천연가스 대체 수송용 바이오가스의 연료화 개발 동향: 정제기술 리뷰

1. 개요

•GIA에서 바이오가스 비지니스분야의 Value Chain에서 가장 매력도높은 분야로 선정

 

•수송용 연료로서 바이오가스의 중요성

    - 바이오매스로부터 나온 연료이므로 ‘탄소 중립적’이라는 장점이 있음

    - 가축분뇨, 음식물류폐기물 등 유기성 폐기물의 환경적처리에 가장 효과적

    - 대기오염방지에 기여(자동차연료로 이용할 경우 NOx, HC, CO, PM배출량 낮아짐)

    - 차량용 대체연료 중 경제성이 탁월

 

해설 : 바이오가스는 신재생에너지원 중 유일하게 가스연료로 사용이 가능합니다.

GIA(Global Intelligence Alliance)의 보고서에 따르면 바이오가스 비지니스분야의 Value Chain에서 가장 매력도높은 분야로 선정하였다. ---따라서 본 논문에서는 바이오가스를 수송용 연료로 생산하기 위한 정제기술 및 국내외 차량연료화 동향을 살펴보도록 하겠습니다.

===========================================================================================

2. 바이오가스 정제 및 고질화 기술

•바이오가스의 성분인 CH4, CO2, NH3, H2, N2, CO등을 포함, 연료로서의 사용을 위하여 CO2, H2S 등 기타 불순물을 제거해야 함

해설 : 바이오가스는 메탄을 주성분으로 이산화탄소 암모니아 수소 질소 일산화탄소를 포함합니다. 이러한 바이오가스를 사용하기 위해서는 이산화탄소 황화수소를 비롯한 기타 불순물을 제거해야 한다.

황화수소 및 실록산을 제거하는 것을 전처리 혹은 정제공정이라 하고 CO2를 분리하여 메탄농도를 +-96%까지 함량을 높이는 것을 고질화(Upgrading)라고 한다. 경우에 따라 두 공정을 합쳐 정제공정이라 통칭하며 최종 순수메탄을 바이오메탄이라 한다.

===========================================================================================

•바이오 메탄 생산을 위한 정제공정과 고질화 공정

해설 : 바이오메탄 생산을 위한 정제공정과 고질화 공정은 다음과 같습니다.

실록산은 저온일수록 제거율이 높기 때문에 효율적인 실록산 제거를 위해 흡착법과 심냉법을 조합하여 2단으로 구성을 하기도 한다.

===========================================================================================

2.1. 바이오가스 정제공정

해설 : 정제공정에서는 주로 황화수소와 실록산을 제거하는데 황화수소 제거 방법은 크게 건식탈황과 습식탈황으로 구분할 수 있습니다.

실록산이 바이오가스에 존재할 시 실린더, 밸브 등의 마모를 유발, 국내의 경우 10~30ppm정도이다. 2012월 2월 제정된 도시가스 품질기준에는 10mg/m3으로 규정하고 있음

===========================================================================================

2.2. 바이오가스 고질화 기술

•불순물 제거한 바이오가스는 CO2제거(Upgrading)를 통해서 CH4함량을 증가시켜 연료로 사용이 가능함

해설 : 워터스크러버 – 흡수액의 온도가 높을수록 흡수효율이 낮아지므로 흡수압력을 높이거나 냉각시스템이 필요하다. 비교적 연평균 기온이 낮은 스웨덴, 스위스, 독일, 오스트리아에 주로 적용되고 있다.

============================================================================================

3. 바이오가스 수송용 연료화 해외 사례

•전세계 바이오가스 정제플랜트 수는 220개이며 EU에 180여 개 설치 운용 중(대부분 도시가스에 배관망에 연계하거나 수송용 연료로 활용)

•독일, 스웨덴, 오스트리아에서 가장 많은 고질화 플랜트가 설치되어 운영 중

•스웨덴(730GWh), 독일(180GWh)에서 수송용 연료로 가장 많이 활용

3.1. 스웨덴

바이오가스 플랜트 중 약 60%를 하수슬러지로 사용

1995년 Trollhattan 지역에 바이오가스 차량연료화를 위한 200Nm3/hr급 정제시설 도입(차량연료 80% , 도시가스 20%)

Orebro의 2000Nm3/hr급 시설은 Water Scrubber를 사용하고 있음(스웨덴의 약 70%)

연간 약 100만 Nm3의 바이오가스가 차량연료로 소비되며 총 109개의 바이오가스 충전소 설치

2020년까지 모든 차량에 화석연료 사용을 전면 금지하도록 규정

해설 : 스웨덴은 바이오가스 생산 및 사용을 성공적으로 보급한 국가중 하나로서---- 이 밖에 매립지가스, 가축분뇨, 농업부산물도 이용되고 있다.

트롤헤탄, 스웨덴 엘브스보리(Älvsborg) 주의 도시. 노말 루베, 큐빅메터, 입방미터

 

3.2. 독일

2012년 기준 바이오가스 정제플랜트는 127개소이고, PSA, PWS, Amine Scrubber, Genosorb, Membrane 등 다양한 바이오가스 고질화 기술을 사용하고 있으며 최적화된 CMS를 표준화하여 판매, 최근 Amine 계열의 흡수액을 사용한 Chemical Scrubber법의 일종인 MEA법을 개발

3.2. 독일

Volkswagens는 Raiffeisen Waren genossenschaft 와 함게 차량연료 충전소를 운영 중이며 바이오에 대한 자체브랜드인 Sungas를 만들어 판매하고 있음

바이오가스를 사용하는 경우 2015년까지 면세가 가능하며 바이오가스 20%에 천연가스 80%를 혼합하여 사용해도 세금을 면제 해주고 있음

2020년까지 60억 Nm3, 2030년까지 100억 Nm3 천연가스를 바이오가스로 대체하겠다는 목표

 

4. 바이오가스 수송용 연료화 국내 사례

서남하수처리장 차량연료화 사업(2010), 수도권매립지 차량연료화 사업(2011) 등 바이오가스 정제플랜트 사업을 추진, 법적으로 바이오가스 품질기준을 마련

4.1. 한라산업개발

600 Nm3/hr용량의 바이오가스 자동차 연료화 사업자로 사업자로 선정

정제 시설로서 Xebec(캐나다)의 R-PSA 기술을 도업(로터리밸브를 채택)

4.2. 에코에너지홀딩스

국내 최초로 하수슬러지에서 발생하는 소화가스를 연료(도시가스, CNG 버스)로 전환하는 바이오메탄 사업을진행, 바이오메탄 서울(에코에너지홀딩스 70%, SBI 15%, 서남환경 5%, Greenlane Biogas 10%)의 설립을 통해 2009년 상업운전을 개시, 하루 2940 m3의 바이오메탄을 생산

고질화 기술은 Flotech의 PWS(Pressurized water scrubber) 방식이 도입

4.3. 현대건설

VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsorption) 방식의 20Nm3/h급 바이오가스 정제 파일럿 플랜트를 제작하여 음폐수에서 발생하는 바이오가스를 대상으로 2010년부터 운영을 시작

CO2 분리 공정으로 R-PSA 장치를 도입하였으나 바이오가스 정제 기술의 핵심을 외국기술에 의존함으로써 발생하는 문제점으로 인해 국산 PSA 장치의 필요성 대두, 2010년 국산 VPSA장치 및 흡착제 개발 분야의 연구를 수행, 국내 최초로 원주 하수종말처리장에 국산화된 250 Nm3/h급 바이오가스 정제 플랜트를 건설, 운용 중

5.맺음말

•바이오가스 정제산업의 활성화를 위한 과제

    - 수송용 연료로서 바이오메탄의 품질기준을 현실적으로 적용 할 필요

    - 바이오가스 정제사업에 대한 인허가 절차는 안전성 확보 및 원활한 사업진행을 위하여 체계적으로 구성

     - 사업 확대기에 있는 국내 바이오가스 정제산업에 민간기업이 적극적으로 참여할 수 있는 여건이 조성되기 위하여 정부에서 바이오가스 이용에 대한 인센티브를 도입하여 협력, 감시자의 역할을 해야 함