2.1.1 글로벌 RE100

RE100 캠페인은 CDP(Carbon Disclosure Project)와 다국적 비영리기구인 ‘더 클라이밋 그룹(The Climate Group)’이 연합하여 출범하면서 2014년 시작되었다. 비록 민간 차원의 캠페인으로 정책적 사안은 아니지만, 대다수 글로벌 기업들이 참여하였고 이에 영향력은 커지게 되었다. 2022년 11월 기준 전 세계 380개 이상 기업들이 참여, 국내에서는 27개 기업이 참여하였다. 그림 1, 2와 같이 참여기업 수, 전력량, 재생에너지 사용량이 증가추세를 보임을 확인할 수 있으며, 2015년 대비 대륙별 참여기업 수의 격차가 점점 좁혀지는 만큼 전 세계적인 활동임을 알 수 있다. 대표적인 글로벌 기업으로는 애플, 구글, 페이스북 등이 있으며 국내에는 SKC, 현대자동차 등 다수 동참하였다. 해외 글로벌 기업들은 2015년 전후로 RE100을 달성하였으며 나아가 RE100 동참을 최상위 공급자(Tier 1)에게 요구하고 미달성 기업과의 공급계약이 무산되기도 한다⁽²⁾⁽³⁾.

그림 1 RE100 가입 기업들의 에너지 연간 사용 추세

Fig. 1 RE100 members renewable energy usage annual trend

그림 2 대륙별 가입 기업 수

Fig. 2 Number of member by continent

2.1.2 K-RE100

한편, RE100 캠페인과 달리 에너지 다소비 기업 외에도 누구나 참여할 수 있는 K-RE100은 140개 국내기업과 공공기관이 가입하였다. 이러한 행보에 적극적으로 가담하기 위해 국내에서도 다양하게 논의되고 있다. 다만, 삼성전자 계열사에서 글로벌 RE100 참여 의사를 밝히며 신재생에너지 발전량 및 전력수요의 충당에 문제가 될 수 있다는 지적이 있다. 실제로 국내 신재생에너지 발전량은 43.1 TWh, 2022년 말까지 55.5 TWh가 예상된다. 국내 27개 RE100 가입 기업의 전력 사용량은 약 54 TWh로 1.5 TWh 남짓 여유가 생긴다. 그러나 실제 RE100 및 K-RE100으로 인정받을 수 있는 재생에너지의 경우 84 \% 수준인 34.6 TWh에 그치는 것으로 파악되어 산업계에서 우려의 목소리가 나오고 있다.

2.1.3 가축분뇨 재자원화

축산업의 규모가 대규모화, 기업화 형태로 커지고 있으며 농가당 가축의 사육두수 역시 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 사육두수가 증가함과 더불어 가축분뇨 발생량도 증가함을 그림 3과 같이 알 수 있다⁽⁴⁾.

그림 3 연도별 가축분뇨 발생추이

Fig. 3 Trends in Livestock Manure Production by Year

가축분뇨의 발생량이 증가하면서 이를 자원화하기 위한 연구도 활발히 진행되고 있는 편이다. 가축분뇨의 퇴·액비화가 대표적인 활용 사례이며 바이오액비를 골프장에 살포하는 형태를 갖추기도 하였다. 에너지화에 따른 사례도 일부 확인할 수 있다. 바이오가스화를 통해 연료와 혼소발전을 하거나 고형연료화를 통한 펠릿 성형으로 발전에 활용하기도 한다. 그러나 이러한 연구 및 실사례는 일부일 뿐 공공에서의 가축분뇨를 에너지화하는 사례는 찾아보기 힘들다.

해외에서는 유럽 독일의 한 마을이 에너지 자립마을을 만들어 바이오에너지로 마을에서 필요한 에너지의 50 \% 이상을 마련하였다. 축사에서 배출되는 1만 ton/yr를 목초, 옥수수 등 절반씩 섞어 바이오가스를 만들어 가스관을 통해 마을 안 열병합발전소로 보내면 1년 동안 약 800가구가 쓸 수 있는 열에너지와 1,880가구가 사용할 수 있는 전기가 생산된다. 이렇게 지역난방 및 공공 등에 열을 공급하고 여유분을 외부에 판매함으로써 약 14억/yr 가량의 수익을 발생, 덤으로 이산화탄소(CO2) 발생량 2,000 ton/yr를 줄인다.

2.2.1 에너지 자원화 인프라

현재 실증 중인 고온환원 에너지 자원화 시스템의 개념도는 그림 4와 같다. 1,300 ℃의 폐합성수지 환원로를 통한 에너지 자원화 시스템으로써 열 충격 및 1,700 ℃의 고열에도 견딜 수 있는 내화재 설계를 기반으로 하였다. 또한, 고온환원 처리 에너지 자원화 시스템의 방폭형 자동 Syngas Intensifier 설계를 통해 실시간 Syngas의 유량제어 및 반응기 안쪽에 Gas Analyzing System을 구축하였다.

그림 4 양돈시설 적용을 위한 소형화 가축분뇨 에너지 자원화 시스템 개념도

Fig. 4 Structure diagram of high-temperature reduction energy resource system

열분해가스 순환구조를 갖는 가스화장치를 통해 산화제를 가스화 융용로에서 발생하는 고온의 합성가스와 열교환하여 예열하고 가스화 융용로에 투입되는 보조연료의 양을 줄이는 장치를 갖추고 있다. 이는 농업과 축산업의 폐기물이 환원되면서 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스가 형성되며 오염 물질의 유발 없이도 농업과 축산업의 폐기물을 자원화시킬 수 있다. 또한, 생산공정을 보다 효율적으로 개선하고 합성가스 생산을 용이하게 한다. 위와 같은 인프라를 활용하여 폐기물 및 가축분뇨를 투입하는 소형 가축분뇨 에너지 자원화 시스템 인프라를 갖추고 있다. 선행연구에 따라 현재 1 ton/day 실증을 완료하였고, 추후 5 ton/day 용량의 가축분뇨를 처리할 수 있는 고온환원 에너지 자원화 시스템 구축을 진행하고 있다. 다음은 반응로에서의 과정을 그림 5를 통해 확인할 수 있다.

그림 5 신가스 생성 및 재활용 시스템 가동 원리

Fig. 5 Syngas generation and recycling system operate

산화공간에서 Syngas를 모두 태울 수 있는 산소량보다 적은 양의 산소를 공급하여 공급된 산소를 산화공간 내에서 모두 소비(1,300 ℃가 될 때까지 가열)한다. 이때 환원공간으로 공급되는 기체는 CO, H2, H2O, CO2이며 산소는 없다. 돈분을 N2 Flushing 하면서 (n(-CH2-)+N2) 압축하여 환원공간으로 밀어 넣으면 질소는 1,300 ℃ 환원환경에서 질소분자(N2)가 그대로 나가게 되고 미량의 황(S)이 존재한다면 H2S로 만들어진다. Syngas가 생성되면 이를 증압 및 저장하고 이 가스를 연속적으로 버너에 공급하여 환원공간의 온도를 고온으로 유지하면서 연속적으로 깨끗한 Syngas를 생산하게 된다. 산화로는 가스를 사용하므로 작게 만들 수 있어 연속적으로 Syngas를 생산하는 작은 사이즈의 Gasification System을 최초로 구현하게 된 것이다.

2.2.2 RE100 Test-bed

그림 6은 본 연구에 활용된 Test-Bed이다. 5,000두 이상 규모의 제주시 한림읍 금악리 610-19에 위치한 먼동농장이며 사육시설과 분뇨처리시설이 갖추어져 있다.

그림 6 실증 테스트베드 전경

Fig. 6 Demonstration farm breeding facility

해당 Test-bed에는 앞서 설명한 가축분뇨 에너지 자원화 인프라와 그림 7과 같은 온실가스 및 에너지 환경 통합관리 모니터링 시스템 구축으로 가축분뇨의 친환경 처리와 RE100 실현을 위한 실증을 진행할 수 있는 인프라가 갖추어져 있다.

그림 7 모니터링 시스템의 구성도

Fig. 7 Structure of Monitoring System

본 Test-bed는 현재 퇴·액비 처리 시스템을 통해 액비를 재처리하여 해당 농장에서 재사용하고 있고 퇴비는 건조 후 공공자원화 시설에 비용을 지불하여 처리하고 있다. 퇴비 처리 절차는 표 1과 같이 축사로부터 발생한 가축분뇨 원수를 원수 저장조로 이송 후 원수 저장조에 모인 가축분뇨를 원심분리기(데칸타)를 활용하여 돈분을 분리한다.

분리된 돈분은 그림 8과 같이 발효조 퇴적장으로 바로 이송된다. 이렇게 분리된 돈분은 고르게 살포한 후 교반장치를 이용하여 교반 및 혼합함으로써 돈분을 일정 기간 발효·건조처리 과정을 통해 가축분뇨 공공처리시설로 연계하여 처리하게 된다.

그림 8 퇴비장의 현장 사진

Fig. 8 Manure facility of test-bed

본 실증은 해당 농장의 발생 퇴비를 이용하여 가축분뇨 에너지 자원화 시스템을 거쳐 재생에너지를 생산하고 농장에 재사용함으로써 RE100을 실증한다.

2.2.3 가축분뇨 에너지화 RE100 실증 연구

본 연구에서 실증하려는 가축분뇨 에너지 자원화 시스템의 돈분 가스화 대표 화학식은 (1)과 같다.

에너지 자원화 인프라를 통해 발생한 H2를 사용하여 일반적인 PEMFC 수소연료전지 100 kW를 가동한다. 본 설비는 월간 최대 발전량이 72,000 kWh이며 68 Ncm$^{3}$/h의 가스 소비량을 가진다. 이를 바탕으로 돈분 1, 2, 5톤 투입에 따른 수소연료전지 연간 최대 발전량은 표 2와 같다⁽⁵⁾.

실증 장소 먼동농장의 2022년 전력 사용량은 조사 결과 1,056 MWh이다. 실증 농장의 연간 전력사용량과 본 연구의 가축분뇨 에너지 자원화 시스템 재생에너지 발전량을 비교한 RE100 이행률은 표 3과 같다.

돈분 2ton 투입 시 실증 농장은 RE123으로 RE100 달성이 가능하다. 설비에서 발생 되는 신가스에 존재하는 수소는 글로벌 RE100 기술지침에 의해 그린수소로 인정되어 RE100 이행이 가능한 것이다. 반면에 국내 K-RE100의 경우 현재 농업용 전력은 RE100 대상이 아니기 때문에 RE100 달성이 불가능하다. 본 실증 및 연구과제를 통해서 농업용 전력이 K-RE100 대상에 포함될 수 있도록 한국에너지공단과 협의하였다. 나아가 부처 협의를 통해 K-RE100 고시 변경을 추진할 예정이다.