2050 탄소중립 달성 및 지속 가능한 에너지믹스 관점에서의 바이오매스 복합발전 기술 및 산업 동향
2023-07-16
org.kosen.entty.User@3bc0f968
윤정배(yoonjung)
요약문
바이오매스는 순환 가능한 에너지원이고, 탄소 발생량이 기존 화석연료 대비 현저히 낮다는 점에서 장점이 있으나, 아직까지는 기존 에너지원 대비 발전효율이 낮고 원료 수급이 안정적이지 못하다는 단점도 존재한다.
더불어 바이오매스 발전 연료 원료의 대부분이 수입되고 있어 재생에너지 보조금의 해외 유출, 수출국의 삼림 훼손 가능성 그리고 수입 과정(운송)에서의 탄소 배출 등에 대한 우려가 존재한다는 점도 고려해야 한다.
그러나 바이오매스 발전은 온실가스 저감이라는 재생에너지 확대 정책의 목적에 부합하므로 지속적인 발전 및 변화를 거듭할 것으로 전망되며, 바이오매스 발전의 상용화를 위해 요구되는 기술은 다음과 같다.
우선 바이오매스 전처리 공정의 복잡성으로 인해 높은 처리비용이 발생하고 공정 중에 오염물질이 발생하는 등의 문제 때문에, 전처리 공정을 단순화하고 친환경적으로 만드는 기술이 요구된다. 또한 바이오디젤 등 바이오연료의 순도를 높여서 기존 연료를 사용하던 기계장치에 직접 바이오연료를 대체하여 활용할 수 있는 기술이 요구된다.
바이오매스, 열분해, 가스화, 개질, 혐기성발효
Biomass, Pyrolysis, Gasification, Reforming, Anaerobic fermentation
1. 바이오매스 개요[1]
태양에너지는 광합성을 통하여 식물의 형태로 저장되고, 더불어 태양에너지는 식물을 먹이사슬의 출발점으로 하여 이를 포식한 2차, 3차 소비자 및 분해자에게 전달된다. 이 과정에서 발생하는 모든 산물을 바이오매스(Biomass)로 정의할 수 있다.
그러므로 생태계를 구성하는 모든 생물 유기체가 바이오매스에 속하고, 생물 유기체의 배설물 및 사체도 바이오매스 범주에 포함될 수 있다. 단, 화석연료의 경우는 생물체가 오랜 시간 지질 내부에서 변화되었기 때문에 생물 유기체에 그 근원이 있다는 점에서는 바이오매스에 속할 수 있으나 일반적으로는 순환성 및 재생 가능성을 고려하여 제외되고 있다.
바이오에너지(Bioenergy)는 바이오매스를 물리/화학적으로 변환시켜 연료로 변환하거나 직접 연소하여 열 및 전기 등의 에너지로 활용하는 것을 의미한다.
바이오매스는 1970년대 석유 위기 이후, 기존 화석연료의 대체 및 보완 에너지원 중 하나로 주목받기 시작하였고, 온실가스를 이미 흡수한 경험이 있는 순환 가능한 바이오매스를 에너지원으로 사용하는 경우 에너지변환 과정에서 배출된 이산화탄소를 온실가스로 인식하지 않는 장점이 있다.
더불어 다른 신재생에너지들은 열 또는 전기의 형태로 에너지를 발생시켜 저장해야 하나, 바이오매스는 연료 형태로 존재하여 에너지 변환 및 저장이 용이한 장점이 있다.
그러나 바이오매스 발전에 대한 연구가 지속적으로 진행되어왔음에도 불구하고, 효율 면에서 화력발전이나 원자력발전 등 기존의 대규모 발전 방식에 비해 낮은 단점이 있다.
2. 바이오매스 분류[2]
바이오매스는 발생 특성, 용도 그리고 관리 체계 등 기준에 따라 분류체계가 다양하며, 용도에 따라 폐기물계, 미이용계, 자원식물계 그리고 그 이외의 신바이오매스로 분류하고 있다.
폐기물계는 가축배설물, 음식물 쓰레기 그리고 하수슬러지 등 가정 또는 사업장에서 사용가치가 없어 폐기되는 바이오매스를 의미하며, 미이용계는 사용가치는 있으나 수집 및 운반 과정에서 소실되거나 재활용 기술 부족과 낮은 경제성 등의 이유로 이용되지 않는 바이오매스를 의미한다.
또한 자원식물계는 농업과 수산업 등에서 생산되는 작물로 바이오디젤과 바이오에탄올 등의 생산 원료로 활용되며, 신바이오매스는 바이오에너지 산업의 발전에 따라 새롭게 개발된 바이오매스로서 해양 미세조류 등을 의미한다.
더불어 식물 구성 성분에 따라, 식량으로 사용 가능한 당질계와 전분질계 바이오매스(사탕수수, 옥수수 등) 그리고 식량으로 사용 불가능한 목질계 바이오매스(나무, 볏짚, 기타 임산 폐기물 등)로 분류되고 있다.
3. 바이오매스 발전 기술[3, 4]
바이오매스를 에너지로 전환하는 기술은 직접연소법, 열화학적 변환법 그리고 생물화학적 변환법으로 구분할 수 있으며, 그 밖에 식물유 등을 에스테르화반응시켜 바이오디젤을 얻는 기술이나 물리적으로 변환시켜 바이오펠릿 등을 얻는 방법도 있다.
직접연소법은 바이오매스를 공기 중에 태워 열을 발생시키는 기술로 에너지전환 방법 중 가장 오래되고 쉬운 기술이다. 폐목재, 나무껍질, 톱밥 등 목재 폐기물을 주요 원료로 사용하고 농업부산물, 도시폐기물 등도 원료로 사용 가능하지만 화석연료에 비하여 발열량이 낮다. 발열량을 높이기 위한 연소 방법 및 장치 개발이 활발히 이루어지고 있다.
열화학적 변환법은 산소가 부족한 상태에서 가열하여 탄화 및 액화를 유도하는 열분해(Pyrolysis) 기술과 대기상태에서 가열 반응을 시키는 가스화(Gasification) 기술로 크게 분류할 수 있다.
목재의 경우, 열분해는 상압 400~600℃에서 이루어지며 기체인 가연성가스, 액체인 타르 그리고 고체인 탄화물이 생성되고, 이들의 생성 비율을 열분해 온도, 가열 속도 그리고 목재의 크기 등으로 조절할 수 있다. 최근에는 수천 ℃/초의 속도로 가열 및 냉각하여 열분해 생성물을 분해하고 중합반응을 억제하여 70% 이상의 높은 수율로 타르를 생성시키는 급속 열분해 방법이 주목받고 있다.
가스화는 연소에 필요한 산소 대비 적은 양의 산소를 공급하는 부분산화 공정을 통해 합성가스를 생산하는 방식으로, 직접가스화와 간접가스화로 구분된다. 직접가스화는 가스화제로서 공기, 산소 그리고 수증기 등을 이용하여 850℃ 부근에서 가스화 반응시켜 수소, 일산화탄소 그리고 탄화수소 가스 등을 포함하는 합성가스를 생산하는 기술이다. 또한 간접가스화는 메탄올 등의 액체연료를 생산하는 기술로 천연가스를 수증기로 개질(Reforming)하거나 나프타를 부분산화하여 합성가스를 얻는 기술이다.
생물화학적 변환법은 미생물을 사용하여 에너지를 변환하는 방법으로서, 건조 공정을 거치지 않기 때문에 수분이 많이 함유된 바이오매스의 에너지변환에 유리한 방법이며 메탄발효와 알코올발효 등의 방법이 있다.
메탄발효는 미생물의 활동에 의하여 유기물이 지방산, 탄산가스 그리고 알코올로 분해된 후 혐기성 메탄생성계 효모균에 의해 메탄으로 변화하는 기술로, 수분을 많이 함유한 폐기물이나 유기물의 농도가 높은 폐수처리에 널리 이용되고 있으며, 혐기성발효(Anaerobic fermentation)라고도 불린다.
또한 알코올발효는 글루코오스 등의 당으로부터 미생물을 발효시켜 바이오에탄올을 생산하는 기술로, 전분질계나 목질계를 이용하는 경우에는 당화를 거쳐 당질로 변화시키고 효모를 활용하여 알코올로 변환시킨다. 식량자원과의 경쟁관계가 없고 원료 가격도 낮은 목질계 원료는 분자구조가 견고하여 복잡한 발효 공정이 요구되는 단점이 있다.
그 밖에 식물성기름과 메탄올을 적정 온도와 압력에서 반응시키면 바이오디젤과 부산물로 글리세린이 만들어진다. 바이오디젤의 보급 활성화에 대비하여 원료 가격을 절감하고자 폐식용유를 원료로 하는 기술도 개발되고 있다.
더불어 해양 미세조류의 지질류를 정제하여 바이오디젤을 생산하는 신바이오매스 생산기술도 최근에 상용화되었으며, 바이오매스를 활용한 수소 및 바이오가스 생산기술도 개발되고 있다.
4. 산업 및 시장 동향[5~9]
바이오매스 발전 시장의 후방산업은 바이오매스 원료를 생산 및 수입하는 농업, 임업 및 수산업, 바이오매스를 연료로 가공 및 생산할 수 있는 공정설비산업 그리고 화학적 및 생물학적 처리를 수행하는 공정기초산업으로 구성되고, 전방산업은 바이오연료를 사용하는 정유업, 재생에너지로서 활용하는 발전업 그리고 환경친화정책 대응 산업 등으로 구성된다.
Technavio에 따르면 세계 바이오매스 발전 규모는 2020년 129.4GW로 보고되고 있으며, 2020~ 2026년 연평균 4.64% 성장하여 2025년에 162.34GW에 달할 것으로 전망된다.
세계 바이오매스 발전 시장규모는 2019년 441억 달러에서 2021년 469억 8,000만 달러로 연평균3.2% 증가하였으며, 이후 2028년까지 연평균 6.8% 성장하여 743억 4,000만 달러의 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다. 국내 바이오매스 발전 시장규모는 2019년 1조 3,738억 원에서 2021년 1조 4,355억 원으로 연평균 2.2% 증가하였으며, 이후 2028년까지 연평균 6.8% 성장하여, 2조 2,715억 원의 시장을 형성할 것으로 전망된다.
2020년 기준 상위 5개 국가가 세계 바이오매스 발전량의 43~52.5%를 차지한 것으로 보고되고 있으며, 국가별로는 중국 12~14%, 미국 10~12%, 브라질 10~12.5%, 인도 6~7.5% 그리고 독일 5~6.5%인 것으로 조사되고 있다.
5. 업계 동향[5~9]
글로벌 바이오매스 발전 시장은 세분화된 수많은 공급업체가 존재하며, 주요 기업은 Ameresco (미국), Andritz(오스트리아), Babcock & Wilcox Enterprises(미국), Drax(영국) 그리고 Valmet Oyj(핀란드) 등이 있다.
Ameresco(미국)는 2000년 설립되었으며, 재생에너지 솔루션과 발전소 운영 및 유지보수 서비스를 제공하고 있는 바이오매스 종합 발전사이다.
Andritz(오스트리아)는 1852년 설립되었으며, 모든 유형의 바이오매스를 효과적으로 처리, 운반, 저장 그리고 발전 시스템에 공급하는 솔루션을 제공하고 있다.
Babcock & Wilcox Enterprises(미국)는 폐기물에너지 및 바이오매스 발전 산업을 위한 증기 발생 시스템, 환경 및 보조장비 그리고 플랜트 운영 및 유지보수 서비스를 제공하고 있으며, 톱밥, 우드칩 그리고 이탄 등과 같은 다양한 유형의 바이오매스 발전 연료도 제공하고 있다.
Drax(영국)는 1967년 설립된 바이오매스 원료 공급업체로, 주변 지역에서 재활용된 폐목재를 사용하여 가정에 바이오매스를 공급하고 있다.
Valmet Oyj(핀란드)는 1797년 설립되었으며, 바이오매스를 에너지로 전환하기 위한 광범위한 솔루션을 보유하고 있다. 동사의 최신 솔루션 중 하나는 바이오매스 가스화로, 지속 가능한 발전 및 열병합발전을 위해 지역 재생에너지를 유연하게 활용할 수 있는 모듈식 발전소를 제공한다.
국내 바이오매스 발전 시장은 한국남부발전, 한국남동발전, GS EPS, LX인터내셔널 그리고 SGC에너지 등이 참여하고 있다.
한국남부발전은 2001년 설립된 연간 약 30만 톤의 바이오매스를 활용하는 업체이다. 남제주발전본부 설비를 바이오중유 전소발전소(200MW)로 구조를 변경했고, 석탄화력발전소인 하동과 삼척본부 설비를 우드펠릿 혼소(일 1,000톤 규모)하여 운영하고 있다.
한국남동발전은 2001년 설립되었으며, 2017년 강릉에 국내 최대 규모 바이오매스 전소발전소(125MW)를 준공하고 2020년 후속 호기(200MW)를 준공하였고, 바이오매스 발전의 부산물인 재를 이용해 바이오차(Biochar)를 생산하여 농가에 공급하는 등 친환경에너지와 친환경농업을 선도하고 있다.
GS EPS는 1996년 설립된 국내 최초의 민자 발전회사로, 당진발전소 부지에 총 210MW 규모의 바이오매스 발전소를 운영하고 있다.
LX인터내셔날은 1953년 설립되었으며, 2014년 포승 바이오매스 발전소를 인수하였고, 바이오 고형연료(Bio-SRF)과 미이용 우드칩 등 연간 25만 톤 규모의 목질계 바이오매스를 연료로 사용해 시간당 최대 43MWh의 전력을 생산하고 있다.
SGC에너지는 2001년 설립되었으며, 2021년 석탄연료를 사용하던 60MW급 발전소를 100% 국내산 바이오매스발전소로 전환하였고, 운영 중인 250MW급 석탄/바이오매스 혼소 열병합발전소를 2025년까지 100% 바이오매스 발전소로 전환할 계획이다.
6. 주안점
바이오매스는 순환 가능한 에너지원이고, 탄소 발생량이 기존 화석연료 대비 현저히 낮다는 점에서 장점이 있으나, 아직까지는 기존 에너지원 대비 발전효율이 낮고 원료 수급이 안정적이지 못하다는 단점도 존재한다.
더불어 바이오매스 발전 연료 원료의 대부분이 수입되고 있어 재생에너지 보조금의 해외 유출, 수출국의 삼림 훼손 가능성 그리고 수입 과정(운송)에서의 탄소 배출 등에 대한 우려가 존재한다는 점도 고려해야 한다.
그러나 바이오매스 발전은 온실가스 저감이라는 재생에너지 확대 정책의 목적에 부합하므로 지속적인 발전 및 변화를 거듭할 것으로 전망된다. 바이오매스 발전의 상용화를 위해 요구되는 기술은 다음과 같다.
우선 바이오매스 전처리 공정의 복잡성으로 인해 높은 처리비용이 발생하고 공정 중에 오염물질이 발생하는 등의 문제가 있기 때문에, 전처리 공정을 단순화하고 친환경적으로 만드는 기술이 요구된다. 또한 바이오디젤 등 바이오연료의 순도를 높여서 기존 연료를 사용하던 기계장치에 직접 바이오연료를 대체하여 활용할 수 있는 기술이 요구된다.
참고문헌
1. NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS. 바이오에너지의 종류와 생산방법(NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, 2011). Vol. 29, No. 4, 493.
2. 한국IR협의회. 바이오에너지 - 정부 정책 기반 바이오에너지 보급 지속 성장 전망 (한국IR협의회, 2019).
3. KDB미래전략연구소. 국내 바이오매스 발전의 가치와 활용 (KDB미래전략연구소, 2020).
4. 한국신용정보원. 바이오매스 발전 (한국신용정보원, 2022).
5. 한국에너지공단. 국내 바이오매스 발전 규모 (한국에너지공단, 2021).
6. The Brainy Insights. Biomass Power Generation Market Size (The Brainy Insights, 2022).
7. Transparency Market Research. Biomass Power Generation Market (Transparency Market Research, 2022).
8. REN21. Renewables 2021 global status report (REN21, 2021).
9. Technavio. Global biomass Power generation market (Technavio, 2021).
바이오매스는 순환 가능한 에너지원이고, 탄소 발생량이 기존 화석연료 대비 현저히 낮다는 점에서 장점이 있으나, 아직까지는 기존 에너지원 대비 발전효율이 낮고 원료 수급이 안정적이지 못하다는 단점도 존재한다.
더불어 바이오매스 발전 연료 원료의 대부분이 수입되고 있어 재생에너지 보조금의 해외 유출, 수출국의 삼림 훼손 가능성 그리고 수입 과정(운송)에서의 탄소 배출 등에 대한 우려가 존재한다는 점도 고려해야 한다.
그러나 바이오매스 발전은 온실가스 저감이라는 재생에너지 확대 정책의 목적에 부합하므로 지속적인 발전 및 변화를 거듭할 것으로 전망되며, 바이오매스 발전의 상용화를 위해 요구되는 기술은 다음과 같다.
우선 바이오매스 전처리 공정의 복잡성으로 인해 높은 처리비용이 발생하고 공정 중에 오염물질이 발생하는 등의 문제 때문에, 전처리 공정을 단순화하고 친환경적으로 만드는 기술이 요구된다. 또한 바이오디젤 등 바이오연료의 순도를 높여서 기존 연료를 사용하던 기계장치에 직접 바이오연료를 대체하여 활용할 수 있는 기술이 요구된다.
바이오매스, 열분해, 가스화, 개질, 혐기성발효
Biomass, Pyrolysis, Gasification, Reforming, Anaerobic fermentation
1. 바이오매스 개요[1]
태양에너지는 광합성을 통하여 식물의 형태로 저장되고, 더불어 태양에너지는 식물을 먹이사슬의 출발점으로 하여 이를 포식한 2차, 3차 소비자 및 분해자에게 전달된다. 이 과정에서 발생하는 모든 산물을 바이오매스(Biomass)로 정의할 수 있다.
그러므로 생태계를 구성하는 모든 생물 유기체가 바이오매스에 속하고, 생물 유기체의 배설물 및 사체도 바이오매스 범주에 포함될 수 있다. 단, 화석연료의 경우는 생물체가 오랜 시간 지질 내부에서 변화되었기 때문에 생물 유기체에 그 근원이 있다는 점에서는 바이오매스에 속할 수 있으나 일반적으로는 순환성 및 재생 가능성을 고려하여 제외되고 있다.
바이오에너지(Bioenergy)는 바이오매스를 물리/화학적으로 변환시켜 연료로 변환하거나 직접 연소하여 열 및 전기 등의 에너지로 활용하는 것을 의미한다.
바이오매스는 1970년대 석유 위기 이후, 기존 화석연료의 대체 및 보완 에너지원 중 하나로 주목받기 시작하였고, 온실가스를 이미 흡수한 경험이 있는 순환 가능한 바이오매스를 에너지원으로 사용하는 경우 에너지변환 과정에서 배출된 이산화탄소를 온실가스로 인식하지 않는 장점이 있다.
더불어 다른 신재생에너지들은 열 또는 전기의 형태로 에너지를 발생시켜 저장해야 하나, 바이오매스는 연료 형태로 존재하여 에너지 변환 및 저장이 용이한 장점이 있다.
그러나 바이오매스 발전에 대한 연구가 지속적으로 진행되어왔음에도 불구하고, 효율 면에서 화력발전이나 원자력발전 등 기존의 대규모 발전 방식에 비해 낮은 단점이 있다.
2. 바이오매스 분류[2]
바이오매스는 발생 특성, 용도 그리고 관리 체계 등 기준에 따라 분류체계가 다양하며, 용도에 따라 폐기물계, 미이용계, 자원식물계 그리고 그 이외의 신바이오매스로 분류하고 있다.
폐기물계는 가축배설물, 음식물 쓰레기 그리고 하수슬러지 등 가정 또는 사업장에서 사용가치가 없어 폐기되는 바이오매스를 의미하며, 미이용계는 사용가치는 있으나 수집 및 운반 과정에서 소실되거나 재활용 기술 부족과 낮은 경제성 등의 이유로 이용되지 않는 바이오매스를 의미한다.
또한 자원식물계는 농업과 수산업 등에서 생산되는 작물로 바이오디젤과 바이오에탄올 등의 생산 원료로 활용되며, 신바이오매스는 바이오에너지 산업의 발전에 따라 새롭게 개발된 바이오매스로서 해양 미세조류 등을 의미한다.
더불어 식물 구성 성분에 따라, 식량으로 사용 가능한 당질계와 전분질계 바이오매스(사탕수수, 옥수수 등) 그리고 식량으로 사용 불가능한 목질계 바이오매스(나무, 볏짚, 기타 임산 폐기물 등)로 분류되고 있다.
3. 바이오매스 발전 기술[3, 4]
바이오매스를 에너지로 전환하는 기술은 직접연소법, 열화학적 변환법 그리고 생물화학적 변환법으로 구분할 수 있으며, 그 밖에 식물유 등을 에스테르화반응시켜 바이오디젤을 얻는 기술이나 물리적으로 변환시켜 바이오펠릿 등을 얻는 방법도 있다.
직접연소법은 바이오매스를 공기 중에 태워 열을 발생시키는 기술로 에너지전환 방법 중 가장 오래되고 쉬운 기술이다. 폐목재, 나무껍질, 톱밥 등 목재 폐기물을 주요 원료로 사용하고 농업부산물, 도시폐기물 등도 원료로 사용 가능하지만 화석연료에 비하여 발열량이 낮다. 발열량을 높이기 위한 연소 방법 및 장치 개발이 활발히 이루어지고 있다.
열화학적 변환법은 산소가 부족한 상태에서 가열하여 탄화 및 액화를 유도하는 열분해(Pyrolysis) 기술과 대기상태에서 가열 반응을 시키는 가스화(Gasification) 기술로 크게 분류할 수 있다.
목재의 경우, 열분해는 상압 400~600℃에서 이루어지며 기체인 가연성가스, 액체인 타르 그리고 고체인 탄화물이 생성되고, 이들의 생성 비율을 열분해 온도, 가열 속도 그리고 목재의 크기 등으로 조절할 수 있다. 최근에는 수천 ℃/초의 속도로 가열 및 냉각하여 열분해 생성물을 분해하고 중합반응을 억제하여 70% 이상의 높은 수율로 타르를 생성시키는 급속 열분해 방법이 주목받고 있다.
가스화는 연소에 필요한 산소 대비 적은 양의 산소를 공급하는 부분산화 공정을 통해 합성가스를 생산하는 방식으로, 직접가스화와 간접가스화로 구분된다. 직접가스화는 가스화제로서 공기, 산소 그리고 수증기 등을 이용하여 850℃ 부근에서 가스화 반응시켜 수소, 일산화탄소 그리고 탄화수소 가스 등을 포함하는 합성가스를 생산하는 기술이다. 또한 간접가스화는 메탄올 등의 액체연료를 생산하는 기술로 천연가스를 수증기로 개질(Reforming)하거나 나프타를 부분산화하여 합성가스를 얻는 기술이다.
생물화학적 변환법은 미생물을 사용하여 에너지를 변환하는 방법으로서, 건조 공정을 거치지 않기 때문에 수분이 많이 함유된 바이오매스의 에너지변환에 유리한 방법이며 메탄발효와 알코올발효 등의 방법이 있다.
메탄발효는 미생물의 활동에 의하여 유기물이 지방산, 탄산가스 그리고 알코올로 분해된 후 혐기성 메탄생성계 효모균에 의해 메탄으로 변화하는 기술로, 수분을 많이 함유한 폐기물이나 유기물의 농도가 높은 폐수처리에 널리 이용되고 있으며, 혐기성발효(Anaerobic fermentation)라고도 불린다.
또한 알코올발효는 글루코오스 등의 당으로부터 미생물을 발효시켜 바이오에탄올을 생산하는 기술로, 전분질계나 목질계를 이용하는 경우에는 당화를 거쳐 당질로 변화시키고 효모를 활용하여 알코올로 변환시킨다. 식량자원과의 경쟁관계가 없고 원료 가격도 낮은 목질계 원료는 분자구조가 견고하여 복잡한 발효 공정이 요구되는 단점이 있다.
그 밖에 식물성기름과 메탄올을 적정 온도와 압력에서 반응시키면 바이오디젤과 부산물로 글리세린이 만들어진다. 바이오디젤의 보급 활성화에 대비하여 원료 가격을 절감하고자 폐식용유를 원료로 하는 기술도 개발되고 있다.
더불어 해양 미세조류의 지질류를 정제하여 바이오디젤을 생산하는 신바이오매스 생산기술도 최근에 상용화되었으며, 바이오매스를 활용한 수소 및 바이오가스 생산기술도 개발되고 있다.
4. 산업 및 시장 동향[5~9]
바이오매스 발전 시장의 후방산업은 바이오매스 원료를 생산 및 수입하는 농업, 임업 및 수산업, 바이오매스를 연료로 가공 및 생산할 수 있는 공정설비산업 그리고 화학적 및 생물학적 처리를 수행하는 공정기초산업으로 구성되고, 전방산업은 바이오연료를 사용하는 정유업, 재생에너지로서 활용하는 발전업 그리고 환경친화정책 대응 산업 등으로 구성된다.
Technavio에 따르면 세계 바이오매스 발전 규모는 2020년 129.4GW로 보고되고 있으며, 2020~ 2026년 연평균 4.64% 성장하여 2025년에 162.34GW에 달할 것으로 전망된다.
세계 바이오매스 발전 시장규모는 2019년 441억 달러에서 2021년 469억 8,000만 달러로 연평균3.2% 증가하였으며, 이후 2028년까지 연평균 6.8% 성장하여 743억 4,000만 달러의 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다. 국내 바이오매스 발전 시장규모는 2019년 1조 3,738억 원에서 2021년 1조 4,355억 원으로 연평균 2.2% 증가하였으며, 이후 2028년까지 연평균 6.8% 성장하여, 2조 2,715억 원의 시장을 형성할 것으로 전망된다.
2020년 기준 상위 5개 국가가 세계 바이오매스 발전량의 43~52.5%를 차지한 것으로 보고되고 있으며, 국가별로는 중국 12~14%, 미국 10~12%, 브라질 10~12.5%, 인도 6~7.5% 그리고 독일 5~6.5%인 것으로 조사되고 있다.
5. 업계 동향[5~9]
글로벌 바이오매스 발전 시장은 세분화된 수많은 공급업체가 존재하며, 주요 기업은 Ameresco (미국), Andritz(오스트리아), Babcock & Wilcox Enterprises(미국), Drax(영국) 그리고 Valmet Oyj(핀란드) 등이 있다.
Ameresco(미국)는 2000년 설립되었으며, 재생에너지 솔루션과 발전소 운영 및 유지보수 서비스를 제공하고 있는 바이오매스 종합 발전사이다.
Andritz(오스트리아)는 1852년 설립되었으며, 모든 유형의 바이오매스를 효과적으로 처리, 운반, 저장 그리고 발전 시스템에 공급하는 솔루션을 제공하고 있다.
Babcock & Wilcox Enterprises(미국)는 폐기물에너지 및 바이오매스 발전 산업을 위한 증기 발생 시스템, 환경 및 보조장비 그리고 플랜트 운영 및 유지보수 서비스를 제공하고 있으며, 톱밥, 우드칩 그리고 이탄 등과 같은 다양한 유형의 바이오매스 발전 연료도 제공하고 있다.
Drax(영국)는 1967년 설립된 바이오매스 원료 공급업체로, 주변 지역에서 재활용된 폐목재를 사용하여 가정에 바이오매스를 공급하고 있다.
Valmet Oyj(핀란드)는 1797년 설립되었으며, 바이오매스를 에너지로 전환하기 위한 광범위한 솔루션을 보유하고 있다. 동사의 최신 솔루션 중 하나는 바이오매스 가스화로, 지속 가능한 발전 및 열병합발전을 위해 지역 재생에너지를 유연하게 활용할 수 있는 모듈식 발전소를 제공한다.
국내 바이오매스 발전 시장은 한국남부발전, 한국남동발전, GS EPS, LX인터내셔널 그리고 SGC에너지 등이 참여하고 있다.
한국남부발전은 2001년 설립된 연간 약 30만 톤의 바이오매스를 활용하는 업체이다. 남제주발전본부 설비를 바이오중유 전소발전소(200MW)로 구조를 변경했고, 석탄화력발전소인 하동과 삼척본부 설비를 우드펠릿 혼소(일 1,000톤 규모)하여 운영하고 있다.
한국남동발전은 2001년 설립되었으며, 2017년 강릉에 국내 최대 규모 바이오매스 전소발전소(125MW)를 준공하고 2020년 후속 호기(200MW)를 준공하였고, 바이오매스 발전의 부산물인 재를 이용해 바이오차(Biochar)를 생산하여 농가에 공급하는 등 친환경에너지와 친환경농업을 선도하고 있다.
GS EPS는 1996년 설립된 국내 최초의 민자 발전회사로, 당진발전소 부지에 총 210MW 규모의 바이오매스 발전소를 운영하고 있다.
LX인터내셔날은 1953년 설립되었으며, 2014년 포승 바이오매스 발전소를 인수하였고, 바이오 고형연료(Bio-SRF)과 미이용 우드칩 등 연간 25만 톤 규모의 목질계 바이오매스를 연료로 사용해 시간당 최대 43MWh의 전력을 생산하고 있다.
SGC에너지는 2001년 설립되었으며, 2021년 석탄연료를 사용하던 60MW급 발전소를 100% 국내산 바이오매스발전소로 전환하였고, 운영 중인 250MW급 석탄/바이오매스 혼소 열병합발전소를 2025년까지 100% 바이오매스 발전소로 전환할 계획이다.
6. 주안점
바이오매스는 순환 가능한 에너지원이고, 탄소 발생량이 기존 화석연료 대비 현저히 낮다는 점에서 장점이 있으나, 아직까지는 기존 에너지원 대비 발전효율이 낮고 원료 수급이 안정적이지 못하다는 단점도 존재한다.
더불어 바이오매스 발전 연료 원료의 대부분이 수입되고 있어 재생에너지 보조금의 해외 유출, 수출국의 삼림 훼손 가능성 그리고 수입 과정(운송)에서의 탄소 배출 등에 대한 우려가 존재한다는 점도 고려해야 한다.
그러나 바이오매스 발전은 온실가스 저감이라는 재생에너지 확대 정책의 목적에 부합하므로 지속적인 발전 및 변화를 거듭할 것으로 전망된다. 바이오매스 발전의 상용화를 위해 요구되는 기술은 다음과 같다.
우선 바이오매스 전처리 공정의 복잡성으로 인해 높은 처리비용이 발생하고 공정 중에 오염물질이 발생하는 등의 문제가 있기 때문에, 전처리 공정을 단순화하고 친환경적으로 만드는 기술이 요구된다. 또한 바이오디젤 등 바이오연료의 순도를 높여서 기존 연료를 사용하던 기계장치에 직접 바이오연료를 대체하여 활용할 수 있는 기술이 요구된다.
참고문헌
1. NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS. 바이오에너지의 종류와 생산방법(NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, 2011). Vol. 29, No. 4, 493.
2. 한국IR협의회. 바이오에너지 - 정부 정책 기반 바이오에너지 보급 지속 성장 전망 (한국IR협의회, 2019).
3. KDB미래전략연구소. 국내 바이오매스 발전의 가치와 활용 (KDB미래전략연구소, 2020).
4. 한국신용정보원. 바이오매스 발전 (한국신용정보원, 2022).
5. 한국에너지공단. 국내 바이오매스 발전 규모 (한국에너지공단, 2021).
6. The Brainy Insights. Biomass Power Generation Market Size (The Brainy Insights, 2022).
7. Transparency Market Research. Biomass Power Generation Market (Transparency Market Research, 2022).
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9. Technavio. Global biomass Power generation market (Technavio, 2021).