국내외경유대체바이오에너지의기술 개발연구현황분석 2012. 1 김재곤 (jkkim@kpetro.or.kr)
발표순서 01 02 03 04 경유대체바이오에너지개술개발개관 국내외경유대체 BTL 디젤기술개발동향 국내외경유대체 HBD 기술개발동향 국내외경유대체미세조류기반 BD 의기술개발 2/41
국외경유대체바이오연료개발현황 3/41
경유대체세대별바이오연료의생산기술 1 st Generation 2 nd Generation 3 rd Generation Biodiesel (FAME) Hydrotreated Biodiesel (HBD) BTL Biomass Pyrolysis Process route Trans-esterification Hydro Conversion in refinery hydrotreaters Gasification and FT synthesis Fast pyrolysis treatment Feed Vegetable oils Vegetable oils Biomass Biomass Product BD (FAME) HBD, Renewable or Green diesel Syn. Diesel Bio-oil, Char, Gas Product chemical type Fatty acid methyl ester Mainly paraffinic hydrocarbons in diesel boiling range Mainly linear and branched paraffinic HCs from upgrading waxy FT liquids Complex high mol. weight HCs, water, char solids Product quality Consistency and stability issues High High Low quality energy carrier Lifecycle analysis (CO 2 emission) 1.6 2.3 (kg CO 2 /kg oil equivalent) Source : Neste 1) 0.5 1.5 (kg CO 2 /kg oil equivalent) Source : Neste 1) -61% to -91% compared to fossil diesel Source : Choren - 4/41
국외경유대체바이오연료의품질비교 5/41
국내경유대체바이오연료의기술개발 경유대체바이오연료 R&D 현황 Biodisel (FAME) 상업화 (15 개 BD 사 ) 경유 Hydrotreated Biodiesel(HBD) BTL diesel 지경부 R&D 사업파일럿플랜트구축중 (SK 에너지 ) 지경부 R&D 사업파일럿플랜트구축중 ( 화학연등 ) MicroAlage 국해부, 교과부농림부, 지경부 R&D 6/41
발표순서 01 02 03 04 경유대체바이오에너지개술개발개관 국내외경유대체 BTL 디젤기술개발동향 국내외경유대체 HBD 기술개발동향 국내외경유대체미세조류기반 BD 의기술개발 7/41
BTL 생산기술개요 건조 우드칲 목질계바이오매스 건조 / 탈수 Light FT Product 고함수바이오매스 ( 초본류 ) 1 Ton wood Biosyngas 240 L FT 합성원유 210 L BTL-Diesel 8/41
BTL 디젤의품질특성 일반적인 BTL 디젤의품질특성 High 세탄가 (>74) 방향족 Free Sulfur Free 수준 저온유동성열악경향 윤활성열악 ( 바이오디젤등의첨가제로극복 ) Moderate 세탄가 (~60) Low 방향족 저온유동성향상 ( 기존경유대비 ) NOx(13%), CO, PM(26%) 감소 ( 기존경유대비 ) 출처 출처 : SAE-2003 2003-01-0763, 0763, NREL 9/41
국외 BTL 기술개발현황 -독일 10/41
국외 BTL 기술개발 현황-독일 11/41 11/41
국내 BTL 연료생산기술현황 -R R & D Wood Biomass Feedstock of Gasification Steam Tar Cracker H 2 /CO = 1~2 CFB Gasifier Heat Ex. Water CFB Combustor Ash Tar Remover BioSyngas Cleaning System CO 2 WGSR CO 2 Remover Catalyst Biosyngas SteamFeCU/Al 2 O 3 H 2 /CO =1~2 F-T reaction Dry at low temp. (max. 120 o C ) Slurry separation Of biomass Separated solution Self-Heat source CH 4 Fast anaerobic digestion Recycle - Process Optimization 1. Process Simplification Separation F-T Wax Distillation Hydrothermal- Pressurization (250 o C, <30 atm) Biomass Of High function 2. Process Integration 3. Energy Efficiency Process BTL diesel BTL gasoline Self-Heat source Project Target : 1 BPD(500 hrs)( 10 ~ 12) 12/41
국내 BTL 연료 ( 디젤, 휘발유 ) 생산 R&D 수준 BTL 디젤생산 BTL fuel synthesis Distillation F-T T Process CO+H 2 BTL Wax BTL Diesel (170 ~320 ) BTL Gasoline (60 ~170 ) Gasification Biomass : Pellet BTL Pilot Plant Quality Characteristics of BTL diesel for alternative fuel of diesel 13/41
BTL 디젤의품질특성 R&D 수준 BTL 디젤의 GC 분석결과 FID1 A, Front Signal (20110414\20110414 2011-04-14 10-05-16\SIG010000001.D) pa 1200 1000 F-T 디젤 ( 최적화 ) pa 700 600 < 0.010 FID1 A, Front Signal (20110727\20110728 2011-08-03 13-44-23\020F0101.D) < 2.830 2.831 2.833 < 5.575 5.579 5.580 파일럿생산 BTL 디젤 < 9 000 500 800 400 600 300 400 200 200 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 min 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 min FID1 A, Front Signal (20110125\20110125 2011-01-25 16-07-30\DIESEL.D) pa 경유 FID1 A, Front Signal (20110117\20110117 2011-01-17 17-52-19\P_O50_2.D) pa 900 등유 600 ( 겨울용 ) 800 500 700 600 400 500 300 400 300 200 200 100 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 min 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 min 14/41
BTL 디젤의품질특성 R&D 수준 BTL 디젤의품질특성 증류성상 시험항목단위품질기준경유 BTL 디젤 (100%) 유동점 0.0 이하 ( 겨울용 : -17.5 이하 ) -35.0-22.5 담점 - -40.0-17.0 인화점 40 이상 44 50 동점도 mm 2 /s 1.9 이상 ~ 5.5 이하 - - 초류점 (IBP) - 150 171 10% - 172 190 50% - 243 232 90% 360 이하 334 290 종말점 (FBP) - 367 312 10% 잔유중잔류탄소분무게 % 0.15 이하 0.15 이하 0.15 이하 물과침전물부피 % 0.02 이하 0.01 미만 0.01 미만 15/41
BTL 디젤의품질특성 R&D 수준 BTL 디젤 (100%) 의품질특성 시험항목단위품질기준경유 BTL 디젤 (100%) 황분 mg/kg 10 이하 6.4 1.7 회분무게 % 0.02 이하 0.01 미만 0.01 미만 세탄지수 - 52 이상 ( 혹한기 : 48 이상 ) 51.9 68.6 유도세탄가 1 - - 49.4 54.6 동판부식 - 1 이하 1 미만 1 미만 필터막힘점 -16 이하 -33.0-17.0 윤활성 (HFRR 마모흔, μm) μm 400 이하 234 438 밀도 kg/m 3 815 이상 ~ 835 이하 817 779 다고리방향족무게 % 5 이하 1.0 0.2 방향족무게 % 30 이하 18.7 4.1 밀도외시험항목에서 BTL 디젤품질기준만족 16/41
BTL 디젤의품질특성 R&D 수준 BTL 디젤 -경유의혼합비율별 GC 분석결과 FID1 A, Front Signal (20110125\20110125 2011-01-25 16-07-30\DIESEL.D) pa Diesel FID1 A, Front Signal (044F0401.D) pa 700 BTL 디젤 600 500 600 30% 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 min 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 min FID1 A, Front Signal (042F0201.D) pa 700 600 500 BTL 디젤 5% FID1 A, Front Signal (046F0601.D) pa 700 600 500 BTL 디젤 40% 400 400 300 300 200 200 100 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 min 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 min FID1 A, Front Signal (043F0301.D) pa 700 BTL 디젤 FID1 A, Front Signal (047F0701.D) pa 700 BTL 디젤 600 10% 600 50% 500 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 min 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 min 17/41
BTL 디젤의품질특성 R&D 수준 BTL 디젤의혼합비율에따른연료품질분석 ( 겨울용경유와혼합 ) 증류성상 시험항목단위품질기준 유동점 0.0 이하 ( 겨울용 : - 17.5 이하 ) 경유 ( 겨울용 ) BTL 디젤의혼합비율 (vol.%) 5 % 10% 20% 30% 40% 50% -35-32.5-30.0-27.5-25.0-22.5-22.5 담점 - -4.0-10.0-10.0-11.0-13.0-14.0-17.0 인화점 40 이상 44 44 44 44 44 44 48 동점도 mm 2 /s 1.9 이상 ~ 5.5 이하 - - - - - - - 초류점 - 150 151 151 153 156 157 160 10% - 172 172 174 176 178 178 181 50% - 243 243 243 240 239 237 236 90% 360 이하 334 332 333 329 325 318 312 종말점 - 367 368 365 365 360 359 355 10% 잔유중잔류탄소분 무게 % 0.15 이하 0.15 이하 0.15 이하 0.15 이하 0.15 이하 0.15 이하 0.15 이하 0.15 이하 물과침전물부피 % 0.02 이하 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 18/41
BTL 디젤의품질특성 R&D 수준 BTL 디젤의혼합비율에따른연료품질분석 ( 겨울용경유와혼합 ) 시험항목단위품질기준경유 BTL 디젤의혼합비율 (vol.%) 5% 10% 20% 30% 40% 50% 황분 mg/kg 10 이하 6.40 5.96 5.69 5.28 4.77 4.21 3.88 회분무게 % 0.02 이하 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 0.01 미만 세탄지수 - 52 이상 ( 혹한기 : 48 이상 ) 51.9 52.3 53.3 54.2 55.8 57.2 58.8 유도세탄가 - - 49.4 49.9 50.4 51.5 52.8 53.7 54.6 동판부식 - 1 이하 1 미만 1 미만 1 미만 1 미만 1 미만 1 미만 1 미만 윤활성 (HFRR 마모흔 ) μm 400 이하 234 251 273 314 328 344 378 필터막힘점 -16 이하 -33.0-32.0-31.0-29.0-28.0-27.0-20.0 밀도 kg/m 3 815 이상 ~ 835 이하 817 816 814 810 806 802 798 다고리방향족무게 % 5 이하 1.0 0.7 0.6 0.7 0.6 0.6 0.5 방향족무게 % 30 이하 18.7 17.7 16.7 15.7 14.3 13.0 11.5 밀도외시험항목에서 BTL 혼합비율 5%~50% 품질기준만족 19/41
BTL 기반 Bio-jet fuel 개발동향 Bio jet fuel 의 lifecycle emission 20/41
BTL 기반 Bio-jet fuel 개발동향 21/41
발표순서 01 02 03 04 경유대체바이오에너지개술개발개관 국내외경유대체 BTL 디젤기술개발동향 국내외경유대체 HBD 기술개발동향 국내외경유대체미세조류기반 BD 의기술개발 22/41
HBD? HBD 식물유를 hydrogen-treating process 를거쳐, Triglyceride 로부터얻어지는 Alkane 임. 2 nd Generation Biodiesel 로분류됨.* * NNFCC : English National Non-Food Crops Center Feedstock FAME Vegetable Oil*, Animal Fat, Waste Cooking Oil, Grease, 그리고이들과 Diesel 의 Mixture**. * Commercialized with palm oil by Neste Oil. ** On studying by Petrobras, Conoco-Philips, and ENI. Final Product HBD, Propane, H 2 O, CO 2 HBD [CH3OH] Trans-esterification FAME O R C O-CH3 + Glycerol HBD Vegetable Oil [H2] Hydro-treating R-CH3 R-H HBD + CO2 H2O Propane 23/41
세계 HBD 기술개발 HBD 개요 HBD Source : Toyota 24/41 24
세계 HBD 생산주요회사 HBD 개요 Company Neste Oi UOP Petrobras ( 제품명 ) (NExBTL) (Green Diesel) Technology NExBTL process Ecofining TM process H-BIO process Target Vegetable oils, Low cost waste oil, Vegetable oils blended Feedstock Waste animal fats grease (high FFA) with diesel fractions Development Porvoo Refinery 에 Livorno 에 5 개의 Status 상업용공장건설 상업용공장건설 상업용공장건설 Commercial 170,000 t/yr (~3750 bpd) Stand-alone, hydrotreater (HDT) unit 에서 Concept in existing Co-processing Unit 의 Catalytic Refinery Hydro-conversion 25/41 25
HBD 의온실가스저감효과 Neste Oil 사의 HVO 기술 Global 기술개발현황 기존 Petro-Diesel 보다는제 1 세대바이오디젤이, 그리고제 1 세대바이오디젤보다는제 2 세대 BD 인 HBD 가 CO 2 발생량이상대적으로줄어드는것으로분석되고있음. 온실가스에의영향 Life cycle greenhouse gas 배출이 60% 이상줄어드는것으로분석되고있음. NOx는 15% 이상저감. PM (Particulate matter) 은 25% 이상저감. THC는 20% 이상저감. CO는 5% 이상저감. 구분 CO 2 배출량 (kg CO 2 /kg oil equivalent ) Petro-diesel 3.8 1 st Gen. Biodiesel 1.6~2.3 2 nd Gen. HBD 0.5~1.5 Source: Neste Oil Source: Neste Oil 26/41 26
국내 HBD 기술개발 HBD Process Hydrogen Propane 식물유 / 지방산 Hydrotreating HBD nc 15 18 FAME Process 메탄올 울산공장에파일럿플랜트구축중 식물유 트랜스에스테르화 분리 FAME Glycerol 27/41
국내 HBD 의품질특성 HBD는 FAME 보다 n-paraffin 구성으로산화안정도극복, 고세탄가이나, 상대적으로저온성열악 (isomerization, 첨가제등에의해극복가능 ) HBD FAME Density, 15 : kg/m 3 778 883 IBP 252 327 Distillation 50% 284 335 90% 296 341 FBP 312 347 Cetane Value* 78.3 50.3 Cetane Number 77.8 47.4 Cloud Point, C 22 0 Pour Point, C 17.5 0.0 Caloric Value cal/g 11,264 9,511 cal/ml 8,768 8,398 Oxidation * Measured Stability, by IQT (Ignition @110 C, Quality hr Tester) >24 14 n-paraffin Volume, % 99.9 n. d. 28/41
HBD 생산반응기술 HBD 의저온특성은 isomerization 과첨가제첨가로극복 저온성특성향상 29/41
HBD 의 GC 분석 Diesel HBD 100 30/41 30
HBD 의 GC 분석 HBD 3 HBD 5 HBD 7 31/41
국내 HBD 의탄화수소분포 * ULSD: Ultra Low Sulfur Diesel (Petro-diesel) 32/41
HBD 혼합비율에따른저온특성 (CP, PP) 33/35 33
01 02 03 04 경유대체바이오에너지개술개발개관 국내외경유대체 BTL 디젤기술개발동향 국내외경유대체 HBD 기술개발동향 국내외경유대체미세조류기반 BD 의기술개발 34/41
해조류바이오연료 ( 출처 : Novozymes Inc) 35/41
미세조류로부터바이오연료기술개발 36/41
미세조류로부터바이오디젤변환 미세조류기반바이오디젤생산기술 37/41
미세조류바이오매스의원료생산성 Cotton Soybean Source Biodiesel (L/ha/year) Cotton 325 Soybean 446 Mustard seed 572 Rapeseed/canola 952 Sunflower 1,190 Jatropha 1,892 Oil palm 5,950 Algae (10 g/m 2 /day at 30% TAG) 12,000 Algae (50 g/m 2 /day at 50% TAG) 98,500 Mustar d seed Rapeseed Sunflower Jatropha Oil palm Microalgae 38/41
미세조류바이오연료기술개발 39/41
국내미세조류바이오연료의기술개발 정부부처별 R&D 교과부 ( 차세대바이오매스연구단 ): 균주탐색기술개발국해부 ( 인하대, 해양바이오에너지생산기술연구단 ) : 해양바이오에너지대량생산기술농림부 ( 해조류바이오매스연구그룹 ) : 청정연료와고부가가치소재생산한국에너지기술연구원, 한국해양연구원등 40/41
미세조류로부터바이오연료의전망 41/41