바이오매스와 발전

머리말 / 5
제1장 바이오매스 발전 현황 / 11
제2장 바이오매스의 에너지 변환과 발전 / 47
제3장 바이오매스 열병합발전 / 123
제4장 바이오매스 연료 / 169
제5장 에너지작물 / 301
제6장 바이오매스의 반탄화 / 375
제7장 회분의 재활용 / 421
참고문헌 / 431
부록 1. 바이오매스 특성 정량을 위한 공식 / 449
부록 2. 연소과정의 화학량 기준 공기 요구량 / 452

제1장 바이오매스 발전 현황

1. 지구온난화

지난 수년간 미국은 동부의 허리케인, 중부의 토네이도, 중서부의 홍수 및 텍사스 지역의 가뭄 등 극심한 자연재해로 막대한 피해를 입었다. 또한 연례행사처럼 발생되는 산불은 이제 캘리포니아 지역 이외의 많은 지역에서도 발생되어 2013년에만 27,000여건의 산불에 의해 200만 에이커의 숲이 사라졌다. 최근에는 세계 설탕의 1/5, 커피의 1/3을 생산하는 브라질의 극심한 가뭄으로 설탕과 커피값이 급등하고 있고 미국 캘리포니아와 호주 퀸즐랜드의 가뭄은 쌀과 소고기 값을 끌어 올리고 있다. 실제 FAO의 식량가격지수는 2000년도 91.9에서 2013년에는 209.8로 치솟았다. 기후변화에 의한 자연재해는 당장의 피해뿐만 아니라 지구의 이산화탄소 흡수능력까지 감소시킨다. 특히, 가뭄은 초목을 시들게 하여 이산화탄소 흡수능력을 저하시키는 동시에 산불발생의 위험도를 고조시킨다. 앞으로 가뭄에 의한 건조지역 발생률이 더욱 상승될 것으로 예상되므로 그에 의한 영향은 더욱 커지게 될 것이다.
한편, 2013～2014년 겨울 미국 동부의 폭설을 동반한 한파는 경기둔화로 이어져 ‘frozenomics(얼어붙은 경제)’라는 신조어를 만들었다. 2014년 영국 런던은 248년 만에 최악의 겨울 홍수와 시속 180km에 달하는 강풍으로 1조원이 넘는 경제적 피해를 감수해야만 하였다. 많은 경제학자들이 2008년 금융위기 이후 새로운 세계적 경기 침체는 ‘기후위기’에서 비롯될 것이라고 우려하며 최악의 기상이변을 가정한 경제모델을 준비해야 한다고 지적하고 있다.
이와 같은 현상의 원인을 기후변화로 정의하는 것에 대하여 아직도 공공연히 부정하는 정치인 및 사업가들이 있는 것도 사실이지만 극지방에서는 기후변화에 의한 영향이 더욱 심각하다. 히말라야 산 밑에는 빙하가 빠르게 녹아 형성된 새로운 호수가 250여개에 이른다고 한다. 2013년 6월에는 빙하가 녹은 물로 인하여 소위 ‘히말라야 쓰나미’라 불리는 참사가 발생하여 그곳의 힌두교 성전인 케다니스 신전이 물에 잠기면서 6,000여명의 순례자들이 목숨을 잃기도 하였다.
미국 해양대기청(NOAA)이 2013년 10월 발표한 자료에 의하면 하와이 마우나 로아 관측소에서 관측된 이산화탄소 농도가 400.03ppm을 기록하였다. 이 관측소의 측정치는 세계 평균을 의미한다. 인류 역사상 지구의 대기 중 이산화탄소 농도의 평균치가 400ppm을 초과한 것은 이번이 처음이다. 이는 지금보다 지구 평균기온이 3～4도 높아 북극에 얼음이 없고 해수면이 지금보다 40m 높았던 300만～500만년전(플라이오세)과 같은 수준이라고 한다.
전 세계 정부 대표들로 이뤄진 ‘기후변화에 관한 정부간 협의체(IPCC)’는 지구 온도가 산업혁명 전보다 2도 상승하여 동식물의 20～30%가 멸종위기에 놓이는 이산화탄소 농도 450ppm을 임계점으로 상정하고 있다. 최근 New York Times가 인용 발표한 IPCC의 5차 보고서에 의하면 기후변화에 대한 인류의 책임을 ‘극히 가능성 높은’(95～100%)으로 상향 조정하였다. 지금의 추세로 온실가스를 계속 방출할 경우 2100년까지 지구온도가 2.6～4.8도 상승하고 그에 따라 해수면도 최소 45cm에서 최고 82cm까지 상승할 것이라 예상하였다. 만일 온실가스저감정책이 상당히 실현된다고 하여도 2100년까지 온도는 1.1～2.6도, 해수면은 32～63cm 상승할 것으로 예상하고 있다. 해양에 축적된 이산화탄소의 열팽창에 의하여 빙하가 녹게 되면서 해수면이 빠르게 상승할 것으로 추정되고 있다.
본 보고서에 따르면 지구의 해수면 상승속도는 최근 20년 동안 가속화되어 왔다. 일반적으로 해수면이 1m 상승하면 해안선이 약 100m 후퇴하는 것으로 알려져 있다. 세기말 해수면이 평균 60cm 정도 상승한다면 미국 뉴욕과 마이애미, 영국 런던, 중국 상하이 등 세계 주요도시뿐만 아니라 우리나라 서해안, 남해안 및 부산 등의 일부 저지대도 물에 잠길 위험이 예상된다고 한다.
전술한 바와 같은 온난화 현상에도 불구하고 지난 10여년간 지구온난화가 주춤하자 몇몇 학자들은 지구온난화에 대한 우려가 과장되었다고 주장하기도 하였다. 그러나 최근(2014년 2월 10일) Guadian지는 지난 20년간 지구온난화가 주춤했던 이유가 태평양에서 이례적으로 위세를 떨친 무역풍 때문이라는 호주와 미국 공동연구팀의 연구결과를 보도하였다. 연구팀 분석에 따르면 무역풍은 지구 표면온도를 0.1～0.2도 낮추는 효과를 냈다. 그 무역풍의 위력이 태평양 지역에서 지난 20년간 80년대에 비하여 2배가량 강력해진 것으로 나타났다. 즉, 지금까지는 지구온난화 예측모델에서 무역풍이라는 예상치 못한 변수를 감안하지 못했다는 것이다. 결론적으로 무역풍의 기세가 꺾이기 시작하면 지구온난화가 다시 빠르게 가속화될 것으로 예상하고 있다.
2014년 10월 IPCC는 “앞으로 30년 동안의 온실가스 배출량이 인류 미래를 결정한다”는 내용이 담긴 기후변화 보고서를 승인했다. 2014년 발표된 과학자들의 기후변화에 대한 경고를 각국 정부가 공인함에 따라 새로운 기후변화체제에 대한 국제협상에 큰 영향을 미칠 것이라는 분석이 나오고 있다. 이 보고서에 따르면 “전례 없는 기후변화가 확인되었고, 그 원인은 인위적인 온실가스 배출”이라며 “앞으로 수십년 동안의 온실가스 배출량에 따라 기후변화 위험도가 결정”된다는 내용이 담겨 있다.
이번 보고서에는 또 산업화 이전과 비교해 지구 평균 온도의 상승폭을 2도 이내로 억제하기 위해 이산화탄소 누적배출량을 2,900Gt(기가톤) 이하로 억제해야 하지만 인류는 2011년까지 전체의 3분의 2에 달하는 1,900Gt을 이미 배출했다는 내용도 포함됐다. 인류가 배출할 수 있는 이산화탄소 총량을 총 예산으로 생각할 때 남은 예산이 3분의 1에 불과하다는 것이다. 따라서 앞으로 남은 1,000Gt의 온실가스 배출허용총량을 어느 나라가, 어느 시기에, 얼마만큼 쓸 수 있도록 분배하느냐가 선진국과 개도국 간의 주요 논의 내용이 될 것으로 예상된다(경향신문 2014년 11월 3일자).
화석연료 연소기준으로 세계 7위의 이산화탄소 배출국인 대한민국의 온실가스 누적배출량은 세계 19위, 2011년 기준 연간 배출량은 8위, 화석연료 연소기준으로는 7위이다. 한국은 교토의정서 체제까지는 개발도상국으로 분류돼 온실가스 의무 감축국에 들지 않았다. 따라서 정부는 많은 고민 끝에 2015년 6월 30일 국무회의에서 2030년 국가 온실가스 감축목표를 배출전망치 대비 37% 감축하는 것으로 결정한 바 있다(투데이에너지 2015년 6월 30일자).
다음 표는 주요 국가들의 ‘포스트 2020’ 온실가스 감축목표를 비교하고 있다.

2. 세계의 에너지소비량과 바이오매스 발전

바이오매스(biomass)란 생물자원(bio)의 양(mass)을 나타내는 개념으로 「재생가능한 생물유래의 유기성 자원으로서 화석자원을 제외한 것」을 통칭하는 용어이다. 바이오매스는 태양에너지를 이용하여 무기물질인 물과 이산화탄소로부터 광합성 작용을 통해 생성되는 유기물로서 생명체와 태양이 존재하는 한 지속적으로 재생산이 가능한 자원이다.
바이오매스의 연소에 의해 방출되는 이산화탄소는 생물의 생장과정 중 광합성에 의해 대기 중에서 흡수한 이산화탄소이므로 바이오매스는 전 이용과정에 있어서 대기 중의 이산화탄소 양을 증가시키지 않는 「탄소 중립(carbon neutral)」이라고 불리는 특징을 갖고 있다. 그러므로 화석자원 유래의 에너지나 제품을 바이오매스로 대체한다면 온실가스의 하나인 이산화탄소의 배출을 크게 줄여 지구온난화 방지에 크게 기여할 수가 있는 것이다.
여러 연구를 통하여 국가의 사회/경제 발전의 정도와 국민 1인당 에너지소비량은 강력한 상관관계가 있음이 밝혀진 바 있다. 그림 1.2는 각 국가의 인간개발지수(Human Development Index(HDI))와 국민 1인당 연간 전기소비량의 상관관계를 보여주고 있다. 개발도상국인 중국, 브라질 및 인도 등이 경제성장에 따라 에너지소비량이 급증할 것이라는 상황을 기정사실화하는 것은 당연하다. 한편, 2009년에 있었던 금융위기 기간 중 OECD 국가들의 에너지소비량 감소도 이를 반증하고 있다. 그러나 이러한 현상들을 고려하지 않더라도 전 세계의 에너지소비량은 향후 수십년간 지속적으로 증가할 것이라는 예측에 아무런 반론이 없는 것도 사실이다.
그림 1.3은 전 세계 1차에너지 수요량을 연료별로 표시한 것으로 석유, 석탄 및 가스가 각각 34%, 26% 및 21%로, 총 81%를 담당하고 있으며, 전력생산에 있어서도 각각 6%, 41% 및 20%로, 총 61%를 담당하고 있다. 한편, 바이오매스와 폐기물은 1차에너지와 전력생산에서 각각 10%와 1%를 담당하는 것으로 나타나고 있다(IEA, 2009).
상기와 같은 예측은 향후에도 화석계 연료를 이용한 이산화탄소의 증가는 필연적임을 나타내는 것이다. 따라서 유럽연합은 2008년에 소위 20-20-20 계획을 확정한 바 있다. 이 계획에 따르면 2020년까지 1990년 대비 온실가스 배출량을 20% 저감하고, 에너지 효율 개선을 통하여 에너지소비량을 20% 감축하는 한편, 재생에너지 사용량을 20% 증가시킬 계획이다. 국제에너지기구(IEA(International Energy Agency))는 대기 중 이산화탄소의 농도를 550ppm 또는 450ppm 수준으로 유지시켜 산업화시대 이전의 온도에 비하여 3～2℃ 높은 상태를 유지하자는 소위 550과 450 정책 시나리오를 제안하기도 하였다.
그러므로 재생가능 자원은 가까운 미래에 에너지생산을 위하여 폭넓게 활용될 것임을 예상할 수 있으며, 온실가스 문제를 제외하더라도 화석계 연료의 불안정한 가격과 관련된 문제에도 일정 수준 해결방안이 될 수 있음을 알 수 있다. 결국 탄소중립적인 특성을 인정받고 있는 바이오매스는 재생가능 자원 중에서도 매우 중요한 역할을 담당하게 될 것이다(그림 1.4 참조).
2015년 9월 BNEF(불름버그 뉴에너지 파이낸스)가 전세계 전력구조를 분석해 발간한 ‘New Energy Outlook 2015’에 따르면 2012년 기준 전 세계 에너지 설비 비중의 약 65%가 화석연료였으며 재생에너지(21%), 원자력(6%), 풍력(5%) 및 태양광(2%)의 순이었다. 그러나 2040년 화석연료의 비중은 36%로 줄어드는 반면 태양광 26%, 풍력 14%, 기타 재생에너지 14% 등으로 반전되어 재생에너지가 전체의 절반이 넘는 54%를 차지할 것으로 분석된 바 있다(연합뉴스 2015년 11월 9일자).

3. 유럽의 바이오매스 발전 현황

3.1. 바이오매스 관련 계획

2008년 유럽연합의 총에너지 소비량에서 재생에너지가 차지하는 비율은 약 10% 수준이었다. 유럽 각국은 재생에너지 활용을 촉진하기 위하여 각기 다른 목표를 설정하고 있으며, 2020년 유럽 각국의 재생에너지 비율 목표는 표 1.2와 같다.
유럽연합의 National Renewable Energy Action Plans(NREAPs)에 의하면 바이오매스 발전 총량을 2006년 90TWh에서 2020년 230TWh로 증가시키도록 설정되어 있다. 그림 1.5와 1.6은 본 계획과 관련된 회원국들의 2005년과 2010년의 바이오매스 발전능력과 2020년의 목표를 보여주고 있다.
본 자료에 의하면 2005년 유럽 회원국들의 바이오매스 발전능력 총량은 15.7GW였다. 독일은 약 3GW로 가장 발전능력이 컸으며, 그 다음으로 스웨덴(2.5GW)과 핀란드(2GW)가 뒤를 잇고 있다. 2010년 23.6GW에 달하는 것으로 추정되는 바이오매스 발전능력 총량은 계획에 의하면 2020년 43.2GW에 달하게 된다. 폴란드는 목표달성을 위하여 2010년부터 2020년까지 바이오매스 발전능력을 6배 증가시켜야 한다. 벨기에는 4배 증가를 계획하고 있으며 영국, 이탈리아 및 프랑스 등도 2～3배의 증가를 계획하고 있다. 한편, 네덜란드는 발전능력은 3배 증가시키는 반면 발전총량을 4배 증가시키는 전략을 지니고 있다. 스웨덴의 경우에도 발전능력은 소폭 증가시키는 반면 발전총량을 2배 증가시키는 계획을 가지고 있다.

3.2. 바이오매스의 수급

상기와 같은 목표를 달성하기 위해서는 안정적인 바이오매스 수급이 필수적이다. 유럽의회에 제출된 NREAPs의 내용을 살펴보면 2020년 목표 달성을 위한 바이오매스 소요량을 추정할 수 있다. 그림 1.7은 27개 유럽연합 회원국들의 바이오매스 사용량 변화이며, 바이오에너지 사용량이 2010년 82Mtoe에서 2020년 135Mtoe로 증가할 것으로 예상되고 있다. 이중 발전분야에서 바이오에너지는 10Mtoe에서 20Mtoe로 2배 증가할 것으로 예측된다.
Poyry Energy Consulting에서 추정한 2010년도 유럽의 바이오매스(고형 바이오연료와 바이오가스) 발생량은 82Mtoe이며 2020년에는 약 120Mtoe 수준으로 예상하고 있다. 그러나 본 예상은 매우 낙관적인 것이며, Eurelectric은 2020년 목표 달성을 위해서는 26～38Mtoe에 해당되는 바이오매스가 부족하여 해외로부터의 도입이 불가피한 것으로 진단하고 있다. 이를 목재펠릿으로 환산하면 5천5백만톤～8천5백만톤에 해당된다.
고형 바이오매스의 부족분을 채우기 위하여 유럽은 이미 오래전부터 목재펠릿을 해외에서 도입하고 있으며, 2010년 약 250만톤이 주로 캐나다, 미국 및 러시아로부터 수입된 바 있다. 향후 러시아를 중심으로 미국남부, 남미 및 아프리카가 주요 수출국이 될 것으로 예상되고 있다. Poyry Energy Consulting(2011)에서 추정한 향후 세계의 바이오매스 공급가능량 추세를 보면 북미지역의 바이오매스 공급량은 안정적이거나 감소추세로 보는 반면 중국을 포함한 동아시아는 심각한 부족상태를, 그리고 러시아, 동남아시아, 남미 및 아프리카 일부는 공급가능량 증가추세가 될 것으로 예상하고 있다.
한편, IEA(2009)가 전망한 유럽 바이오매스 해외도입 상황을 보면 목재펠릿은 주로 미국과 캐나다를 중심으로 도입될 것이며(러시아는 유럽에 포함) 특히, 본 보고서가 제출된 2009년도 이전에 이미 팜유산업과 농업 관련 부산물 바이오매스가 인도네시아와 말레이시아를 중심으로 동남아시아로부터 도입될 것으로 전망하고 있다는 점은 우리에게 많은 것을 사시해준다고 할 수 있다.

3.3. 정책적 지원방안

유럽연합에서 총 14개 회원국들이 발전차액지원제도(FIT(Feed-in Tariff)제도를 바이오매스 발전 촉진을 위한 주요 제도로 적용하고 있다. 단, 독일의 경우에는 20MW 미만의 바이오매스 발전에만 지원하고 있다. 이는 기존의 열생산 플랜트에서 이미 바이오매스를 이용하는 사례가 많거나 신규로 대규모 바이오매스 발전소를 건립하는 것이 비현실적이기 때문으로 알려져 있다. 그러나 바이오매스 발전의 ‘규모의 경제’ 실현에는 걸림돌이 되고 있는 것도 사실이다.
한편, 바이오매스의 형태에 따라 지원여부가 달라지기도 한다. 일예로 스웨덴에서는 올리브유 생산 부산물인 olive stone과 olive pit에 대해서는 지원하지만 orange pipis(오렌지 씨)에는 지원하지 않고 있다. 현재 최소 10여개 회원국에서 이와 같은 기준을 적용하고 있다. 네덜란드와 독일에서는 바이오매스와 화석계 연료의 혼소에는 지원을 하지 않고 있으며, 몇몇 국가들에서는 바이오매스를 열병합발전에 사용할 경우에만 지원하고 있기도 하다.
이처럼 정책의 형태에 많은 차이가 있음에도 불구하고 각국의 정책적 지원방안이 바이오매스 특히, 목재펠릿의 수요 증가에 주요 원동력이 되는 사례가 많다. 오스트리아, 벨기에, 독일, 이탈리아 및 미국 등과 같은 국가들에서는 발전 및 열생산을 위한 바이오매스 펠릿 활용과 주택난방을 위한 소형 펠릿보일러에 대한 투자비용에 지원을 하고 있다. 특히, 이탈리아 북부에서는 수요 충족을 위하여 목재펠릿 수입량이 증가되고 있다.
네덜란드는 변환기술과 활용 원재료에 따라 재생 발전에 프리미엄을 주는 시스템을 활용하고 있다. 지난 5년간 이 시스템에는 잦은 변화가 있었지만 일반적으로 석탄과 청정 목질계 바이오매스를 혼소하는 방법이 경제적으로 매력적임이 밝혀져 2002년부터 대량으로 목재펠릿을 수입하고 있다.