기후변화협약대응산림부문학술심포지엄 목질계바이오에너지의 이용현황및전망 최인규 서울대학교농업생명과학대학산림과학부
바이오에너지 바이오에너지란? 유기물 ( 주로식물체 ) 및동유기물을소비하여생성되는모든생물유기체 ( 바이오매스 ) 의에너지 생산기술 생물유기체를가스, 액체혹은고형연료로변환하거나이를연소하여열, 증기혹은전기를생산하는데응용되는화학, 생물, 연소공학등 바이오에탄올, 바이오가스, 바이오디젤등의형태 ( 에너지관리공단신 재생에너지센터, http://www.knrec.or.kr)
바이오에너지 자원 방법 생산물 건조바이오매스 ( 조림부산물, 폐목재 ) 직접연소가스화 열, 전기, 가스연료, 메탄올, 암모니아, 기름, 가스, 목탄 바이오매스 함수바이오매스 ( 분뇨, 폐액, 수초 ), 탄수화물 당분, 전분, 셀룰로오스 혐기성발효, 화학전분해 물리화학적, 생물학적분해, 생물학적전환 메탄, 에탄올 에탄올 에너지식물바이오매스, 물 추출, 분해광합성반응 탄화수소, 유지수소 바이오연료 사탕수수 유채, 대두, 팜, 폐유 화학반응, 발효 화학적, 생물학적기계적점도제거 바이오에탄올 바이오디젤 바이오가스 목질계바이오매스 음식및도축폐기물 ( 축산폐기물 ) 열을이용한소각 발효 생산된가스및열을이용한냉ㆍ난방및전기생산 메탄가스의열및전력생산 매립지가스 자연생성 메탄가스의열및전력생산
목질계바이오에너지의이용 고형연료화 목탄, 펠릿 열 액화 바이오에탄올, 바이오오일 수송연료 가스화 합성가스 합성 메탄올 전력 직접연소 열 바이오정제 유용물질 화학, 의약
목질계바이오에너지장점 재생가능 막대한자원량 저장성, 대체성 Carbon neutral 목질계바이오에너지단점 Low heat value 원료의형태다양 : 가공기술다양화 원료의산재 : 수집, 관리문제 계절적변동성 : 안정적공급문제
목질계바이오에너지이용효과 에너지원다변화를통한국가에너지자원확보 기후변화협약관련 바이오매스에너지이용시 CDM사업을통해탄소배출권획득가능 바이오에탄올사용시휘발유대비 TOE당 1.8~2.9t 이산화탄소저감효과 교토의정서발효후탄소배출권가격두배상승 2013년에는 40유로 / 톤까지상승전망 ( 현재 7-8유로 ) 유럽배출권거래시스템 (EU Emissions Trading System), Chicago Climate Exchange, EUX 등에서거래 : 1억7백만톤 (2006년)
목질계바이오에너지이용효과 지역경제활성화 조림, 수집등의생산시스템구축으로지역기반고용창출가능 지역특성화사업으로연계가능 임업활성화 산림부산물의활용 숲가꾸기사업의효용성증대 산촌마을의바이오에너지공급시스템구축가능 에너지자급률향상에기여하는임업의공익적기능의중요성에대한국민적공감대확산
목질계바이오에탄올개발및투자의필요성 Corn-based ethanol ( 현재 ) 기술개발의가능성이적고 현재미국내옥수수생산량의 15% 만이용 식량자원과의경쟁 미국내생산옥수수전량사용시에도휘발유의 20% 만대체가능 Gasoline과비교하여환경성개선효과미비
목질계바이오에탄올개발및투자의필요성 Cellulose-based ethanol ( 목표 ) 미국각종농업부산물로부터연간약 500억갤런에탄올생산가능 기술개발로인한제조원가감소 2001년갤런당6달러 2004년 1.6 달러 기술개발가능성풍부 전처리, 당화공정부분의기술향상가능성풍부 환경성개선효과우수 Lignin 등의부산물을전환공정의열원으로사용가능
목질계바이오에탄올개발및투자의필요성 Cellulose-based ethanol ( 목표 ) Joseph Romm 클린턴행정부에너지부부장관 (1999) 목질계에탄올의공정수율향상및최적화중요성언급 George Bush 2006년연두기자회견 (State of the Union Address) 목질계에탄올을생산하기위한기술개발에연구자금지원계획 2012 년 cellulose-based ethanol 상용화시작 2030년까지 cellulose-based ethanol 의사용비율을 30% 까지증대
목질계바이오에탄올개발및투자의필요성 Cellulose-based ethanol ( 목표 ) Bill Gates 2005.5 Pacific Ethanol Inc. 8400 만달러투자 Vinod Khosla (Sun Microsystems) 수천만달러투자, 5,000 만갤런공장 8 개건설중 바이오에탄올시장, 10 년내 700 억달러규모로성장할것 25 년내에석유수요 100% 대체예상 Richard Branson (Virgin Company) 바이오에탄올생산, 판매에 30 억달러투자공언
세계의바이오에탄올이용및보급현황 세계바이오에탄올생산추이및전망 기타 EU 미국브라질 세계의 Gasohol 프로그램 ( LG 주간경제 2006.03.24) 국가 프로그램 국가 프로그램 미국 E10,FFV E85 호주 E10 캐나다 E10,FFV E85 태국 E10 스웨덴 E5,FFV E85 중국 E10 인도 E5 브라질 E22, FFV any blend
바이오에탄올이용및보급현황 : 미국 시장형성 2006 년 21 억달러이상의시장형성 2010 년 260 억리터 ( 약 87 억달러 ) 2015 년 524 억리터 ( 약 85 억달러 ) 리터당가격하락예상고려 가솔린첨가제 MTBE 대체 MTBE에의한지하수 / 토양오염확인후 MTBE 사용규제 MTBE의가솔린첨가폐지법안 (2004년) 상원내환경 공공사업위원회에서가결
바이오에탄올이용및보급현황 : 미국 공급및소비인프라구축 에탄올연료자동차 현재 500 만대 2010년까지FFV 생산을연 200만대 ( 현재의 2배 ) 계획 주유소 현재약 17만주유소중E85 취급주유소는 800개에불과 Wall Mart : E85 판매의단계적확대방안검토 60개이상의바이오에탄올생산기업 Archer Daniels Midland Co. : 미국생산량 40% 이상 IOZEN( 캐나다 ) 세계최초 cellulose-based ethanol 생산실증플랜트를건설 투자그룹 : Shell Group, Petro-Canada, Goldman Sachs
바이오에탄올이용및보급현황 : 브라질 브라질 National Fuel Alcohol Program (70 년대 ) 사탕수수기반, 2005년 160억리터생산 자동차연료의 30%(80억달러 ) 를바이오에탄올로대체 E22 사용자동차 600만대이상 공급인프라구축완료 : 대부분주유소에서에탄올혼합연료공급가능 FFV (Flexible Fuel Vehicle) : 2003년 VW에서처음개발 바이오에탄올생산지원정책 시장규제 : 가솔린과바이오에탄올의혼합 (20-25%) 의무화 세금우대 : 가솔린대비낮은특소세부과 관세부과 : 바이오에탄올수입에 20% 의관세 ( 종가세 ) 부과
바이오에탄올이용및보급현황 : 일본 일본 장기시나리오에따라에탄올공급및체제정비진행중 에탄올보급인프라에 3,500 억엔이상투자 2008~2012 년 : E3 로대체 2020년 : E10 공급시작, 2030년 : 전량 E10 사용 민간기업의진출활발 청정연료에대한세금감면및관세혜택 브라질 ( 바이오에탄올공급 ) 및인도네시아등과 CDM 사업추진
바이오에탄올의생산 Enzyme Production Biomass Pretreatment Cellulose Hydrolysis Glucose Fermentation Ethanol Recovery Pentose Fermentation Lignin Utilization
목질계바이오에탄올생산의난제 당화및발효를위한미생물의접근성 리그닌및헤미셀룰로우스로둘러싸여있어서접근성어려움 가수분해가어려운결정성셀룰로오스로구성 조성의불균일성 Cellulose, hemicellulose, lignin 조성비율불균일 수종별로상이한전처리및당화공정요구 효소및균주개발 육탄당과오탄당동시발효가능한미생물균주개발 당화와발효전환공정을동시에수행할수있는공정개발 수집문제및부산물활용
국내바이오에너지연구현황 70년대대학과연구소를중심으로시작하여 88년대체에너지개발촉진법에따라정부차원에서지원시작 1988-2004년까지바이오에너지분야의연구에 376억원투자 ( 정부투자 247억원 ) 2006 년산자부의신 재생에너지기술개발연구사업중태양열 및바이오에너지분야등에 351억원투자
국내바이오에너지연구현황 1988 년이후전분및목질계에탄올생산기술개발에치중 파일로트플랜트운전및기술개발축적 목질계바이오매스의당화최적효소개발 목재부후균으로부터목질바이오매스의당화에적합한효소탐색 형질전환을통한고효율효소개발및대량생산 동시당화발효 (SSF) 를기반으로한분자생물학적접근집중 목질계바이오매스에적합한전처리기술의개발 기존의폭쇄처리공정의개선 화학적, 물리적, 생물학적방법을이용한고리그닌바이오매스의전처리를위한새로운기술개발 ( 경제성문제 )
국내바이오에너지연구현황 초임계수에의한목질계바이오매스의당화 sample catalyst water pumping system line heater pre-heating tube relief valve BPR relief valve Reaction tube heat exchanger water filter receiver separator 초임계수목분분해장치 ( 연속식 )
목질계바이오에탄올연구개발추진방향 정부 연구개발및정책적지원 국가프로젝트시행및세제혜택등과같은정책실시 기업및연구기관 목질계바이오에탄올생산및상용화를위한연구및지원 전처리공정및당화효소개발 공급시설구축과같은인프라산업에대한투자및연구 FFV 개발과같은활용기술개발에대한연구 현재는전분질계바이오에탄올이주로생산되고상용화예정이지만, 궁극적인지향목표는목질계바이오에탄올의상용화
목재펠릿 (wood pellets) 미활용목재및부산물의펠릿화 유럽중심으로발전 목재펠릿의연소효율비교 연소방법 Open fire Wood burning stove Pellet stove 연소효율 10-20% 30-65% (Source : Pilkington Energy Efficiency Trust http://www.nef.org.uk/logpile/pellets/documents/pelletreport.pdf www.nef.org.uk/logpile/pellets/documents/pelletreport.pdf) 80-95%
목재펠릿의친환경성 목재펠릿과타연료와의비용및 CO 2 배출비교 (Case study at trinity school in Durham) 연료형태 목재펠릿 가스 석유 석탄 필요열량 (GJ/ 년 ) 2,590 2590 2590 2,590 톤당에너지 (GJ/ 톤 ) 16.8 49.4 43.5 29.0 사용량 ( 톤 / 년 ) 154.2 52.4 59.5 89.3 가격 ($/ 톤 ) 114 353 372 135 총열량비용 ($/ 년 ) 17,500 18,500 22,150 12,000 총 CO 2 방출 ( 톤 / 년 ) 18.1 140.0 204.8 210.0
유럽의목재펠릿보급현황 Denmark 덴마크의회의석탄사용화력발전소건설중지에의해석탄보일러를개조하여펠릿이용 생산량 : 235,000 톤, 자국내소비량 : 59,000 톤 Avedore 발전소는년간 30 만톤의목재펠릿이용 전기 50%, 열 50% 로회수 천연가스에비해저가 Koege Biopllefabrick 가구제조시폐기되는 80% 의폐재료를이용하여펠릿제조 시간당 50톤의칩처리, 최종적으로 30톤의펠릿제조
유럽의목재펠릿지원현황 스웨덴의세금정책 ( 유로 /Mwh Mwh fuel ) <1 22% 25%
국내목재펠릿연구및기술개발현황 펠릿제조방법및난방장치개발 난방기개발 연료 : 목재펠릿 주요용도 : 소규모전원주택용 CO 2 : 50 ppm O 2 : 17.2% 배기가스온도 : 175 실내배출공기온도 : 135
급속열분해에의한바이오오일생산 공정및특징 목재를수백 ~ 천 / 초의고속으로가열, 냉각하여열분해생성물의 2 차반응억제로액상생성물 (bio-oil) 회수 짧은반응시간으로원료의대량처리가능 구미를중심으로활발한연구진행 대부분 pilot plant 수준, 최근미국과캐나다에서상용화시작 (KISTI 기술동향보고서 바이오매스에너지의기술개발동향, 황선일, 2003. 3)
급속열분해에의한바이오오일생산 디젤과바이오오일의성상비교 연료특성 단위 바이오오일 디젤 밀도 @15 Kg/dm 3 1.22 0.85 점도 @50 Cstoke 13 2.5 LHV(low heating value) MJ/kg 17.5 42.9 회분 wt % 0.13 <0.01 수분함량 wt % 20.5 0.1 성분조성 탄소 % 48.8 86.3 수소 % 6.4 12.8 산소 % 42.5 0.9 황 % 0 0.15-0.30
바이오오일기술개발및생산현황 Dynamotive 의 Bio-Oil 생산공정 생산제품의성분 Bio-Oil ( 수율 55 73%), Char ( 수율 15 25%) 반응후생성되는비응축가스는공정으로재투입, 사용 (Source : Dynamotive website, http://www.dynamotive.com/index.html)
바이오오일기술개발및생산현황 Dynamotive 공장 Erie Flooring and Wood 공장내에위치 세계최대규모의 Bio-Oil 을이용한열병합공장 바이오매스투입량 : 100 톤 / 일 바이오오일생산량 : 68 톤 / 일 2.5 MW 전력생산 (Source : Dynamotive website, http://www.dynamotive.com/index.html)
기후변화협약에대처하는바이오에너지연구개발방향 바이오에너지생산에적합한속성수및수집체계개발 저리그닌고섬유소속성수개발및조림 수집, 관리, 수송체계확립 바이오에탄올생산및공정기술개발 전처리및당화기술, 균주개발, 동시당화발효 열화학적변환 ( 펠릿, 바이오오일 ) 기술개발 CO 2 저감효과가우수한목질계바이오에너지기술개발을통한기후변화협약대응