과제명농촌지역바이오매스자원의순환활용기술개발 연구자농촌진흥청국립농업과학원박우균, T ,