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규리 지
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1 천연가스대체수송용바이오가스의연료화개발동향 : 정제기술 오광석 이교성 윤태범 김기동 * 오영삼현대건설연구개발본부플랜트연구팀, * 한국가스공사연구개발원신에너지연구센터 Biogas as a Transport Fuel : Cleaning & Upgrading Technology Kwang Seok Oh, Kyo Sung Lee, Tae Bum Yoon, Ki Dong Kim*, and Young Sam Oh Research & Development Div., Hyundai Engineering & Construction Co., Ltd., Yongin , Korea *New Energy Technology Research Center R&D Div., Korea Gas Corporation, Ansan , Korea Abstract: 유기성바이오매스에서발생하는바이오가스는화석연료를대체하는차량연료로서각광받고있으며전세계적으로수송부문의온실가스감축수단으로바이오가스사용을확대하고있는추세이다. 국내에서도바이오가스를이용하여차량연료로활용하는사업이진행중이며앞으로꾸준한수요증가가예상된다. 바이오가스를차량연료로사용하기위해서는정제과정을거쳐야하는데주로흡수법, 흡착법, 막분리법을사용하고있으며지역적특성에맞는기술을접목시켜운용하고있다. 본논문에서는수송용연료생산을위한바이오가스정제기술에대해서살펴보고국내외사례를통한바이오가스정제사업의현황에대해서기술하였다 Keywords: biomass, biogas, vehicle fuel, purification, upgrading 1. 서론 1) 바이오가스는신재생에너지원중에서도유일하게가스연료로서사용이가능하다는장점이있다. 2010년시장분석기관인 GIA (Global Intelligence Alliance) 의보고서에따르면바이오가스비즈니스분야의 Value Chain에서가장매력도높은분야중에하나로바이오가스생산과고질화 (Upgrading) 을통한천연가스배관망주입과차량연료공급분야를선정하고향후바이오연료중에서가장매력적인수송용연료가될것으로전망하고있다. 수송용연료로서의바이오가스의중요성을기술하면다음과같다. 첫째, 바이오가스는바이오매스로부터나온연료이므로 탄소중립적 이라는장점이있다. 둘째, 가축분뇨, 음식물류폐기물등유기성폐기물의환경적처리에가장효과적인대안이자해결책이다. 셋째, 바이오가스를정제하여 저자 ( ks_oh@hdec.co.kr) 96% 이상의메탄함량을지닌바이오메탄을생산해자동차연료로이용할경우 NOx, HC, CO, PM 등대기오염물질의배출량이매우낮아대기오염방지에큰역할을한다. 넷째, 차량용대체연료중에가장경제성이탁월하다. 음식물쓰레기, 축산분뇨등폐기물을원료로이용하여생산하기때문에저렴한원료공급이가능하여경제성을확보할수있다. 이러한이유로 EU를중심으로, CNG 차량연료로바이오메탄의사용량이증가되고있다. 본고에서는바이오가스를수송용연료로생산하기위한정제기술및국내외차량연료화동향을살펴보고자한다. 2. 바이오가스정제및고질화기술바이오가스는주성분인메탄 (CH 4 ), 이산화탄소 (CO 2 ) 외에도암모니아 (NH 3 ), 수소 (H 2 ), 질소 (N 2 ), 그리고일산화탄소 (CO) 등미량가스 (trace gas) 를포함한다. 이러한바이오가스를수송용연료로사 KIC News, Volume 16, No. 2,

2 Figure 1. 바이오가스 Value Chain. Figure 2. 바이오가스의활용및바이오메탄의생산과정. 용하기위해서는 CO 2, H 2S를비롯한기타불순물을제거해야한다. 흔히원료바이오가스에포함되어기기의부식및마모를유발하는수분, 황화수소 (H 2S) 및실록산을제거하는것을전처리혹은정제 (Cleaning) 공정이라하고, 천연가스수준의열량을확보하기위해 CO 2 를분리하여메탄농도를 96 ± 1% 까지함량을높이는것을고질화 (Upgrading) 라고한다. 경우에따라두공정을합쳐정제 공정이라통칭하기도하며, 최종생산물인순수한메탄은바이오메탄이라한다. 바이오가스를수송용연료로활용하기위해서는필수적으로정제공정과고질화공정 (CH 4 함량 96% 이상 ) 이요구되는데바이오메탄생산을위한정제공정과고질화공정은다음과같다. 50 공업화학전망, 제 16 권제 2 호, 2013

3 천연가스대체수송용바이오가스의연료화개발동향 : 정제기술 Table 1. 바이오가스탈황기술 구분 건식탈황 습식탈황 원리 탈황제 ( 산화철 ) 에의한흡착제거 세정수에의한흡수세정 방법 펠릿형태의산화철을흡착탑에충진 20 1기압에서 1 m 3 의물이 2.8 m 3 의 H 2S 용해원리이용 장점 단점 초기투자비적음 비교적소규모설치용이 주기적인탈황제교체필요 폐탈황제처리시처리비용추가 H 2S 외에 CO 2 일부제거가능 초기투자비높음 폐수재생시 H 2S 발생가능 설비구성 흡착탑 ( 필요시 Lead-lag type) 흡수탑 / 순환펌프 / 약품펌프등 Table 2. 바이오가스실록산제거기술 구분흡착법흡수법심냉법 원리 활성탄흡착제거 메탄올등세정액사용 저온응축제거 특징 흡착효율향상을위해가스내수분제거필수 휘발성높은실록산의완전제거불가 효율을좋으나초기투자비가높음 제거율 99% 60% -25 : 26% -70 : 99.3% 2.1. 바이오가스정제공정정제공정에서는주로 H 2 S와실록산을제거하는데, H 2 S 제거방법은크게건식탈황과습식탈황으로구분할수있다. 건식탈황은흡착제의흡착특성을이용하여황성분을제거하는방식이다. 흡착법은습식탈황과는달리배수나배액을처리할필요가없으며, 설비비가저렴하고유지관리가쉬우며광범위한악취가스제거에효과적이라는장점이있다. 반면, 흡착제의주기적인교체가필수적이라는단점이있다. 습식탈황에는 water scrubbing과액상철킬레이트방식이있다. Water scrubbing 방식은바이오가스를세정하는방법으로써다량의세정수가발생하며액상철킬레이트방식은철킬레이트용액과바이오가스를접촉시켜고체황을만들어제거하는방식으로, 용액은순환사용가능하며일부유실분만큼만새로투입하면된다. 실록산은매립지, 하수처리장바이오가스에존재하며연료로사용했을경우실린더, 밸브등의마모를유발한다. 국내하수처리장의경우, 실록산농도는 ppm이며해외하수처리장은 ppm으로조사되었다. 국내바이오가스수송용연료품질기준에서는별도의실록산농도규제를두고있지않으나 2012년 2월에제정된도시가스품질기준에는 10 mg/m 3 으로규정하고있어반드시제거해야한다. 실록산제거기술은크게흡착법, 흡수법, 심냉법으로구분되며 Table 2에기술별특징을기술하였다. 실록산제거율은저온일수록제거율이높기때문에효율적인실록산제거를위해흡착법과심냉법을조합하여 2단으로구성된기술을사용하기도한다 바이오가스고질화기술불순물을제거한바이오가스는 CO 2 제거 ( 고질화 ) 를통해서 CH 4 함량을증가시켜수송용연료로사용이가능하다. 상용화된 CO 2 분리기술에는흡수법 ( 물, 흡수제 ), 흡착법, 막분리법이있으며법적기준, 처리용량, 주변환경을고려하여선정하게된다. Water Scrubber는 CH 4 에비해 CO 2 의용해도가높은원리를이용하여분리하는공정으로일 KIC News, Volume 16, No. 2,

4 Table 3. 실록산제거공정의구성 제거방법활성탄흡착열교환 + 활성탄흡착심냉법 + 활성탄흡착 공정구성 1 단 2 단 1 단 2 단 1 단 2 단 - 활성탄열교환활성탄심냉활성탄 바이오가스유입온도 ( ) 냉각후 10 가온 냉각후 10 가온 10 제거율 (%) 0 99 최대 최대 적용범위 실록산유입농도 (mg/m 3 ) 바이오가스유량 (m 3 /h) < 10 < > 150 > 500 특징 전처리기능없음 활성탄 bed 가커짐 활성탄소비량높음 활성탄 bed 가작아짐 활성탄 bed 최소화 실록산제거율최대 에너지비용높음 반적으로 CO 2 를일정압력조건하에서흡수하는흡수탑과물에용해된 CO 2 를감압하여탈기하는탈기공정으로구성되며이때 H 2 S도동시에제거된다. 흡수액으로사용하는물의온도가높을수록 CO 2 의흡수효율이낮아지므로흡수압력을높이거나, 흡수액의온도를낮추기위한냉각시스템이필요하다. 비교적연평균기온이낮은스웨덴, 스위스, 독일, 오스트리아에주로적용되고있다. 화학흡수법 (Selexol, Amine Scrubber) 은 Water Scrubber와동일한공정이며 CO 2 흡수제로서 Amine 계열의용매가가장많이활용되고있지만흡수제재생에사용되는열에너지를줄이기위해 Methanol, Glycol 등과같은흡수제를이용하기도한다. 화학흡수법은주로대규로용량의천연가스산업에활용되었지만최근에는바이오가스분야에도적용되고있다. 흡착법 (Pressure Swing Adsoprtion) 은 CMS (Carbon Molecular Sieve), Zeolite와같은흡착제를이용하여 CO 2 를가압흡착과감압탈착을통해분리하는공정이며비교적넓은범위의온도와압력조건에사용되기때문에다양한범위에적용성이우수하다. 흡착법은흡수법과함께가장많이보급된분리기술이다. 막분리법은멤브레인에대한기체의투과속도 차이를이용하여 CO 2 와 CH 4 를분리하는공정이다. 생산된바이오메탄의순도가낮고적용실적이적은단점이있지만기계설비가단순하여설비비가저렴하고유지보수가용이한장점이있다. 3. 바이오가스수송용연료화해외사례전세계바이오가스정제플랜트수는약 220개이며 EU에만 180여개가설치운용중이다. 이중대부분은도시가스에배관망에연계하거나수송용연료로활용되고있다. 바이오가스수송용연료화가활발하게진행되고있는 EU의국가별바이오가스정제플랜트설치현황을보면독일, 스웨덴, 오스트리아에서가장많은고질화플랜트가설치되어운영중에있다. EU 바이오가스생산량중약 2% (1.5 3 TWh) 정도가수송용연료로사용되고있지만점차적으로증가하는추세에있으며이중스웨덴 (730 GWh) 과독일 (180 GWh) 에서수송용연료로가장많이활용되고있다. 바이오가스정제를통해수송용연료로활용되고있는대표적인사례를살펴보면다음과같다. 52 공업화학전망, 제 16 권제 2 호, 2013

막분리법 Membrane 기술원리 CO 2 를압력조건에서물에흡수시키는방식 Amine 등 CO 2 흡수제를이용하여흡수 CMS( 탄소분자체 ) 의 CH 4/ CO

1% 순도 : 99% 흡수제사용으로비용증가 최근적용증가 메탄 Loss: 2 4% 순도 : 98% O&M 이용이함 H 2S 흡착제폐기물발생 적용실적다수 순도 :

Carbotech Hyundai E&C Air liquide Evonik 플랜트 Figure 3. 전세계바이오가스정제플랜트현황. 3.1.

5 천연가스대체수송용바이오가스의연료화개발동향 : 정제기술 Table 4. 고질화기술의장단점및기술보유사 항목 Water scrubbing 흡수법 Chemical absorption 흡착법 Pressure swing adsorption 막분리법 Membrane 기술원리 CO 2 를압력조건에서물에흡수시키는방식 Amine 등 CO 2 흡수제를이용하여흡수 CMS( 탄소분자체 ) 의 CH 4/ CO 2 흡착속도차이를이용 분리막을통해기체분리 장 / 단점 메탄 Loss: 2 5% 순도 : 98% 폐수발생 고온지역불리 안정성높음 실적다수 메탄 Loss: < 0.1% 순도 : 99% 흡수제사용으로비용증가 최근적용증가 메탄 Loss: 2 4% 순도 : 98% O&M 이용이함 H 2S 흡착제폐기물발생 적용실적다수 순도 : 90% 설비비저렴 적용실적미미 해외기술보유사 Marmberg Flotech Purac puregas MT-Energie Xebec Cirmac Carbotech Hyundai E&C Air liquide Evonik 플랜트 Figure 3. 전세계바이오가스정제플랜트현황 스웨덴스웨덴은바이오가스생산및사용을성공적으로보급한국가중하나로써, 바이오가스플랜트 중약 60% 가하수슬러지를원료로하고있으며, 이밖에매립지가스, 가축분뇨, 농업부산물도이용되고있다. 1995년 Trollhättan 지역에바이오가스 KIC News, Volume 16, No. 2,

Figure 4. Malmberg Water 社의 Water Scrubber 정제시 스템. Figure 5. Flotech 社의 Water Scrubber 정제시스템. 차량연료화를위한 200 Nm 3 /hr급정제시설을도입한이후현재까지 (2009년기준 ) 약 47여기의바이오가스정제시설을운용하고있다.

스웨덴내가장큰규모의바이오가스정제시설인 Örebro의 2000 Nm 3 /hr급시설은 Water Scrubber방식을채택하고있지만각정제방식에따른적용규모는 Chemical Scrubber방식이가장크며, Water Scrubber, PSA 순으로적용규모가작다.

2009년통계에따르면스웨덴에는약 11000대이상의가스충전차량이운행중이며연간약 100만 Nm 3 의바이오가스가차량연료로소비되는것으로알려져있다. 또한, 이들차량을위한바이오가스충전소는공공충전소 82개소와민간충전 Figure 6. 바이오가스차량충전소. 소 27개소가설치되어있다.

6 Figure 4. Malmberg Water 社의 Water Scrubber 정제시 스템. Figure 5. Flotech 社의 Water Scrubber 정제시스템. 차량연료화를위한 200 Nm 3 /hr급정제시설을도입한이후현재까지 (2009년기준 ) 약 47여기의바이오가스정제시설을운용하고있다. 이중약 80% 는바이오가스를차량연료로사용하기위한목적으로운전되고있으며, 나머지약 20% 는도시가스배관망주입을목적으로하고있다. 스웨덴의경우, 약 70% 의정제시설에서 Water Scrubber방식을채택하고있으며뒤이어 PSA방식이 18%, Chemical Scrubber방식이 12% 순으로적용되고있다. 스웨덴내가장큰규모의바이오가스정제시설인 Örebro의 2000 Nm 3 /hr급시설은 Water Scrubber방식을채택하고있지만각정제방식에따른적용규모는 Chemical Scrubber방식이가장크며, Water Scrubber, PSA 순으로적용규모가작다. Water Scrubber 방식의정제시스템은 Malmberg Water 社, 그리고 Flotech 社가주도적으로이끌어가고있다. Flotech 社의정제시스템은우리나라서남하수처리장에적용실적이있어국내에잘알려져있다. 2009년통계에따르면스웨덴에는약 11000대이상의가스충전차량이운행중이며연간약 100만 Nm 3 의바이오가스가차량연료로소비되는것으로알려져있다. 또한, 이들차량을위한바이오가스충전소는공공충전소 82개소와민간충전 Figure 6. 바이오가스차량충전소. 소 27개소가설치되어있다. Stockholm과 Gothenburg를연결하는 Biogas Highway에는 2009년에 7개의충전소가추가로설치되어바이오가스차량보급을장려하고있으며 Stockholm에직장을가지고있는 Mälardalen 시민들을위해두도시간에충전소를추가적으로구축할계획이다. 가스차량은일반차량보다일반적으로 비싸지만정부에서가스차량구매시약 1100 의보조금을지급해주고있다. 차량구매보조금뿐만아니라스웨덴정부는다양한정책으로바이오가스차량연료화를장려하고있다. 바이오가스차량구매자에게면세혜택을주고있으며, 시내혼잡통행료면제, 시내공용주차장무료혜택도제공하고있다. 차량연료자체에대해서도바이오가스연료에면세를적용하고있다. 이와같은장려정책을통해스웨덴정부 54 공업화학전망, 제 16 권제 2 호, 2013

7 천연가스대체수송용바이오가스의연료화개발동향 : 정제기술 Table 5. 차령연료별세금부과율 (SEK: Swedish Krona, 1 SEK 170 KRW) 연료종류 세금부과율 휘발유 SEK/kWh 경유 SEK/kWh 천연가스 SEK/kWh 바이오메탄 0 SEK/kWh 는 2020년까지모든차량에화석연료사용을전면금지하도록규정하고있다 독일독일은총 5000여개의바이오가스플랜트를보유하고있으며, 바이오가스플랜트의수는매년증가하는추세에있다. 대부분의바이오가스플랜트는에너지공급회사에의해운영되고있으며, 바이오가스판매회사에의해소비자에게운송되고판매된다. 2012년기준으로바이오가스정제플랜트는 127 개소이고, PSA, PWS, Amine Scrubber, Genosorb, Membrane 등다양한바이오가스고질화기술을사용하고있다. 이중 PSA는 32개소, PWS는 40개소, Amine Scrubber는 47개소, Genosorb는 8개소의플랜트에설치운용중에있다. Carbotech 社와 Bergwerksverband GmbH는 PSA 분야에서세계적인경쟁력을보유하고있는업체로써, PSA의설계및제작에서부터흡착제인 CMS제조분야까지수직계열화를이루고있는것이특징이다. 바이오가스정제에최적화된 CMS 를표준화하여판매하고있으며전세계적으로많은바이오가스정제플랜트적용실적을보유하고있다. 최근에는 Amine계열의흡수액을사용한 Chemical Scrubber법의일종인 MEA법을개발하여사업을확장시켜나가고있다. 자동차메이커인 Volkswagens 社도바이오가스차량연료화사업에참여하고있다. 현재바이오가스충천차량보급뿐만아니라 Raiffeisen Warengenossenschaft eg 社와함께바이오가스차량연료충전소를운영하고있으며, 바이오가스에대한자체브랜드인 SunGas R 를만들어판매하고있다. 독일은그동안높은발전차액보상으로인하여대부분의정제된바이오메탄이가스관망을통해열병합발전소에서소비되었지만최근에는수송용연료로의활용에도많은노력을기울이고있다. 바이오가스를차량연료로사용하는경우, 2015년까지면세가가능하며바이오가스 20% 에천연가스 80% 를혼합하여사용해도세금을면제해주고있다. Figure 7. 독일의바이오가스정제플랜트개수의변화. KIC News, Volume 16, No. 2,

1000개의바이오정제플랜트를새로도입할계획을수립하고있다. 3.3. 오스트리아 오스트리아의바이오가스플랜트는총 600 개이며바이오가스는매년 2 억 6 천만 4 억 1 천만 Nm 3 를생산하고있다.

8 Figure 8. Carbotech 社의 PSA 공정도. Figure 10. SunGas 충전소. Figure 9. Volkswagen 社의천연가스자동차. 독일정부는 2020년까지 60억 Nm 3, 2030년까지 100억 Nm 3 의천연가스를바이오가스로대체하겠다는목표를세우고있으며, 이를위해향후 100억 를투자하여약 1000개의바이오정제플랜트를새로도입할계획을수립하고있다 오스트리아 오스트리아의바이오가스플랜트는총 600 개이며바이오가스는매년 2 억 6 천만 4 억 1 천만 Nm 3 를생산하고있다. 바이오가스의생산원료로바이 오폐기물, 하수, 퇴비, 에너지작물을사용하고있 으며, PSA, Amine Scrubber, Membrane 기술등 을활용하여 5 개소의정제플랜트를운용하고있 다. 천연가스배관망으로공급하는바이오메탄은 56 공업화학전망, 제 16 권제 2 호, 2013

9 천연가스대체수송용바이오가스의연료화개발동향 : 정제기술 매년 80만 Nm 3 에달하며, 수송용연료로는매년 30만 Nm 3 을사용하고있다. 향후바이오메탄의수송연료사용비중을지속적으로증가시킬계획이다 스위스스위스는 2009년기준으로총 130여기의바이오가스플랜트가가동중에있으며, 연간생산량은약 630만 Nm 3 로추산되고있다. 이중총 17개소에서바이오메탄생산시설이운영되고있고, 최대규모는 300 Nm 3 /hr급으로써모두중소형규모위주로적용이이루어졌다. 바이오메탄생산시설의 85% 는차량연료생산하고있으며나머지 15% 는천연가스배관망공급용으로사용되고있다. 고질화기술로는 PSA방식약 70% 를차지하고있고, Genosorb Scrubber가약 25%, Chemical Scrubber가나머지 5% 를차지하고있다. Zurich에만모두 5기의플랜트가있으며, 1200대의차량을운용할수있는바이오메탄을생산하고있다 미국미국의경우, 2009년까지정제시설이적용된곳은총 10개소이며, 이중 9개소가매립지가스를대상으로하고있고대부분대용량의고질화시설이설치되었다. 최대규모의시설은 Staten Island (NY) 에설치된 Nm 3 /hr급시설이다. 정제시설 10개소중 9개소는차량연료를생산하고있으며, 1개소만도시가스배관망주입을하고있다. PSA법, Membrane 법, Selexol법, Krysol법등다양한정제법이적용및운전되고있는것이특징이다. 최근에는 Altamont Landfill, 그리고 SWACO Landfill에서각각 LNG, CNG 연료를생산하여차량연료로사용하는실증프로젝트가진행중이며경제성확보가가능한소규모바이오가스정제및고질화시스템에대한연구도병행하고있다 영국영국은기후변화방지를위한온실가스감축에적극적으로대응하기위하여바이오메탄을가정 용천연가스의 50% 를대체하기로하였다. 이를위해 BG (British Gas) 사는 2010년에 5개의바이오메탄생산및도시가스배관망주입실증사업에착수하였고, 원료바이오가스확보를위해템즈강수처리기관과공동사업협력을체결하였다. 한편, 영국기후변화담당부처는영국내폐기물을이용하여전체영국가스수요의최대 15% 를바이오메탄으로대체할수있을것으로전망하고있다. 그리고영국민간부문에서도정부의이러한정책에발맞추어매립가스를정제하고이를액화한액체바이오메탄 (LBG) 를생산하여대형트럭연료로활용하고있다. 그러나영국은천연가스자동차보급률이매우낮아바이오연료의활성화를위해서는천연가스자동차보급률확대가함께수반되어야할것으로보인다. 4. 바이오가스수송용연료화국내사례국내에서도 4 5년전부터해외기술을도입하여, 서남하수처리장차량연료화사업 (2010), 수도권매립지차량연료화사업 (2011) 등바이오가스정제플랜트사업을추진하고있다. 바이오가스정제사업은 2009년대체천연가스에바이오가스를포함시키는법령을제정하고 2011년차량연료로서의바이오가스품질기준을마련하는등법적인기반이마련되고있으며한국가스공사, 현대건설이국내기술로상용급바이오가스정제플랜트개발및수송용연료생산에대한실증을진행하고있다 한라산업개발한라산업개발은수도권매립지관리공사가 2009 년 8월에발주한 600 Nm 3 /hr 용량의바이오가스자동차연료화사업자로선정되면서바이오가스정제분야에적극적으로참여하고있다. 수도권매립지에설치되는바이오가스정제시설은 Xebec ( 캐나다 ) 社의 R-PSA (Rapid-PSA) 기술을도입하였다. 기존 PSA와달리하나의로타리밸브를채용해컴팩트한것이장점이다. 메탄고질화공정 KIC News, Volume 16, No. 2,

/ 천연가스배관연결 에코에너지홀딩스 CNG 210 서울서남하수처리장 Water scrubbing Flotech CNG 버스 현대건설 / 한국가스공사 CNG 250 원주하수처리장 VPSA 자체 CNG 차량 Figure 12. Flotech 社의 PWS 공정도.

서울시서남하수처리장의하수슬러지혐기성소화조에서발생하는바이오가스를정제및고질화하여차량연료로이용하는사업을진행하고있으며, 바이오메탄서울 ( 에코에너지홀딩스 70%, SBI 15%, 서남환경 5%, Greenlane Biogas 10%) 의설립을통해 2009년 5

10 Table 6. 국내바이오가스수송용연료프로젝트현황 시공사 최종생산물 바이오가스사용량 (Nm 3 /hr) 설치지역 CO 2/CH 4 분리공정기술공급선수요처 한라산업개발 CNG 600 수도권매립지 Rapid pressure swing adsorption Xebec CNG 버스 / 천연가스배관연결 에코에너지홀딩스 CNG 210 서울서남하수처리장 Water scrubbing Flotech CNG 버스 현대건설 / 한국가스공사 CNG 250 원주하수처리장 VPSA 자체 CNG 차량 Figure 12. Flotech 社의 PWS 공정도. Figure 11. 수도권매립지차량연료화시설. 의 1단에서는회수율이 80% 초반으로, 회수율을 95% 이상높이기위해서는 2단의 R-PSA를두는것이단점이었으나, 최근에는 Vacuum 시스템을적용하여 1단으로사용하고있다 에코에너지홀딩스국내최초로하수슬러지에서발생하는소화가스를연료 ( 도시가스, CNG 버스 ) 로전환하는바이오메탄사업을진행하고있다. 서울시서남하수처리장의하수슬러지혐기성소화조에서발생하는바이오가스를정제및고질화하여차량연료로이용하는사업을진행하고있으며, 바이오메탄서울 ( 에코에너지홀딩스 70%, SBI 15%, 서남환경 5%, Greenlane Biogas 10%) 의설립을통해 2009년 5 월상업운전을개시, 하루 2940 m 3 의바이오메탄을현재생산하고있다. 고질화기술은 Flotech 社의 PWS (Pressurized water scrubber) 방식이도입 Figure 13. 서남하수처리장의정제플랜트. 되었다 현대건설현대건설은 2009년부터바이오가스의연료화를위한정제및고질화기술의국산화개발을목적으로바이오가스정제플랜트에대한시장성및기 58 공업화학전망, 제 16 권제 2 호, 2013

천연가스대체수송용바이오가스의연료화개발동향 : 정제기술 (A) (A) (B) Figure 14.

250 Nm 3 /h 급상용바이오가스정제플랜트 ( 원 주하수종말처리장 ). 술수요조사에착수하였다.

11 천연가스대체수송용바이오가스의연료화개발동향 : 정제기술 (A) (A) (B) Figure Nm 3 /h 급바이오가스파일럿플랜트전처리 시스템 (A), VPSA 장치 (B). (B) Figure Nm 3 /h 급상용바이오가스정제플랜트 ( 원 주하수종말처리장 ). 술수요조사에착수하였다. 조사결과를기반으로 VPSA (Vacuum Pressure Swing Adsorption) 방식의 20 Nm 3 /h급바이오가스정제파일럿플랜트를제작하여인천청라사업소에설치, 음폐수에서발생하는바이오가스를대상으로 2010년부터운영을시작하였다. CO 2 분리공정으로 Xebec 社의 R-PSA 장치를도입하였으나바이오가스정제기술의핵심을외국기술에의존함으로써발생하는문제점 ( 기술의존, 가격경쟁력저하, 유지보수관련문제 ) 으로인해국산 PSA 장치의개발의필요성이대두되었다. 이에따라한국가스공사, 강원도, 현대건설, 맑은서울자동차의 4개기관이공동으로 2010년에 바이오가스차량연료화연구 에착수하였고, 현대건설은국산 VPSA 장치및흡착 제개발분야의연구를수행하였다. 20 Nm 3 /h 급바이오가스정제파일럿플랜트에서도출한설계인자 ( 온도, 압력, 시간 ) 와시스템을보완하여국내최초로원주하수종말처리장에국산화된 250 Nm 3 /h급바이오가스정제플랜트를건설, 운용중이다. 5. 맺음말 EU 등의선진국에서는바이오가스를고순도로정제한바이오메탄을천연가스의일부로대체할수있음을인식하고이에대한많은기반연구, 개술개발및실증프로젝트를통해현재는사업성숙기에접어들고있다. 이에따라국내에서도바이 KIC News, Volume 16, No. 2,

12 오가스가정부의온실가스감축을위한유력한수단임을인식하고관련법령제정등을통해확대보급을장려하고있다. 이러한바이오가스정제산업을활성화하기위해서는첫째, 수송용연료로서바이오메탄의품질기준을현실적으로적용할필요가있다. 국내수송용바이오메탄품질기준 (11년 3월고시 ) 은 CH 4 95% 이상, 불활성가스 (CO 2, N 2 등 ) 5.0% 이하, 수분 32 mg/nm 3 이하, 그리고황분 10 ppm 이하를만족하여야하는데국내에서운영되는혐기조의경우, 노후화및미숙한운영으로인해바이오가스성분에는함량의차이는있지만공기가포함되어있는경우가많다. 이는생산된바이오메탄의품질저하요인으로작용하여 ( 특히 N 2 성분 ) 바이오가스정제플랜트의사업성을약화시키는원인이될수있다. 따라서개선공사전의하수 ( 음식물 ) 처리장에서생산되는바이오메탄이라할지라도차량연료로서문제가없다면바이오메탄품질기준을탄력적으로적용하여수송용연료로서의활용을극대화시켜야한다. 둘째, 바이오가스정제사업에대한인허가절차는안전성확보및원활한사업진행을위하여체계적으로구성되어야한다. 셋째, 사업확대기에있는국내바이오가스정제산업에민간기업이적극적으로참여할수있는여건이조성되기위해서정부는바이오가스이용에대한인센티브를도입하여협력자, 감시자의역할을해야한다. 이외에도관련사업자는경쟁력있는플랜트를구축, 운영을통해정제플랜트의신뢰성및실적을확보하여해외진출의발판으로삼을수있도록노력해야한다. 참고문헌 1. Environmental ministry, UK (2010). 2. J.K. Lee, KGU News, Autumn, 32 (2009). 3. P. Tobias and S. Mattias, IEA Bioenergy Conference (2012). 4. M. J. Torressani, 5 th AgSTAR National Conference (2010). 5. M. Christian, Energie-Cités (1999). 6. M. S. Bae, 9 th Biogas Forum (2011). 7. Y. K. Lim, Appl. Chem. Eng., 23, 125 (2012). 8. Environmental Ministry, Korea (2011). 9. M. J. Torresani, 15 th Annual USEPA LMOP Conference (2012). 10. D. Fenn, 6 th Annual AgSTAR National Conference (2011). 11. P. Erikson, volvo (2007). 12. L. Iriarte, 6 th Framework Programme (2007). 13. T. Persson, IEA Bioenergy Conference (2012). 14. NSCA (2006). 15. P. Weiland, Digestate and Biogas Utilization (2010). 16. DENA (2010). 17. Focus on Biomathane (2012). 18. K. S. Oh, C.H Chang, K.S. Lee, K.D. Kim, and J. D. Jung, Mechanic Journal, 50, 39 (2010). 60 공업화학전망, 제 16 권제 2 호, 2013

화학공학과박사 2008 현재 현대건설연구개발본부 선임연구원 이교성 1995

13 천연가스대체수송용바이오가스의연료화개발동향 : 정제기술 오광석 2000 중앙대학교화학공학과학사 2002 연세대학교화학공학과석사 2008 KAIST 화학공학과박사 2008 현재 현대건설연구개발본부 선임연구원 이교성 1995 충북대학교환경공학과학사 1995 현재 현대건설연구개발본부 책임연구원 윤태범 2006 서울시립대학교화학공학과학사 2009 서울대학교화학생물공학부석사 2009 현재현대건설연구개발본부선임연구원 김기동 1992 한양대학교화학공학과학사 1994 POSTECH 화학공학과석사 대림엔지니어링기술연구소 1996 현재한국가스공사연구개발원책임연구원 오영삼 1992 아주대학교대학원에너지학석사 1999 아주대학교대학원에너지학박사 1993 현재한국가스공사연구개발원책임연구원 KIC News, Volume 16, No. 2,

슬라이드 1

슬라이드 1 수도권매립지바이오가스 자동차연료화사업 2011. 06. 29 자동차연료화사업 Ⅰ 바이오메탄생산시장동향 Ⅱ 바이오가스정제및고질화기술 Ⅲ 수도권매립지자동차연료화사업 보급현황 현재전세계가동바이오가스정제시설중 85% 가 EU 에서가동중 국가명 플랜트수 ( 기 ) 오스트리아 5 캐나다 1 프랑스 2 독일 35 일본 2 노르웨이 3 네덜란드 6 스페인 2 한국 3 스웨덴