수송용바이오메탄기술현황 이종규 에너지자원연구본부 ( 재 ) 포항산업과학연구원

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해령 맹
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1 수송용바이오메탄기술현황 이종규 에너지자원연구본부 ( 재 ) 포항산업과학연구원

2 목차 1. 바이오가스개요 2. 수송용바이오메탄정책현황 3. 바이오메탄제조기술현황

3 재생에너지인바이오가스 바이오가스연소시발생되는 CO 2 는도시가스나석유등의화석연료와는달리온실효과가스로서인식되지않는 carbon neutral 한청정에너지. Renewable Fossile Biogas = CH 4 = Natural Gas CO 2 ADG LFG (CH 4 ) CO 2 광합성반응 음식물쓰레기하수슬러지매립쓰레기가축분뇨 유기성폐자원 혐기성소화반응 ( 발효 )

4 바이오가스로부터바이오메탄 바이오메탄 농수산물 CH 4, CO 2 바이오매스 Fermentation Upgrading CH 4 목질계 바이오매스 1 st Generation Biogas CH 4, CO 2 유기성폐자원 바이오매스 Gasification Methanation Upgrading CH 4 2 nd Generation Biogas

5 바이오연료별기술개발현황 Bio-SG Biogas (ref. IEA, 2011)

6 바이오가스기술개발로드맵 구분 IEA 로드맵국내로드맵 바이오가스 ( 혐기성발효 ) 년까지생산효율증대 년까지바이오가스증산및정제, 액화기술개발 년까지시범보급 바이오 SG (Synthetic Gas) 년까지 1 차상용플랜트기술개발 -2015~2025 년보급추진 년이후변환효율증대 년까지바이오 SG 생산기술실증 년까지상용화 년까지생산기술고도화 정제공정연계 년까지연계공정을통한생산추진 - 한솔이엠이는바이오가스를정제하고액화시켜액화바이오메탄생산할수있는기술을개발 - 한국가스공사는흡착법을통한바이오가스정제기술을개발중 - 한국화학연구원은멤브레인을이용한바이오가스정제기술개발추진중 - 일부기업들은해외의바이오가스고질화기술을도입하여현재수도권매립지등에플랜트를설치중

7 수송용바이오연료의성능평가 ( 전제조건 ; 1 헥타르수확량기준 )

8 수송용에서 CO 2 저감대책 (Ref. CCFA-Dossier emission de CO2, 2008)

수송용바이오메탄의배출가스특성 NOx PM CO 2 구입비용 운영비 합계 Natural gas 3 3 1-2 1 6 Biogas 3 3 3-2 1

CBG; Compressed BioGas; 압축바이오가스 ) ㆍ환경친화적이고재생가능함. ㆍ바이오가스는상업화가능한자연순환형청정연료.

9 수송용바이오메탄의배출가스특성 NOx PM CO 2 구입비용 운영비 합계 Natural gas Biogas Propane Biodiesel(10%) Ethanol(10%) ( CBG; Compressed BioGas; 압축바이오가스 ) ㆍ환경친화적이고재생가능함. ㆍ바이오가스는상업화가능한자연순환형청정연료. ㆍ인프라구축이용이하고확산가능. ㆍ첨가제없이즉시사용할수있음. ㆍ하수처리장을핵으로한바이오도시구축실현. ㆍ일자리창출. H 2 Fuel Cell

10 수송용바이오메탄의기대효과 환경적인측면 ü대기오염물질배출저감에의한대기질개선효과 - 천연가스와바이오가스을연료로한버스는디젤연료에비하여 PM와 NOx와같은대기오염배출물질규제를충족할수있는연료이고, 특히도시지역에서중요한연료로사용될것이다. ü온실가스저감효과 - 유럽의 CONCAWE의조사결과에의하면, 바이오에탄올과바이오디젤은화석연료인디젤에비해 CO2발생량이 30-60% 저감할수있지만, 바이오가스는 % 까지저감할수있다. - CNG는화석연료인천연가스이지만, 자연순환형바이오천연가스에서는온실가스발생이전혀없다. 경제적인측면 용도 Biogas flow Investment costs (2003 년유럽기준임 ) 바이오가스가치 (1Є = 1300 원 ) CHP( 열병합 ) > 100Nm3/hr ücost for boiler; 150kЄ üoperating cost; 35kЄ/yr üreturning time; <1year 0.24 Є/Nm3 (312 원 /Nm3) Electricity( 전기 ) >400Nm3/hr üinstalled cost; 1.5~1kЄ/kW(150~1000kW power) üreturning time; 4.5 year ( 700m 3 /yr gas engine, 4760 running hours) üselling price; 75cЄ/kWh 0.15 Є/Nm3 (195 원 /Nm3) Fuel( 연료화 ) >50m3/hr (8 bus or 32 car 에공급할수있는 50m 3 /hr 인경우 ) üinvestment cost; 0.6 MЄ üoperating cost; 60 kє/yr üselling price; 0.5 Є/m3 üreturning time; 10 years 0.47 Є/Nm3 (611 원 /Nm3) 10

국내바이오메탄수송용연료화현황 환경부바이오가스에너지화사업추진 음식물폐기물폐수, 하수슬러지, 축산폐수, 목질류등유기성폐기물의혐기성소화를이용하여메탄가스또는수소가스를생산하여에너지회수 하수슬러지해양투기금지및기준강화로육상처리필요 혐기성소화조의메탄가스발생량을에너지원으로활용하는방안, 혐기성소화조를개선하여메탄가스발생을증가시키는방안, 발생된메탄가스를정제하여연료화방안

11 국내바이오메탄수송용연료화현황 환경부바이오가스에너지화사업추진 음식물폐기물폐수, 하수슬러지, 축산폐수, 목질류등유기성폐기물의혐기성소화를이용하여메탄가스또는수소가스를생산하여에너지회수 하수슬러지해양투기금지및기준강화로육상처리필요 혐기성소화조의메탄가스발생량을에너지원으로활용하는방안, 혐기성소화조를개선하여메탄가스발생을증가시키는방안, 발생된메탄가스를정제하여연료화방안 ` l 서울특별시서남물재생센터바이오가스차량연료화사업 -스웨덴 Flotech기술도입에의한바이오가스고질화시설설치 l 강원도바이오메탄의자동차연료화사업 -스웨덴 Flotech기술도입에의한바이오가스고질화시설설치 l 수도권매립지관리공사매립가스자동차연료화사업 - 기술도입에정제및고질화시설설치예정 *RFS( 신재생연료의무혼합제도 ) 발효시바이오메탄의수송용연료소비촉진

12 스웨덴 Göteborg 시의친환경교통정책 l 다른도시들의본보기가되는 Göteborg시는친환경적으로지속가능한교통정책의모델임. l 세금감면, 환경세, 규정, 캠페인등여러가지인센티브를통하여 BCNG의사용을촉진하기위한바이오가스활성화프로그램 (Biogas Väst Project) 을만들었음. l Göteborg시의클린자동차프로그램 (clean vehicle program) 은매우성공적이었다. 300대의도시버스중 27% 가 CBG로운행되고있고증가추세이며자동차의 50% 가클린자동차임. l 2004년까지클린자동차의신규구입은 2~3% 이지만, 2020년까지의목표는 50% 임. l 10년이상된트럭은시내에서찾아볼수가없음. 정부부여혜택 ( 클린자동차란 NGV 와 CBGV 을말함 ) ü 무료주차 ü 클린택시우선권부여 ü 비클린택시환경세부과 ü신규구입클린자동차의무할당제 ü클린자동차의대중교통화 ü시내에서낡고, 오염발생트럭운행규제 ü개인구입자및판매자에게클린자동차의정보를알리는캠페인실시 시행결과 ( 연료별세금현황 ) NG ($/kwh) Biogas ($/kwh) Heating Electric Power Vehicle Fuel Ø 자동차용바이오가스연료는정부차원에서비과세임. Ø 바이오가스는가솔린보다 30% 저렴하여, CBG 는 2004 년현재 USD $3.5/ 갤론이고, 가솔린은 USD$5.0/ 갤론임, Ø1995 년부터 10 년간시행한결과, 2003 년에판매금이 USD $7million 이고, 이중수익금이 10% 임.

13 바이오메탄생산기술 Biogas Plant Biogas 바이오가스정제 ( Purification ) CH 4, CO 2 바이오가스고질화 ( Upgrading ) Biomethane H 2 S, Siloxane CO 2 흡수기술 흡착기술 흡수기술 흡착기술 막분리기술 심냉분리기술 용어의정의 (1) 바이오가스정제 ; 바이오가스중불순물 (H 2 S, siloxane, etc) 제거 (2) 바이오가스고질화 ; 바이오가스중 CH 4 의함량을 90% 이상 ( 천연가스 ) 높이는것

N2, Siloxane Biogas from Food waste 60~80 20~40 >1000

14 바이오가스구성성분 Gas Type CH 4 vol% CO 2 Vol% H 2 S ppm Others ADG 60~70 30~35 < 1500 Siloxane LFG 40~60 40~60 < 100 O2, N2, Siloxane Biogas from Food waste 60~80 20~40 >1000 Siloxane 실록산 (Siloxane) 개요 Siloxane = Silicon + Oxygen + methane

15 바이오가스정제기술 H2S 정제기술 실록산정제기술 건식흡착탈황기술 Biogas Air 건식흡착기술 습식흡수탈황기술 Fe 2 O 3 (s) + 3H 2 S Fe 2 S 3 (S) + 3H 2 O( 발열반응 ) 습식흡수기술냉각기술 (-75 ) 미생물탈황기술 건식흡착 / 재생기술 경제적이고, 성능이우수하며유지관리가좋은기술?

16 바이오가스고질화기술 고압수 ( 水 ) 흡수 / 재생기술 ; 용해도차이용 ( 헨리의법칙 ); 압력에증가, 온도에감소 고압흡착 / 재생기술 ; 미세기공의흡착제이용

17 (1) 고압수흡수 / 재생기술 < 물에의용해도 (STP)> 성분 용해도 (g/l) CO H2S 7.1 CH

18 (2) 고압흡착 / 재생기술

19 막분리기술 ; 분리막에있는미세기공이용 ; Fick s Law 심냉분리기술 ; CH 4 /CO 2 의어는점차 (-162 / -78 ) 를이용

20 바이오메탄고질화기술별경제성 (Carbtech-PSA, Flotech &Malmberg-Water Srcubber MT Energie; Amine scrubber) 바이오메탄생산용량에따라고질화기술선정필요 (Ref. Fraunhofer, 2008)

21 수송용연료화사업사례 (1) 실패사례원인 Ø 1994 년프랑스 charmbery 에서하수처리장에서발생하는소화가스의고질화 (Upgrading) 후승용차연료화사업사례 민간기업의순수자본을 100% 투자한바이오가스자동차연료화사업은경제적인고질화설비 (Upgrading Facility) 공정기술미확보, 투자수익저조, 운영자금부족으로인하여사업시행후 2 년만에중도포기 Ø 1980 년뉴질랜드 Christchurch 에서하수처리장에서발생하는소화가스의고질화 (Upgrading) 후승용차연료화사업사례 년까지자동차연료화추진후전기생산으로사용용도변경 - 바이오가스연료가격보다매우싼디젤연료와의경쟁에서디젤연료우선선호 - 바이오가스충전소인프라구축부족 Ø 1990 년프랑스 Tours 에서하수처리장에서발생하는소화가스의고질화 (Upgrading) 후승용차연료화사업사례 - 지방정부조직의미지원으로인한포기 - 프랑스에서는최초이지만새로운아이디어의인식부족

22 수송용연료화사업사례 (2) 성공사례원인환경적인측면 ü 프랑스의릴레 ( 98), 로마시 ( 99) 에서버스연료로서디젤, LNG 에비하여바이오가스의대기오염물질발생적음. 고객측면 g/km CO Hydrocarbon NOx CO 2 Particles Diesel LNG Biogas ü 시민과운전자에게대기오염물질배출저감 ü 운전자에게바이오가스연료에의한승차감만족 ü 시민에게악취성물질배출저감 ü 시민의 96% 가바이오가스자동차의성능만족 ü 스톡홀름시민의 2/3 가바이오가스자동차연료가격만족 경제성측면 ü 높은투자비, 열및전기생산에비해회수기간이길기때문에정부주도하에서추진되고있음. ü 기존바이오가스플랜트 ( 하수처리장소화조 ) 의활용 ü 가스생산설비와충전소의짧은거리 ü 세금감면, 무료주차, VAT 감면등기타세제조치에의한바이오가스선호정책 ü 바이오가스사용에대한지구온난화환경세부담감소

23 바이오메탄수송용연료사례 (1) ( 서울서남하수처리장 ) ( 일본고베하수처리장 ) 처리수 메탄이산화탄소 처리수 바이오천연가스 흡수탑 소화가스 하수오니처리설비 소화가스정제설비 소화가스정제원리 ( 스웨덴기술적용 ) 45kW 콤푸레샤 ( 바이오가스공급용 ) 저장탱크공급용승압장치메탄가스저장용중압탱크자동차공급설비 (Dispenser)

24 바이오메탄수송용연료화사례 (2) ( 수도권매립지관리공사 ) ( 캐나다 PSA 공법적용 )

25 바이오메탄수송용연료화사례 (3) ( 난지도매립장 ) 가스정제메탄개질수소분리수소압축 / 저장차량충전 CH 4 +2H 2 Oà 4H 2 + CO 2 수소생산량 ; 30 Nm 3 /hr 수소압축 / 저장 ; 41.5 Mpa, 160kg 수소충전 ; ~2kg/min, 35Mpa 수소연료전지자동차실증운행 ( 11.4 ~ 13. 3) ( 현대자동차, 모하비 19 대, 투산 14 대 )

26 바이오메탄품질기준 < 대체천연가스품질기준 > < 자동차연료제조기준 > 항목 제조기준 메탄 ( 부피 %) > 95.0 수분 (mg/nm 3 ) < 32 황분 (ppm) < 10 불활성가스 (CO 2, N 2 등 ) ( 부피 %) < 5.0 ( 환경부령 407 호대기환경보전법시행규칙일부개정령 ) 항목 허용범위 표준열량 MJ/m 3 (10,400 kcal/m 3 ) 웨버지수 52.75~57.77 MJ/m 3 (12,600~13,800kcal/m 3 ) 황화수소 < 5mg/m 3 전유황 < 30mg/m 3 N 2 탄화수소이슬점 수분이슬점 불순물 NH 3, Hg, Cl, F, siloxane, 할로겐화합물 1.0mol% 이하 < -2 (85 bar) < -10 (85 bar) Free of dust & liquids Technical free

27 전세계천연가스수급현황및전망 Change in World LNG Trade Flows 2000(left) and 2030(right)

28 유럽의바이오가스활용계획 (2020) Biogas

29 수송용바이오메탄의전망 Biogas Plant Biogas Purification End User 바이오메탄경제사회 Gas Upgrading Natural Gas CO2 CH 4 Transport LNG grid Line Connection Reformin g Reformer (Wet or Dry) H 2 Hydrogen Fuel Cell Vehicles 지속가능수소경제사회

30 Environment = Energy 환경이에너지를창출한다. 앞으로의세대를위하여보다아름답고환경을배려한에너지개발 Biogas a possibility in the future 감사합니다.

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