바이오매스·바이오에너지

왜 배우는가: 바이오매스·바이오에너지는 재생에너지와 탄소중립 설계의 기초 개념이며, 건축설비에서 열원·연료 선택과 온실가스 저감 방안을 설명할 때 반복해서 다뤄진다. 기술사 시험에서도 정의와 특징을 묻는 용어형 문항과, 종류·변환 기술을 묻는 논술형 문항으로 나온다.

출제 이력: 제93회 1교시 1번, 제75회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 바이오매스(Biomass)는 태양에너지를 이용해 광합성으로 만들어진 생물 유기체와 유기성 폐기물을 총칭하며, 이를 변환해 얻은 에너지를 바이오에너지라 한다.

핵심 키워드

• 바이오매스(Biomass)
• 바이오에너지(Bioenergy)
• 재생에너지
• 탄소중립
• 혐기성 소화(Anaerobic Digestion)
• 바이오가스(Biogas)
• 바이오연료(Biofuel)
• 유기성 폐기물

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 바이오매스는 식물과 동물, 미생물처럼 살아 있는 생물체와 그 부산물, 그리고 음식물이나 종이처럼 생물에서 나온 폐기물까지 포함하는 말이다. 나무, 볏짚, 왕겨, 가축 분뇨가 모두 여기에 들어간다.

정식 정의는 두 갈래로 나뉜다. 생태학에서는 단위 면적이나 단위 부피 안의 생체량을 바이오매스라 하며, 살아 있는 것에 한정한다. 반면 일반적·산업적 용법에서는 생사와 무관하게 쓰고, 땔나무·숯·생물 기체, 유기계 폐기물까지 포함한다. 건축설비 분야에서는 후자의 넓은 뜻을 쓴다.

바이오매스는 태양에너지를 흡수해 만든 유기물 자원이다. 이를 열분해, 발효, 혐기성 소화 등으로 변환하면 바이오에너지가 된다. 즉 바이오매스는 자원이고, 바이오에너지는 그 자원에서 얻는 에너지다.

바이오에너지의 핵심 원리는 탄소중립이다. 식물은 성장하면서 이산화탄소를 흡수하고, 연소나 분해로 다시 배출한다. 순환이 균형을 이루면 순배출량이 거의 없다고 본다. 다만 재배·수송·가공 과정의 배출은 별도로 따져야 한다.

바이오매스의 가장 큰 특징은 재생가능성과 폐기물 자원화다. 화석연료와 달리 지속적으로 얻을 수 있고, 농업·임업·축산·도시 폐기물을 에너지로 바꿀 수 있다. 반면 에너지 밀도는 석탄·석유보다 낮고, 함수율과 산소 함량이 높아 변환 효율이 떨어질 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

인류는 오래전부터 나무를 태워 난방과 취사에 바이오매스를 썼다. 산업혁명 이후 석탄과 석유가 주 에너지원이 되면서 바이오매스의 역할은 줄었다. 1970년대 석유파동 이후 화석연료를 대체하려는 대체에너지 개발이 시작되며 바이오매스가 다시 주목받았다.

1980년 이후에는 천연가스와 원자력 사용이 늘었고, 환경오염 문제가 커졌다. 이에 따라 바이오매스는 청정에너지, 신에너지, 재생에너지의 한 분야로 자리 잡았다. 현재 재생에너지 분야에는 태양열, 태양광, 바이오매스, 풍력, 수력, 지열, 해양, 폐기물 에너지가 포함된다.

등장 배경은 세 가지로 정리된다. 첫째, 화석연료 고갈과 가격 불안정에 대응한다. 둘째, 온실가스 감축 요구를 충족한다. 셋째, 유기성 폐기물 처리 부지가 부족한 문제를 해결한다. 특히 혐기성 소화는 폐기물을 줄이면서 에너지를 얻는 방식으로, 처리 효율이 높아 폐기물 부지가 부족한 지역에서 유용하다.

건축설비 관점에서는 지역 분산형 에너지 공급과 연결된다. 중앙 집중식 공급에서 지방 분산형으로 전환하면서, 지역에서 나는 바이오매스를 열원과 전원으로 쓰는 방안이 검토되고 있다.

4. 구성요소·원리·절차

바이오매스 에너지는 원료 확보, 전환, 이용의 세 단계로 나뉜다. 원료인 바이오매스는 농업·임업 잔재물, 축산 분뇨, 유기성 폐기물, 에너지작물로 구분된다. 전환 방식은 크게 열화학적 전환(연소, 열분해, 가스화)과 생화학적 전환(혐기성 소화, 발효)으로 나뉜다. 어느 방식이든 최종 산물은 열, 전기, 바이오가스, 바이오알코올, 바이오디젤 중 하나다.

전환 원리는 유기물의 화학 결합을 끊어 저분자 연료로 바꾸는 것이다. 열화학적 방식은 고온에서 산소 유무에 따라 연소, 열분해, 가스화로 나뉜다. 생화학적 방식은 미생물이 산소 없이 유기물을 분해해 메테인을 만드는 혐기성 소화가 대표적이다. 이때 생성되는 바이오가스의 주성분은 메테인이다.

바이오에너지 이용 절차는 다음과 같다.

• 원료 수집과 선별: 이물질과 중금속을 제거하고 원료 성상을 확인한다.
• 전처리: 파쇄, 건조, 또는 당화 전처리로 전환 효율을 높인다.
• 전환: 열화학 또는 생화학 공정으로 연료 가스, 액체, 고체를 만든다.
• 정제: 바이오가스는 수분과 이산화탄소, 황화합물을 제거해 품질을 높인다.
• 이용: 열, 전기, 차량 연료로 공급하고 잔사(소화액, 회분)는 비료나 자원으로 활용한다.

바이오매스 연료의 품질은 수분 함량, 회분 함량, 휘발분 비율, 입자 크기로 평가한다. 수분이 많으면 연소 시 수분 증발에 열이 소모되어 유효 열량이 줄어든다. 반대로 지나치게 건조된 연료는 분진 폭발 위험이 있다. 회분은 설비의 슬래깅과 파울링을 일으키므로 낮을수록 유리하다.

수분 기준 유효 발열량은 다음과 같이 근사한다.

$Q_{net} = Q_{gross} - 2.44 \times (9H + M)$

여기서 Q_{gross}는 총발열량(MJ/kg), H는 연료 중 수소 질량비, M은 수분 질량비이며, 2.44는 25℃에서 물 1kg의 증발잠열(MJ/kg)에 해당하는 상수다. 이 식은 수분이 연소열을 빼앗는 양을 보여 준다.

필요한 설비 조건은 다음과 같다. 목질계 연료는 수분을 관련 기준이 정한 값 이하로 낮추면 연소 효율이 안정된다. 바이오가스의 메테인 함량은 정제 후 관련 기준이 정한 값 이상을 목표로 한다. 이 두 값은 설계 목표로 쓰는 일반적인 기준이다.

5. 관련 법령·기준·표준

바이오에너지는 신에너지 및 재생에너지 설비로 분류되어 관련 법령의 지원과 설비 인증을 받는다. 국내에서는 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」이 근거 법이며, 바이오에너지는 그 안에서 재생에너지 11개 분야 중 하나로 지정되어 있다. 재생에너지 공급 의무와 인증서 제도(RPS)는 발전 사업자를 대상으로 운영된다.

바이오가스와 바이오디젤의 품질 기준은 다음과 같다. 이 값들은 기준값 표로 정리한다.

개정 연혁은 다음과 같이 정리한다. 재생에너지 용어는 과거 대체에너지에서 신재생에너지로 바뀌었다. 1970년대에는 석탄·석유 대체라는 의미였고, 이후 청정에너지 개념으로 넓어졌다.

현행 기준 명칭은 신재생에너지 설비 인증과 설치 기준이다. 설비 설계 시에는 해당 고시와 인증 기준을 함께 확인한 뒤 적용한다.

6. 유형과 비교

바이오매스는 원료의 상태와 변환 방식에 따라 고체 바이오매스, 액상 바이오매스, 기체 바이오매스로 나눈다. 같은 원료라도 변환 방식이 다르면 생산되는 에너지 형태가 달라지므로, 답안에는 원료 상태와 변환 기술을 함께 적어야 한다.