꺼억뿡

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

◇ 축사내 공기정화장치(출원번호 10-1999-0049075)
축사 및 유기질 비료의 냄새를 제거하고 야채 등의 신선도 유지를 위해 오존을 공급하는 장치로 메탄과 오존을 반응시켜 물과 이산화탄소로 전환시키는 등의 축사 내 공기를 정화하는 장치이다. 
 이 특허의 핵심사항은 오존을 통하여 악취물질 및 오염물질을 정화하고 살균하는 것이 핵심 청구사항이다.

◇ 무창축사 환기장치(출원번호 10-2014-0050240)
창문이 없는 폐쇄형 축사에서 축사 내·외부를 환기시키는 시스템으로 축사 내부의 유해균 및 오염물질을 측정하는 공기센서 유닛과 축사 내부에 광을 발생시키는 조명부재, 광을 흡수하고 플라즈몬을 이용한 광촉매반응을 통해 축사 내 공기를 정화하는 공기정화 유닛, 오염물질의 양을 측정하는 센서를 통해 광의 밝기를 조절하고 측정된 데이터를 유무선통신망을 통해 등록된 관리자 단말기에 전달하는 제어유닛으로 구성되어 있다. 
무창축사 환기장치의 핵심은 창문이 없는 축사와, 무창축사 내외부로 공기를 유입하거나 유출시키는 환기부, 조명을 통한 공기 살균 및 정화부로 구성되어 있다. 무창축사 환기장치는 기존의 스마트축사와 유사한 부분을 가지고 있지만, 정화방식이 빛을 통한 살균(살균램프)를 가지고 있는 것이 큰 특징이다.

◇ 통합축사정화시스템(출원번호 10-2005-0067718)
축사내의 오염공기는 오염성분의 비중에 따라 무거운 것은 아래로, 가벼운 것은 위로 이동하므로 이를 분리 포집하여 자연의 힘으로 환기를 시키는 순환적 공조시스템이다. 축사에서 발생하는 오수 및 오염된 공기를 폭기조에서 폭기하여 바이오필터를 통해서 정화를 하는 시스템이다. 
통합축사정화시스템의 핵심은 축사간의 공간에 식물재배 추이대를 구비하고, 실외로 연결된 공기 흡입구 및 공기 공급관을 구비한 정화처리실을 가지고 있는 것과 이러한 공급관에 연결되고 출구단을 구비한 공기 정류실, 공기공급닥트, 식물재배 추이대를 포함한다는 것이다. 또한 배출된 공기가 공급되고 정화조로부터 폐수가 유입되는 폭기조를 포함하는 것이 통합축사정화시스템의 핵심이다.

◇ 축사용 자동환기시스템(출원번호 10-2007-0002845)
축사용 자동환기시스템에 관한 것으로서 축사 내부에 설치되어 공기의 오염정도를 검지하는 가스센서와 축사 내부에 온도를 검지하는 온도센서, 공기습도를 검지하는 습도센서, 환기부, 축사 내부로 유입되는 공기를 가열하는 공기가열부, 축사 내부의 오염공기를 배출하기 위한 배출부로 이루어져 있다. 대형화, 단지화 된 축사에서 발생하는 여러 대기오염물질 및 악취발생물질을 보다 효율적으로 관리하는 자동환기시스템이다. 자동적으로 축사 내부의 환경을 검지하고 조절할 수 있는 시스템이며 추가적으로 환기하는 과정에서 공기 내에 포함된 세균을 살균하기 위해 공기가열부를 장착하였다. 
축사용 자동환기시스템은 우리가 일반적으로 알고 있는 스마트 축사와 유사한 부분이 있다. 자동으로 공기의 습도, 온도, 오염정도를 측정하여 공기순환을 시켜 가축들이 최적의 환경에서 생육할 수 있도록 하는 것이다. 또한 추가적으로 공기가열부에서 세균을 살균하는 것이 특징이다.

특허전략

◇ 축사 내 메탄 제거
◇ 축사 내 악취 물질 제거
◇ 경쟁력 확보

 기존의 축사 환경의 조성은 소의 개별적인 관리와 분뇨의 처리에 관련하여 발명되었다. 그와 관련한 기술을 제외하면 현재 등록된 특허는 없으며, 특히 사육장 내 공기의 정화와 관련된 특허는 매우 적고 그 구조 또한 불편하다.

메탄을 주 목표로 하여 제거하고 그 외 암모니아와 유해가스도 제어할 수 있는 간편한 정화기술을 축사에 적용시켜 온실가스의 매출을 줄이고 축사 내 대기질 개선에 도움을 주고자 한다.

축사 내 대기질 개선이 소의 성장에 어떤 영향을 끼치는지에 대한 자세한 연구가 없어 경제적인 효과를 계산하는 것은 힘들지만 온실가스인 메탄의 발생량을 줄여 전세계적인 환경 목표인 온실가스 감량에 도움이 된다는 것을 주장하여 정부나 기타 시설의 지원을 받을 수 있을 것이다. 또한 악취발생 물질을 제거해 축사 근처 환경을 개선하고 기존의 축사 또한 적용이 될 수 있게 해 농가의 인력 감소에 기여한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 메탄이 공기보다 가벼운 성질을 이용하여 축사 내에서 보다 효율적으로 메탄을 포집한다.
◇ 축사 내 메탄뿐만 아니라 암모니아, 황화수소 등 다양한 오염, 악취 물질을 제거할 수 있다.
◇ 간단한 구조물이나 설비를 사용하여 기존의 축사 활용을 방해하지 않는다.
◇ 운영에 필요한 조건이 상대적으로 간단하여 조작이 쉽다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 주요 온실가스 중 하나인 메탄의 배출량을 줄여 지구온난화의 완화에 기여한다.
◇ 악취를 일으키는 가스들도 제거해 축사 근처의 환경을 개선한다.
◇ 기존의 스마트 기술들을 적용해 축산업에 필요한 인력을 감소시킬 수 있다.

구성원 및 추진체계

1) 구성원 및 역할 권규주 / 조장 / 시스템 제작, 축사 내 메탄 농도 조사, ppt 발표 박준성 / 조원 / 시스템 제작, 메탄 포집 방법 조사, 데이터 분석 오창욱 / 조원 / 시스템 제작, 메탄 제거 시스템 조사, ppt 제작 하재훈 / 조원 / 시스템 제작, 메탄 제거 미생물 조사, 경쟁력 분석

2) 추진체계 파일:꺼억뿡추친체계.jpg

설계

설계사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

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

소프트웨어 프로그램 소스

내용

꺼억뿡

목차