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에기연 “나뭇가지·칡덩굴을 연료로 ‘전기 생산’ 기술 개발”

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벌목 후 남은 산림·농업 폐기물을 연료로 전기를 생산하는 기술이 국내에서 개발됐다.


한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 광주 친환경연구센터 민경선 박사 연구팀이 잔가지와 칡덩굴 그리고 버섯 배지(버섯이 자라는 데 필요한 영양물질을 넣어 재배환경을 조성한 배양토로 수확 후 대부분 폐기)를 고체 바이오연료로 전환해 화력발전소 연료로 전환·활용할 수 있는 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

연구팀이 농업·산림 폐기물을 증기 폭쇄 기반의 반탄화 반응기에 넣어 연구를 진행하고 있다. 한국에너지기술연구원 제공

연구팀이 농업·산림 폐기물을 증기 폭쇄 기반의 반탄화 반응기에 넣어 연구를 진행하고 있다. 한국에너지기술연구원 제공

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바이오매스는 목재, 임업 부산물을 파쇄·가공해 원통형의 작은 펠릿(pellet) 또는 칩 형태로 만들어 화력발전소 원료로 활용할 수 있다.


이는 화석연료를 대체할 수 있고, 이산화탄소를 흡수해 탄소중립을 실현할 수 있는 원료로 활용된다는 점에서 주목도가 높다. 국제에너지기구(IEA)는 바이오매스 기반의 발전이 2050년까지 재생에너지 발전량의 7%를 차지할 것으로 내다본다.


초기 바이오연료의 원료로는 옥수수 등 식량자원이 사용됐다. 하지만 식량안보 문제가 불거지면서 최근에는 비식용 바이오매스를 원료로 하는 기술을 연구하는 데 연구방향이 집중되는 양상이다.

현재는 대부분 톱밥으로 만든 목재 펠릿을 수입해 사용하고 있다. 가열과 건조 기반의 반탄화 공정으로 바이오연료를 만드는 게 주된 방식인데, 이때 300도 이상의 고온이 필요한 점과 건조과정에서 열량이 손실되고 칼륨·나트륨 등 무기질이 발생해 설비가 부식되는 부작용이 생긴다.


이러한 문제를 극복하기 위해 연구팀은 건조 방식 대신 증기를 이용한 습식 공정을 개발해 무기질 발생을 줄이는 동시에 원료의 열량 손실률을 낮추는 데 성공했다.


특히 그간 건식 반탄화 공정에 적용하기 어려워 폐기하거나 방치했던 벌목 부산물, 칡덩굴, 버섯 폐배지까지 바이오매스로 활용할 수 있게 돼 원료의 다변화를 가능하게 했다.


연구팀이 개발한 공정은 기존 반탄화 공정보다 낮은 200도에 원료를 투입하고, 15분가량 증기에 노출함으로써 화학적 결합을 낮춰 분해가 쉬운 상태로 만들 수 있다. 이후 순간적으로 압력을 떨어뜨리면, 원료는 더 작은 입자로 나뉘어 펠릿 모양으로 만들기 용이해진다.


작은 입자가 된 바이오매스는 화력발전소에 사용할 수 있도록 장치에 넣어 펠릿 모양으로 압축한 후 마지막으로 펠릿이 최적의 성능을 내기 위해 화학적 조성, 온도, 압력, 지름과 길이 등 압축비를 각기 다르게 조합하면 고른 품질의 고효율 펠릿 생산이 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다.


실제 이 과정을 거쳐 생산된 바이오연료의 성분 분석에서는 온도와 시간이 증가할수록 연소 효율을 저해하는 헤미셀룰로오스, 무기물 함량이 감소하는 것이 확인됐다.


또 이를 통해 바이오연료의 고위 발열량은 최대 22.0 M/kg, 에너지 회수율은 최대 95%까지 증가해 증기 기반 습식 공정이 폐 바이오매스 활용에 가장 효과적인 공정이라는 점을 입증했다.


민경선 박사는 “바이오연료는 기후위기, 자원 고갈 문제를 해결하는 데 직접적으로 기여하는 에너지원으로 인정받는다”며 “농업, 산림폐기물을 화력발전소에 혼합해 사용할 수 있는 연료의 생산은 폐자원을 에너지원으로 업사이클링해 자원순환 체계를 구축하고, 탄소중립 실현에 기여하는 촉매제 역할을 하게 될 것”이라고 말했다.


한편 이 연구는 에기연 기본사업과 광주시의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 농업 공학 분야 저명 학술지 ‘Bioresource Technology’지에 게재됐다.





대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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