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2020년 12월 13일 (일) 05:48 판

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. Sun-Kee Han&Hang-Sik Shin, Biohydrogen production by anaerobic fermentation of food waste
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. 김동훈 외 3명, ‘혐기 발효 공정을 통한 음식물류 폐기물탈리액으로부터 수소 생산’

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

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

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조립도

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조립순서

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부품도

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제어부 및 회로설계

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소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

가. 직접개발비

나. 예상개발비 및 이익

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용

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+====특허출원번호 통지서====
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 ===개발사업비 내역서===