폐자원 및 바이오에너지의 용도별 적정 배분방안(Ⅰ) : 바이오가스를 중심으로

Title
폐자원 및 바이오에너지의 용도별 적정 배분방안(Ⅰ) : 바이오가스를 중심으로
Authors
조지혜
Co-Author
이창훈; 이희선; 김건국
Issue Date
2014-12-31
Publisher
한국환경정책·평가연구원
Series/Report No.
환경ㆍ경제의 상생기반 구축 및 잠재력 활성화 : 2014-04
Page
161 p.
URI
http://repository.kei.re.kr/handle/2017.oak/20225
Language
한국어
Keywords
폐자원에너지화, 바이오가스, 매립가스, 가용에너지량 산정, 신재생에너지연료 혼합의무화제도(RFS), Waste-to-Energy, Biogas, Landfill gas, Potential, Renewable Fuel Standard (RFS)
Abstract
세계 각국에서는 지구온난화와 관련하여 온실가스 배출 감축을 위해 재생에너지 개발보급에 박차를 가하고 있다. 특히 전체 온실가스 배출량의 20% 가량을 차지하는 수송 부문에서는 탄소 중립의 폐자원 및 바이오매스를 원료로 한 재생에너지가 많은 주목을 받고 있다. 수송 부문 재생에너지는 온실가스 저감, 화석연료 대체, 에너지 수급 다변화를 통한 에너지 안보 강화, 신재생산업 육성 등의 취지로 전 세계적으로 다양한 보급정책이 추진되고 있다. 국내에서는 관련 정책 중 수송용 연료의 일정분을 바이오연료로 공급하도록 의무화하는 ‘신재생에너지연료 혼합의무화제도(RFS, Renewable Fuel Standard)’를 2015년 7월부터 본격적으로 시행할 예정이다. 대표적인 바이오연료인 바이오디젤은 현재 고시로 경유의 2%를 대체하도록 하고 있으며 향후 RFS제도가 본격 도입될 경우 2.5~3.0%의 의무혼합률(BD2.5~3)을 시작으로 점차 확대 보급될 예정에 있다. 바이오에탄올의 경우에는 실증평가가 완료되었으며 그간의 시범보급사업 및 차량영향성 평가를 반영하여 2017년부터 3%의 의무혼합 도입이 검토되고 있다. 바이오가스(메탄)는 국내 인프라 구축 상황에 따라 2017년 도입을 검토할 예정이며, 시범사업을 거쳐 2020년 이후 본격 시행될 것으로 전망되고 있다. 특히, 바이오가스의 경우에는 기존 유기성 폐자원을 활용할 수 있어 국내 원료 수급이 보다 용이하고 정부에서 추진 중인 폐자원에너지화 관련 시설의 확충으로 향후 생산량 증가가 예상된다. 또한 바이오가스는 고질화(Upgrading)를 통해 천연가스와 유사한 발열량을 가진 고순도의 바이오메탄으로 전환될 수 있어 향후 가스에 대해서도 의무혼합이 시행된다면 천연가스 대체 수단으로서 그 활용성이 더욱 커질 것으로 전망된다. 하지만 바이오디젤/에탄올과 비교할 때 의무혼합률 산정에 필요한 잠재량 산정 등 국내 여건에 대한 검토가 부재하며 수송용 바이오메탄 기술 개발 이외의 연구는 여전히 미흡한 실정이다. 한편, 발전 부문에서는 ‘신재생에너지 공급의무화제도(RPS, Renewable Portfolio Standard)’가 이미 시행되고 있어 상당량의 바이오가스가 이미 발전용으로 활용되고 있으므로 향후 수송용 연료로 사용 시 국내 바이오가스의 제한된 생산량 내에서 활용 용도(발전과 수송) 간 상충 우려가 있다. 이에 국내 유기성 폐자원을 활용한 바이오가스 및 매립가스 가용에너지량을 산정하여 수송 및 발전 부문에서의 보급 기여도를 각각 살펴보고 적정 활용을 위한 판단 기준을 제시하였다. 바이오가스(혐기소화) 가용에너지량 분석을 위한 대상 원료로 국내에서 수급 가능한 유기성 폐자원을 대상으로 하였으며, 기존의 대표적인 폐자원인 음식물류 폐기물, 음폐수, 하수 농축슬러지, 가축분뇨와 함께 향후 유망한 원료로 거론되고 있는 산업계 유기성 폐자원인 동·식물성 잔재물을 추가 검토하였다. 매립가스의 경우 일반적으로 매립량이 백만 톤 이상 되어야 매립가스 자원화사업이 가능한 것으로 분석되고 있어 국내 사용 중 매립지와 사용 종료 매립지 중 매립가스 자원화시설이 설치되었거나 2020년까지 매립량이 백만 톤 이상 되는 매립지를 대상으로 가용에너지량을 예측하였다. 우선 각 폐자원의 특성에 적합한 발생량 예측 모형을 선택하여 2035년까지 발생량을 전망하였으며, 이론적, 지리적, 기술적, 시장 잠재량 단계별로 접근하여 경제성, 입지, 보급 여건 등을 종합적으로 고려하여 실질적으로 공급 가능한 양(가용에너지량)을 예측하였다. 이론적 잠재량(Theoretical Potential)은 해당 폐기물이 모두 수거된다는 전제하에 확보할 수 있는 바이오가스 에너지 총량에 해당하며, 지리적 잠재량(Geographical Potential)은 폐기물 수거율이나 폐자원에너지화 시설이 입지할 수 있는 지리적인 여건을 고려한 잠재량으로 물량 확보 측면이 반영된 것으로 볼 수 있다. 또한 기술적 잠재량(Technical Potential)은 최신의 기술 수준을 반영하여 에너지 효율 계수 및 가동률 등을 고려한 잠재량이며, 마지막으로 시장 잠재량(Market Potential = 가용에너지량)은 실질적으로 보급 가능한 잠재량으로 이미 재활용 등의 타 용도로 사용되고 있는 물량을 제외하고 향후 정부의 에너지화정책이나 기술 개발에 따른 비용 단가 변화 등을 기술적 잠재량에 반영하여 산정한 양으로 정의할 수 있다. 바이오가스를 수송이나 발전으로 활용함에 있어 에너지 효율성, 부가가치 등은 바이오가스 생산지 혹은 주변 입지 여건에 따라 상당히 좌우되므로 활용 용도별 유리한 입지 여건을 가용에너지량 예측 시 반영하였다. 특히, 고질화 적용 실적이 많은 해외에서는 인근에 천연가스 배관망이나 CNG 충전소가 존재하거나 처리 규모가 큰 중앙 집중형 바이오가스 플랜트 설치가 가능한 지역, 즉 도시 지역이 고질화가 유리하다고 할 수 있다. 최근 상용화에 적용되는 고질화공법들은 메탄가스 회수율이 매우 높아 에너지 손실이 5% 미만이고, 분리된 기체의 이산화탄소 함량도 95% 이상 되는 경우가 많아 적절한 후속 공정 설치 시 이산화탄소를 용이하게 포집/저장함으로써 추가적인 탄소 저감이 가능하다. 한편, 인근에 열 수요처가 존재하거나 천연가스 배관망이 없는 시골 및 도서 지역과 개별 농장의 지역 분산형시설이 설치된 곳에서는 고질화시설보다는 열병합발전이 더 선호되고 있다. 열병합발전기는 실제 가동 시 에너지 손실이 15% 이상 되는 경우가 많고, 발생한 열에너지는 회수되더라도 인근에 수요처가 없으면 자체 사용량 외에는 버릴 수 밖에 없으며 여름철에는 더 많은 열량이 남게 되므로 인근 열수요처의 확보가 중요하다고 할 수 있다. 이에, RFS제도 도입을 앞두고 고질화공법을 통하여 바이오가스가 수송용 천연가스를 얼마나 대체 가능한지 살펴보기 위해 도시 지역(시 혹은 구)에서 발생되는 유기성 폐자원의 양으로 국한하여 바이오가스 가용에너지량을 산정한 결과, 수송용으로 활용 가능한 바이오가스의 시장 잠재량(가용에너지량)은 2012년 291천TOE이며, 2035년 453천TOE로 증가할 것으로 전망된다. 이 중 하수 농축슬러지가 차지하는 비율이 절반 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 그 다음으로는 음폐수, 음식물류 폐기물, 가축분뇨, 동·식물성 잔재물의 순으로 높은 비중을 차지할 것으로 분석된다. 매립가스의 경우에는 초기 비중은 비교적 높았으나 향후에는 급격히 감소하여 2035년에는 1.5백만m3/년으로 전망되었다. 그 결과, 고질화가 유리한 지역에서의 바이오가스(매립가스 포함) 총 가용에너지량은 약 307백만m3/년(2012년 기준)에 해당하여 수송용 도시가스 공급량의 25% 정도를 대체할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 2018년 기준으로 수송용으로 활용 가능한 바이오가스는 수송용 도시가스 공급량의 22% 정도 기여할 것으로 전망된다. 앞으로 신재생에너지연료 혼합의무화제도(RFS)에서 2017년부터 수송용 도시가스의 2%를 바이오가스로 대체한다고 가정할 경우 이는 29백만m3/년에 해당하며, 본 연구에서 산정한 가용에너지량의 약 9%에 해당하는 수치이다. 하지만 RFS 도입 시 매년 의무혼합률이 증가될 수 있으며, 향후 수송용 도시가스 공급량의 증가율이 본 연구에서 산정한 바이오가스(매립가스 포함)의 시장 잠재량의 증가율 대비 더 높아 그 기여도는 점차 낮아질 것으로 예측된다. 따라서 지속적으로 바이오가스 생산량을 증대시킬 수 있는 방안이 요구된다. 한편, 열병합발전이 더 유리한 시골 지역에서의 바이오가스 및 발전용으로 공급 가능한 매립가스 가용에너지량을 합산한 결과, 시장 잠재량(가용에너지량)은 2012년 129GWh로 산정되었으며 2035년에는 314GWh로 현재 대비 약 1.5배 증가할 것으로 전망된다. 또한 2027년 기준으로 가용에너지량은 바이오가스 발전 보급 목표치 대비 1.2배에 해당하는 것으로 분석된다. 정부의 제6차 전력수급기본계획에 따르면, 바이오에너지 부문의 발전 목표량은 211GWh(2013년 기준)로 설정되어 있다. 여기에서 바이오에너지는 바이오가스 이외의 우드칩, 임산연료 등도 포함하므로 직접적인 비교가 어렵기 때문에 신재생에너지 보급 통계 자료의 바이오에너지 중 바이오가스의 비율인 8%를 적용하였다. 향후 바이오가스가 수송 혹은 발전 부문에서 그 활용성이 증대되기 위해서는 바이오가스 공급망(Biogas Supply Chain)상 이전 단계에 해당하는 ‘원료 수급’ 및 ‘시설 운영’ 단계에서도 각각 효율성을 제고할 필요가 있다. 그간 짧은 기간임에도 불구하고 바이오가스시설별로 시행착오에 대한 노하우가 축적되고 있으며 성공적으로 운영되고 있는 시설도 존재하고 있다. 그럼에도 불구하고 여전히 운영상 다양한 문제점들이 존재하고 있으며 시설의 운영/사후 관리의 비효율성으로 인해 바이오가스 생산효율이 저조하여 바이오가스 자원 수급 안정성 등의 보장이 어렵다는 우려 역시 존재하고 있다. 우선 원료 수급단계에서 바이오가스화 물량의 확보를 위해서는 농산부산물이나 병충해, 가격 폭락 등으로 폐기되는 농산물 등을 체계적으로 수거하는 시스템을 구축하여 바이오가스화 하는 방안 모색이 필요하다. 에너지작물로서 비식용 작물을 기후, 지역 여건 등을 고려하여 유휴지, 수변 구역 등에서 저렴하게 재배하는 방안을 검토할 필요도 있다. 특히, 억새, 유채 등은 경관용으로 재배하더라도 낮은 비용으로 수거가 가능하다면 바이오가스의 원료로 사용 가능하다. 또한 우리나라는 삼면이 바다이고 세계적인 해조류 양식 강국이다. 바이오가스 생산에 유리한 해조류를 선별하여 저비용으로 재배한다면 어민들의 수익에도 도움이 되고 에너지도 생산할 수 있어 향후 기술적 문제, 경제성 등을 검토하여 타당성이 있을 경우 기술 개발 및 사업화를 추진할 필요가 있다. 이와 더불어 바이오가스 생산량 제고를 위하여 시설 운영상 효율을 개선하기 위한 제도 마련이 필요하다. 지금까지는 바이오가스화를 유도하기 위한 인센티브 측면에서 국내에서는 시설 설치비에 보조 방식으로 국고를 지원하는 반면, 세계에서 가장 성공적으로 바이오가스 플랜트가 보급되고 있는 독일의 경우에는 시설비보다는 생산된 에너지를 장기간 가격 보증을 하거나 폐기물을 이용 시 매전단가에 대한 보너스제도 등의 다양한 지원제도를 시행하고 있다. 다만, 지원금은 바이오가스 플랜트 규모, 원료의 종류, 바이오가스 고질화 여부 등에 의해 결정되고 있어 운영상 효율성 제고를 유도하고 있다. 전력매입 단가는 일반적으로 기본요금, 투입원료 요금, 고질화 보너스로 산정되는데, 특히 기본요금의 경우 열병합 공정을 통하여 60% 이상의 전기가 생산되어야 하며 열 또한 EEG의 Annex 2의 요구 사항에 따라 활용되는 시설에 한하여 지원되고 있다. 또한 재생에너지 지침(Renewable Energy Directive, RED)에 따라 폐기물이나 비농업 잔유물로부터 생산된 바이오연료는 에너지 함량당 가중치 두 배의 공급 인증서를 부여받도록 되어 있어 유기성 폐자원을 활용한 바이오연료 생산 및 보급을 유도하고 있다. 이에 국내에서도 바이오가스화 고효율시설에 대한 다양한 측면의 지원 도입이 필요하다. 가령, 바이오가스를 계약 시보다 초과하여 생산하는 시설 운영자에게 초과 생산분을 인센티브로 지급하는 방향을 검토할 수 있다. 바이오가스 시설 건설 시 시공사는 실시 설계 또는 성능 보증 등에서 바이오가스 생산 예정량을 제시하도록 함으로써 바이오가스 초과 생산분의 기준을 마련할 수 있다. 향후 가스 부문에서도 신재생연료 사용에 대한 의무혼합이 시행된다면 천연가스 대체 수단으로서 바이오가스의 활용성이 더욱 커질 것이므로 바이오가스 고질화를 통한 바이오메탄 생산에 있어 경제성을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다. 바이오가스 플랜트 내에서 고질화는 열병합발전 대비 생산된 에너지를 보다 유연하게 적용할 수 있어, 열병합발전을 통해 생산된 열에너지가 수요처 부족 또는 판매 시장의 부재로 인하여 버려지는 경우 천연가스 배관망에 바이오메탄을 공급할 수 있는 고질화를 촉진하고 경제성을 제고하기 위해 많은 국가에서 보조금을 지급하는 것이 최근의 추세이다. 고질화를 통해 천연가스 수준의 바이오메탄을 생산하는 것은 ‘규모의 경제’에 매우 큰 영향을 받으므로 고질화 플랜트의 집중화/대형화를 위해 혐기성소화의 분산화 혹은 집중화 여건에 적합한 전략을 각각 수립할 필요가 있으며 도입 초기에는 바이오메탄 시장 확대를 위하여 세제 감면이나 저리 융자 등의 다각적 지원이 검토되어야 할 것이다.


This study estimates domestically available energy amount in the future from biogas, a gas form fuel of waste resources and bioenergy. It also seeks to ensure efficient distribution of biogas by comparing aspects such as location and technology for when making decisions on biogas applications in transportation and electricity generation. Particularly, renewable energy that uses carbon neutral waste resources and biomass as a feedstock is receiving much attention in transportation which takes up approximately 20% of the total greenhouse gas emission. Therefore, various dissemination policies have been derived globally, and domestically, Renewable Fuel Standards (RFS) that obligates the use of fixed amount of biofuel such as biodiesel, bioethanol and biogas in transportation fuel is going to be implemented from July 2015. Amongst these, biogas can use existing organic waste resources so meeting domestic feedstock supply is easier, and synergy effect can be expected with the expansion of waste-to-energy facilities driven by the government. RFS is expected to be introduced for biogas at the same time as bioethanol but not much research has been carried out other than the research and development (R&D) for vehicle fuels. Hence the absence of domestic conditions analysis required for policy implementation is highlighted. Meanwhile, biogas is widely applied in electricity generation through the implementation of Renewable Portfolio Standard (RPS), and when biogas is going to be used for transportation fuel a conflict is expected between transportation and electricity generation given the limited domestic production of biogas. Similarly, due to inefficient operation of anaerobic digestion facilities, the production rate of biogas could be lower so it is difficult to guarantee the stability of biogas supply. Available biogas energy for transportation and electricity generation that reflects the domestic location conditions is predicted, and the contribution level of the national plan and dissemination targets are estimated. A prediction model suited to organic waste characteristics was selected, and the generation amount through 2035 is forecasted. The amount of available energy that can be realistically supplied is predicted through stages of 'theoretical-', 'geographical-', 'technical-' and 'market potential' and by considering economic, location, dissemination conditions, etc. Energy efficiency and added value of using biogas are largely influenced by the biogas production site and the neighboring site conditions, so the location conditions are taken into account when estimating the available energy amount for different utilization of biogas (transportation or electricity generation). In other countries, where upgrading performances are high, areas where a natural gas pipeline network or compressed natural gas stations exist or where installation of a huge centralized biogas plant is feasible - in other words urban areas - are more advantageous for upgrading of biogas for transportation. On the other hand, using combined heat and power (CHP) is more favored in areas where a demand exists or countryside and island areas with no natural gas pipelines or with decentralized facilities of individual farms. Therefore, in anticipation of the introduction of the RFS system, how much of the natural gas used in transportation could be substituted with biogas through the upgrading process is examined by setting limits to the amount of organic waste generated in urban areas. The results show that the market potential of biogas including landfill gas is approximately 307,000,000㎥/year which means 25% of the natural gas supply for transportation can be substituted with biogas. Moreover, with reference to 2018, the market potential of biogas available for transportation is forecasted to contribute up to 22% of the natural gas supply for transportation. However, the obligatory mix ratio could increase every year after the introduction of RFS, and the increase of gas supply for transportation in the future can be higher than the increase rate of the market potential of biogas estimated in this study. Therefore, the contribution level of biogas is expected to gradually decrease. Areas suitable for using CHP is limited to rural areas, and the market potential of biogas in electricity generation is estimated at 129GWh in 2012 and 314GWh in 2035, an increase by 1.5 times from the current rate. In 2027, the market potential is analyzed to be 1.2 times higher than the electricity generation dissemination target. A plan to continuously increase the biogas production amount is needed to improve the efficient utilization of biogas. There still exist various problems in operating facilities using biogas, and inefficiency of operating some facilities has resulted in low production efficiency of biogas. Until now, the government treasury has funded to assist the installation cost of the facilities as an incentive to promote the use of biogas. However, in order to encourage high operational efficiency of the biogas facilities, incentives could be given to facility managers who have achieved higher production than originally commissioned. Furthermore, during the initial stages, operational efficiency could be improved by setting the level of support based on the scale of the biogas plant, feedstock types, use of best available technology, etc.

Table Of Contents

제1장 서 론
1. 연구의 필요성 및 목적
2. 연구 대상 및 범위
가. 연구 대상
나. 연구 범위

제2장 국내외 수송 및 발전 부문 바이오가스 활용 현황 및 정책 동향
1. 수송 및 발전 부문 바이오가스 활용 기술
가. 고질화(Upgrading)
나. 열병합발전(CHP, Combined Heat and Power)
2. 국외 바이오가스 활용 및 정책 동향
가. 개관
나. 독일
다. 스웨덴
라. 영국
마. 사례 비교 요약
3. 국내 바이오가스 활용 및 정책 동향
가. 바이오가스 활용 현황
나. 바이오가스 보급정책 현황

제3장 바이오가스 및 매립가스 가용에너지량 산정
1. 바이오가스 및 매립가스 가용에너지량 산정 방법
가. 바이오가스 및 매립가스 가용에너지량 분석 대상
나. 바이오가스 가용에너지량 산정 방법
2. 유기성 폐자원 활용 바이오가스 가용에너지량 산정
가. 유기성 폐자원 발생량 예측
나. 바이오가스 가용에너지량 산정 시 공통 인자
다. 수송 부문 바이오가스 가용에너지량 산정 결과
라. 발전 부문 바이오가스 가용에너지량 산정 결과
3. 매립가스 가용에너지량 산정
가. 국내 매립시설 자원화시설 운영 현황
나. 매립가스 발생량 예측
다. 매립가스 가용에너지량 산정 결과
4. 바이오가스 및 매립가스 가용에너지량 총합
가. 수송 부문
나. 발전 부문

제4장 바이오가스의 활용 용도별 적정 배분을 위한 판단 기준 및 보급 기여도 분석
1. 고질화 및 열병합발전의 특성 및 시설비/운영비 비교
가. 바이오가스 활용을 위한 고질화 및 열병합발전 비교
나. 바이오가스 고질화공법별 기술적 특징 및 경제성 비교
2. 바이오가스 적정 배분을 위한 판단 기준 제시
가. 해외 바이오가스 활용 방안의 결정 요인 및 사례 분석
나. 국내 바이오가스 적용 사례 및 사업성 검토
3. 바이오가스 활용 용도별 보급 기여도 분석
가. 바이오가스 활용 용도별 입지 여건
나. 고질화가 유리한 입지에서의 바이오가스 및 매립가스 보급 기여도 분석
다. 열병합발전이 유리한 입지에서의 바이오가스 및 매립가스 보급 기여도 분석

제5장 결론
1. 수송 및 발전 부문 바이오가스 가용에너지량 및 기여도 분석 종합
2. 바이오가스의 효율적 활용을 위한 제언

참고문헌

Abstract

Appears in Collections:
Reports(보고서) > Climate Policy(기후환경정책연구)
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