뽕따조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 음식물류폐기물 사료화 처리 대체방안 : 수소화를 중심으로

영문 : Alternative to feed treatment of food waste : focusing on hydrogenation

과제 팀명

뽕따조

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 김*진(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 김*민

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 이*민

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 이*윤

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

최근, 지속적인 아프리카 돼지 열병(ASF)의 발생으로 인해 음식물류폐기물을 재활용한 사료에 대한 안정성 문제가 대두되면서 기존 사료화 되던 음식물류 폐기물에 대해 새로운 처리방안이 필요한 상황이다. 또한, 최근 정부의 그린뉴딜 정책에서 수소차 보급을 주요 과제 중 한가지로 상정하고 있고, 이를 위해서는 수소 에너지 충전인프라 구축이 반드시 뒷받침 되어야하지만 턱 없이 부족한 실정이다. 본 설계에서는 가축사료화 시설을 수소 에너지화 시설로 바꾼 공정을 제시하고 수소에너지 생산을 증대시키고 이에 대한 경제성과 효율성을 고려해보았다. 혐기성 메탄 발효 공정의 수소발효조로 음식물류폐기물이 들어가기 전 고액분리 과정을 거쳐 음폐수를 만들고 이를 수소 혐기성 발효와 메탄 발효를 거쳐 수소를 생산하는 공정을 설계해 필요한 희석수와 설치비를 줄였다. 수소발효조로는 3기의 배치형 소화조에서 각각 2일분의 음폐수가 6일간 발효되어 연속적으로 반응이 일어나고, 계절에 따라 달라지는 음식물류 폐기물의 특성을 고려하여 1개의 예비조를 두었다. 또한, 침출수는 고농도 미생물 층이 형성돼 소화일수를 줄일 수 있는 UASB 반응기에서 0.6일간 메탄발효 되도록 설계하였다. 메탄을 개질해서 수소를 생산하는 공정은 이미 상용화된 공정이기에 반응기를 상세 설계하지는 않고, 화학 공정 시뮬레이션 프로그램인 DWSIM을 이용하여 공정의 타당성과 수율을 입증하였다. 본 설계의 목적인 수소에너지화 시설이 기존의 사료화 시설을 친환경적, 경제적, 현실적으로 대체할 수 있을지를 평가하기 위해 공정에 대한 경제성 평가인 BC분석을 진행했고, 그 결과 값으로 1.62을 얻어 사업의 경제성을 입증할 수 있었다. 이를 통해, 수소 가격을 현재 수소 생산 단가인 3099원에서 1650원까지 낮춰도 현재와 같은 경제성을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제의 배경

◇그린 뉴딜 정책에 따른 수소차 보급 확대

최근 정부가 그린 뉴딜 정책을 발표함에 따라 신재생 에너지로의 전환이 강조되고 있다. 정책의 주요 과제 중 하나는 친환경 미래 모빌리티 사업으로, 온실가스 감축 및 미래 자동차 시장 선점을 위해 전기·수소차의 보급을 늘리는 사업이다. 구체적 목표로는 전기자동차 113만대와 수소차 20만대를 보급, 충전인프라 450대 설치와 수소 생산기지 등 수소 유통기반 구축이 있다.

◇수소 충전소 현황 및 문제점

한편, 현재 전국에 운영 중인 수소 충전소는 총 34개로 안정적인 수소차 보급을 위해서는 수소 충전소의 확충이 반드시 필요하다. 하지만 수소는 폭발성이 큰 가스로 운송 및 저장이 어렵기 때문에 수소 충전 인프라 구축이 어려운 실정이다. 수소를 파이프로 이송시키려면 파이프라인 연결에 막대한 비용이 들어가고 수소취성이 일어나는 등의 문제가 발생한다. 또한 액화수소로 만들 경우, 온도를 –253℃ 이하로 만들어야하기 때문에 경제성이 떨어진다는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 수소 충전지에서 수소를 생산하는 on-site형 수소 충전소 기술 발달이 중요하게 부각되고 있다.

◇수소 생산 현황

현재 수소를 생산하는 데에는 대표적으로 세 가지 방법이 활용되고 있다. 먼저 세계에서 생산되는 총 수소량의 절반이상은 천연가스 개질 방식으로 생산된다. 이 방식은 가장 저렴하다는 장점이 있으나 수소를 생산함에 있어 천연가스를 사용하기 때문에 진정한 의미의 친환경 연료라고 말하기는 어렵다. 두 번째로 부생수소는 우리나라에서 가장 많이 사용하는 방법으로, 석유화학 산업 공정 과정에서 발생하는 수소 혼합 가스를 수소만 따로 분리해 사용하는 방법이다. 하지만 이 역시 수소 생산을 위해 석유를 사용해야하기 때문에 수소 생산량에 한계가 있다는 단점이 있다. 마지막으로 수전해 방식은 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방식으로, 오염물질 배출이 없고. 고순도의 수소를 생산할 수 있지만, 고가의 전력 비용 때문에 생산 단가가 높아 상용화되지 못하고 있다. 한편 미생물을 이용한 바이오 수소 생산은 화석연료의 사용을 최소화 할 수 있으며, 수소를 생산하는데 있어 별도의 장비가 필요하지 않고, 미생물 증식에 필요한 자원도 무한하다는 장점 때문에 주목받고 있다. 최근에는 홍조류의 갈락토스를 이용해 바이오수소를 생산하는 기술이나, 혐기성 소화를 통한 폐기물의 수소화 등 여러 가지 바이오수소 생산 기술이 개발 중에 있다.

◇기존 음식물류폐기물의 처리

2019년 4월 기준, 346개의 공공‧민간처리시설 중 192개의 시설에서 일평균 6,547 ton의 음식물류폐기물을 사료화로 처리하고 있다. 음식물류폐기물 처리시설 현황 (2019년 4월 기준) 이는 전체 음식물류폐기물 처리량 중 51%를 차지한다. 192개의 시설 중 157개의 시설에서 돼지사료로 쓰이는 습식사료를 생산한다. ‘환경부 ASF 대응 음식물류폐기물 관리 표준행동지침(2019)’에 따르면 관심-주의-심각의 단계 중 관심단계에서 돼지농가에서 남은 음식물 급여가 제한되며, 돼지농가로 유입되지 못하는 음식물류폐기물 대체처리계획이 수립될 것이 요구된다. 그 이상의 단계에서는 남은 음식물 급여가 전면 금지되고, 습식사료 급여 전면금지에 대비한 대체처리계획을 수립해야 한다. 아프리카 돼지 열병이 지속적으로 발생하고 있고, 음식물류폐기물로 제조한 사료의 배급이 원인 중 하나로 지적되며 한돈협회에서는 돼지열병을 막기 위해 습식사료의 생산 및 배급을 중단할 것을 주장한다. 또한 음식물류폐기물을 재활용한 사료에 대한 사용량이 감소하면서 재폐기물화 현상이 나타나고 있다. 2005년 음식물류폐기물의 직매립이 금지된 이후 기타 처리 방법이 그 양을 부담할 수밖에 없었다. 폐기물 대란을 막기 위해, 기존 다른 처리시설 등에 부담을 주지 않으면서 음식물류폐기물의 사료화를 대체할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.

◇음식물류폐기물의 수소에너지화

기존 수소 생성 공정은 폐기물의 감소 및 에너지 생산이라는 목적을 충족시킬 수 없고, 화석연료를 사용하여야한다는 단점이 있다. 따라서 유기성폐기물을 이용한 수소의 생산이 각광을 받고 있다. 선행 연구(한선기)에서 혐기성 반응조에서 다양한 희석률에 대하여 음식물류폐기물로부터의 수소생산의 타당성을 입증하였다. 처리시 제거된 COD가 수소로 전환되는 모습을 확인할 수 있다. 또 다른 선행연구(김동훈)에서 추가적인 외부 식종균의 이용 없이 음식물류폐기물의 전처리를 통해 비수소생성균의 사멸과 수소생성균의 확보가 가능함을 보여주었다.

개발 과제의 효과

◇음식물류 재폐기물화 방지

음식물류폐기물의 사료화를 완전히 금지 할 경우 기존 사료화를 시행하던 처리 시설이 무용지물이 된다. 현재 음식물류폐기물 처리시설은 서울시 기준 5개가 있다. 동대문구의 경우 바이오가스화를 시행하고 있지만, 이외 구에서는 사료화로 처리하고 있다. 기존 사료화 시설을 수소에너지화 시설로 개조하여 이용하는 것은 보다 경제적으로 수소생산 공정을 만들 수 있는 방법이라고 사료된다. 이를 통해 음식물류폐기물의 재폐기물화를 방지할수 있다.

◇수소에너지 생산가 절감 및 수소 충전 인프라 확충

최근 기후변화와 관련하여 온실가스 저감에 대한 관심이 점점 높아지고 있다. 온실가스 중 이산화탄소는 전체 온실효과의 약 55%를 차지하는 것으로 나타나 주요 원인으로 꼽히고 있다. 이러한 상황에서 수소는 친환경적인 청정 에너지원으로서 주목받고 있다. 음식물류폐기물의 수소에너지화는 기존 사료화 처리를 대체할 수 있는 방안으로 잠재성이 있다. 음식물류폐기물을 이용하여 수소를 생산과 충전이 동시에 이루어지는 on-site형 수소충전소가 설립된다면 수소의 운송 및 저장이 훨씬 간단해 진다는 이점이 있다. 운송 및 저장 단계가 줄어들면 수소 공급가격이 훨씬 저렴해지는데 이는 경제성이 떨어지는 수소차의 경쟁력을 높일 수 있는 방안이라고 생각된다. 또한 해당지역의 수요만큼 수소생산량을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 또한 음식물류폐기물의 경우 전국 각지에서 발생하기 때문에 다양한 지역에 음식물 쓰레기를 이용한 수소충전소를 만들 수 있을 것으로 보인다. 따라서 수소차 이용자들이 충전소에 도달할 수 있는 시간을 줄여 주어 인프라 부족 문제를 해결할 수 있을 것으로 생각된다.

개발 과제의 목표와 내용

◇음식물류폐기물 가축사료화시설의 대체

현재 서울에 있는 음식물류폐기물 처리시설은 동대문구 시설 외에 모두 가축사료화시설로 이루어져 있다. 하지만 음식물류폐기물의 사료화의 문제점이 지적되면서, 사료화를 금지해야한다는 목소리가 커지고 있다. 기존 사료화 시설에서 부담하던 음식물류폐기물을 새로운 방안으로 효율적으로 처리할 수 있는 방안이 필요한 실정이다. 음식물류폐기물의 가축사료화 시설을 수소에너지 공정으로 바꿀 수 있는지에 대해 경제성과 현실성에 초점을 맞추어 연구를 진행할 것이다.

◇수소 가격 절감

현재 수소 가격은 생산가 3099원 운송비 7656원 충전소 비용 40000원 가량으로 기존연료에 비해 턱없이 비싸 보조금 없이는 운영이 어려운 상황이다. 수소차량 구매자를 늘리기 위해서는 수소 원가를 줄이는 것이 필요하다. 본 보고서에서는 원료구매가 필요 없는 음식물류 폐기물을 이용해 수소를 생산함으로써 수소의 생산가를 줄일 예정이다. 또한 추후 음식물류 폐기물 처리장이 전국 각지에 퍼져 있는 만큼 추후 on-site 수소 충전소를 건설함으로써 수소 충전소 까지 수소를 운반하는 파이프라인이나 기타 운송 과정에 필요한 비용을 절감할 수 있다. 이를 통해 현재 수소 생산가의 반으로 가격을 절감하는 것을 목표로 한다.

◇수송 부문 수소에너지 생산 및 충전 인프라 확충

2030년도 수송 부문에 필요한 수소 에너지는 37만 톤으로 조사된다. 수소산업 생태계 경쟁력 강화 방안, 2020(철도, 항공 제외) 기존 음식물류 폐기물 처리장이 내륙 지방에 위치하고 부생수소나 메탄개질 수소보다 양이 소량임을 감안했을 때, 수송부문에 사용되는 수소에너지를 충당하기에 적합하다고 판단했다. 따라서 사료화 되고 있는 모든 음식물류 폐기물의 처리를 수소 생산 공정으로 전환한다고 가정할 때 수송 부문에 필요한 수소의 10%인 3.7만톤을 생산할 수 있는 것을 목표로 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 폐기물 사료화 공정을 수소화 공정으로 바꿈으로서 현재의 수소 충전소 인프라 부족 문제를 해결할 수 있다.

◇ 수소 발효로 수소를 생산하고 메탄발효 후 수증기 개질을 통해 추가로 수소를 생산할 수 있으므로 바이오 에너지원을 통한 에너지 생산량을 극대화 할 수 있다.

◇ 수소발효 및 메탄발효에서 나오는 이산화탄소는 미생물에 의해 재고정되므로 수소 생산량 대비 이산화탄소 발생량을 절감할 수 있다.

◇ 수소의 운송 및 저장을 간소화하여 수소차의 경쟁력을 높일 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 기존 도봉구 센터의 음식물류 폐기물 사료화 시설을 수소화 시설로 바꾼다면 발생하는 톤당 운영비를 줄일 수 있는 것으로 보이며, 타 시설에도 적용 가능할 것으로 예상된다.

◇ 수소의 주요 생산방식이었던 화석연료 개질 반응으로 인해 발생하는 이산화탄소의 양을 줄여 온실가스를 저감할 수 있다.

◇ 기존 사료화 시설을 운영하였을 때 발생하는 음폐수, 육상 처리비용을 절감할 수 있다.

◇‘음식물류폐기물의 사료화와 수소차에 대한 인식 조사’ 결과, 과반수 이상이 음식물폐기물의 사료화가 문제가 되고 있다는 점을 인지하고, 이를 변형하여 사용하는 것에 대한 긍정적 평가를 하였다. 또한, 수소차 보급의 필요성에 대해서도 80% 이상이 동의하였다. 하지만, 수소차 구매 의향은 74%가 없다고 대답했으며, 58%가 ‘수소차 충전소의 부족’을 이유로 꼽았다. 그러나 75%가 수소차 충전소의 충분한 보급이 이루어진다면, 수소차를 구매할 의향이 있다고 응답하였다. 이는 본 과제 에 대한 시민들의 긍정적 평가와 연구과제의 필요성으로 이어진다고 볼 수 있다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

가. 제품 요구사항

본 설계에 있어서 제품의 요구사항을 정하고 필요사항(D)과 희망사항(W)을 명시했다.이후 AHP 분석에서 각 요구사항을 활용하여 가중치를 산정했다.가중치 산정 방법은 아이디어 평가 부분에서 자세히 소개하도록 한다.

각 요구사항에 대한 자세한 설명은 위와 같다.

나. 목적 계통도

다. 기본 설계 조건

1) 유입량 : 도봉구재활용센터 기준 100ton/day

2) 음폐수 특징 음폐수는 고농도의 COD와 질소를 함유하며, 낮은 pH와 높은 염분 농도를 함유하고 있다. 우리나라의 경우, 기후 조건에 의해 음폐수의 온도가 계절별 차이가 크다. 저장조 내 음폐수의 온도는 소화효율과 직결되기 때문에 효과적인 반응을 위해서는 음폐수의 온도를 조절해줄 필요가 있다. 겨울(11~2월)에 측정한 저장조 온도는 평균 10.2℃, 여름에는 최고 30℃로 큰 차이를 나타냄을 볼 수 있다. 저장조의 온도가 낮아지면 분해가 잘 일어나지 않아 NH4+-N의 농도가 낮아지고, 반대의 경우 NH4+-N의 농도가 높아져 안정적인 반응을 기대하기 어렵다. NH4+-N 농도는 미생물의 활동에 영향을 끼치므로 적정 수치를 유지하는 것이 중요하다. 중온(약 35℃) 소화조 내에서 효과적인 반응을 이끌어내기 위해 음폐수 저장조에 보일러를 설치하여 보온을 해주도록 한다.

라. 공정 평가

다음은 음식물류 폐기물 사료화를 수소화로 대체하기 위한 공정의 아이디어 선정을 위해 혐기성 수소발효 공정과 2단 수소 발효 공정을 비교한 표이다.

설계 사양의 제품 요구사항을 활용하여 평가항목을 CO2발생량, 수소발생량, 설치비, 중금속제거율, 처리장적용성으로 구체화하였다. 이를 AHP 기법으로 평가하여 합계가 더 큰 것을 설계에 선택하였다. 각 평가항목에 대한 설명과 AHP 기법 분석 결과는 다음과 같다.

음식물류폐기물을 처리하는 공정에서 나오는 CO2발생량, 공정을 통한 수소발생량, 사료화 시설을 개량하는 설치비, 시설의 내구연한, 우리나라 음식물류폐기물에 특성 및 성상을 고려하는 처리장 적용성 5가지를 평가항목을 선정하였다. 이를 AHP 기법으로 계층적 구조와 상대적 중요도를 설정한 뒤 비율척도를 통해 우선순위를 도출할 수 있다. 5개의 평가항목을 기준으로 계층을 구조화한 후 5가지를 1에서 9까지의 비율척도로 쌍대 비교(paired comparison)를 실시하여 중요도를 산출하였다.

평가항목의 중요도와 수소 발생 공정별 상대적 선호도를 각가 곱하여 최종선호도를 계산해보았다.

AHP 분석 결과 더 높은 선호도를 가지는 2단 수소발효(혐기성수소발효+메탄발효) 공정을 채택하였다.

개념설계안

본 설계는 기존 음식폐기물의 대표적 처리 방법인 사료화 시설에서 전처리 시설 (파쇄 및 저장조) 후의 공정부터 수소를 생성하는 공정으로 대체한 설계를 구상하였다. 전처리 시설은 기존 사료화 시설을 이용한다.

분쇄 및 파쇄 등의 전처리 과정을 거친 음식폐기물을 1차 저장조에서 2일에서 3일정도 저장하며 200ton을 모아 pH 7로 조절해준다.

1) 고액분리기

파쇄된 음식물류 폐기물을 횡형 데칸트 원심탈수기에서 600~1200 rpm 의 범위에서 조절하며 고속원심탈수한다. 원심분리기는 따로 설계하지 않고, 기존에 상용화되어 있는 기계를 사용하거나 사료화시설에서 사용하던 제품을 재사용하는 것으로 설계하였다. 이를 통해 100 톤의 음식물류 폐기물에 포함된 80 톤의 탈리액 중 70 톤의 탈리액을 회수한다. 수소발효조로 음식물류 폐기물을 넣기 전 고액분리의 과정을 거칠 때의 장점은 다음과 같다.

① 희석수의 양

음식물류 폐기물을 이후 과정인 수소발효조에 투입할 때, 최적의 수소 수율을 위해 희석율 3.1d-1의 희석수가 필요하다. 하지만, 수소발효 투입 전 고액분리 과정을 거치게 되면 필요한 희석수의 양을 줄일 수 있다.

② 후처리 과정

음식물류 폐기물을 수소발효과정에 바로 투입할 경우 2일의 후처리 과정이 필요하다. 하지만 본 설계에서는 고액분리로 후처리가 필요한 수소발효의 잔류물을 미리 처리하기 때문에 후처리에 걸리는 소화일수를 줄일 수 있으다. 또한, 잔류물의 투입용량이 제외되기 때문에 수소발효조를 더 작은 용량으로 설치가 가능하고 이에 따른 설치비도 줄일 수 있다는 장점이 있다.

③ 반응효율

수소발효조의 특성상 메탄이 생성되기 전에 유기산을 메탄발효조로 보내는 것이 중요하다. 고액분리의 과정을 거치면 발효조마다 투입량을 줄일 수 있고 많은 양을 한꺼번에 보냈을 때 보다 교반 등이 수월해지기 때문에 효율적인 반응이 일어날 수 있다.

2) 수소발효조

음식물류 폐기물 100ton을 고액분리하여 얻은 70ton이 2일 저장 후 수소발효조로 들어가게 된다 이 때, 수소발효는 총 6일의 소화일수가 필요하기 때문에 연속 회분식 운전을 위해 3개의 수소발효조를 둔다. 각 반응조는 일정한 시간 간격으로(약 2일) 운전하는 경우 연속 반응조에서와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 수소발효조에서 발효 과정은 HRT 6일 동안 진행되며 수소 발효 과정 동안 수소 및 유기산 (아세트산 및 프로피온산 등)이 생산된다. 수소가 생성되는 이론적 화학식은 다음과 같다.

수소발효조에서 얻어진 유기산 유출액은 유기산 액체저장조로 들어가고 메탄발효조로 연속적으로 주입된다.

3) 메탄발효조

유기산 유출액은 유기산 액체저장조에서 메탄발효조인 UASB 반응기로 이동된다. UASB 반응기는 중온(약 37°C), pH 5.7±0.2에서 반응이 이루어지며 기체인 메탄가스와 이산화탄소 등과 함께 액체와 고체의 형태로 물질을 분리할 수 있다. 발생하는 가스를 분리시켜 수집할 수 있으며, 처리된 침출수는 UASB 반응기의 상단으로 나온 후 희석수로 재이용할 수 있다. 이후 생성된 메탄은 상용화되어 있는 수소 개질 및 정제 공정을 거쳐 수소로 바꾸고, 이산화탄소는 아래와 같은 표로 처리할 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계에서의 기본 조건을 설정하기 위해 도봉구 음식물류 폐기물 사료화 시설 100ton/day 을 기준으로 반응조 용량을 산정하였으며, 기본적인 반응기 운전 조건은 다음과 같다.

1) 수소발효조 운전 조건

① 소화일수

수소발효조는 논문에 따르면 음식물류 폐기물을 TS 8%로 산발효조와 메탄발효조가 결합된 중온 이상 혐기성 소화실험에서 산발효조의 HRT 3일에서 SCODCr /TCODCr 비가 53.83%로 운전되었음을 보고, HRT 6.6일에서 SCODCr/TCODCr 비가 54.16%로 운전되었음을 보고하였다. 그러므로 수소발효조의 소화일수를 총 6일로 정하였고 수소와 유기산을 생성하는 과정이 일어난다. 이렇게 배출된 수소는 수소 저장소로 들어가고 유기산은 유기산 액체저장조를 통해 메탄발효조로 들어간다.

② 희석 수소발효조의 반응효율을 높이기 위해 희석수를 넣어주어야 한다. 논문에 따르면 초기 pH 7.0, 기질 농도13.4g Carbo. COD/L의 조건에서 수소 수율이 1.84mol H2/mol glucose로 가장 높은 값을 나타냈다. 이러한 기질 농도를 맞춰주기 위해서는 수소발효조 내에 희석수를 넣어주어야 한다. 희석율(D; d-1)은 반응조 유효부피(m3)에 대한 희석수의 유량(m3/d)로 정의되며, 희석율 3.1d-1의 희석수 유량이 필요하다. 음식폐기물과 혼합된 희석수는 수소 발효 후 메탄 발효조로 이동하여 후에 침출수로 배출된다. 이 때 침출수에는 반응에 필요한 미생물이 함유되어 있을 수 있기 때문에 수소발효조로 연결하여 재이용할 수 있도록 한다.

2) 메탄발효조 운전 조건

① UASB 반응기

메탄을 생성하는 혐기성 반응은 보통 20~30일이 걸리는 반응이다. 장기간의 소화일수를 줄이기 위해 메탄발효조의 반응기로 UASB(Upflow Anaerobic Sludge Bed)를 선택하였다. 이 때 미량원소 Co, Ni, Fe, Mo가 들어있는 슬러지를 넣어준다. Co, Ni, Fe, Mo 등은 미생물 성장에 영양물질로 사용 되며 혐기 미생물의 생장 및 효소 활동 활성화에 중요한 역할을 하므로 적절한 미량원소의 추가는 발효성능 향상에 도움이 된다. UASB를 이용해 유기산을 혐기성으로 처리하기 시작하면, 혐기성 미생물이 증식된다. 이 미생물들이 더 잘 증식되게 반응기 내에서 조절해주면, 미생물 그래뉼이 형성되기 시작한다. 부상된 미생물 그래뉼은 경사판 형태의 분리 체계를 통해서 반응조 하부로 다시 가라앉고 고농도의 미생물 층을 형성시킨다. 이렇게 생성된 고농도의 미생물 그래뉼은 효율적으로 메탄가스를 생성하여 소화일수를 줄이게 된다. UASB 반응기는 feed가 아래에서 위로 흐르고, 반응기 상부에는 분리 체계가 있다. 분리 체계는 반응고체인 미생물, 액체인 침출수, 기체인 메탄가스와 이산화탄소 등이 혼재되어있는 상태에서 세 상태의 물질을 잘 분리할 수 있도록 한다. 분리 체계를 통해 발생하는 가스를 분리시켜 수집할 수 있으며, 처리된 침출수는 반응기의 상단에서 나온 후 다시 희석수로 사용할 수 있다.

② 희석 수소발효조에서는 희석율 3.1d-1의 희석수가 필요하고, 메탄발효조에서는 희석율 4d-1의 희석수가 필요하다. 그러므로 메탄발효조에는 수소발효조로 들어가는 희석수보다 0.9d-1의 희석수가 더 필요하다. UASB 반응기에서 나온 침출수는 두 개의 관을 통해 수소발효조 뿐만 아니라 유기산 액체저장조를 통해 메탄발효조로 들어가도록 설계하였다.

3) 수소발효조 용량 설계

① 수소발효조의 개수

음식물류 폐기물을 수거하여 전처리한 후, 1차 저장조에서 2~3일 동안 pH 조절과 안정화를 진행한다. 총 200ton(2일동안 수거한 음식물류 폐기물)을 고액분리한 후 수소발효조에 투입한다. 고액분리한 음식물류 폐기물은 70%정도의 음폐수가 발생하기 때문에 약 140ton가 수소발효조로 운반된다. 수소발효조에서 총 6일의 소화일수가 필요하고, 연속적으로 반응이 이루어지기 위해서 3개의 수소발효조가 필요하다. 또한, 계절별 음식물류 폐기물의 배출량 변화에 대비하기 위한 예비 수소발효조 1개로 추가로 설계한다.

② 수소발효조의 용량

4) 메탄발효조의 용량 설계

① 메탄발효조의 개수 메탄발효조에서는 0.6일만에 처리가 이루어지기 때문에 3개의 수소발효조에서 운반되는 유기산을 1개의 UASB로 모아서 처리한다.

② 메탄발효조의 용량 메탄발효조인 UASB반응기의 용량은 논문을 참고하여 산정하였다.

5) 메탄 개질 및 정제 공정 시뮬레이션

메탄발효 공정에서 얻은 메탄가스를 압축기를 이용해 5bar로 압축 후 메탄 수소 개질 및 정제 공정을 거쳐 수소를 생산한다. 해당 공정에 대해 DWSIM을 이용한 시뮬레이션을 거쳐 결과를 예측하였다.

① 개질 공정 (Steam Reforming, Water Gas Shift)

② 정제공정 (Pressure Swing Assorption) PSA는 흡착제가 충진된 용기 내부를 가압상태 (보통 5~20 atm)로 하고 수소가 포함된 혼합물을 통과시켰을 때 수소만 선택적으로 흡착제의 기공사이를 통과하여 고순도의 수소를 생성하는 공정이다. 생성물의 순도를 결정하는 가장 큰 요인은 흡착제의 종류로 최대 99.99% 순도의 수소가 생산된다. 최근 국내기술로 만든 PSA 공정이 상용화되어 공정의 가격 감소를 달성했고, 이를 통해 수소 생산 가격을 절감할 수 있을 것으로 보인다. DWSIM 결과 생성물의 양과 전 반응에 필요한 물, 에너지는 다음과 같다.

조립도

가. 조립도

부품도

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

가. 직접개발비

나. 예상개발비 및 이익

BC 분석 결과, 1.62 으로 본 설계의 경제성을 확인할 수 있었다.

또한, BC 분석을 통해 수소 생산가를 산정하는 그래프를 그릴 수 있다. 그래프를 통해 현재 수소 생산 단가인 3099원을 적용했을 때, BC 값은 1.62이고 수소 생산 단가를 1650원까지 절감해도 현재와 같은 경제적 조건을 얻을 수 있는 것을 볼 수 있었다.

완료 작품의 평가

가. 평가 기준

나. 평가 결과

1. 수소가스 생산 효율성 2030년도 수송 부문에 필요한 수소 에너지는 연간 37만 톤으로 조사된다. 한국 수소사업 로드맵 (철도, 항공 제외) 앞서 밝힌 바와 같이 사료화 되고 있는 모든 음식물류 폐기물의 처리를 수소 생산 공정으로 전환한다고 가정할 때 수송 부문에 필요한 수소의 10%인 3.7만 톤을 생산할 수 있는 것을 목표로 한다. 설계 결과 사료화 되고 있는 2,389,655 톤 의 음식물류 폐기물을 모두 수소로 전환시키면 연간 27674 톤의 수소를 얻을 수 있다. 이는 수송 부문에 필요한 수소에너지의 7.479% 에 해당하는 수치로, 15점을 얻을 수 있었다.

2. 핵심 목표 달성 다음으로 핵심목표달성 항목은 환경공학부 교수님 및 멘토 교수님 (환경 관련 사업 종사) 총 자문위원 5명의 평균 평가를 점수를 20점을 기준으로 환산하였다. 자문 위원에게 평가항목 및 보고서를 첨부하여 평가를 요청하였고 각 항목은1(0~20%)점부터 5점(80~100%)으로 구성되어 있으며 평가 항목의 내용은 다음과 같다. 설계한 내용이 타당한 과정을 통해 산출되었는지의 ‘설계효율타당성’, 본 설계의 사업적 가치를 물어보는 ‘경제적 타당성’, 설계한 수소 에너지화 시설이 사료화 시설을 얼마나 대체할 수 있을 지의 ‘목표달성도’를 통한 평가 결과 20점 만점 중 18.4점을 받았다.

3. 경제성 현재 수소 가격은 생산가 3099원 운송비 7656원 충전소 비용 40000원 가량으로 기존연료에 비해 턱없이 비싸다. 수소차량 구매자를 늘리기 위해서는 수소 원가를 줄이는 것이 필요하다. 본 보고서에서는 원료구매가 필요 없는 음식물류 폐기물을 이용해 수소를 생산함으로써 수소의 생산가를 현재의 40% 이상 감축하는 것을 목표로 한다. 설계에 대한 BC분석 결과 수소 생산가를 1650원 까지 낮추어도 현재와 같은 경제적 조건을 만족할 수 있음을 확인할 수 있었다. 이는 46.7%의 가격을 절감한 수치로 30점을 받을 수 있었다.

4. 환경친화성 위에서 밝힌 바와 같이 사료화 시설로 1년동안 7084.65 ton CO2 eq/yr 이 발생한다. 기존 사료화 시설에 비해 음식물류 폐기물을 처리할 때 적은양의 이산화탄소를 방출하는 것을 목표로한다. 바이오 가스화 시설로 바꿨을 때는 탄소가 생성되지만 생성된 탄소가 다시 고정되므로 탄소발생량이 0인 것으로 간주한다. 시뮬레이션 결과 메탄 개질 반응에서 생성되는 CO2의 양은 3888 kg/d 이므로 1419.12ton CO2 eq/yr 의 이산화탄소가 발생한다. 따라서 연간 5665.53 ton 의 이산화탄소를 감축할 수 있고 이는 79%에 달하는 양으로 50%이상 절감을 달성해 20점을 받을 수 있었다.

5. 사회적 필요성 및 기여도 사료화 시설 개선에 대한 인식 및 수소차 구매 의향에 관한 설문조사 우리나라 시민을 모집단으로 설문조사를 진행하였다. 2020년 10월 9일부터 10월 12일까지 진행하였으며 총 62명의 응답을 얻었다. 설문조사 내용 중 음식물류폐기물 사료화 시설의 개조와 수소차 구입에 대한 의견을 조사한 결과, 과반수 이상이 음식물류폐기물의 사료화가 문제가 되고 있다는 점을 인지하고, 사료화 시설을 개선하는 것에 대해 긍정적 입장과 수소차 보급의 필요성에 대해서 80%이상이 동의함을 알 수 있었다. 하지만 74%가 직접 수소차를 구매할 의향이 없다고 응답하였으며, 가장 큰 이유는 수소차 충전소가 적어 불편하다는 이유였다. 그러나 그 중 75%가 수소차 충전소의 충분한 보급이 이루어진다면, 수소차를 구매할 의향이 있다고 하였다. 따라서 사료화 시설 개선에 긍정적이 총 77%로 평가결과 10점 만점에 10점을 받는 동시에 본 설계 필요성 및 사회적으로 긍정적 영향을 줄 수 있을 것으로 판단되었다.

향후평가

한국의 그린뉴딜 정책으로 인해 수소에너지로의 전환이 중요한 과제로 떠올랐다. 정부는 2030년까지 630만대의 수소차를 보급하는 것을 목표로 하고 있는데 현재 전국에 운영 중인 수소 충전소는 총 34개로 안정적인 수소차 보급을 위해서는 수소 충전소의 확충이 반드시 필요하다. 한편 블룸버그 NFE에 따르면 한국은 지리적인 한계로 외국에 비해 수소 가격이 세계 평균보다 50~70% 높을 것으로 예측하였다. 이를 해결하기 위해서는 저렴한 수소 생산 원료를 찾고 수소 생산 수율을 높일 수 있는 방안을 찾아야한다. 음식물류 폐기물 사료화 공정의 수소 생산 공정으로의 전환은 수소 가격 절감과 수소 충전소 보급이라는 두 가지 문제점을 한 번에 해결할 수 있다. 음식물류 폐기물의 발생은 지속적으로 발생하는 추세이고, 음식물류 폐기물 처리 시설은 전국 각지에 분포하기 때문에 추후 on-site형 수소 충전소를 설치하기에 적합하다고 판단된다. 한편 생물학적 수소 생산은 바이오가스 생성에 비해 기간 및 기타 조건의 세심한 조절이 필요하고 아직 상대적으로 수율이 낮기 때문에 지속적으로 수율을 높일 수 있는 방법을 연구해야한다. 또한 공정에 소비되는 에너지를 줄일 수 있는 방법을 지속적으로 연구해 가격 경쟁력을 향상시켜야한다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

1. Sun-Kee Han&Hang-Sik Shin, Biohydrogen production by anaerobic fermentation of food waste

2. 김진상, ‘광합성세균을 이용한 수소생산’

3. 백예슬 외 3인, ‘인공 음식물 혼합 폐기물 바이오차의 토양 중금속 흡착 가능성을 위한 특성 분석’

4. 송형운 외 2인, ‘바이오가스 유래 수소 제조 기술 동향 및 효과적인 적용’

5. 수소에너지사업단, ‘생물학적인 방법에 의한 수소생산’

6. 에너지경제연구원, ‘친환경 CO2-free 수소생산 활성화를 위한 정책연구’

7. 이풀잎 외 1인, ‘음식물쓰레기의 혐기성 소화 시 중금속에 따른 수소생산량의 변화’

8. 최병순, 「음식물쓰레기의 가스화 반응 특성.」, 2008

9. 통계청, 「폐기물 발생현황_생활폐기물」, 2018

10. 한선기 외 2인, 「음식물쓰레기의 수소발효 타당성 평가」, 2003

11. 음식물류폐기물 처리시설 현황 (2019년 4월 기준)

12. 김동훈 외 3명, ‘혐기 발효 공정을 통한 음식물류 폐기물탈리액으로부터 수소 생산’수소산업 생태계 경쟁력 강화 방안, 2020

13. 윤현명 외 2명, ‘D시 생활폐기물 관리 방법과 온실가스 배출량과 감축량 산정 연구, 충남대학교 환경공학과

14. 유기성 폐자원 바이오가스화 사업평가, 2012

15. 이준표 외 4명, ‘음식물류 폐기물의 성상과 가수분해특성 평가’, 2017

16. 2단 발효공정(혐기+광합성)에 의한생물학적 수소 생산 실증연구, 한국에너지기술연구원

17. 유기성폐자원 바이오가스화시설설치사업의 문제점 및 개선과제-경제적 타당성 분석을 중심으로-, 2012

18. 원자력 수소 생산기술 개발 및 실증사업원자력 수소 생산 시스템 평가, 한국원자력연구소

19. '국내 미활용 바이오매스를 이용한 수익창출형그린수소 생산 시스템 기획 연구 최종보고서, 연세대학교 산학협력단

20. 「음식물류폐기물 처리방식별 톤당 처리원가 산정」에 대한 원가조사연구보고서, 우리경제연구원, 2020

21. Jang, E. S., Ruy, S. H., and Phae, J. G., 2007, “Effect ofTS concentration on anaerobic digestion using supernatant of food waste”, J. of the Korea Organic ResourceRecycling Association, 15(2), 118-127.

22. Park, S. C., Cho, J. K., Lee, J. P., Hong, J. J., Lee, J. S.,and Kim, M. S., 1995, “Process development for energy and compost recovery from biodegradable municipalsolid waste(II)”, R & D report, Korea Institute of EnergyResearch, Korea, 1995. 1.

뽕따조

목차