1. 바이오가스의 현황

IEA의 세계 에너지 전망에 따르면 수송부문은 전 세계적으로 화석연료에 의해 96% 이상 의존하고 있는 현실이다. 국제사회는 온실가스 감축을 위한 수단으로 수송부분에서 규제적 정책인 신재생연료 의무혼합제도를 도입하여 바이오연료를 확대하고 있다. 그 중에서 바이오가스는 바이오가스의 온실가스 감축 기여도가 높고, 폐기자원을 100% 에너지화 하여 수송용 연료로 사용할 수 있다.

또한 바이오매스로부터 생산된 바이오연료는 타 신∙재생에너지의 적용이 불가능한 수송부문에서 직접 적용가능하며 국제적으로 2012년부터 유기성폐기물 등의 해양배출이 금지됨에 따라 유기성폐기물을 바이오가스로써 에너지화 할 수 있는 것이 주요하다.

2. 국외 바이오메탄 생산 및 기술현황

국외의 바이오가스 에너지화는 유럽을 중심으로 기술개발 및 사업화가 진행되고 있다. 유럽 국가의 바이오가스 발생량 현황을 보면, 2009년에는 약 8,346 kTOE의 바이오가스가 발생하였다. 연도별 바이오가스 발생현황을 보면, 2007년 바이오가스 발생량이 2006년 대비 47%가 증가하여 꾸준히 증가하는 추세에 있다.

유럽에서는 주로 열병합 발전(CHP)을 통해 바이오가스를 에너지화하고 있으며, 2009년 기준으로 총25,167GWh의 전기를 생산하였다. 2000년 이후 신∙재생에너지 보급비율 목표 달성과 신∙재생에너지 의무보급과 고유가로 인하여 바이오가스를 고질화하여 수송연료 또는 천연가스 배관망에 연계하여 사용하는 기술의 개발 및 사업화가 진행되고 있다. 2010년까지 총 186개소의 바이오가스 고질화 플랜트가 설치되어 운영되고 있는 실정이다.

국가별 바이오가스 고질화 플랜트 설치 현황을 보면 독일(56개)과 스웨덴(52개)이 가장 많은 고질화 플랜트가 설치되어 운영 중에 있으며, 특히 스웨덴은 바이오가스를 고질화하는 기술의 핵심기술인 이산화탄소/메탄 분리기술을 보유하고 있는 업체가 다수이며, 스웨덴 이외의 국가로 사업영역을 넓히고 있는 상황에 있다. 전 세계적으로 바이오가스 고질화 플랜트 설치현황을 보면 2000년 이후부터 본격적으로 플랜트가 설치되기 시작하였으며, 2006년부터 플랜트수가 급속도로 증가 하였다. 바이오가스 고질화 기술은 크게 이산화탄소/메탄 분리기술로 분류를 할 수 있는데 흡착법(47개)과 물 흡수법 방식(69개)을 많이 적용하여 고질화 플랜트가 설치되었다. 막 분리법은 2006년부터 본격적으로 설치되기 시작하였다.

바이오가스 고질화 플랜트를 통해 생산된 바이오메탄은 압축/액화를 통해 수송연료로서 사용하거나 천연가스 배관망에 연계를 통해 천연가스와 혼합하여 사용하고 있는데, 바이오가스 고질화 플랜트 현황을 보면 총 186개소 중 116개소가 천연가스배관망에 연계하여 바이오메탄을 공급하고 있고, 58개소는 수송연료로 사용하고 있다. 그리고 12개소는 천연가스 배관망 연계와 수송연료로 병행하여 사용하고 있는 실정에 있다.

3. 국내 바이오메탄 생산 및 기술현황

3.1 바이오가스 생산현황

최근 국제적인 기후변화 협약의 가시화 및 유가의 급상승과 국내적으로 유기성폐자원의 매립 및 해양투기가 금지됨에 따라 정부에서는 유기성폐자원의 자원화와 육상처리 대안으로 혐기성소화를 통한 감량화 및 에너지회수 기술 개발에 대하여 적극적인 관심을 보이고 있다. 국내 신∙재생에너지 중에서도 바이오매스의 이용은 가용 잠재량 및 경제성을 고려할 때, 가장 중요한 대체 에너지원으로 인식되고 있으며, 그 중 유기성
폐기물의 에너지화는 그 보급과 성장이 가장 빠르게 실현될 것으로 여겨지고 있다.

따라서 정부는 저탄소에너지 생산∙보급을 위한‘폐자원 및 바이오매스 에너지 대책’실행계획을 발표하였다(2009. 7). 이 계획에 의하면 저탄소 녹색마을 조성과 가축분뇨 자원화, 목재펠릿 및 해조류 이용 바이오매스 에너지화 등을 통해 현재 국내 에너지 총 공급량 중 2.37%에 불과한 신∙재생에너지 비율을 2013년까지 3.78%로 늘리기로 목표를 설정한 바 있다. 아울러 2020년에는 신∙재생에너지 보급비율 6.08% 중 4.16%을 폐자원 및 바이오매스를 활용하여 달성할 것을 계획하고 있다.

3.2 기술개발 현황

국내의 바이오가스 이용기술은 소화조 가온 및 난방에 제한적으로 사용되던 것을 시작으로 발전과 열 회수가 동시에 가능한 열병합발전이 주를 이루어 왔다. 최근 들어 EU를 중심으로 바이오가스를 천연가스 대체연료로 활용하기 위해 차량연료화 또는 관망주입의 수준까지 정제하는 상업시설들이 급격하게 늘어나고 있다.

우리나라 또한 몇 년 전부터 해외기술을 도입하여, 서남하수처리장 차량연료화 사업, 수도권매립지 수송연료화 사업 등 바이오가스 정제 플랜트 사업이 시범적으로 추진되고 있다. 기업 및 정부에서도 관련 기술을 확보하기 위해 연구개발에 많은 노력을 쏟고 있지만 아직까지 국내 자체기술로 상용급 바이오가스 정제 플랜트를 건설한 적은 없다. 최근에 국내에서도 바이오가스의 고질화 공정에 의해 수송용 자동차 연료와 천연가스 배관망 주입을 위해 외국기술을 도입하여 바이오메탄을 생산하여 시범운영하고 있다.

이 중에서 에코에너지홀딩스는 스웨덴 업체인 Flotech로부터 물 흡수 방식의 이산화탄소/메탄 분리기술을 도입하여 서울시 서남물재생센터의 혐기성소화조에서 발생하는 바이오가스를 2,940㎥/일 수준으로 정제하는 플랜트를 2009년에 완공하여 바이오메탄을 생산하고 있다. 생산되는 바이오메탄은 초기에 마을버스에 공급하여 시범운영하다가 최근에는 영업용 택시에 공급 중에 있다. 또한 한라산업개발은 현재 수도권매립지에 캐나다 업체인 Xebec의 흡착공정인 PSA 기술을 도입하여 음식물 폐수에서 생산되는 바이오가스를 고질화하여 바이오메탄을 생산하는 플랜트를 2011년 6월 완공하였다. 하루 약 800t의 음식물 폐수에서 생산된 바이오가스(약 1만㎥/일)을 정제하여 충전소에서 CNG와 바이오메탄(약 6,500㎥/일)을 77:23 비율로 혼합하여 자동차연료로 공급할 예정이다. 한편 바이오가스의 고질화 공정을 외국기술에 의존하는 것에서 벗어나 국산화시키는 노력도 최근에 한국가스공사와 현대건설을 중심으로 진행되고 있다.

4. 수송용 바이오메탄-CNG 혼합연료의 엔진 성능평가

바이오메탄-CNG 혼합연료의 버스엔진 성능평가 시스템은 크게 버스엔진부, 연료공급시스템부로 구성되어 있다. 버스엔진부는 엔진시험지그 설계 및 제작 및 엔진 전자제어장치(ECU,Electronic Control Unit) 연결 및 변경 등을 설치하였으며, 연료공급시스템부는 바이오메탄 혼합비율에 따른 바이오메탄-CNG 혼합연료의 공급시스템으로 연료공급장치 설계 및 설치, 가스누설 경보시스템 설치, 연료 공급라인 SUS 피팅 및 스텐드 제작 설치 및 연료 모니터링 시스템 등을 모두 구축하였다. CNG 연료와 바이오메탄 연료에 대한 각각 의 성능평가와 배출가스 성능평가를 통해 최적화 시켰으며, 이러한 최적화를 바탕으로 바이오메탄 연료 혼합비율(0, 50, 100%)에 다른 버스엔진의 배출특성을 평가하였다.

버스엔진의 배출가스 성능평가에 바이오메탄-CNG 혼합연료의 품질특성을 표에 나타내었다. 바이오메탄의 메탄 함량은 90.7 부피%였으며, CNG 연료에 50% 혼합한연료의 메탄 함량은 92.8 부피%로 분석되었다. 또한 바이오메탄-CNG 혼합연료의 황분은 1.9ppm으로 Sulfur Free 수준이었다.

한편 바이오메탄의 혼합비율에 따른 바이오메탄-CNG 혼합연료에 대한 버스엔진 배출가스 성능평가는 국내 인증 시험법에 부재하여 유럽지역의 트럭 및 버스엔진의 배출가스 시험법인 ETC(European Transient Test Cycle)를 사용하였다. 이 때 시험평가 항목은 규제 배출가스인 CO, NMHC, NOx 등을 평가하였다.

바이오메탄의 혼합비율에 따른 바이오 메탄-CNG 혼합연료에 대한 버스엔진 배출가스 결과를 표에 나타내었다. 바이오메탄 연료만 사용한 버스엔진의 배출특성은 CNG와 비교할 때 다소 차이는 있으나 거의 동등하게 파악되었다.

배출가스 중 NOx는 바이오메탄이 CNG보다 낮게 배출되는 특성을 보여 주었다. 또한 바이오메탄을 50% 함유한 바이오메탄-CNG 혼합연료의 경우는 바이오메탄의 함량이 높아짐에 따라 CNG 연료와 비슷한 배출특성을 보여주고 있다.

5. 결론

▶ 신재생연료 혼합의무제도(RFS) 도입 시 천연가스업계의 혼합 가능한 바이오연료로서 국내 폐자원을 활용하고 온실가스 저감차원에서 잠재성 매우 큰 연료로 평가된다.

▶ 국내 수송용 바이오가스에 대한 전주기분석 조사에서 바이오가스는 기존 화석연료에 비해 우수한 온실가스 저감효과가 있는 것으로 파악되었으며, EU의 지속가능성 기준에도 충족한다. 수송용 차량 연료로 사용하기 위해 고질화(Upgrading)된 바이오메탄 연료는 차량 유해물질이 거의 제거되어 차량 부품에 큰 영향이 없는 것으로 분석된다.

▶ 수송용 바이오메탄 연료의 차량 공급라인의 고무재질에 대한 침지평가 결과, 거의 영향을 주지 않았다.

▶ 바이오메탄 혼합비율에 따른 바이오메탄-CNG 혼합연료의 버스엔진 배출가스 평가 결과, 바이오메탄은 CNG와 동등수준의 배출가스 특성을 보이며, 바이오메탄의 함량이 높을수록 배출가스 중 NOx는 저감되는 효과를 보인다.