바이오매스의 에너지 이용 – 바이오매스 가스화

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바이오매스의 에너지 이용 – 바이오매스 가스화

나무꾼69 2022. 1. 23. 21:09

기후위기 시대에 에너지는 기후변화를 일으키는 가장 큰 부분이다. 사실 현재의 기후의기는 산업혁명 이후에 석탄과 석유와 같은 화석연료의 사용으로 시작되었다는 것은 누구도 부인할 수 없을 것이다. 이에 따라 전세계는 화석연료 의존에서 벗어나고, 기후위기에 대응하기 위해 지속가능한 재생에너지의 개발에 힘쓰고 있다. 재생에너지에는 흔히 태양광, 태양열, 수력, 풍력, 조력 및 바이오매스 에너지 등이 있다. 이중 바이오매스는 동식물 등의 유기체의 생체량을 의미하는 것으로 지속적으로 재생 가능하고, 또한 구하기가 쉽다는 점에서 앞으로 중요한 재생에너지의 위치를 가지고 있을 것이다.

바이오매스 에너지가 다른 재생에너지와 다른 점은 향상성을 가지고 있다는 것이다. 태양광이나 풍력 조력과 같은 재생에너지들은 환경과 조건의 영향을 받아 에너지 생산이 변화되어 안정적인 에너지 수급이 힘들지만, 바이오매스는 석탄이나 석유와 같이 원재료가 확보되어 있는 상황이면 지속적으로 에너지를 생산할 수 있어, 에너지공급의 안정성을 유지할 수 있게 하여 준다. 이에 따라 재생에너지 중에서도 바이오매스 에너지의 비중은 상당한 편이다. 유럽연합EU의 경우 전체에너지의 12%가 바이오매스 에너지로 충당되고 있으며, 재생에너지 중에서는 60%가 바이오매스 에너지일 정도로 비중이 매우 크다. 우리나라의 경우도 바이오 에너지는 전체 재생에너지의 13.6%로 태양광(66.8%) 다음으로 높은 점유율을 가지고 있다.

바이오매스를 에너지로 전환하기 위해서는 크게 연소(Combustion), 가스화(Gasification) 및 열분해(Pyrolosys)의 전환기술을 이용하게 된다. 연소의 경우 가장 전통적이고 일반적인 방식으로 직접 나무를 연소하여 난방이나 조리용으로 사용하는 것을 포함하여, 보일러에 투입하여 스팀을 만들어 스팀터빈을 돌려 전기를 생산하는 전통적인 발전방식에도 적용되는 에너지 전환 기술이다. 현재에도 많은 개발도상국들은 이런 연소과정을 통해 에너지를 생산하고 있다. 가스화와 열분해는 모두 바이오매스를 열화학적인 변환을 통해 에너지로 변환하는 방식인 점에서 공통점을 가지고 있지만, 가스화는 저산소 조건에서 불완전 연소를 시키며, 열분해는 무산소조건에서 작용하는 점이 다르다.

방법	압력	반응조건	건조	생성물
열분해	상압	400~600℃	필요	중질상 오일
직접액화	고압(7~10Mpa)	250~350℃	불필요	중질상 오일
저온가스화	고압(10~20Mpa)	400~600℃	불필요	수소, 메탄 등
가스화	상압	400~600℃	필요	일산화탄소, 수소 등

<바이오매스 가스화의 초기형태>

가스화(Gasification)이란 고형 바이오매스나 다른 탄소를 가진 고형물질은 열을 이용하여 “천연가스와 비슷한” 가연성의 기체 연로로 합성하는 것을 말한다. 가스화를 통해 거의 모든 건조된 유기물질을 화석연료를 대체할 수 있는 청정 연료를 생산할 수 있다. 그 원료로는 우드칩이나 농업 폐기물, 건축 폐목재 등 여러 바이오매스가 사용될 수 있다. 이렇게 생산된 가스는 내연기관의 연료나 요리용 스트브, 보일러 등 다양한 제품의 원료로 사용될 수 있다.

일반인에게는 낮설겠지만, 바이오매스의 가스화는 사실 오래전부터 개발되어 왔던 기술이다. 실제로 2차대전기간 중 유럽에서는 디젤이나 가솔린이 부족하여, 목재나 목탄을 원료로 사용하여 가스화시킨 카스를 사용하는 자동차를 운행하였고, 당시만 해도 이러한 자동차는 백만대에 이르렀다고 한다. 그 이후에도 석유파동 등 바이오 디젤이나 에탄올을 대단위로 합성하여 원료로 사용하는 기술이 상용화 되었으나, 초기에는 옥수수나 사탕수수 같은 식량작물의 셀룰로오스를 주로 이용하는 관계로, 바이오매스의 이용에 따라 식량위기를 악화시킬 수 있는 위험성이 있어 전 세계적으로 많은 문제를 야기하였으나, 최근에서 식량과는 상관없는 바이오매스(산림바이오매스, 단기순환작물 등)를 사용하여 생산하는 기술이 개발됨에 따라 식량안보와는 상관없는 생산이 시작되게 되었다.

가스화의 기본 개념은 불완전 연소이다. 가스화는 목재나 석탄 같은 고형 연료가 완전 연소가 되지 않을 정도로 충분한 공기를 공급하지 않고 태워, 산출되는 가스가 가연성으로 되게 만드는 것이다. 이렇게 생산된 가스는 배관을 이용하여 필요한 곳에 보내져 연료로 사용되게 된다.

이런 공정을 통해 생산된 가스는 여러 가지 이름으로 불린다. 우드가스(Wood Gas), 합성가스(Syngas) 개 대표적인 명칭이며, producer gas, town gas, generator gas 등으로 불리기도 한다. 때때로 이 가스를 바이오가스(Biogas)라고 불리우는 경우가 있는데, 바이오가스는 바이오매스가 혐기성 소화과정에서 미생물에 의한 발효에 의해 생성되는 가스를 지칭하는 것으로, 가스화에 의해 생성되는 가스와는 성격이 다르므로 바이오가스로 부르는 것은 지양하여야 한다.

가스화는 5단계를 거쳐 고체연료를 탄소수소가스를 산출하게 된다. 기본적으로 어떤 원료를 불완전연소를 시킬 경우 매우 복잡하고 부산물이 많이 생산되는 화학반응 과정이 이루어 지게 된다. 따라서 가스화는 이런 복잡한 과정을 열적인 다양한 반응으로 구분하여, 우리가 생산하고자 하는 최종산물을 조정하는 것이다. 이를 한 마디로 정리하자면, “가스화는 불을 다루는 운영체계(Operation System)”로 정리할 수 있다.

가스화의 5단계는 건조(Drying), 열분해(Pyrolysis), 연소(Combustion), 분리(Cracking), 그리고 환원(Reduction)로 구성된다. 우리가 보는 화염에서는 이런 5단계가 동시에 일어나며 우리 눈으로는 화염안에서 이루어지는 5단계이 거의 동시에 일어나기 때문이 이 과정을 구분해 낼 수는 없다. 결국 가스화는 화염에서 일어나는 5단계를 각각의 과정으로 구분하여 우리가 원하는 산물(합성가스)를 얻어내는 것이다. 5단계의 가스화 과정 중에서 가장 중요한 것은 열분해와 분리 그리고 환원 과정이며, 이를 자세히 살펴보면 다음과 같다.

열분해 (Pyrolysis)

열분해는 원료 바이오매스에 산소가 없는 상황에서 열을 가하여, 바이오매스를 숯과 다양한 타르 카스나 액체를 생산한다. 결국 열분해는 기본적으로 탄화의 과정으로 보면 된다. 바이오매스에 온도를 240°C까지 올리게 되면, 바이오매스는 빠르게 분해되어, 고상, 액상 그리고 기체상으로 분리되게 되며, 이런 과정을 통해 생산된 고체는 숯(Charcoal)으로, 액체와 기체는 합쳐서 타르(Tar)라고 불리고 있다.

저온 열분해에 의해 생성된 가스와 액체는 단순히 기존 바이오매스가 열에 의해 분리된 것이다. 이 물질에는 우리가 흔히 휘발성물질로 알고 있으며, 이 휘발성물질은 수소, 탄소 및 산소 분자들이 복잡하게 결합되어 있는 화합물이다. 이름에서도 알 수 있듯이 휘발성물질은 매우 반응성이 높은 기체이다. 다른 말로는 탄소결합으로 결합되어 있는 바이오매스 내의 고정된 탄소보다는 덜 강하게 연결되어 있어 반응성이 높은 기체를 말하는 것이다.

가스화의 투입재료는 주로 바이오매스나 석탄으로 이들은 고형의 탄화수소 물질이다. 모든 유기물 탄화수소 물질은 재료에 따라 구성비율이 달라지기는 하지만, 탄소, 수소 그리고 산소원자로 구성되어 있다. 가스화의 목표를 연결되어 있는 이 분자구조를 분해하여 가장 단순한 형태의 기체인 수소와 일산화탄소를 분리해 내는 것이다.

수소기체나 일산화탄소는 가연성의 기체이다. 흔히 연탄가스 중독의 원인물질로 잘 알려져 있는 일산화탄소를 가연성 연료로 생각하지 않지만, 일산화탄소와 수소는 매우 좋은 연소성능을 가지고 있으며, 부피대피로 하여 거의 동일한 에너지 밀도를 가지고 있다. 또한 매우 청정한 연료로 산소와 결합하여 연소하면서 이산화탄소와 수증기만을 생성하다. 따라서 여기서 생산된 합성가스로 운영되는 엔진은 친환경엔진으로 구분되다. 이 엔진은 복잡하고 더러운 과정은 가스화기내에서 열분해과정에서 이루어지고 연소는 그 이후에 이루어지는 “Afterburner”엔진으로 역할을 하게 된다.

결론적으로 열분해과정은 공기와 산소가 없는 환경에서 바이오매스에 열을 가하여, 휘발성 기체가 타르가스를 배출되고 남은 탄소결합은 목탄으로 남게 되는 반응을 말한다.

분리(Cracking)

분리과정은 여러가지 복잡한 화합물로 이루어진 타르가스를 열에 노출시켜 보다 가벼운 기체로 분리하는 과정을 말한다. 열분해로 생성된 타르가스의 경우 점도가 매우 높은 가스이기 때문에 내연기관에서 연소 시킬 경우 엔진에 많은 문제를 일으키기 때문에 가스화 과정에서도 매우 중요한 과정이다. 분리과정은 또한 가연성의 기체가 완전연소를 하기 위해서는 산소와 완전히 결합되어야 하기 때문에 필요한 과정이기다. 분리는 바이오매스의 연소과정에서 생기는 고열에 타를 분자를 통과시켜 분리를 하는 과정이다.

환원(Reduction)

환원과정은 탄화수소 연소된 화합물에서 산소를 제거하여 화합물을 다시 가연성으로 만드는 과정을 말한다. 결국 환원은 연소의 역반응을 말하는 것이다. 연소과정에 가연성 가스와 산소가 결합하여 열과 수증기와 이산화탄소를 부산물로 만들어 내는 과정이며, 환원은 이 부산물들에 고운을 가하여 산소를 제거하여 다시 가연성의 가스로 만드는 과정을 말한다. 연소와 환원은 역반응이기도 하면서 같은 반응이기도 하다. 실제도 연소발생시에는 이 두 화학반응은 동시에 일어나며, 두 과정을 서로 교환해 가면서 동적평형을 이루기도 한다.

가스화장치에서 환원반응은 이산화탄소와 수증기가 열에 의해 달구어 진 베드를 통과할 때 일어난다. 달구어 진 목탄속의 탄소는 산소와 반응성이 매우 높아지므로, 수증기와 이산화탄소에 있는 산소를 분리하여 반응하고, 가능한 한 많은 단열 결합 부위에 재분배 하게 된다. 산소는 일반적으로 그 자체보다 탄소결합 부위에 더 끌리게 되어, 자유산소는 일반적인 이원자 형태의 산소형태로 존재할 수 없다. 반응 가능한 모든 산소는 산소가 없어질 때까지 사용가능한 탄소와 개별적으로 결합하게 되며, 더 이상 반응가능한 산소가 없을 경우 환원반응이 중지되게 된다.

이 과정을 통해 이산화탄소는 환원되어 2개의 일산화탄소를 생성하며, 수증기는 수소 및 이산화탄소를 생성하게 되며, 이 가스들은 가연성 가스로 다시 여러 용도로 사용할 수 있게 된다. 해당 반응의 화학반응식은 다음과 같다.

CO2 + C => 2 CO

H2O + C => CO + H2

연소와 건조 (Combustion and Drying)

연소와 건조는 가스화의 5단계중 가장 이해하기 쉬운 것으로, 여기에서는 일반적인 연소와 건조가 아닌 열분해과정에서의 연소와 건조에 재해 알아본다.

연소는 가스화의 5단계중 유일한 발열반응이다. 결과적으로 말해서 건조, 열분해 및 환원반응을 유발하는 모든 열은 연소를 통해 직접 얻거나, 가스화기의 열 교환 프로세스를 통해 간접적으로 회수하여 사용하게 된다. 연소의 원료는 열분해 과정에서 생기는 타르가스나 목탄을 사용한다. 반응기 종류에 따라 둘 중 하나를 사용하거나 둘을 동시에 사용하기도 한다. 하향식 가스화기에서는 열분해 과정에 생긴 타르가스를 연소시켜 열을 발생시켜 환원반응을 일으키며, 이산화탄소 및 수증기도 환원시키게 된다. 하향식 가스화기에서의 연소의 목적은 타르가스가 잘 혼합되고, 높은 온도에서 연소되어 분리되게 하는 것이다. 목탄층과 환원반응은 타르가 분리되는 데에는 거의 기여하지 않으며, 타르를 분리하는 것은 연소층에서는 타르분리 반응에서 일어나게 된다.

건조는 열분해과정에 들어가지 전에 바이오매스 내의 수분을 제거하는 과정을 말한다. 모든 수분은 100°C 이상의 온도에서 반응이 되기 전에 제거되야 한다. 바이오매스 내의 수분은 고온의 공정에 투입되면서 어느 시점의 공정에서 기화되게 된다. 하지만 이것이 언제 어느 시점에서 기화되는지에 대해서는 성공적인 가스화를 위해 해결해야 하는 주요 문제중의 하나이다. 수분 함량이 높은 연료 및 투입원료 내부의 수분을 제대로 처리하지 못하는 경우 생산된 합성가스의 품질에 문제가 발생하는 경우가 있다.

쉽게 이해할 수 있게 가스화는 성냥에 불을 붙이는 과정과 비교해 볼 수 있다. 성냥 불길위에는 우리 눈에는 보이지 않지만 투명한 가스가 날아가고 있다. 가스화는 이 투명한 가스를 파이프에 포집하여, 충분한 산소와 결합하지 못하게 하여 완전연소를 막게하는 것이 결국 가스화의 원리인 것이다. 가끔 지나가다 차량을 개조하여 엄청난 굉음과 화염을 내뿜는 차량을 본적이 있을 것이다. 이는 연료가 완전 연소되지 못하도록 하여, 가연성의 기체가 차량배관을 통해 나오면서 불이 붙게 되는 현상을 이용한 것이다. 결과적으로 그 운전자는 대기와 소음에는 악영향을 주지만, 가스화를 제대로(?) 이용하는 것으로 볼 수 있다.