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2019년 12월 26일 (목) 22:45 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 축사에서 배출되는 메탄가스 저감 시스템 개발

영문 : Development of Methane Gas Reduction System in cattle house

과제 팀명

꺼억뿡

지도교수

최용준 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 2015890002 권규주(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 2014890037 박준성

서울시립대학교 환경공학부 2014890046 오창욱

서울시립대학교 환경공학부 2014890078 하재훈

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

조사에 따르면 연 평균 소 1마리가 발생시키는 메탄의 량은 85kg이라고 한다. 그리고 전 세계에서 소가 발생시키는 메탄의 량은 전체 메탄가스 발생량의 15~20%정도를 차지할 정도로 많은 양이다. 특히 목축업 비중이 큰 뉴질랜드는 소가 나라 전체 메탄발생량의 50%를 차지할 정도다. 이렇게 발생하는 메탄가스를 줄이고자 전 세계적으로 많은 연구와 노력이 이루어지고 있다. 이에 따라 본 설계에서는 소가 발생시키는 메탄가스를 미생물을 이용해 처리하고자 한다. 추가적으로 이러한 방법을 통해 메탄을 산화단계의 중간산물인 메탄올로 변화시켜 에너지, 자원으로써 활용가능성을 평가한다.

개발 과제의 배경 및 효과

1) 개발과제의 배경

 2015년 11월 30일 프랑스 파리에서 열린 제21차 유엔기후변화협약(UNFCCC)에서 우리나라는 2030년까지 배출 전망치 대비 37%를 줄이고자 하는 노력을 하겠다고 서약했다. 이에 우리나라는 2018년 온실가스 감축 로드맵을 만들어 에너지, 산업, 농수산, LULUCF(Land Use, Land Use Change, Forestry), 폐기물 분야로 나누어 온실가스 감축을 위해 분야별로 감축 방안을 세우고 관리하고 있다. 농축산 분야는 2030년까지 20.7백만톤을 배출한다고 전망을 잡았고 그 중 19.0백만톤까지 감축하고자 한다.
 농축산분야에선 반추동물이 배출하는 메탄의 량이 많다. 대표적인 반추동물인 소의 경우 1마리당 연간 85kg의 메탄을 발생시킨다는 연구결과가 있다. 100평의 축사에서 비육우기준으로 소를 키운다고 할 경우 47~66마리를 키우고, 이 소들이 연간 배출시키는 메탄량을 계산해보면 연간 약 4000~6000kg 정도의 메탄이 발생한다. 즉 축사에서 발생하는 메탄가스의 양이 결코 무시할 수 없는 수준이다. 이에 따라 우리나라에서는 반추동물의 메탄가스를 감축하기 위해 메탄발생 저감사료, 반추동물의 장내 발효메탄발생 저감기술 개발, 생체리듬을 이용한 장내 발효메탄발생 억제 등을 활용하여 0.2백만톤 감축을 목표로 하고 있다. 이에 본 과제에서는 메탄 산화 미생물을 이용하여 소가 배출하는 메탄을 처리하고 에너지화가 가능한지 연구하고자 한다.

표 1. 가축사육시설 단위면적당 적정 가축사육기준

2) 개발과제의 효과

 축사에서 배출되는 메탄가스 저감 시스템 개발을 통해 기대할 수 있는 효과는 다음과 같다.

i) 파리협약에 맞춘 우리나라의 메탄가스 감축에 기여할 수 있다.

ii) 메탄가스를 포집, 제거할 수 있다.

iii) 축사 내 유해가스를 적절하게 조절하여 축사 내의 대기질을 향상시킬 수 있다.

iv) 추가적인 연구를 통해 메탄의 저감이 아닌 메탄올로 변환하는 공정을 수행할 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

1) 축사 내 메탄포집에 최적인 수단 선정

 바이오가스의 정제 방법으로는 흡착법, 흡수법, 막분리법으로 크게 분류할 수 있다. 이 중에서 가장 축사 환경에 알맞은 방법을 선정한다. 기존의 메탄을 포집하는 시설에는 매립지가스, 하수슬러지의 혐기소화, 축산분뇨 및 음식물 등 유기물의 혐기소화 등이 있다. 이들은 모두 메탄의 함유량이 40%~70%사이로 높으며 이에서 이산화탄소와 수증기 등을 분리하여 수율을 높인다. 본 개발품에는 소의 호흡과 축사내 분뇨로 인한 메탄발생만 고려하므로 기존 메탄포집시설보다 농도가 낮다. 따라서 기존의 방법이 목표를 달성하지 못할 경우 새로운 방안도 구상해보려 한다.

2) 최적의 메탄제거 방법 선정

 일반적으로 메탄을 제거하기 위해서 매립지에서는 소각을 이용하고 있다. 그러나 축사에서 발생하는 메탄은 농도가 매우 낮기 때문에 소각을 통하여 처리할 수 없다. 따라서 적은 농도의 메탄을 제거할 수 있는 방안을 찾아 적용시킨다. 메탄을 촉매를 이용하여 산화시키는 방법과 메탄 산화 미생물을 통하여 변환시키는 방법이 주로 알려져 있다. 이 중 최적의 방법을 선정하여 적용시킨다.

3) 경제성 및 경쟁력 확보

 소에서 발생하는 메탄의 양을 줄이는 기존의 방법들은 먹이나 장내미생물을 조절하는 방법으로 소에게 어떠한 악영향을 끼칠지 모른다. 이로 인해 우유나 소의 품질 등에 영향을 끼칠 가능성이 존재한다. 본 발명품은 소와 축산물에 간접적으로 영향을 끼치는 방안을 구상하여 기존의 기술들과 차별성을 갖도록 설계한다.
 이 과제에서 제안하는 메탄가스 제거공정의 설치비용을 조사하여 초기 시설물의 설치비용을 파악하고 설치비용을 최대한 감축하는 방안을 고려한다. 또한 축사 내 메탄가스의 제거량을 조사를 통해 계산하여 온실가스 배출권 거래제를 통해 발생하는 메탄가스의 저감량에 따른 수입을 구해 초기 설치비용과 운전비용의 합보다 발명품의 운영이 높은 이득을 띄도록 경제성을 확보한다.

관련 기술의 현황

State of art

◇ 가축 메탄저감 기술
1) 가축 장내발효 메탄배출 저감제
 메탄 생성균 억제 박테리오파지를 이용하여 소의 위-장 등 소화기관에 살면서 메탄가스를 발생시키는 특정 종류의 미생물을 파괴할 수 있도록 한다.

2) 저메탄 사료
 사료를 주로 이용하는 방법으로 새로운 목초 종류나 새로운 첨가제의 배갈로 반추위의 기능을 조절하는 방법이다. 주로 수용성 탄수화물의 함량이 높은 초목을 사료로 첨가하여 사용하는데, 발효 중 생성되는 대사성 수소가 미생물 단백질로 합성될 수 있도록 하는데 기여하는 것으로 메탄생성미생물이 메탄을 생성하기 위해 이용할 수소가 공급되지 않도록 하는 역할을 한다.

◇ 유해가스 처리기술 현황

◇ 메탄 처리기술 현황

현재까지 개발된 메탄의 처리 기술은 매립지나 음폐수, 하수 처리과정에서 나오는 고농도의 메탄을 정제하는 쪽으로 발전되었다. 대부분의 기술은 메탄을 에너지원으로 활용하기 위하여 이산화탄소나 수증기 등 다른 물질을 제거하는 방법으로 발전해 왔으며 메탄 자체를 제거 시키는 기술을 그리 많지 않다. 활성탄 등 흡착제를 이용하여 메탄을 제거하는 것이 일반적인 메탄자체를 제거하는 방법이며, 매립지에서의 복토 토양을 통해 대기로 배출되는 메탄의 양을 감소시키기 위한 하나의 방안으로 복토층의 미생물을 통한 메탄산화를 이용하려는 시도가 이루어지고 있다.

기술 로드맵

내용

특허조사

내용

특허전략

내용

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

조립도

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

내용

포스터

내용

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

내용

완료 작품의 평가

내용

향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

내용

관련특허

내용

소프트웨어 프로그램 소스

내용