바이오매스(Biomass)

바이오매스는 식물과 동물에서 만들어지는 유기물 재료로, 햇빛으로부터 저장된 에너지를 함유 식물은 광합성 과정을 통하여 햇빛 에너지를 흡수하며, 식물의 화학에너지는 동물과 사람들이 먹을 수 있는 음식물로 전환 바이오매스는 나무와 농작물로 성장하고 폐기물이 항상 존재하기 때문에 재생에너지임 그림 8.2 광합성 과정 그림 8.1 바이오매스의 성장, 재배, 수확과정

연소가 일어나면, 바이오매스의 화학에너지는 열로 방출된다. 그림 8.3 바이오매스 연료로 단순히 사용되는 예 바이오에너지라고도 불리는 바이오매스는 전기생산, 열, 화학제품, 또는 차량용에 고체연료로 사용되거나, 액체 또는 기체형태로 변환 되어 이용되며, 정미 (net) 온실가스를 발생시키지 않음 다른 재생에너지와는 달리 수송용에 사용하기 위하여 직접 액체로 변환될 수 있는 바이오매스를 바이오연료 (biofuel)라고 하며, 에탄올과 바이오디젤의 2가지로 분류

알콜인 에탄올은 맥주 양조과정과 유사하게 옥수수 같은 탄수화물을 고도로 발효시켜 생산 에탄올은 차량의 일산화탄소와 스모그를 유발하는 배기가스를 감소하기 위하여 보통 연료첨가제로 사용 에스테르인 바이오디젤은 식용유, 동물의 지방, 해조류, 재생된 요리용 수지 등을 이용하여 만들어 짐 차량의 배기가스를 감소하는 디젤첨가제로 사용되거나 순수하게 차량연료로 사용가능 바이오매스는 미국에서 재생에너지 생산량 중 수력 다음으로 많이 사용하며, 주요에너지 생산량의 약 4.5%를 점유 현재 설치된 용량이 7,000 MW 이상인 바이오매스는 매해 370억 kWh의 전기를 생산

바이오매스 바이오매스의 종류 : 나무, 농작물, 쓰레기, 알콜연료, 쓰레기 매립지 가스 등 나무 부스러기와 목재생산 산업의 잔류물은 전기를 발전하기 위한 가장 경제적인 바이오매스 연료로 사용 인구가 많은 생산시설 부근에는 사용된 화물선적 팔레트와 정원의 잘라낸 부스러기들이 저가의 바이오매스 근원 에너지 농작물 : 벼 껍질, 사탕수수․사탕무의 찌꺼기로 연료나 펄프의 원료인 바가수, 빨리 성장하는 나무 등 쓰레기 : 음식, 섬유 등의 유기부산물과 위험하지 않은 도시 고체폐기물 등 그림 8.5 나무 부스러기 그림 8.4 바이오매스의 종류

그림 8.6 옥수수 그림 8.7 보일러에 사용하기 위하여 저장 된 후 건조되는 바이오매스 연료 그림 8.8 쓰레기 매립장 그림 8.9 스위치풀 (왼쪽), 바가수 (중앙), 잡종 포플러 (오른쪽)

바이오매스 전력 생산 기술 화석연료를 사용하는 Rankine 사이클과 유사한 장치를 이용하여 재생 바이오매스 연료를 열과 전기로 변환하는 것으로, 이미 입증된 기술 미국에서 재생에너지 자원 중에 바이오매스로부터 생산되는 전기가 수력 다음으로 많으며, 설치된 용량은 10 GW에 달함 그림 8.10 California 주의 Anderson 시에 위치한 50 MW급 바이오매스 전력발전소

직접연소 (direct-combustion) 과잉공기와 바이오매스가 연소되는 것으로, 보일러에서 열교환을 통하여 증기를 발생하는데 사용되는 고온의 가스를 생산 이러한 증기는 증기터빈 발전기에서 전기를 생산한다. 공동연료 (co-firing) 기존 발전소의 연소기에 연료로 사용되는 석탄을 바이오매스로 대체 새로운 바이오매스 전력발전을 도입하기 위하여 단기적으로 가장 경제적인 방안 주요한 변경 없이 대부분의 기존발전소 장비를 사용하기 때문에, 공동연료는 새로운 바이오 전력발전소를 건설하는 것 보다 저렴 석탄의 액체화 (pulverized coal), 사이클론, 유동층 베드 (fluidized bed), 확산급탄기 (spreader stoker)를 포함하는 다양한 보일러 기술에 대하여 평가 가스화 (gasification) 바이오매스의 가열에 의해 작동되는 바이오 가스화 시스템 고체 바이오매스가 가연 가스로 생성되기 위하여 분해되는 환경에서 바이오매스를 직접 연소시키는 장점이 있음 청정 바이오 가스가 필요할 때, 화학적 화합물의 문제를 제거하기 위하여 여과할 수 있으며, 이렇게 생산된 바이오 가스는 가스터빈 상부 사이클과 증기터빈 하부 사이클로 구성되는 복합사이클 전기발전소에서 연료로 사용

유기화합물의 열분해 (pyrolysis) 바이오매스의 열분해는 바이오매스가 공기가 부족한 환경에서 고온에 노출된 과정에 근거하며, 바이오매스의 분해를 유발 열분해의 최종생산물은 고체 (숯), 액체 (산소 처리된 오일), 기체 (메탄, 일산화탄소, 이산화탄소)의 혼합물 혐기성 소화 (anaerobic digestion) 산소가 없는 환경에서 메탄과 다른 부산물을 생산하기 위하여 유기물질이 박테리아에 의해 분해되는 과정 주요 에너지 생산물은 보통 50~60%의 메탄으로 구성되는 저질에서 중질의 열발생 가스 모듈 시스템 (modular system) 위에서 설명한 기술들의 일부를 채택한 모듈 시스템은 마을, 농장, 소형 산업체에 적용 가능한 소형 규모 이러한 시스템은 현재 개발 중으로, 바이오매스가 풍부하고 전기가 부족한 원격지역에서 가장 유용하며, 특히 개발도상국에서는 이러한 시스템이 효과적일 것으로 생각됨 그림 8.11 혐기성 소화과정의 흐름도

재생에너지원으로서 바이오전력은 기존 에너지원의 대안 환경문제, 시골지역의 경제성장, 국가에너지 안전 등의 장점이 있음 바이오전력은 연소과정을 통하여 기존 에너지원 보다 적은 배기가스를 배출 바이오매스는 화석연료의 사용과 관련된 배기가스의 상쇄로 인하여 실제로 환경의 질을 향상 쓰레기를 사용함으로 쓰레기 매립문제를 해결 가능 바이오전력의 성장은 새로운 시장과 현재 경제적인 어려움에 직면한 농부들, 삼림노동자들의 고용을 창출할 수 있음 =>시골사회에 새로운 과정, 분배, 서비스 산업이 정착될 수 있음 그림 8-12 미국 전역에 걸친 바이오매스 자원의 고밀도 지역 분포도

그림 8.13 세계 바이오전력 자원 분포

그림 8.14 Vermont 주 Burlington 시의 McNeil 발전소

바이오 연료 바이오 연료 : 살아있는 생물체 또는 상대적으로 최근까지 생명이 붙어있던 물질로부터 얻어진 고체, 액체, 또는 가스 상태의 연료로 정의되며, 장기간 동안 죽어있던 생명체로부터 얻어진 화석연료와는 다름 다양한 농작물과 농작물에서 추출된 재료가 바이오연료 생산에 사용 세계적으로 바이오연료는 수송용 차량, 주거용 난방과 요리에 가장 일반적으로 사용 그림 8.16 바이오연료나 식용으로 사용되는 사탕수수 그림 8.17 이산화탄소 사이클

바이오 에탄올 에탄올은 현재 가장 많이 사용하고 있는 바이오연료 매해 미국에서 가솔린에 첨가되는 양이 15억 갤런 이상으로 차량 성능을 향상시키고 대기오염을 감소시키기 위하여 사용되고 있음 알콜인 에탄올은 전분(녹말) 농작물이 당분으로 변환되고, 당분이 에탄올로 발효된 후, 맥주 양조과정과 유사한 방법으로 증류되어 만듬 에탄올 제조 원료인 녹말과 당분은 상대적으로 유용한 식물 재료에 많지 않으나, 당분 분자의 중합체인 섬유소는 대부분의 바이오매스에 대량으로 함유 바이오에탄올 : 기존의 공급재료인 전분 농작물 대신에 섬유소 바이오매스 재료로부터 만들어지는 에탄올 에탄올은 가솔린의 옥탄가를 증가하고 배기가스의 질을 향상시키기 위하여 사용 E10 (10% 에탄올과 90% 가솔린) 혼합연료가 가장 일반적으로 보급됨 E85와 E95는 북미주의 정부 차량, 적응 연료 차량, 도시순환버스에 성공적으로 시험되고 있음

농산물 폐기물 : 곡물의 겉겨, 줄기, 잎 등과 같은 농작물의 잔여 재료 그림 8.18 E85 적응연료를 사용하는 2005 Volvo의 FlexiFuel S40 차량 바이오 에탄올 공급재료 농산물 폐기물 : 곡물의 겉겨, 줄기, 잎 등과 같은 농작물의 잔여 재료 삼림 폐기물 : 제재소의 나무 부스러기와 톱밥, 죽은 나무, 나뭇가지 도시의 고형폐기물 : 가정의 쓰레기와 종이 생산물 음식 가공 쓰레기와 산업 폐기물 : 종이 생산 시 발생하는 부산물 에너지 농작물 : 빨리 성장하는 나무와 풀들 바이오매스 주 성분 섬유소 (cellulose) 반섬유소 (hemicellulose) 목질소 (lignin)

천연 공급재료 내에 있는 복잡한 다당류가 단순한 당분으로 변환하는 화학과정 * 바이오 에탄올 생산 가수분해 천연 공급재료 내에 있는 복잡한 다당류가 단순한 당분으로 변환하는 화학과정 바이오매스가 바이오에탄올로 변환되는 과정에서, 산과 효소는 이러한 반응에 촉매작용을 함 발효 당분을 에탄올로 변환하는 일련의 화학작용 당분을 공급하여 기르는 효모나 박테리아가 원인 당분으로 생산되는 에탄올과 이산화탄소는 소비됨 그림 8.19 건조제분 에탄올 생산공정 그림 8.20 습식제분 에탄올 생산공정

그림 8.21 생화학적 섬유질 에탄올 생산공정의 개략도 그림 8.22 열화학적 섬유질 에탄올 생산공정의 개략도

그림 8.23 옥수수 같은 식물재료로 에탄올과 메탄올을 생산하는 정제시설

재생디젤 재생디젤은 디젤엔진에 사용되는 연료로, 석유 디젤과 혼합되거나 식용유, 동물지방과 같은 재생 근원 또는 풀이나 나무와 같은 바이오매스의 다른 형태로부터 만들어짐 바이오디젤은 현재 미국 전역에 걸쳐 사용되는 재생 디젤연료의 한 예 바이오디젤은 모두가 다 재생 가능한 식용유, 동물지방, 재활용된 식당기름 등으로부터 제조 차세대 재생 디젤연료인 E-디젤은 혼합물의 성능을 향상시키기 위하여 에탄올, 디젤연료, 다른 화학약품을 혼합한 것임 E-디젤의 에탄올 부분은 옥수수와 같은 알곡으로 구성되기 때문에 재생가능 바이오디젤은 석유디젤과 20% 정도 혼합 (B20)되어 연료첨가제로 사용 B20과 같이 혼합된 바이오디젤은 디젤엔진에서 작동되며, 혼합된 양에 따라 오염물질이 대략 비례적으로 감소

그림 8.25 바이오디젤 생산과정 개략도 그림 8.24 연료로 가솔린 대신에 에탄올을 사용하는 버스

바이오정제소 (Biofinery) 개념 바이오 정제소는 바이오매스 변환 과정과 바이오매스로부터 연료, 전력, 화학약품을 생산하는 장치를 통합하는 시설 당분 (sugar) 플랫폼은 생화학적 변환 과정을 기본으로 하며 바이오매스 공급재료로부터 추출되는 당분 발효가 관심의 대상 합성가스 (syngas) 플랫폼은 열화학적 변환 과정을 기본으로 하며 바이오매스 공급재료의 가스화와 변환과정에서 발생하는 부산물이 중요 그림 8.26 바이오 정제소의 개념