기타 신재생에너지설비 2016. 05 전북대학교 IT응용시스템공학과 소 병 문

목 차 1. LFG(매립가스) 발전 2. 바이오매스 3. 해양에너지 5. IGCC(석탄가스화복합) 4. 소수력 6. 폐기물 목 차 1. LFG(매립가스) 발전 2. 바이오매스 3. 해양에너지 쓰레기 매립장에서 발생하는 가스이용 매립가스발전 분뇨, 폐목재 등에서 발생하는 바이오매스가스발전 바다에서 발생하는 파력, 조력 및 조수간만차 발전 4. 소수력 5. IGCC(석탄가스화복합) 6. 폐기물 계곡 등의 소량의 물과 낙차를 이용한 소수력발전 석탄 또는 폐기름의 가스화를 이용한 발전 산업폐기물 등 폐기물에서 다시 자원을 회수하는 발전

1. 매립가스 발전 □ 매립가스 발전이란 ? 쓰레기 매립장에서 쓰레기가 미생물에 의해 분해되면서 발생하는 혐기성가스를 수집, 내연기관 또는 보일러 및 증기터빈을 운전하여 전력을 발생시키는 발전방식 ○ 매립가스의 주성분 - 폐기물이 매립되어 호기성 단계로서 며칠 또는 몇 개월이 지나면 수분이 많은 경우에는 용존산소가 쉽게 고갈되어 혐기성 단계의 2단계 반응에 빨리 도달한다. 혐기성 단계에서는 임의성 미생물에 의하여 SO4, 2-, NO3-가 환원되는 단계를 거쳐 이 반응으로 이산화탄소(CO2)가 생산되며 수분이 충분하면 메탄(CH4)이 생산된다. 즉 가스내의 CH4 함량이 증가하기 시작하여 온도가 약 55℃까지 올라가며, 혐기성 단계에서는 가스내의 CO2와 CH4의 함량이 거의 일정하게 된다. ○ 매립가스를 사용하면 - 폐자원의 활용, 메탄 및 이산화탄소에 의한 환경오염 방지, 악취저감, 에너지 자립도 향상, 주변지역 난방공급, 쓰레기매립지 폭발사고 방지 등의 효과

□ 전국 매립가스 발전소 현황(단위 : MW / 대) □ 전국 쓰레기 매립지 현황 □ 전국 매립가스 발전소 현황(단위 : MW / 대) 생곡 LFG 포항 군산 회천 상원 이엔씨 대전 금고동 광주 운정 청주 부산 바이오가스 한려 에너지 미래 애코 제주 김포 여수 - 1.0 1.3 0.38 0.87 1.06 1.058 0.923 0.925 50 6대 2대 1대 8대 4대 3대 6.0 2.0 9.88 3.5 3.2 2.116 1.85

□ 매립가스 발전설비의 문제점 □ 매립가스의 새로운 사용방법 ○ 매립가스는 혐기성가스(산소없이 미생물의 활동에 의한 유기물의 분해로 생성되는 가스)로 미생물의 활동여부 및 수분, 대기온도, 쓰레기의 조성에 따라 발생가스의 품질이 천차만별이며 ○ 최근 음식물쓰레기 매립금지 조치에 따라 가스 발생량이 현저히 감소 - 각 발전소의 가동율 부산생곡 : 60%, 포항 : 61%, 제주 : 21%, 광주 : 48%, 김포화력 : 45%, 김포내연 : 0% 군산 : 45%, 대전 : 15%, 청주 : 70%, 여수 : 57%, 순천 : 39% (가동률이 60% 이상으로 유지되어야 경제성 있음) ○ 가스중에 연소분이 차지하는 비율은 대략 60% 수준이며, 불순물이 많아 발전설비에 공급하기 전에 유해물질에 대한 전처리가 필요하며, 전처리 과정을 거쳐도, 발전설비가 오염되어 고장발생이 많다 □ 매립가스의 새로운 사용방법 ○ 매립가스의 농도를 높이고(60%에서 98% 이상으로) 압축, 액화하여 자동차용 연료로 사용

2. 바이오가스 발전 □ 바이오가스 발전이란 ? □ 바이오에너지의 특징 바이오에너지란 바이오매스(biomass)를 연료로 사용하여 얻어지는 에너지로 일반적으로 바이어매스라 하면 식물이나 미생물 등을 에너지원으로 이용하는 생물체이다. 태양에너지를 이용한 광합성 과정을 통하여 모든 식물과 미생물이 생성되며 이를 먹고 동물체가 만들어지며, 이와 같은 자연계 순환의 전 과정에서 생성된 유기성 생물체를 통틀어 바이오매스라고 한다. 이러한 바이오매스를 직접 또는 생화학적, 물리적 변환과정을 통해 액체, 가스 고체연료나 전기, 열 에너지 형태로 이용하는 것을 바이오에너지라고 하며, 발전에 이용하는 것이 바이오가스발전이다. □ 바이오에너지의 특징 - 자원이 풍부하고 파급효과가 크다 - 환경 친화적으로 생산이 가능하고, 온실가스 감소 기여 - 다양한 에너지원 형태로 변환(연료, 전력, 천연 화합물 등) - 에너지밀도가 낮고, 산재돼이 있어 수집 및 저장 불편 - 다양한 기술개발이 필요, 대규모 설비투자 요구 - 과다한 이용시 환경파괴 유발 가능성

□ 바이오매스를 이용한 바이오에너지 □ 바이오에너지의 활용방법 유지작물 (유채, 콩 등) 채종유 (유채유 등) 바이오대젤 (에스테르) -추출- -에스테르화- 전분작물 (보리, 옥수수 등) 당분 (포도당 등) 바이오알콜 (에탄올) -당화- - 알콜발효 - 섬유소 식물체 (나무, 볏짚 등) -효소당화 가스화 촉매반응 메탄올 열 전기 가스 직접연소 보일러 발전기 유기성 폐기물 (음식쓰레기, 축분, 동물체 등) 메탄가스 -혐기발효- □ 바이오에너지의 활용방법 ○ 전기, 열 생산 / 화학제품 및 차량용 고체연료 / 액상상태로 변환한 바이오 에탄올 및 바이오 디젤 등

□ 목질계 바이오에너지 ○ 목질계 바이오에너지란 광합성에 의해 생산되는 목질계 바이오매스를 조밀화나 건조과정을 통해 가공하여 연소하거나, 연료 변환 기술을 사용 액체나 가스상태로 변환시켜 생산된 연료로부터 생산된 에너지 바이오매스 자원 산업분야 농업분야 임업분야 폐기물분야 바이오에너지, 바이오연료 및 소재 생산을 위한 바이오매스 공급 전통적 바이오매스 매스 : 화목, 숯 등 중앙집중식 전기/열 생산 액체 및 기체 수송용연료 현장용 난방 / 전기 생물정제 생물소재 바이오에너지 이용 에너지공급 수송 건물/산업 산업

□ 목질계 바이오매스 ○ 목질계 바이오매스란 농작물, 목재, 폐목재 또는 부산물, 식물, 잔디, 잔류섬유, 축산분료, 도시쓰레기 등의 재생에너지로 쓰일 수 있는 모든 유기물 중 셀룰로오즈 및 리그닌으로 구성된 목질계자원으로 주로 목본식물과 초본식물을 의미하며 이들에서 파생된 제품이나 폐기물 목 질 계 바이오매스 폐기목재 벌 목 제 임목폐기물 산업화임목 폐기물 패해목 폐 목 재 임지폐목재 가공폐목재 건설폐목재 생활폐목재 유통폐목재 주 벌 재 수송갱신재 간 벌 재

□ 목질계 바이오매스의 연료 형태 □ 목질계 바이오매스의 연소형태 목 질 칩 목질펠릿 목질 브리켓 목탄 ○ 직접연소 : 고정격자식 연소, 이동격자식 연소 버블유동층 연소, 순환유동층 연소 ○ 혼합연소 : 기존의 발전소에서 석탄과 혼합하여 연소/톱밥크기 이하로 미분 ○ 간접연소 : 고온처리하여 가연성 가스를 생산한 후 가스엔진이나 가스 터빈에서 연소하여 전기 및 열에너지 생산하거나 가연성가스를 화학변환방식(GTL)으로 기체에서 액체로 변환하여 수용용 연료로 사용

□ 바이오매스 발전소 현황 ○ 바이오매스 이용 가능량 ○ 바이오매스 이용 현황 에너지원 개 발 부산물 피해목 숲가꾸기 폐목재 개 발 부산물 피해목 숲가꾸기 폐목재 에너지 순환림 합계 가용량 [m3] 436,943 206,203 1,270,221 2,057,627 2,622,490 6,593,484 ○ 바이오매스 이용 현황 - 현재 · 위치 : 서대구 산업단지 · 형태 : 유동층 보일러 및 증기터빈 · 용량 : 전기 : 1.5MW / 증기 : 53.5 m3 /yr - 미래 · 지역난방을 위한 온수전용 보일러 건설 · 열 및 전기생산을 위한 열병합발전 건설

3. 해양에너지 □ 해양에너지란 ? □ 해양에너지의 기술개요 에너지자원 파 력 조 력 조 류 총 계 부 존 량 650만kW □ 해양에너지란 ? 해양에너지 이용기술은 해양에 광범위하게 분포하는 청정 재생에너지 자원인 파랑, 조류, 조석, 수온 등의 물리적 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치와 관련 해양구조물의 설계 및 성능평가 기술 □ 해양에너지의 기술개요 - 해양에너지변환 시스템은 해양에너지 각각이 갖고 있는 운동에너지, 위치 에너지 또는 열에너지를 기계적인 운동에너지(회전에너지 혹은 선형운동 에너지)로 변환하거나, 열교환기를 이용하여 공기 또는 해수를 냉각 또는 가열함으로써 에너지를 흡수 - 우리나라 연안역의 부존자원 에너지자원 파 력 조 력 조 류 총 계 부 존 량 650만kW 100만kW 1,400만kW ※ 2009 현재 우리나라 전력설비의 20% 수준

○ 파력발전 : 파력발전은 파랑의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 구동 □ 해양에너지의 종류 ○ 파력발전 : 파력발전은 파랑의 운동 및 위치에너지를 이용하여 터빈을 구동 하거나 기계장치의 운동으로 변환하여 전기를 생산하는 기술 진동수주형 월 파 형 ○ 조력발전 : 조력발전은 조석을 동력원으로 하여 해수면의 상승하강현상을 이용, 전기를 생산하는 발전방식으로 일정중량의 부체가 받는 부력을 이용 하는 부체식, 조위의 상승하강에 따라 밀실에 공기를 압축시키는 압축공기식, 그리고 방조제를 축조하는 해수저수식으로 구분 발전 충수 및 대기

○ 조류발전 : 조류발전은 조류의 흐름이 빠른곳을 선정하여 그 지점에 수차 세계최대 시화조력[254MW] 프랑스 랑스조력[240MW] ○ 조류발전 : 조류발전은 조류의 흐름이 빠른곳을 선정하여 그 지점에 수차 발전기를 설치하고, 자연적인 조류의 흐름을 이용하여 설치된 수차발전기를 가동, 대규모 댐을 건설하지 않아 환경친화적이며, 설치위치가 한정되어 있음 울돌목 조류 UK MCT사

조력발전 개념도 시화조력 건설현장 [공정률 60%] 울돌목조류 구조물 설치

댐,저수지▶수압관로 ▶수차발전기 ▶계통연계장치 ▶한전 송전선로 4. 소수력 □ 소수력이란 ? 수력발전 설비는 “물의 유동에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 설비”이며 2005년 이전에는 설비용량 1만kW를 기준으로 소수력과 수력으로 구분하였 으나, 현재는 설비용량으로 구분하지는 않음 □ 수력발전시스템의 구성 댐,저수지▶수압관로 ▶수차발전기 ▶계통연계장치 ▶한전 송전선로

□ 수력발전의 필요성 □ 수력발전시스템의 분류 우리나라는 에너지의 97%를 수입하는 입장이며, 수력설비는 전력생산량의 1.4%, 발전설비 구성으로는 8.4%에 불과하지만 - 공급안정성이 우수하고 - 발전가격이 장기적으로 저렴하며 - 이산화탄소를 배출하지 않는 크린에너지이며 - 에너지 변환효율이 높다 □ 수력발전시스템의 분류 유 입 식

□ 수차의 종류 조정지식 댐, 저수지식 프란시스 수차 - 넓은 범위의 낙차 및 유량 - 수형부터 대형수차 프로펠러 수차 - 저낙차, 대유량 - 유량변화가 적은 수로 댐에 설치

□ 소수력발전 보급 잠재량 펠턴수차 - 고낙차 저유량 - 정밀한 유량조절 필요 - 수형부터 대형수차 상쾌, 하쾌 수차 - 저낙차, 저수량 - 물의 자중이용 - 과거 방앗간, 조경용 □ 소수력발전 보급 잠재량 구 분 지점수 잠재량(kW) 특 징 일반하천 120 1,412,500 가동보를 이용한 개발 하수종말처리장 63 5,300 이용율 70~80% 수도관로 58 2,500 이용율 90% 농업용저수지 16.3 48,000 저수량이 계절영향 많음 농업용 보 18,252 5,000 이용율 40% 다목적댐, 용수로 6 6,744 이용율 60% 화력발전소 냉각수 25~30 19,956 삼천포, 보령화력에 건설운영

합 계 51,042kW □ 소수력발전 현황/개인 발전사업자 발전소명 용량(KW) 용량 (KW) 포 천 1,485 임 기 포 천 1,485 임 기 1,200 정 읍 2,000 방우리 2,120 소 천 2,400 금 강 1,350 봉 화 한 석 2,214 산 내 820 경 천 450 영 월 2,800 덕 송 2,600 봉 정 1,920 대 아 3,000 반 변 800 보 령 701 부 안 193 운 문 330 성 주 1,800 힁 성 1,000 영 천 밀 양 1,300 안 동 1,500 천 상 250 용 담 4,100 성 남 340 동 화 대 곡 300 장흥댐 장 성 1,220 하동호 825 달 방 170 합 천 주 암 990 담 양 1,274 백 곡 430 원정수 600 고 문 1,060 합 계 51,042kW

합 계 19,445kW 합 계 330kW □ 소수력발전 현황/발전사업자가 추가 설치한 설비 □ 소수력발전 현황/자가용 발전소명 보성강 4,500 안 흥 480 괴 산 2,600 추 산 700 산청양수 400 무주양수 양 양 1,400 섬진강 6,000 삼천포 2,965 합 계 19,445kW □ 소수력발전 현황/자가용 발전소명 용량(KW) 용량 (KW) 아산하수 36 천안하수 15 20 진해 10 대구신천 139 대구공산 110 합 계 330kW

5. IGCC(석탄가스화 복합발전) □ IGCC란 ? □ IGCC의 특징 석탄을 고열로 가열, 화학적 분해를 통한 가스화 후 정제한 가스연료(CO, H2) 를 가스터빈에 공급하고, 가스화 리액터 및 가스터빈에서 나온 배열을 보일러 에 공급하여 증기를 생산 증기터빈에 공급하여, 가스터빈 및 증기터빈에서 동시에 발전하는 복합발전방식 □ IGCC의 특징 - 고효율 : 현재는 39~43%이나, 가스터빈 이용시 45~46% 가능 (기존 발전시스템은 38~40%) - 환경 보전성 : 탈황율 99.9%, 질소산화물 배출 25ppm이하 - 다양한 연료 사용 : 무연탄, 유연탄, 폐유, 폐목재, 잔사유, 아스팔트 □ IGCC의 문제점 - 투자비가 높고 - 설비가 복잡하여 제어가 어렵고 - 다양한 설비가 필요함에 따라 넓은 부지필요

□ 석탄가스화 설비(리액터) ○ 반응과정 - 건조 : 수분증발 - 탈휘발화 : 휘발분 증발 - 부분연소 - 가스화 : CO, H2, CH4 - 미량성분 : H2S, COS, N2, NH3, HCN ○ IGCC 발생가스의 특성 - 발열량은 2,500kcal/m3로 천연가스의 1/5 - 가스터빈에 동일열량을 공급하기 위해서는 많은 질량유량이 필요하고, 출력 20% 증대 - H2 가스성분이 높아 화염속도가 빠르므로 연소기의 특성을 확산연소가 되도록 설계 ○ IGCC 발전설비의 최적구성 - 가스화기, 가스정제장치, 가스터빈, 보일러 증기터빈, 산소제조설비, 보조기기로 구성

□ 세계의 주요 IGCC 실증설비 미국 Tampa / 250MW 미국 Wabash / 252MW 네델란드 Buggenum / 253MW 스페인 Puertollano / 300MW

□ IGCC 환경성능의 경제적 효과 109.3억 3,276억 항 목 발생량(ton/년) 저감량 (ton/년) 저감비용 항 목 발생량(ton/년) 저감량 (ton/년) 저감비용 (억원/년) 수명기간 저감효과 (30년) 석탄화력 IGCC 이산화탄소 1,645,037 1,445,932 199,105 19.9 597 질소산화물 3,061 318 2,743 30.0 909 황산화물 2,296 42 2,253 6.6 198 소 계 56.8 1,704 연료비절감 300MW 발전소 =87,274ton/hr 52.5 1,572 합 계 109.3억 3,276억 환경오염물질 거래가격 : 황산화물 / 294원/kg, 질소산화물 / 1,104원/kg 이산화탄소 거래가격 : 9,979원/ton(8.5유로/ton) 열효율 : 석탄화력 37%, IGCC 43%(고위발열량 기준) 배출기준 : 석탄화력 / 황산화물 150ppm, 질소산화물 200ppm IGCC / 황산화물 4ppm, 질소산화물 30ppm

□ IGCC 현재와 미래/선진국 기준 □ 우리나라의 개발현황 구 분 현 재 미래(2016년까지) 비 고 용 량 300MW 구 분 현 재 미래(2016년까지) 비 고 용 량 300MW 400~500MW 가스터빈 고급화 열효율(%,net) 43% 45% 가스온도 1500℃ 건설비용 1,400~1,600$/kW 1,200~1,400$/kW - 발전원가 유연탄대비 +10~15% 유연탄대비 대등 환경규제강화시 경제성 대폭향상 □ 우리나라의 개발현황 ○ 시험설비 운영현황 - 고등기술연구원 : 5ton/일 시험설비 운영 - 한국전력연구원 : 3ton/일 시험설비 운영 ○ 설치예정설비 - 설치사업자 및 예정지역 : 한국서부발전㈜ / 태안 - 설치용량 : 300MW - 설치예정 : 준공 / 2017년 / 국산화 90% 목표

6. 폐기물 □ 폐기물 발전이란 ? □ 폐기물 처리방식의 분류 폐기물 에너지는 에너지 함량이 높은 폐기물을 산업생산 활동에 필요한 에너지로 활용하기 위하여 사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성폐기물을 대상으로 성형고체연료의 제조기술, 열분해에 의한 오일화 기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 등의 가공, 처리 방법을 적용하는 발전방식 □ 폐기물 처리방식의 분류 - 페기물 고형연료(RDF) : 폐목재, 종이 등에서 수분과 불연성 성분을 제거하고 분쇄, 분리, 선별, 건조, 성형하여 만든 저공해 고체연료 - 열분해 유화 : 400~550℃의 무산소분위기에서 폐기물을 가스상의 탄화수소화합물로 이루어진 합성가스로 분해한 후 응축기를 통하여 액상의 연료유 생성 - 가스화 : 공급된 폐기물 내의 가연성물질인 탄소 및 수소성분을 고온의 환원조건에서 가스화 반응을 통하여 일산화탄소 및 수소를 주성분으로 하는 합성가스를 생산하는 기술

RDF RDF 소각로 열분해 유화 및 가스 설비 열분해 공정도

○ 폐기물 소각열 회수 이용 - 유기물을 소각하면서 발생한 열을 이용 온수제조 및 난방, 고압증기를 이용한 발전, 열병합발전을 통한 집단에너지 공급 등 - 대기오염 완벽방지 기술개발과 최종 처리 폐기물의 감량효과

□ 열병합 기술 단일 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 발생시켜 에너지 이용율을 기존 발전소의 2배 이상인 70~85%로 높이는 발전체계 전력생산과 지역난방 또는 산업용 증기공급을 동시에 수행

- 폐기물을 이용한 소형소각로를 설치한 지역 열병합발전사업자는 지속적으로 설치가 증가할 것으로 예상됨. 끝. □ 국내 폐기물 발전설비 현황/2007. 12월 현재 고객명 위치 출력(kW) 출력 (kW) 다대포소각장 부산 700 양천소각장 서울 1,350 ㈜젝시엔 3,800 성남소각장 성남 4,500 성서소각장 대구 2,000 창원소각장 창원 2,200 현대소각로 울산 울산소각로 1,500 광주소각로 광주 1,800 구리소각로 구리 800 천안소각로 천안 의정부소각로 의정부 1,200 인천소각로 인천 파주소각로 파주 제주소각로 제주 명지소각로 3,000 용인환경센터 용인 2,300 전주소각로 전주 8,000 합계 : 23대 / 45,330kW □ 향후 전망 - 폐기물을 이용한 소형소각로를 설치한 지역 열병합발전사업자는 지속적으로 설치가 증가할 것으로 예상됨. 끝.