대통령 직속 녹색성장위원회는 2020년 국가 전체의 온실가스 배출량을 2005년 배출량보다 최대 4%까지 감축하겠다고 하였다. 녹색성장위는 온실가스 감축 목표를 세 가지 시나리오 형태로 제시하고, 여론 수렴을 거쳐 올해 중 이중 하나를 최종목표로 결정하겠다고 밝혔다. 정부는 이러한 정책으로 인하여 경제성장률을 낮추는 등 부정적 효과보다 긍정적 측면이 더 클 것이라는 입장이다. 녹색성장위는 온실가스 배출을 줄일 수 있는 각종 환경기술과 저탄소 녹색산업 발굴에 2013년까지 107조원을 투입할 것이라는 지난 7월 발표도 거듭 확인했다. 이에 따라 유발효과가 나타날 것이라고 한다. 농업분야에서는 기후변화 대응과 새로운 에너지원 확보를 국내 부존량이 풍부한 폐기물과 가축분뇨 등 폐자원과 바이오매스를 최대한 활용할 계획이다. 특히 정부는 가축분뇨 자원화·에너지화를 통해 환경오염 방지, 화석연료대체, 온실가스 감축, 화학비료대체, 생활환경 개선 등 1석5조 효과를 기대하고 있다. 농림수산식품부와 환경부가 녹색위원회를 통해 이명박 대통령에게 보고한 ‘가축분뇨 자원화 및 에너지화 실행계획’에 따르면 가축밀집 사육지역 등에 가축분뇨 자원화시설을 확대 설치하고, 이 시설과 연계한 자원순환형 에너지화 시설을 확충해 나갈 계획이다. 가축분뇨 자원화율 목표를 2010년 86%에서 2013년에는 90%까지 끌어올린 다는 것이다. 이를 위해 공동자원화시설(농식품부)을 금년 40개소에서 2013년에는 76개소로 확대할 계획이다. 이중 바이오가스화 시설을 2010년 3개소에서 2013년에는 15개소로 늘릴 계획이다. 이렇게 함으로써 가축분뇨 에너지화를 통해 월 270만kWh의 전기를 생산할 수 있게 되며, 이는 농촌지역 9천여 농가의 한 달 사용량에 해당된다. 축산업에서도 이러한 시대적인 요구에 맞추어 나아가야 하며, 특히 가축분뇨분야에서 많은 성과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 따라서, 가축분뇨로부터 신재생에너지를 얻을 수 있는 방안을 고찰해보고자 한다. ■에너지화에는 어떤 것들이 있나 우선 꼽을 수 있는 것이 바이오가스 생산이다. 현재의 가축분뇨처리 방법은 퇴비화가 주를 이루고 있으며, 그외 액비화, 정화처리의 순서로 행하여지고 있다. 이러한 방법들은 호기성처리를 근간으로 하는 것인데 호기성처리는 에너지소비가 큰 반면에 혐기성처리를 하여 바이오가스를 생산하면 오히려 에너지를 얻을 수 있다. 다음으로는 축분의 펠렛성형으로 보일러의 연료로 사용하는 방법이다. 축분을 적당한 수분함수율로 만들어 펠렛성형기를 통과시키면 펠렛이 만들어지며 이것을 전용 보일러에 연료로 이용하게 된다. 열량은 3,500kcal/kg 정도 되며, 펠렛성형으로 부피가 1/10로 감소되어 취급하기가 용이해진다. 축분펠렛은 주택이나 축사난방, 축사온수공급 등에 이용되며 시설하우스의 겨울철 난방연료로도 이용가능하다. 현재 양분총량제가 시범사업으로 행하여지고 있는데, 이 사업이 본격적으로 시행될 경우에 지역별 양분총량제에 묶여서 가축을 증식할 수 없는 경우에 하나의 돌파구가 될 수 있다. 그외에도 가축분뇨에서 연료용 기름을 추출하는 방법도 있다. 고온고압(300℃, 100기압)에서 행하여지고 있으며, 시험결과에 의하면 열분해수율이 10% 정도 된다고 한다. 현재 연구개발단계에 있으며 실용화되기까지에는 좀 더 많은 시일을 요한다. 현재 관심이 고조되고 있는 바이오가스에 대하여 알아보고자 한다. ■혐기성소화는 어떻게 이루어지나 바이오가스는 유기물이 분해될 때 발생하는 것으로 메탄박테리아의 대사산물이다. 습한 조건과 밀폐된 상태에서 유기물의 생화학적 분해과정에서 발생한다. 이러한 이유로 슬러리의 혐기성 처리라고도 한다. 지금까지 알려진 바로는 메타노코쿠스와 메타노박테륨 등 10가지의 다양한 종이 있다. 메탄박테리아는 물질에 최소 50% 이상의 충분한 수분이 있을 때 활동하고 증식한다. 바이오가스의 주성분은 메탄(CH4) 55~70%, 탄산가스(CO2) 29~43%이며, 그 나머지는 유화수소(H2S)로 되어 있다. 메탄박테리아의 활동범위는 0℃에서 70℃ 사이 이다. 소화과정의 속도는 온도와 관계가 깊다. 일반적으로 온도가 높을수록 분해가 빨리 이루어지고 가스생산도 많아진다. 소화기간이 짧아지며 바이오가스의 메탄함량은 적어진다. 실제에서는 저온, 중온, 고온 3종류의 온도영역이 주어져 있다. 저온은 20℃에서, 중온은 35~40℃ 범위, 그리고 고온은 55℃에서 이루어진다. 온도가 높으면 높을수록 박테리아는 온도변화에 더욱 예민해진다. 지금까지 일반적으로 바이오 가스시설은 중온 영역인 35~40℃ 사이에서 운전되고 있다. 정상가동 pH값은 6~8 범위인데 약알카리인 7.5가 최적이다. 소화조의 부하는 무엇보다도 온도, 유기건물함량 그리고 체류기간에 따라 달라진다. 35℃에서 소화조부하는 일반적으로 2~3kg의 유기건물을 투입하고 처리한다. 바이오가스의 발열량은 6 kWh/㎥으로서, 천연가스 10 kWh/㎥, 메탄 10 kWh/㎥에 비하여 에너지밀도가 상대적으로 낮다. 1㎥의 바이오가스는 난방유 0.6~0.7ℓ 정도의 에너지를 갖고 있다. 그래서 압축없이 저장을 하기 위하여는 큰 저장공간이 필요하다. 바이오가스로부터 열을 이용하고자 할 경우에는 하루분량의 가스생산량을 저장할 수 있는 용적으로 한다. 전기를 생산하는 경우에는 하루 24시간 가동을 한다면 하루 생산량의 20~50%의 저장용량으로도 충분하다. 기술적인 이유와 환경적 측면에서 바이오가스로부터 원하지 않는 성분을 제거하는 것이 필요하다. 수증기가 여기에 해당된다. 그것은 부식위험을 높이고, 가스가 냉각되고 압축되는 곳에 문제를 일으킨다. 가스의 높은 습도는 열량을 감소하며 배관에서 압력손실을 높인다. 가스를 건조시키기 위하여는 응축공정이 행해진다. 이것은 주위온도에서 응결수 낙하라든가 냉각을 통하여 이루어진다. 응결수를 통하여 황성분의 일부도 배출된다. 강재질의 탱크에서 부식의 위험을 줄이기 위하여는 바이오가스에서 황을 철저히 제거해주어야 한다. 또한 바이오가스를 에너지로 이용하기 전에도 가스정화단계를 거치는 것이 필요하다. 특히, 내연기관이나 가스터빈에서의 가스이용이나 가정에서 조리용 가스로 이용함에 있어서 일반적으로 황은 제거되어야 한다. 추가적인 황 제거를 위하여는 활성탄이나 철수산화물을 첨가하기도 한다. 비용절약적인 방법은 무엇보다도 공기 중의 산소와 H2S와의 바이오접촉을 통한 산화작용이다. 최대로 공기 5%를 바이오가스에 넣어줌으로써 약 95%의 황제거효과를 얻을 수 있다. 황원소는 소화된 슬러리에 존재하며 식물의 영양요소로 이용될 수 있기 때문에 다시 농경지에 살포된다. 바이오매스 연료 중에서 특히 바이오가스는 이용가능성이 다양한 것이 특징이다. 열적으로 이용하는 것 외에도 바이오가스는 내연기관을 작동하게 한다. 그래서 동력을 얻거나 열병합발전시설로부터 열과 전기생산이 가능하다. 바이오가스의 전형적인 적용범위는 공간의 난방, 온수, 조리, 곡물건조 그리고 전기생산이다. 바이오가스를 정제한다면 천연가스관과의 연결도 가능하다(표 1). 일반적으로 작동되는 오토엔진의 연료로 바이오가스가 사용되며, 그것으로 발전기를 돌린다. 그 과정에서 전형적으로 연간 약 3,000의 운전시간이 소요된다. 엔진의 총 운전시간은 10,000에서 최대 30,000 운전시간에 달한다. 일반적으로 발전기의 수명이 다하기 전에 새롭게 수리하거나 교체된다. 경우에 따라서는 분사점화의 디젤엔진에도 적용될 수 있다. 이러한 엔진은 높은 효율과 긴 내구연한을 갖는 장점이 있다. 이러한 엔진은 점화 보조수단으로서 8~12%의 디젤연료의 분사가 필요하다. 가축분뇨에는 상대적으로 질소성분이 높아서 에너지원을 따로 공급해 준다. 유기성부산물로 음식물쓰레기, 옥수수사일레지, 가공부산물, 도축부산물 등이 사용될 수 있다. 적정 C/N비는 약 20~30:1로 탄소원을 넣어줌으로서 이러한 비율을 맞추게 된다. ■혐기성소화의 장점은 무엇인가 가축분뇨를 퇴비나 액비로 그냥 이용하는 것보다 혐기성 소화단계를 집어넣어 바이오가스를 얻어 에너지를 생산한다는 장점이 있고 소화액은 액비로 이용하기에 좋은 최상의 상태가 된다. 바이오가스로 전기를 생산하여 판매함으로 축산농가에게는 새로운 소득원이 될 수 있다. 아직까지 바이오가스 생산을 위한 혐기성소화 방법이 보편화되지 않은 주된 이유는 액비이용이 활성화되지 않은데 기인한다. 현재는 액비화가 보편적으로 많이 알려져 있어 혐기성소화 방법을 접목하기가 용이하다. 소화액을 정화처리하려고 하면 비용이 많이 소요되는데 액비화하면 그 비용을 줄일 수 있어 바이오가스 시설의 경제성을 높여준다. 혐기성소화를 통하여 불쾌한 냄새를 유발하는 유기지방산이 분해되기 때문에 악취가 감소하며, 이는 많은 농가에서 바이오가스플랜트 설치를 결심하는 이유 중 하나이다. 소화과정을 통하여 식물의 양분 흡수성이 개선되며, 소화액의 유동성 개선과 균질성의 향상도 유효한 부대효과이다. 밀폐형 바이오가스시스템은 공기 중으로의 메탄과 암모니아 부하를 감소하게 하고 비료성분의 손실도 줄인다. 토양에서 지하수 혹은 지표수로의 질산염 오염이 감소하는 것은 바이오가스시스템의 간접효과다. ■혐기성소화에서 유의해야 할 점은 무엇인가 바이오가스 생산에서 효율을 높이는 것이 중요하다. 이전에는 주로 가축분뇨만 투입해서 바이오가스를 생산하였는데 최근에는 에너지원으로 유기성부산물을 혼합하여 효율을 높이고 있다. 유기성 부산물의 종류 및 적정혼합비율을 미리 알아서 이용하도록 하여야 한다. 바이오가스는 연중 생산되나 에너지의 소비는 여름에는 적고 겨울에는 많아져서 계절적으로 편중이 심한데 이러한 문제를 발전기를 돌려 전기를 생산함으로써 해소할 수 있다. 따라서 최근에 시설되는 바이오가스 플랜트에는 열전병합시설이 설치되고 있다. 이때 매전단가가 바이오가스 시설의 경제성에 중요한 요인이 된다. 경제성 분석에 의하면 kWh 당 150원이면 현재의 상황에서 어느 정도 채산성을 맞출 수 있다고 한다. 특성상 전기를 많이 생산하여 공급할수록 매전단가 형성에 유리하다. 혐기성소화는 여러 가지 인자가 영향을 주기 때문에 전문지식과 경험이 필요하다. 전문가로 부터의 지속적인 지도관리가 요망된다. 가축사육에 투여되는 약품, 특히 항생제도 발효공정을 방해하거나 박테리아군의 일시적인 와해를 초래할 수 있다. 이러한 경우에 축사의 필요한 소독에 대한 대처방안으로 바이오가스시설에는 기본적으로 슬러리를 직접 최종단계인 소화액저장소로 이송할 수 있는 우회배관이 있어야 한다. |
소형 바이오가스 시스템 정착…목장 전기소득 우유소득과 같아 온실가스 줄이고 소득 올리는 일…매전단가 인상 등 정부지원 긴요 ■유기성부산물은 충분히 얻을 수 있는가 우리나라의 실정에서 손쉽게 얻을 수 있는 유기성 부산물은 음식물쓰레기이다. 매년 남은음식물에 의한 손실이 약 7조원에 이른다는 조사도 있으며 음식물쓰레기처리에 각 지방자치단체는 골머리를 앓고 있다. 바이오가스 시설에서 가축분뇨에 음식물쓰레기를 혼합하여 소화시키면 여러 가지로 이득이 된다. 다만 유의할 점은 음식물쓰레기를 혼합할 경우에 소화액을 액비로 이용한다면 염도가 높아지지 않도록 유의하여야 한다. 다음으로는 가축의 내장 등 도축부산물을 활용할 수 있다. 농산물 가공공장의 부산물도 에너지원으로 활용이 가능하다. 그 외에도 외국의 경우에는 옥수수사일레지, 총체작물 사일레지 등을 혼합하여 주고 있으나, 우리나라의 실정에서는 가축사료로 우선적으로 사용하여야 할 것이며 기타 유휴지에 이러한 목적으로 작물을 재배하여 사용할 수 있겠다. ■세계적으로 바이오가스시설은 얼마나 보급되었나 유럽에서 바이오가스 플랜트가 많이 세워지고 있으며, 특히 독일에서 급격히 상승하고 있다. 현재 약 4,000기가 시설되어 있는 것으로 알려져 있다. 그 주된 이유는 독일정부의 대체에너지 생산에 대한 지원이다. 몇 년전까지만 해도 연간 발전능력은 550MW였다. 발전능력 면에서 볼 때 독일 다음으로 이태리(62MW), 덴마크(40MW), 오스트리아(29MW)의 순으로 보급이 확대되고 있다. 최근 자료에 의하면 독일의 연간발전능력은 1,400MW에 달한다. 독일에서는 개별형 플랜트가 대부분인 것이 특징이다. 또한 독일의 바이오가스 플랜트는 남부에 다수 존재하며, 이는 지역적 농업구조의 차이를 반영한다. 독일의 농업경영규모는 남으로 갈수록 작다. 축산물의 생산자 가격이 저하하는 가운데 바이오가스 플랜트에 의한 에너지생산을 경영의 한 축으로 하면서 소득을 확보하려는 경향이 강하게 나타난 결과이다. 독일의 경우 대부분의 바이오가스 플랜트에서 혼합발효하고 있다. 메탄발효의 기본재료는 가축분뇨이지만, 가축분뇨만을 사용하는 경우는 드물다. 가축분뇨이외에 2개의 혼합발효재를 함께 사용하는 경우가 가장 많으며, 혼합발효재로는 옥수수 사일레지가 가장 많이 사용된다. 바이오가스의 이용방법으로 가장 보편적인 것은 열전병합발전(CHP)을 통한 전기와 열의 생산이다. 2004년 신에너지법 개정으로 열전병합발전에 대한 보너스제가 도입되면서 새로 건설되는 플랜트는 대부분 CHP를 채용한다. 발전용 엔진은 약 10%의 디젤이 소요되는 Dual fuel engine 사용이 일반적이다. 바이오가스로부터 통상 2/3의 열과 1/3의 전기가 발생하는데, 발생한 열의 1/3은 발효조 가온에 1/3은 축사 등의 보온에 사용된다. 또 하나의 특징은 독일의 경우 규모에 따른 차별적 인센티브제에 따라 소규모 발전 중심의 구조가 정착되고 있다는 점이다. 2000년과 2004년 전력매입에 관한 법률의 제·개정으로 소형 바이오가스플랜트의 채산성이 한층 개선되면서 전반적으로 소규모 발전 중심의 바이오가스시스템이 정착하고 있다. 현재 매전단가가 약 17~20 유로센트(290~340원)가 되어 축산농가는 바이오가스 시설을 하여 추가적인 소득을 올리고 있다. 예를 들어 낙농목장일 경우에 우유에서 얻는 소득과 전기를 팔아서 얻는 소득이 거의 같을 정도이다. 바이오가스 생산의 효율을 높이는 기술도 적용되고 있으며(그림), 생산된 바이오가스를 이용하여 지역난방도 하고 있다. 독일 스타인후르트 지역에서는 9명의 회원이 결집하여 에너지회사를 설립하였으며, 46축산농가가 가축분뇨를 공급하여 바이오가스를 생산하여, 그 지역의 도시가스배관을 이용해서 바이오메탄을 지역의 학교, 병원, 시청 등에 공급해 주고 있다. 바이오가스시설은 1,840㎥ 용량의 소화조가 2개, 5,000㎥의 저장조 1개, 1,500㎥의 가스저장소 1개, 시간당 650㎥ 바이오가스를 처리하는 탈황시설 1개, 시간당 650㎥ 바이오가스를 처리하는 가스건조 및 압축시설 1개 등으로 되어있다. 현장에서 소요되는 347kW의 전력과 약 390kW의 열, 그리고 지역난방에 소비되는 536kW의 전력과 500kW의 열을 생산한다. ■우리나라의 기술수준은 어느 정도인가 우리나라에는 현재 파일롯플랜트로서 8개소가 시설되어 있으며 일부는 외국의 기술을 도입하여 시험가동 중이다. 가축분뇨를 이용한 시설은 현재 실험중인 플랜트가 많다. 현재까지 설치된 바이오가스 생산시설은 파주시 혼합시설을 제외하고 가축분뇨나 음식물쓰레기 등 단일원료만을 사용하는 경우가 대부분이다. 원료의 수집은 가축분뇨의 경우 개별농장단위가 기본이고, 음식물쓰레기는 행정의 수거시스템에 의해 1차적으로 분리되어 유입된다. 현재 고유가에 따른 신재생에너지에 관심이 많아 바이오가스 플랜트에 대한 관심이 고조되고 있다. 그러한 관심은 외국기술을 도입하는 방향으로 나타나고 있다. 안성시에 소재한 국제축산영농조합 법인에 하루 5톤의 가축분뇨와 음식물 쓰레기로부터 1일 450kWh의 전력을 생산하고 있다. 혐기소화조는 수평형 중온 혐기소화조로 용량은 180㎥이다. 바이오가스생산량을 기존시설대비 3배 이상 향상시킬 목적이다. 온실가스 경감효과는 489톤CO2-eq./년로 예상된다. 충남 청양에 있는 여양농장에는 하루 20톤의 분뇨에서 바이오가스를 생산하여, 시간당 60kW의 가스발전기를 가동하고 연간 전력 40MWh를 만들어 농장에서 전기를 쓰고 있다. 잉여전기는 한국전력에 1kW당 85원에 판매된다. Pilot plant에서 농가형 바이오가스 플랜트 설계 기초자료 축적, 농가 보급형 바이오가스 플랜트 모델 설정, 플랜트 운영을 위한 데이터 베이스에 대한 확보, 환경 친화적 발전원 확보 및 보급을 위한 발판을 마련하였다. 시험을 통하여 유기성 폐기물 탐색 및 최적의 혼합조건, 생물학적 경보장치와 더불어 재생을 위한 운용기술, 가스 정제 기술, 안정적 에너지 생산 기술이 검토될 예정이다. 이천시 모전영농단지에 시설한 바이오가스 플랜트는 이상혐기공정으로 운영되고 있다. 고액분리를 거친 양돈분뇨는 산발효조와 메탄발효조를 거치면서 바이오가스를 생산하게 된다. 일처리기준은 유입량이 20이며, 여기서 메탄가스는 230/㎥일이 발생할 것으로 예상하고 있다. 전기 생산량은 400kW/일이다. 경남 창녕군에 있는 바이오가스플랜트는 일 100톤의 축산분뇨를 포함한 유기물을 처리할 수 있는 국내 최대의 상업적 규모이며 고온 발효 공법으로는 국내 최초의 바이오가스 발전시설이 완성되어 성공리에 운영되고 있다. 이 바이오가스플랜트는 15,000두 규모의 양돈농장에서 가축분뇨를 받고 외부에서 유입되는 유기성 잔재물(각종 음식물 잔재물, 식품가공 부산물 및 관련 유기성폐기물 부산물)을 혼합하여 섭씨 52℃ 이상의 고온으로 15~20일간 혐기성 발효를 시킨다. 생산된 바이오가스(메탄가스 농도 60~70%)를 가스발전기로 보내 전기를 생산한다. 발효 후에 남은 소화액은 멸균 상태의 액비로 경종농가에 양질의 액비로 공급되어 가축분뇨와 유기폐기물을 자원화하여 친환경 에너지화의 전기를 마련하였다. 시설 내용으로는 발효조 2,000톤 규모(1,000톤 규모 2기), 액비 소화액 저장조 3,000톤(2,500톤 1기, 500톤 1기), 바이오가스 생산량은 4,800㎥/일, 일일 전력생산가능량은 9,600kW이다. 아직은 전반적으로 실험단계라고 할 수 있다. 여기서 나오는 결과는 좋은 자료가 되며 앞으로 자체기술력 확보에 토대가 될 수 있겠다. 시설운영에 관한 세밀한 전문지식과 규모에 맞는 설비와 관리가 수반되어서 정상적인 가동이 되도록 하여야 한다. ■향후전망 고유가 시대에서 가축분뇨의 에너지화는 도전하여야할 중요한 과제이다. 저탄소 녹색성장의 기조에서 가장 주된 역할을 할 수 있는 분야가 가축분뇨의 에너지화이며, 이와 관련된 시설은 정부의 계획보다도 더 늘어날 수도 있다. 앞으로 CO2배출권에 대한 시장이 활성화 될 것이라 예상되며 그동안의 이산화탄소, 메탄가스를 발생하는 처리방법에서 이와 같은 바이오가스시설 등으로 온실가스배출을 줄이게 되면 그 실적을 시장에 내다 팔수가 있어 추가적인 소득원이 된다. 바이오가스플랜트 시설에 대한 정부의 지원도 중요하며 매전단가도 어느 수준을 유지해주어야 한다. 태양광 전력은 kWh당 646원으로 책정된 반면 바이오가스생산 전력에 대하여는 상대적으로 낮게 책정되어있는 현행 제도를 개선하여 kWh당 더 높은 가격으로 매전한다면 한-EU FTA 체결 등으로 취약한 입지에 설 수밖에 없는 축산농가를 돕는 지원책이 될 수 있다. 선진국에서는 그린에너지 보상차원만이 아니라 환경문제를 해결하는 에너지원으로 고려되어 추가로 부가가치를 인정하여 차액을 적용하여 육성하고 있다. 바이오가스를 정제하여 지역난방으로 이용하는 방안은 하나의 미래지향적 과제가 된다. 몇년전에 벌어졌던 시설만하고 가동이 제대로 안되었던 상황이 되풀이 되지 않게 하기 위하여는 혐기성소화에 대한 전문지식과 자체기술력 확보가 중요하다. 가축분뇨 단일재료에 유기성 부산물을 혼합하는 형태가 가스생산을 많게 하기 때문에 주를 이룰 것이다. 따라서 유기성 부산물의 확보방안이 마련되어야 한다. 또한 음식물 등의 유기물이 포함된 가축분뇨 발효액비가 잘 활용이 될 수 있도록 필요하다면 비료공정규격에 가축분뇨 발효액비의 정의에 대한 개정도 하여야 한다. 바이오가스 등 가축분뇨의 에너지화는 산업에 새로운 성장동력을 창출하는 계기를 마련하여 줄 것으로 전망된다. |
