반탄화(Torrefaction) 기술 동향_117

반탄화 (Torrefaction) 기술 동향

충남도립청양대학교 | 박상우 박사

Ⅰ. 개 요 ········································································ 119

Ⅱ. 동향 분석 ································································· 120

1. 국내 동향 ································································ 120

2. 해외 동향 ································································ 121

Ⅲ. 향후 전망 ································································· 125

<참고문헌> ······································································· 126

반탄화(Torrefaction) 기술 동향_119

반탄화(Torrefaction) 기술 동향

충남도립청양대학교 | 박상우 박사

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

신재생에너지 공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard, RPS)의 도입으로 500MW

이상의 설비용량을 갖춘 발전소의 경우, 총 발전량 중 신재생에너지를 이용하여 생산한 전력

공급비율이 2012년 2%에서 2022년에 10%까지 증가할 전망이다. 또한 2012년부터 온실가스

목표관리제의 실시로 신재생에너지원 중 하나인 바이오매스에 한 관심이 증가하고 있다. 이로

인해 바이오매스를 이용한 연료 개발이 주요 이슈로 두되고 있지만 국내에는 바이오매스 자원이

풍부하지 않아 해외 수입에 의존할 것으로 전망된다. 바이오매스 자원을 해외에서 수입할 경우

운송 및 보관비용을 절감하기 위해서 에너지 밀도가 높은 바이오연료의 개발이 요구된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 최근 전처리 공정으로 반탄화(Torrefaction) 기술이 제안

되었다. 반탄화 기술은 바이오매스 원료를 200~300℃의 온도에서 산소가 없는 상태로 10~60분

간 가열하는 전처리 기술이다. 반탄화 기술을 이용하여 생산된 반탄화 펠릿(Pellet)은 소수성을

가지며, 함수율이 매우 낮아 미생물로 인한 부패나 뒤틀림 등 외형 변화가 적다. 또한, 고정탄소

(Fixed carbon) 성분이 증가하여 장거리 운송 비용 절감, 취급과 저장 등 취급성 우수, 분쇄성1)

향상, 높은 에너지 밀도를 가진다.

반탄화 조건 반탄화 온도별 형상 목질 성분별 반응영역

자료: Andreas Ohliger, Malte Förster, Reinhold Kneer, “Grindability of Torrefied Beechwood and Cofiring with Pulverized Lignite at Pilot Scale”, 2nd International Workshop on Cofiring Biomass with Coal, Copenhagen 2012 및 연구자 자료

<그림 1> 셀룰로오스계 바이오매스의 반탄화

1) 국내 석탄 전용발전시설 10곳 중 미분탄 보일러 방식은 9곳(보일러 48기)이며, 시설용량이 23,805 MW이다. 바이오

매스를 혼합연소하기 위해서는 분쇄성 지수(Hardgrove Grindability Index, HGI)가 클수록 좋다.

120_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

구 분 목재칩 목재펠릿 반탄화 펠릿 목탄 석탄

형상

수분(wt.%) 30-55 7-10 1-5 1-5 10-15

저위발열량(MJ/kg)

7-12 15-17 18-24 30-32 23-28

휘발분(wt.%, db)

75- 84 75- 84 55- 65 10- 12 15- 30

고정탄소(wt.%, db)

16- 25 16- 25 22- 35 85- 87 50- 55

겉보기밀도(kg/㎥)

200- 300 550- 650 650- 800 180- 240 800- 850

에너지밀도(GJ/㎥)

1.4- 3.6 8- 11 12- 19 5.4- 7.7 18- 24

흡습성 친수성 친수성 소수성 소수성 소수성

생물 분해성 빠름 중간 없음 없음 없음

분쇄성 곤란함 곤란함 표준 표준 표준

운반비용 높음 중간 낮음 중간 낮음

<표 1> 각종 목질계 바이오매스 고형연료와 석탄의 특성 비교

자료 : Wolfgang Stelte, Jonas Dahl, Niels Peter K. Nielsen, Hans Ove Hansen, “Densification concepts for torrefied biomass”, Torrefaction workshop European Biomass Conference, Milano, 2012

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

국내 반탄화 기술은 연구개발 단계로 유럽연합(EU)이나 북미(North-America)지역 국가들의

상용화 진입 단계에 비해 뒤처져 있다. 하지만 정부가 2012년부터 신재생에너지 공급의무화제도를

시행함에 따라 석탄발전 설비에서 바이오매스를 이용한 혼합연소(이하, 혼소) 방식이 활성화될

것으로 기 된다. 산림청은 국내외 임산물의 자원화를 촉진하기 위해서 고품질의 탄화펠릿 연료

생산 공정기술 개발 사업을 2010년부터 실시하였다. 산림청은 이 사업을 통해 저 등급 임산폐기물

로부터 탄화펠릿 연료를 생산하는 기술을 조기 국산화하고 특화된 탄화펠릿 연료 생산 공정기술을

개발할 계획이다. 국내 탄화펠릿 품질 목표는 발열량 5,500㎉/㎏, 밀도 825㎏/㎥, 함수율 2%

이하이다. 이후 신재생에너지 융합원천기술과 차세 에코이노베이션 기술개발 등의 사업을 통해

관련 기술개발과 상용화를 위한 파일럿 규모의 설비 개발에 노력을 기울이고 있다.

반탄화(Torrefaction) 기술 동향_121

<표 2> 국내 바이오매스 반탄화 기술개발 현황

구분 기술개발 과제명 (연구기간) 사업명

1탄화펠릿 생산을 위한 200kg/hr급 연료과농 무산소

반응형 Torrefaction 설비 상용화 개발 (’11-14)신재생에너지융합원천기술개발

2 고열량 고밀도의 바이오펠릿 개발 (’11-13) 차세대에코이노베이션기술개발사업

3 고효율 반탄화 바이오펠릿연료 제조기술 개발(’10-12) 신재생에너지융합원천기술개발

4

폐기물인 커피박을 에너지자원으로 재활용하기 위한 6,300kcal/kg이상, 저흡수성(흡수율 8%이하)을 갖는 목질계 고형연료용 탄화분말 및 열분해가스 재활용시스템 개발

(’11-13)

신재생에너지융합원천기술개발

5 고열량 탄화펠릿 생산기술 개발 (’10-11) 산림과학기술개발사업

6 볏짚을 이용한 초본계 bio coal 및 탄화펠릿 개발 (’11-12) 창업성장기술개발

7목질 탄화물 촉매가 첨가된 커피찌꺼기를 이용한 bio-coal

개발(’12-13)창업성장기술개발

자료: 국가과학기술지식정보서비스, www.ntis.go.kr, 2013. 4. 19.

2. 해외 동향

반탄화 기술개발은 유럽연합과 북미 지역에서 활발하게 이루어져왔으며, 이 중 가장 먼저

국가 연구기관에서 관련 연구를 수행한 국가는 네덜란드이다. 네덜란드의 신재생에너지 전문 정부

연구기관인 ECN(Energy Research Centre of the Netherlands)은 반탄화 기술에 관한 기초

연구를 수행하였으며, 이를 토 로 파일럿 설비 및 상용화하기 위한 기술개발이 활성화되었다.

본 보고서에서는 ECN의 기술개발 성과와 다른 국가(혹은 기업)에서의 기술개발 사례를 중심

으로 반탄화 기술개발 관련 해외 동향을 조사하였다. 또한, 최근 유럽연합이 진행하고 있는 반탄화

프로젝트(SECTOR)와 각종 반탄화 반응기에 해 정리하였다.

가. ECN(네덜란드)의 기술개발 성과

ECN은 반탄화 기술 연구의 선도적 기관으로 2003년 6월부터 2005년 1월까지 프로젝트

(Torrefaction for biomass co-firing in existing coal-fired power stations-BIOCOAL)를

통해 반탄화 기술로 생산한 제품의 특성을 연구하였다. 또한 반탄화와 펠릿 공정을 결합하여

생산한 반탄화 펠릿(제품명 : TOP pellets)을 이용해 연료의 특성을 조사하였으며, <그림 2>와

<그림 3>에 정리하였다.

반탄화 펠릿은 에너지 밀도가 다른 목질계 바이오매스에 비해 우수한 것으로 나타났다. 또한,

반탄화 온도에 따른 콜밴드2) 특성이 이탄(Peat)과 저 등급 석탄인 갈탄(Lignite) 영역으로 이동

하는 경향을 보였다. 한편 미분탄 보일러에서 혼소하기 위해서는 75㎛ 통과분이 많아야 하기

2) 콜밴드는 석탄화 정도를 판단하는 하나의 지표이다. 석탄화가 진행될수록 생물학적 변화와 가압건류에 의해 탈 탄산

및 탈수작용으로 인해 낮은 값을 보이며, 그 값이 낮을수록 고등급으로 평가한다.

122_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

때문에 분쇄성 지수(HGI), 전력비용 및 시설용량이 중요한데 반탄화한 경우 양호한 결과를

나타내었다.

Properties Unit Wood Torrefiedbiomass Wood pellets TOP pellets

low high low high

Moisture content % wt 35 3 7 10 1 5

Calorific value (LHV)

dry MJ/kg 17.7 20.4 17.7 17.7 20.4 22.7

as received MJ/kg 10.5 19.9 15.6 16.2 19.9 21.6

Mass density (bulk) kg/m3 550 230 500 650 750 850

Energy density (bulk) GJ/m3 5.8 4.6 7.8 10.5 14.9 18.4

Pellet strength - - Good Very good

Dust formation Moderate High Limited Limited

Hygroscopic nature Water uptake HydrophobicSwelling / Water

uptakeLimited swelling /

Hydrophobic

Biological degradation Possible Impossible Possible Impossible

Seasonal influences(noticable for end-user)

High Poor Moderate Poor

Handling properties Normal Normal Good Good

자료 : Bergman P.C.A., Boersma A.R., Zwart R.W.R., Kiel J.H.A., “Torrefaction for biomass co- firing in existing coal- fired power stations-BIOCOAL”, Energy Research Centre of the Netherlands(ECN), 2005

<그림 2> TOP Pellets의 연료특성(左)과 반탄화한 목질바이오매스의 콜밴드 특성 변화(右)

자료 : Jaap Kiel, “Torrefaction for biomass upgrading into commodity fuels”, IEA Bioenergy Task 32 workshop “Fuel storage, handling and preparation and system analysis for biomass combustion technologies”, Berlin, May, 2007

<그림 3> 반탄화가 분쇄 전력량 감소(左)와 분쇄기 용량 증대(右)에 미치는 영향

ECN의 기술개발 이후 많은 국가(혹은 기업)에서 기술개발 및 상용화를 위한 단계에 진입한

것으로 확인되었으며, 조사 결과는 <표 3>에 나타내었다.

반탄화(Torrefaction) 기술 동향_123

<표 3> 국가 및 기업별 반탄화 기술 개발 및 상용화 사례

개발자 반응기 공급자 장소 생산용량 (t/a) 현 상태와 규모

Agri - Tech Producers LLC(US/SC) Belt

Kusters Zima Corporation

(US/SC)Unknown Unknown Pilot stage

Airex Cyclonic Bed Airex Laval, QC Unknown Pilot stageAirless systems Unknown Atmosclear Latvia 40,000 Out of business

Atmosclear SA(CH) Rotary drum CDS(UK) Latvia, New Zealnd, USA 50,000 Out of business

Bioenergy Development&Production Fluidised Bed

Bioenergy Development&

ProductionNova Scotia, CAN Unknown Pilot stage

Bio Energy Development North AB(SWE) Rotary drum Unknown O -vik(SWE) 25,000 -

BioLake B.V.(NL) Screw conveyor Unknown Eastern Europe 5,000~10,000 Pilot stageEarth Care Products Rotary drum Earth Care Products Kansas(USA) 20,000 Demo./Commercial

EBES AG(AT) Rotary drum Andritz(AT) Frohnleiten(AU) 10,000 1mt/hr pilot plant in commissioning

ECN(NL) Moving bed Andritz(AT) Standerup(DK) 10,000 ECN combines tech. with Andritz

FoxCoal B.V.(NL) Screw conveyor Unknown Winschoten

(NL) Unknown Pilot,company now bankrupt

HM3 Energy Unknown HM3 Oregan, US Unknown Pilot building Demo plant

Integro Earth Fuels,LLC(US/NC)

TurboDryer

Stopped with Wyssmont(US/NC)

Roxboro, NC 80,000 Pilot stage

New Biomass Energy Screw New Biomass Energy

Quitman,Mississippi,USA

40,000160,000

Existing commissioning

New Earth Renewable Energy

Fuels,INC(US/WA)Fixed bed Unknown Unknown Unknown Out of business

Renergy/4Energy Invest(BE) Rotary drum Stramproy Green

Tech.(NL)Amel(BE),Ham(Be) 38,000 project terminated

Renergy/4Energy Invest(BE) Rotary drum Stramproy Green

Tech.(NL) Ham(Be) 38,000 project terminated

River Basin Energy Fluidised Bed River Basin Energy Laramie,Wyoming, USA 48,000 Pilot

Rotawave, Ltd.(UK) Micro-wave Group`s Vikoma Terrace, British

Columbia(CA) 110,000

Stopped in BC, announced

partnership with Cate street capital(Maine)

HorizonBioenergy.(NL) Oscillating belt conveyor

Stramproy Green Tech.(NL) Steenwijk(NL) 45,000

Operational again after plant fire in Feb

2012Thermya(FR)/

Grupo Lantec(SP) Moving bed Thermya(FR) Urnieta(SP) 20,000 Early stage of commissioning

Thermya(FR)/LMK Energy(FR) Moving bed Thermya(FR) Mazingarbe

(FR) 20,000 Early stage of commissioning

Topell Energy B.V.(NL) Torbed Torftech lnc(UK) Duiven(NL) 60,000 Final stage of commissioning

Torr -Coal B.V.(NL) Rotary drum Unknown Dilsen-Stokkem(BE) 35,000 -

Torrefaction systems lnc.(US) Unknown Bepex International

(US/MN) Unknown Unknown Pilot

WPAC(CA) Unknown Unknown Unknown 35,000 -Wyssmont Turbo dryer Wyssmont US Unknown Unknown

자료 : Jaap Koppejan, Shahab Sokhansanj, Staffan Melin, Sebnem Madrali, “Status overview of torrefaction

technologies”, IEA Bioenergy Task 32 report FINAL REPORT, 2012

124_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

나. 유럽연합의 반탄화 프로젝트 (SECTOR)

유럽연합의 반탄화 기술개발 프로젝트(Production of Solid Sustainable Energy Carriers

by Means of TORrefaction, SECTOR)는 9개 국가(참여 21개사)가 참여하며, 국가와 연구

기관별로 진행하던 기존의 연구를 국가 간에 협조하여 진행하는 프로젝트이다. 프로젝트는

2012년 1월 1일부터 42개월 동안 진행되며, 연구비는 1,029만 유로(EU지원금: 757만 유로)로

책정하였다. 프로젝트 체계 및 수행 내용은 <그림 4>와 같다.

자료: http://www.sector-project.eu/work-packages.workpackages.0.html, 2013.4.13

<그림 4> EU-반탄화 프로젝트(SECTOR)관리 체계도

다. 반탄화 반응기 종류

반탄화 반응기 종류는 크게 8종류로 분류되며, <표4>와 같이 로터리 드럼 방식에 한

기술개발이 가장 활발한 것으로 나타났다. 또한 <표 5>와 같이 향후 반탄화 바이오매스 관련

시장이 용량 전력생산, 산업 열/난방, 주택 및 지역난방 시장으로 확 될 가능성이 높은

것으로 나타났다.

반탄화(Torrefaction) 기술 동향_125

<표 4> 반탄화 반응기 종류

반응기 종류 관련회사 반응기 이미지

Rotary drum

CDS(UK), Torr -Coal(NL), BIO3D(FR), EBES

AG(AT), 4Energy Invest(BE),

BioEndev/ETPC(SWE), Atmosclear S.A.(CH), Andritz, EarthCare Products (USA)

ScrewBTG(NL), Biolake(NL), FoxCoal(NL),

Agri - tech Producers(USA)

Multiple hearth

furnace(MHF)CMI -NESA(BE),Wyssmont(USA)

Torbed reactor Topell(NL)

Microwave reactor Rotawave(UK)

Compact moving

bedAndritz/ECN(NL), Thermya(FR), Buhler(D)

Belt dryer Stramproy(NL),Agri - tech Producers(USA)

Fixed bed NewEarth Eco Technology(USA)

자료 : Shahab Sokhsansanj, “Torrefaction in North America”, Presented at the SECTOR Workshop, Milan, Italy, 2012

<표 5> 반탄화 바이오매스의 잠재적인 이용처

적용시장 전환공정 전환기술 바이오연료전처리 필요성

반탄화 장점

시장잠재성

대용량 전력생산

혼합연소Coal - fired

보일러목재펠릿 높음 높은 혼소율 높음

혼합가스화Entrained

flow gasifiers목재펠릿

매우 높음(입자크기)

크기감소유동화

C/H/O 비매우 건조

한계

단독 연소( >20MWe )

CFB 보일러 목재칩 보통제한적, 상대적

고비용작음

산업열/난방

연소Blast

furnacesNone 보통

취급성, 에너지함량, C/H/O 비

높음

주택/지역난방

연소Stoves/보일러

목재펠릿 높음, 분산 운송비 절감 높음

자료 : Ronald meijer, “Overview of European torrefaction landscape”, EPRI Biomass Torrefaction Workshop, April, Pensacola, FL, US, 2011

Ⅲ. 향후 전망

바이오매스 반탄화 기술은 에너지밀도 향상, 분쇄성 개선, 운반비용 저감을 해결할 수 있는

매우 중요한 전처리 기술로, 바이오매스 에너지 시장의 성장에 따라 유럽연합과 북미 지역 국가

126_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

(기업)들의 상용화를 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 또한 관련 시장이 성장함에 따라

신뢰도가 높은 기업을 중심으로 시장을 선점하기 위한 움직임도 나타나고 있다. 국내에서는 기초

연구개발과 파일럿 규모의 연구가 진행되고 있으나, 반탄화에 한 기술력 부족과 운전 경험 미숙

으로 인해 관련 기업들의 반탄화 기술 수준이 상용화 단계에 진입한 선진국에 비해 뒤쳐져 있다.

또한 국내에서는 파일럿 규모를 포함한 상용화 실적이 전무하기 때문에 초기 시장 점유율 확 가

더딜 것으로 예상된다. 그러나 앞으로의 노력 여하에 따라 국내 반탄화 기술의 상용화 가능성이

있을 것으로 예상된다.

신재생에너지 공급의무화제도 등 신재생에너지에 한 정책적 지원이 강화될 경우 반탄화

기술의 적용은 확 될 것으로 예상되며, 국내 기업들은 지속적인 기술개발을 통해 반탄화 기술력

확보에 노력을 기울일 필요가 있다. 또한 바이오에너지 보급 및 촉진을 위한 관련 정책 개발과

시장 진입을 위한 정부의 재정적 지원이 필요한 시점이다.

<참고문헌>

1. Andreas Ohliger, Malte Förster, Reinhold Kneer, “Grindability of Torrefied Beechwood and

Cofiring with Pulverized Lignite at Pilot Scale”, 2nd International Workshop on Cofiring

Biomass with Coal, Copenhagen, 2012

2. Wolfgang Stelte, Jonas Dahl, Niels Peter K. Nielsen, Hans Ove Hansen, “Densification

concepts for torrefied biomass”, Torrefaction workshop European Biomass Conference,

Milano, 2012

3. 국가과학기술지식정보서비스, www.ntis.go.kr, 2013.4.25

4. Bergman P.C.A., Boersma A.R., Zwart R.W.R., Kiel J.H.A., “Torrefaction for biomass co

-firing in existing coal-fired power stations-BIOCOAL”, Energy Research Centre of the

Netherlands(ECN), 2005

5. Jaap Kiel, “Torrefaction for biomass upgrading into commodity fuels”, IEA Bioenergy Task

32 workshop “Fuel storage, handling and preparation and system analysis for biomass

combustion technologies”, Berlin, May, 2007

6. Jaap Koppejan, Shahab Sokhansanj, Staffan Melin, Sebnem Madrali, “Status overview of

torrefaction technologies”, IEA Bioenergy Task 32 report FINAL REPORT, 2012

7. EU, “Production of Solid Sustainable Energy Carriers by Means of Torefaction”,

http://www.sector-project.eu/work-packages.workpackages.0.html , 2013.4.13

8. Shahab Sokhsansanj, “Torrefaction in North America”, Presented at the SECTOR

Workshop, Milan, Italy, 2012

9. Ronald meijer, “Overview of European torrefaction landscape”, EPRI Biomass Torrefaction

Workshop, April, Pensacola, FL, US, 2011