바이오매스 발전 방식

바이오매스 발전 방식

 

화석연료의 과다한 사용으로 지구의 기후변화가 인류의 가장 큰 문제중의 하나로 인식되고 있음에 따라 기후변화를 일으키는 온실가스의 배출을 줄이고자 하는 노력이 계속되고 있다. 특히 에너지 발전 분야는 온실가스를 가장 많이 배출하는 산업부분 중 하나로서 온실가스 감축을 위한 노력이 지속되어 왔다. 이에 따라 태양광, 풍력, 수력과 같은 신재생에너지을 통한 에너지를 생산이 장려되었으며, 바이오매스 에너지의 경우도 재생가능한 자원으로 탄소중립적인 성격을 가지고 있어 UN과 같은 국제기구에서도 바이오매스의 이용을 장려하고 있다.

 

목질 바이오매스를 이용하여 전기를 생산하는 발전방식은 현재까지 크게 세 가지의 기술이 활용되고 있다. 이에는 직접연소방식(Combustion), 가스화 방식(Gasfication), 열분해(Pyrolysis) 등이 있다. 하지만 현재까지는 직접연소방식의 바이오매스 발전이 가장 적용사례도 많으며, 기술발전도 많이 진행되어 있어 상업적으로 가장 많이 사용되고 있다. 최근에는 2MW이하의 소형발전의 경우 가스화방식의 발전방식의 기술이 발전됨에 따라 상당히 많은 지역에 가스화 방식의 바이오매스 발전을 시행하고 있다.

 

이 밖에도 기존 석탄, 석유 화력 발전소에 바이오매스를 혼소하여 발전하는 방식도 있으며, 현재 우리나라의 화력발전소에서도 많이 사용된다. 바이오매스 혼소방식에도  직접 투입 방식, 분산화 처리 방법 등이 있다.

 

직접연소방식

 

바이오매스 직접연소방식은 매우 오래된 기술로, 상업적으로도 매우 성숙한 기술이고, 세계적으로 다양한 규모로 운영되고 있는 방식이다. 사실 직접연소방식은 인류가 가장 처음 에너지를 얻은 방식이기도 하다. 대부분의 발전소는 그레이트형 소각로 및 유동상 연소기술을 사용하고 있다. 최근에는 “close-coupled gasification‟이라는 방식을 통해 소각로의 일부에서는 소각과 가스화를 동시에 진행하는 경우도 있다. 하지만 이 방식의 경우 만들어진 가스도 바로 소각로에서 태워지기 때문에 같은 직접연소방식이라고 볼 수 있다.

목질 바이오매스의 직접연소방식에는 다음의 세 가지의 기술이 있다.

l  공냉식 진동 그레이트 보일러방식 (Air-Cooled Vibrating Grate (Grate Boiler))

l  순환형 유동층 방식 (Circulating Fluidized Bed (CFB))

l  기포형 유동층 방식 (Bubbling Fluidized Bed (BFB))

 

 

직접가열방식

 

가스화 방식

 

가스화방식이란 산소의 공급을 제한하는 환경에서 유기물에 열을 가하여 열분해를 하는 방식을 말한다. 반응기(가스화 반응기)에 공급되는 산소의 양을 조절함으로서 바이오매스에 불완전연소가 일어나게 되고, 이에 따라 투입된 바이오매스는 작은 분자로 쪼개지게 된다. 이렇게 해서 생선된 가스에는 일산화탄소, 수소(일명 Syngas)를 비롯하여 액상 그리고 고형(Biochar)등으로 구성되게 된다. 이렇게 생산된 가스는 일반적인 발전소의 경우 처럼 가스터빈을 투입되어 발전을 하기도 하고, 자체 엔진발전기를 돌려 발전하기도 한다. 일부의 경우 몇 번의 화학적 처리과정을 거쳐 일반적인 바이오연료(바이오디젤, 바이오 등유)처럼 사용되기도 한다.

가스화 방식을 통하여 가스터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식은 오래 전부터 사용하던 방식으로 발전과정은 사실상 직접연소방식과 다를 것이 없다.

최근에는 보다 높은 발전효율을 취해 합성가스를 가스엔진을 통해 발전시키는 방식이 개발되고 있으며, 지속적으로 발전하고 있다.

 

 

열분해 방식

 

열분해 방식은 가스화 방식과 거의 비슷하지만, 연소환경에서 산소를 완전히 배제하는 과정을 말한다. 이 과정을 거치게 된면 바이오매스는 가스, 액화 혹은 고형화의 단계를 거치는데, 그 비율은 연소과정에서의 적용 온도, 노출 시간, 반응기의 구조에 따라 다르게 된다.

대부분의 열분해 방식의 경우 액체형태(바이오오일)를 목표로 하는데, 이는 액체형태가 발전기앤진과 같은 발전설비에 쉽게 적용할 수 있기 때문이다. 또한 추가 처리과정을 거쳐 수송용 연료로 사용될 수 도 있다. 열분해 방식으로 생산된 가스는 열량이 가스화 과정을 통해 생산된 가스보다 높긴하지만, 타르함량이 높아 발전용으로 사용하기 위해서는 주의하여야 한다.

열분해 방식은 상대적으로 최근에 개발된 기술로 아직까지 많이 적용되지 못해 상업적으로 체계화된 자료가 있지는 않다.

 

 

 

열분해 방식

 

 

세 가지 바이오매스 발전 방식의 비교

	직접연소	가스화 방식	열분해
목표	바이오매스를 열로 전환	바이오매스를 합성가스로 전환	바이오매스의 열분해 과정을 촉진하여 가스나 바이오오일을 생산
산소 유무	대기압 이상의 산소	대기압 이하의 산소	무산소 환경
반응 온도	850 ~ 1,200℃	500 ~ 1,500℃	500 ~ 800℃
주요 생산물	열	열과 가스	열, 바이오오일, 가스
가스의 주 구성	이산화탄소, 물	일산화탄소, 수소	일산화탄소, 수소