연구보고서
보고서명
폐자원 및 바이오에너지의 용도별 적정 배분방안 (I) - 바이오가스를 중심으로
원문다운로드 자료활용안내
국가정책연구포털(NKIS)이용에 항상 감사드립니다.
이용하시는 자료는 연구기관의 소중한 연구성과물로 저작권 및 이용조건 등을 준수하여 활용해 주시기 바랍니다.
자료 다운로드를 위해 하단의 자료이용 동의서 및 사용목적 등에 응답 부탁드립니다.
답변하신 내용은 NKIS 정보 활용 현황 및 서비스 분석을 위한 기초자료로 활용됩니다.
감사합니다.
자료 이용 시, 국가정책연구포털(NKIS)에서 제공하는 저작물을 이용하였음을 명시할 것을 동의합니다.
무단으로 연구성과물을 사용하였거나 NKIS에서 제시한 이용조건을 이행하지 않았을 경우,
저작권법에 따라 관련기관에 처벌을 받을 수 있으며, 즉시 저작물의 이용허락을 중지할 수 있습니다.
원문다운로드 자료활용안내
국가정책연구포털(NKIS)이용에 항상 감사드립니다.
이용하시는 자료는 연구기관의 소중한 연구성과물로 저작권 및 이용조건 등을 준수하여 활용해 주시기 바랍니다.
자료 다운로드를 위해 하단의 자료이용 동의서 및 사용목적 등에 응답 부탁드립니다.
답변하신 내용은 NKIS 정보 활용 현황 및 서비스 분석을 위한 기초자료로 활용됩니다.
감사합니다.
자료 이용 시, 국가정책연구포털(NKIS)에서 제공하는 저작물을 이용하였음을 명시할 것을 동의합니다.
무단으로 연구성과물을 사용하였거나 NKIS에서 제시한 이용조건을 이행하지 않았을 경우,
저작권법에 따라 관련기관에 처벌을 받을 수 있으며, 즉시 저작물의 이용허락을 중지할 수 있습니다.
국문초록
- 세계 각국에서는 지구온난화와 관련하여 온실가스 배출 감축을 위해 재생에너지 개발보급에 박차를 가하고 있다. 특히 전체 온실가스 배출량의 20% 가량을 차지하는 수송 부문에서는 탄소 중립의 폐자원 및 바이오매스를 원료로 한 재생에너지가 많은 주목을 받고 있다. 수송 부문 재생에너지는 온실가스 저감, 화석연료 대체, 에너지 수급 다변화를 통한 에너지 안보 강화, 신재생산업 육성 등의 취지로 전 세계적으로 다양한 보급정책이 추진되고 있다. 국내에서는 관련 정책 중 수송용 연료의 일정분을 바이오연료로 공급하도록 의무화하는 ‘신재생에너지연료 혼합의무화제도(RFS, Renewable Fuel Standard)’를 2015년 7월부터 본격적으로 시행할 예정이다.
대표적인 바이오연료인 바이오디젤은 현재 고시로 경유의 2%를 대체하도록 하고 있으며 향후 RFS제도가 본격 도입될 경우 2.5~3.0%의 의무혼합률(BD2.5~3)을 시작으로 점차 확대 보급될 예정에 있다. 바이오에탄올의 경우에는 실증평가가 완료되었으며 그간의 시범보급사업 및 차량영향성 평가를 반영하여 2017년부터 3%의 의무혼합 도입이 검토되고 있다. 바이오가스(메탄)는 국내 인프라 구축 상황에 따라 2017년 도입을 검토할 예정이며, 시범사업을 거쳐 2020년 이후 본격 시행될 것으로 전망되고 있다.
특히, 바이오가스의 경우에는 기존 유기성 폐자원을 활용할 수 있어 국내 원료 수급이 보다 용이하고 정부에서 추진 중인 폐자원에너지화 관련 시설의 확충으로 향후 생산량 증가가 예상된다. 또한 바이오가스는 고질화(Upgrading)를 통해 천연가스와 유사한 발열량을 가진 고순도의 바이오메탄으로 전환될 수 있어 향후 가스에 대해서도 의무혼합이 시행된다면 천연가스 대체 수단으로서 그 활용성이 더욱 커질 것으로 전망된다. 하지만 바이오디젤/에탄올과 비교할 때 의무혼합률 산정에 필요한 잠재량 산정 등 국내 여건에 대한 검토가 부재하며 수송용 바이오메탄 기술 개발 이외의 연구는 여전히 미흡한 실정이다.
한편, 발전 부문에서는 ‘신재생에너지 공급의무화제도(RPS, Renewable Portfolio Standard)’가 이미 시행되고 있어 상당량의 바이오가스가 이미 발전용으로 활용되고 있으므로 향후 수송용 연료로 사용 시 국내 바이오가스의 제한된 생산량 내에서 활용 용도(발전과 수송) 간 상충 우려가 있다. 이에 국내 유기성 폐자원을 활용한 바이오가스 및 매립가스 가용에너지량을 산정하여 수송 및 발전 부문에서의 보급 기여도를 각각 살펴보고 적정 활용을 위한 판단 기준을 제시하였다.
바이오가스(혐기소화) 가용에너지량 분석을 위한 대상 원료로 국내에서 수급 가능한 유기성 폐자원을 대상으로 하였으며, 기존의 대표적인 폐자원인 음식물류 폐기물, 음폐수, 하수 농축슬러지, 가축분뇨와 함께 향후 유망한 원료로 거론되고 있는 산업계 유기성 폐자원인 동·식물성 잔재물을 추가 검토하였다. 매립가스의 경우 일반적으로 매립량이 백만 톤 이상 되어야 매립가스 자원화사업이 가능한 것으로 분석되고 있어 국내 사용 중 매립지와 사용 종료 매립지 중 매립가스 자원화시설이 설치되었거나 2020년까지 매립량이 백만 톤 이상 되는 매립지를 대상으로 가용에너지량을 예측하였다.
우선 각 폐자원의 특성에 적합한 발생량 예측 모형을 선택하여 2035년까지 발생량을 전망하였으며, 이론적, 지리적, 기술적, 시장 잠재량 단계별로 접근하여 경제성, 입지, 보급 여건 등을 종합적으로 고려하여 실질적으로 공급 가능한 양(가용에너지량)을 예측하였다. 이론적 잠재량(Theoretical Potential)은 해당 폐기물이 모두 수거된다는 전제하에 확보할 수 있는 바이오가스 에너지 총량에 해당하며, 지리적 잠재량(Geographical Potential)은 폐기물 수거율이나 폐자원에너지화 시설이 입지할 수 있는 지리적인 여건을 고려한 잠재량으로 물량 확보 측면이 반영된 것으로 볼 수 있다. 또한 기술적 잠재량(Technical Potential)은 최신의 기술 수준을 반영하여 에너지 효율 계수 및 가동률 등을 고려한 잠재량이며, 마지막으로 시장 잠재량(Market Potential = 가용에너지량)은 실질적으로 보급 가능한 잠재량으로 이미 재활용 등의 타 용도로 사용되고 있는 물량을 제외하고 향후 정부의 에너지화정책이나 기술 개발에 따른 비용 단가 변화 등을 기술적 잠재량에 반영하여 산정한 양으로 정의할 수 있다.
바이오가스를 수송이나 발전으로 활용함에 있어 에너지 효율성, 부가가치 등은 바이오가스 생산지 혹은 주변 입지 여건에 따라 상당히 좌우되므로 활용 용도별 유리한 입지 여건을 가용에너지량 예측 시 반영하였다. 특히, 고질화 적용 실적이 많은 해외에서는 인근에 천연가스 배관망이나 CNG 충전소가 존재하거나 처리 규모가 큰 중앙 집중형 바이오가스 플랜트 설치가 가능한 지역, 즉 도시 지역이 고질화가 유리하다고 할 수 있다. 최근 상용화에 적용되는 고질화공법들은 메탄가스 회수율이 매우 높아 에너지 손실이 5% 미만이고, 분리된 기체의 이산화탄소 함량도 95% 이상 되는 경우가 많아 적절한 후속 공정 설치 시 이산화탄소를 용이하게 포집/저장함으로써 추가적인 탄소 저감이 가능하다.
한편, 인근에 열 수요처가 존재하거나 천연가스 배관망이 없는 시골 및 도서 지역과 개별 농장의 지역 분산형시설이 설치된 곳에서는 고질화시설보다는 열병합발전이 더 선호되고 있다. 열병합발전기는 실제 가동 시 에너지 손실이 15% 이상 되는 경우가 많고, 발생한 열에너지는 회수되더라도 인근에 수요처가 없으면 자체 사용량 외에는 버릴 수 밖에 없으며 여름철에는 더 많은 열량이 남게 되므로 인근 열수요처의 확보가 중요하다고 할 수 있다.
이에, RFS제도 도입을 앞두고 고질화공법을 통하여 바이오가스가 수송용 천연가스를 얼마나 대체 가능한지 살펴보기 위해 도시 지역(시 혹은 구)에서 발생되는 유기성 폐자원의 양으로 국한하여 바이오가스 가용에너지량을 산정한 결과, 수송용으로 활용 가능한 바이오가스의 시장 잠재량(가용에너지량)은 2012년 291천TOE이며, 2035년 453천TOE로 증가할 것으로 전망된다. 이 중 하수 농축슬러지가 차지하는 비율이 절반 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 그 다음으로는 음폐수, 음식물류 폐기물, 가축분뇨, 동·식물성 잔재물의 순으로 높은 비중을 차지할 것으로 분석된다. 매립가스의 경우에는 초기 비중은 비교적 높았으나 향후에는 급격히 감소하여 2035년에는 1.5백만m3/년으로 전망되었다. 그 결과, 고질화가 유리한 지역에서의 바이오가스(매립가스 포함) 총 가용에너지량은 약 307백만m3/년(2012년 기준)에 해당하여 수송용 도시가스 공급량의 25% 정도를 대체할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한 2018년 기준으로 수송용으로 활용 가능한 바이오가스는 수송용 도시가스 공급량의 22% 정도 기여할 것으로 전망된다.
앞으로 신재생에너지연료 혼합의무화제도(RFS)에서 2017년부터 수송용 도시가스의 2%를 바이오가스로 대체한다고 가정할 경우 이는 29백만m3/년에 해당하며, 본 연구에서 산정한 가용에너지량의 약 9%에 해당하는 수치이다. 하지만 RFS 도입 시 매년 의무혼합률이 증가될 수 있으며, 향후 수송용 도시가스 공급량의 증가율이 본 연구에서 산정한 바이오가스(매립가스 포함)의 시장 잠재량의 증가율 대비 더 높아 그 기여도는 점차 낮아질 것으로 예측된다. 따라서 지속적으로 바이오가스 생산량을 증대시킬 수 있는 방안이 요구된다.
한편, 열병합발전이 더 유리한 시골 지역에서의 바이오가스 및 발전용으로 공급 가능한 매립가스 가용에너지량을 합산한 결과, 시장 잠재량(가용에너지량)은 2012년 129GWh로 산정되었으며 2035년에는 314GWh로 현재 대비 약 1.5배 증가할 것으로 전망된다.
또한 2027년 기준으로 가용에너지량은 바이오가스 발전 보급 목표치 대비 1.2배에 해당하는 것으로 분석된다. 정부의 제6차 전력수급기본계획에 따르면, 바이오에너지 부문의 발전 목표량은 211GWh(2013년 기준)로 설정되어 있다. 여기에서 바이오에너지는 바이오가스 이외의 우드칩, 임산연료 등도 포함하므로 직접적인 비교가 어렵기 때문에 신재생에너지 보급 통계 자료의 바이오에너지 중 바이오가스의 비율인 8%를 적용하였다.
향후 바이오가스가 수송 혹은 발전 부문에서 그 활용성이 증대되기 위해서는 바이오가스 공급망(Biogas Supply Chain)상 이전 단계에 해당하는 ‘원료 수급’ 및 ‘시설 운영’ 단계에서도 각각 효율성을 제고할 필요가 있다. 그간 짧은 기간임에도 불구하고 바이오가스시설별로 시행착오에 대한 노하우가 축적되고 있으며 성공적으로 운영되고 있는 시설도 존재하고 있다. 그럼에도 불구하고 여전히 운영상 다양한 문제점들이 존재하고 있으며 시설의 운영/사후 관리의 비효율성으로 인해 바이오가스 생산효율이 저조하여 바이오가스 자원 수급 안정성 등의 보장이 어렵다는 우려 역시 존재하고 있다.
우선 원료 수급단계에서 바이오가스화 물량의 확보를 위해서는 농산부산물이나 병충해, 가격 폭락 등으로 폐기되는 농산물 등을 체계적으로 수거하는 시스템을 구축하여 바이오가스화 하는 방안 모색이 필요하다. 에너지작물로서 비식용 작물을 기후, 지역 여건 등을 고려하여 유휴지, 수변 구역 등에서 저렴하게 재배하는 방안을 검토할 필요도 있다. 특히, 억새, 유채 등은 경관용으로 재배하더라도 낮은 비용으로 수거가 가능하다면 바이오가스의 원료로 사용 가능하다. 또한 우리나라는 삼면이 바다이고 세계적인 해조류 양식 강국이다. 바이오가스 생산에 유리한 해조류를 선별하여 저비용으로 재배한다면 어민들의 수익에도 도움이 되고 에너지도 생산할 수 있어 향후 기술적 문제, 경제성 등을 검토하여 타당성이 있을 경우 기술 개발 및 사업화를 추진할 필요가 있다.
이와 더불어 바이오가스 생산량 제고를 위하여 시설 운영상 효율을 개선하기 위한 제도 마련이 필요하다. 지금까지는 바이오가스화를 유도하기 위한 인센티브 측면에서 국내에서는 시설 설치비에 보조 방식으로 국고를 지원하는 반면, 세계에서 가장 성공적으로 바이오가스 플랜트가 보급되고 있는 독일의 경우에는 시설비보다는 생산된 에너지를 장기간 가격 보증을 하거나 폐기물을 이용 시 매전단가에 대한 보너스제도 등의 다양한 지원제도를 시행하고 있다. 다만, 지원금은 바이오가스 플랜트 규모, 원료의 종류, 바이오가스 고질화 여부 등에 의해 결정되고 있어 운영상 효율성 제고를 유도하고 있다. 전력매입 단가는 일반적으로 기본요금, 투입원료 요금, 고질화 보너스로 산정되는데, 특히 기본요금의 경우 열병합 공정을 통하여 60% 이상의 전기가 생산되어야 하며 열 또한 EEG의 Annex 2의 요구 사항에 따라 활용되는 시설에 한하여 지원되고 있다. 또한 재생에너지 지침(Renewable Energy Directive, RED)에 따라 폐기물이나 비농업 잔유물로부터 생산된 바이오연료는 에너지 함량당 가중치 두 배의 공급 인증서를 부여받도록 되어 있어 유기성 폐자원을 활용한 바이오연료 생산 및 보급을 유도하고 있다.
이에 국내에서도 바이오가스화 고효율시설에 대한 다양한 측면의 지원 도입이 필요하다. 가령, 바이오가스를 계약 시보다 초과하여 생산하는 시설 운영자에게 초과 생산분을 인센티브로 지급하는 방향을 검토할 수 있다. 바이오가스 시설 건설 시 시공사는 실시 설계 또는 성능 보증 등에서 바이오가스 생산 예정량을 제시하도록 함으로써 바이오가스 초과 생산분의 기준을 마련할 수 있다.
향후 가스 부문에서도 신재생연료 사용에 대한 의무혼합이 시행된다면 천연가스 대체 수단으로서 바이오가스의 활용성이 더욱 커질 것이므로 바이오가스 고질화를 통한 바이오메탄 생산에 있어 경제성을 향상시킬 수 있는 방안이 필요하다. 바이오가스 플랜트 내에서 고질화는 열병합발전 대비 생산된 에너지를 보다 유연하게 적용할 수 있어, 열병합발전을 통해 생산된 열에너지가 수요처 부족 또는 판매 시장의 부재로 인하여 버려지는 경우 천연가스 배관망에 바이오메탄을 공급할 수 있는 고질화를 촉진하고 경제성을 제고하기 위해 많은 국가에서 보조금을 지급하는 것이 최근의 추세이다. 고질화를 통해 천연가스 수준의 바이오메탄을 생산하는 것은 ‘규모의 경제’에 매우 큰 영향을 받으므로 고질화 플랜트의 집중화/대형화를 위해 혐기성소화의 분산화 혹은 집중화 여건에 적합한 전략을 각각 수립할 필요가 있으며 도입 초기에는 바이오메탄 시장 확대를 위하여 세제 감면이나 저리 융자 등의 다각적 지원이 검토되어야 할 것이다.
<이하 원문 확인>