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목질계 열분해유의 디젤엔진 적용기술 동향_99
목질계 열분해유의 디젤엔진
적용기술 동향
한국기계연구원 | 이석환 선임연구원
Ⅰ. 개 요 ········································································ 101
1. 목질계 열분해유의 제조법 및 특성 ······················ 101
2. 목질계 열분해유의 디젤엔진 적용성 ···················· 102
Ⅱ. 동향 분석 ································································· 103
1. 국내 동향 ································································ 103
2. 해외 동향 ································································ 105
3. 업체 동향 ································································ 106
Ⅲ. 향후 전망 ································································· 107
<참고문헌> ······································································· 107
목질계 열분해유의 디젤엔진 적용기술 동향_101
목질계 열분해유의 디젤엔진 적용기술 동향
한국기계연구원 | 이석환 선임연구원
Green Technology Trend Report
Ⅰ. 개 요
1. 목질계 열분해유의 제조법 및 특성
가. 목질계 열분해유 제조법
지구온난화의 주범인 화석연료를 체하기 위한 재생가능 에너지원 연구가 활발하게 진행되고
있는 가운데, 최근 목재 등의 바이오매스를 이용하여 액체 연료인 목질계 열분해유(Wood
pyrolysis oil) 제조 기술이 활발하게 연구되고 있다. 목질계 열분해유는 급속열분해(Fast
pyrolysis)법을 사용하여 제조하는데 이는 목질계 바이오매스를 산소가 없는 500℃ 정도의 고온
조건에서 2초 내의 짧은 시간 노출시켜 제조한다. 이런 방법으로 제조할 경우 목질계 바이오
매스의 75%는 휘발성 물질(Volatiles)로, 12%는 가스상 물질로, 13%는 차(Char)로 변환되며,
휘발성 물질을 응축시켜 55~65%의 수율로 열분해유를 얻게 된다. 목재의 경우 단위 에너지당
부피가 크므로 이동 및 저장이 어려우며, 이동 및 저장 비용이 필요하므로 에너지 집약도를
높이는 최적의 방법으로 급속열분해 제조법이 최근에 각광받고 있다. 우드 펠렛(Wood pellet)의
경우 9GJ/m3 정도의 에너지 밀도를 가지고 있는데 비해 열분해유의 경우 22GJ/m3 정도로 2배
이상 에너지 집약도를 가지고 액체로 존재하므로 이동 및 저장이 용이하다.
자료 : STOA, “Systemic approach to adaptation to climate change and renewable energy harnessing”, 2012 1)
<그림 1> 급속열분해 반응 개요
102_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
나. 목질계 열분해유의 특성
열분해유의 물성치는 원료인 바이오매스의 종류 및 생산 공정에 따라서 큰 차이를 보이는데,
보통 18-30%의 수분이 포함되어 있으며, 화석 연료에 비해 산소함량이 높은 편이다. 이와
같이 디젤유와는 물성치가 매우 상이하므로 연료 미립화, 점화 및 연소 특성, 배출가스의
특성도 다르다. 열분해유가 가지는 특성들을 요약하면 다음과 같다.2)
• 열분해유는 낮은 세탄가로 인하여 단독으로 사용 시 자발화 되지 않으므로 파일럿 분사나
세탄가가 높은 연료와 혼합하여 사용해야 한다.
• 열분해유의 구성성분 중 산소가 42-50%이며, 탄소 비율이 석유계 연료에 비해서 낮으므로
에너지밀도가 낮다.
• 열분해유의 점도는 중유와 경유의 중간 정도로 열분해유의 원재료와 공정에 따라 다르고
열분해유의 수분함량 및 연료 온도에 의해서 크게 변한다.
• 열분해유는 산성(pH 2-3)으로 장시간 운전하는 경우 분사계가 부식될 수 있다. 또한 높은
수분함량은 분사계 손상의 주요 원인이다.
• 열분해유에는 타르가 포함되어 있는데 중합작용(Polymerization)에 의해서 점착성 물질로
변환된다. 중합작용은 실온에서도 일어나며, 90℃가 넘는 고온에서 매우 빠르게 일어난다.
이로 인해 발생되는 중합체(Polymer), 타르, 고체입자 등은 분사계에 퇴적되어 디젤엔진의
성능을 저하시키게 된다.
2. 목질계 열분해유의 디젤엔진 적용성
목재가 풍부한 북미 및 북유럽 국가 중심으로 목재를 원료로 하여 생산하는 열분해유의 활용
방안에 한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 열분해유의 활용 분야로는 크게 열 에너지원으로
사용하고자 하는 방법과 화학약품의 원료로 사용하는 방법으로 나눌 수 있다. 열 에너지원으로
사용하는 방법으로는 기존 화석연료와 혼합소각(Co-firing)하는 열병합 발전과 가스 터빈 및 디
젤엔진을 사용하여 발전하는 기술들이 연구되었다.3) 또한, 최근에는 바이오원유를 수송용 연료로
직접 적용하고자 하는 연구들도 진행되고 있는데 열분해유와 디젤연료의 연소특성 및 배출가스
배출 특성을 비교하는 연구들이 수행되었다.4) 열분해유를 디젤엔진에 적용하기 위하여 세탄향상
제를 첨가한 연료를 사용하여 디젤과 동등한 수준의 연소성능을 확보하였다는 연구결과도 발표
되었다. 하지만, 열분해유는 디젤엔진에 적합하지 않은 연료 물성치를 가지고 있으며, 열분해유
를 이용하여 엔진 연소는 가능하지만 연료공급계가 마모되고 파손되는 결과들이 보고되었다. 열
분해유를 차량에 적용 가능한 청정연료로 변환시키기 위하여 수첨 공정(Hydro-processing)
반응을 통한 그린디젤(Green diesel)을 생산하고자 하는 연구가 진행되고 있다.5)
목질계 열분해유의 디젤엔진 적용기술 동향_103
Ⅱ. 동향 분석
1. 국내 동향
현재 국내에서 바이오에너지 관련 연구로는 생활폐기물 등의 폐기물자원을 열화학적 또는
생물학적으로 처리하여 에너지를 생산하는 연구가 주를 이루고 있으며, 바이오매스를 기반으로
유기물을 발효 등의 생물학적 처리를 통하여 바이오 알코올 또는 바이오디젤을 생산하는 연구도
꾸준히 진행되고 있다. 바이오에너지 분야는 국내시장이 어느 정도 형성되어 있으나 목질계 열
분해유 분야는 현재 초기 단계에 불과하여 국내시장이 아직 형성되지 않은 단계이다. 그러나
해외 기술발전 및 시장 상황을 고려하면 국내시장의 형성 및 성장가능성이 크다고 할 수 있다.
2007년 환경부 자료에 의하면 버려지는 생활폐기물과 목질계 폐기물을 오일로 전환할 경우 연
간 약 40만 톤의 중유 체 효과를 기 할 수 있고, 이는 연간 약 2,000억 원의 경제효과를 볼
수 있으며, 부가적으로 약 90만 톤의 CO2 저감을 통해 상당한 경제효과가 예상된다.6)
자료 : 환경부, 폐목재 재활용 활성화 대책, 2007 6)
<그림 2> 폐목재 활용을 통한 경제효과
국내에서는 열분해유의 제조, 품질 고급화, 디젤엔진 적용, 화학약품 원료 이용방법에 한
연구들이 기초연구 수준으로 진행되고 있다. 열분해유의 제조에 한 연구는 한국기계연구원에서
활발하게 진행하고 있는데 15kg/hr급 파일럿 크기의 급속열분해 반응기를 제작하여 수율 63%
수준으로 열분해유를 생산하고 있다. 한국기계연구원은 고유의 경사하강식 반응기를 설계하여
톱밥 및 거 억새 등의 바이오매스 원료를 이용하여 열분해유를 생산하고 있다. 연세 학교와
한국에너지기술연구원에서도 실험실 수준의 급속열분해 반응기를 설계하여 열분해유를 생산하는
연구를 진행하고 있다.
104_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
열분해유를 디젤엔진에 적용 가능한 연료로 변환하는 기술로는 물리적 고급화 기술과 화학적
고급화 기술이 있다. 물리적 고급화 기술은 세탄가가 높은 기존의 화석연료와 혼합하거나 유화
(Emulsification)하는 기술이며, 화학적 고급화 기술은 수소첨가반응을 통하여 그린디젤을 생산
하는 기술이다. 한국에너지기술연구원은 디젤과 열분해유를 유화한 유상액을 버너에 적용하여 안정
적인 연소를 구현하였으며, 일산화탄소와 질소산화물 배출량이 낮음을 확인하였다. 수첨 공정을
통한 화학적 고급화 기술에 한 연구는 국내에서 아직 진행된 바가 없다.
열분해유를 디젤엔진에 적용하고자 하는 연구는 한국기계연구원에서 수행중인데 열분해유의
품질 향상을 위하여 디젤 및 바이오디젤과 유화한 유상액(Emulsion)을 제조하여 디젤엔진에
적용하는 연구를 수행하였으며, 디젤, 부탄올, 열분해유를 혼합한 혼합연료를 제조하여 디젤엔진에
적용하였다. 이를 통해 디젤과 동일한 수준의 연소를 구현하였으며, 질소산화물이 감소하는 결과를
제시하였지만 연료 분사계가 고착되는 현상도 보고되었다. 이를 해결하기 위하여 이중분사기가
장착된 디젤엔진을 제작하여 디젤 파일럿(Pilot) 분사기에서 에탄올과 열분해유를 혼합한 연료를
연소시키는 방법에 한 연구를 수행하였다.
<표 1> 국내 주요기관 연구 내용
기술명 기관명 기관분류 주요 연구내용 비고
열분해유제조
한국기계연구원 연구소Pilot-scale 급속열분해 반응기 제작 및 열분해유 생산
15 kg/hr급,수율 63%
연세대학교 대학Micro-scale 급속열분해 반응기 제작반응기 전산해석 수행
-
한국에너지기술연구원
연구소Micro-scale 급속열분해 반응기 제작
-
열분해유고급화
한국에너지기술연구원
연구소
디젤유와 열분해유를 유화한 유상액을 버너에 적용수첨공정 이용한 업그레이딩 기술 기초연구 수행 중
CO : 4 ppm, NOx : 84 ppm
한국기계연구원 연구소디젤엔진 적용을 위하여 디젤유, 바이오디젤유와 열분해유 유상액
제조최대 30% 혼합
열분해유디젤엔진
적용한국기계연구원 연구소
디젤 및 바이오디젤과 열분해유 유화한 유상액 커먼레일 디젤
엔진 적용이중분사기가 장착된 디젤엔진에 열분해유 적용
디젤 대비 NOx 60%, Soot 80% 감소
목질계 열분해유의 디젤엔진 적용기술 동향_105
2. 해외 동향
목질계 열분해유를 생산하고 활용하는 기술은 목재가 풍부한 북유럽과 북미를 중심으로 활발
하게 연구되고 있으며, 열분해유에 한 수요도 날로 증가하고 있다. 열분해유는 열병합 발전소,
보일러, 디젤엔진 및 가스터빈 시스템에 직접 사용되기도 하고 정제과정을 통하여 좀 더 고품질의
오일로 만들어져 수송용 연료로 사용되기도 한다. 유럽에서 열분해유의 가격은 단위 에너지 당
(GJ) 6.4유로에서 10유로 정도이며, 이는 천연가스 또는 중유와 동일 열량을 기준으로 비슷한
가격 를 형성하고 있다. 청정개발체제(CDM) 등 지구온난화를 비하는 환경 책에 들어가는
비용 등을 감안하면 목질계 열분해유 시장은 지속적으로 성장할 전망이다. 현재 유럽의 경우
BIOCOUP, BIOCAT, EMPYRO라는 이름의 프로젝트들이 유럽연합의 자금을 지원받아 활발하게
진행되고 있다.
목질계 열분해유는 버블유동층 반응기, 순환유동층 반응기, 와류 반응기, 회전콘 반응기 등
여러 형태의 반응기를 이용하여 제조되고 있으며, 캐나다의 Dynamotive와 미국의 Ensyn,
네덜란드의 BTG, 독일의 BioLiq, BTO, PYTEC에서 열분해유를 량 생산하고 있다.
열분해유를 물리적으로 고급화하는 기술 중 디젤과 유화한 유상액을 만드는 연구가 캐나다의
CANMET사에서 수행 중이며, 디젤에 열분해유가 10~30% 혼합된 유상액을 제조하여 판매중이다.
이탈리아의 피렌체 학교에서는 여러 회사에서 제조된 열분해유를 다양한 계면활성제를 이용하여
25~75%까지 열분해유가 혼합된 유상액을 제조하는 연구들을 진행하였다. 화학적 고급화 기술인
수첨 공정의 경우 캐나다의 Dynamotive사에서 BINGO 공정을 이용하여 그린디젤을 생산하고
있으며, 미국의 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory,
PNNL)에서도 수첨 공정을 이용하여 Biojet이라는 연료를 제조하였다. 미국의 KiOR사는 열분해
유를 촉매반응을 이용한 화학적 고급화 방법으로 바이오가솔린을 생산하고 있으며, 이는 미국
에너지청(EPA)이 인증한 첫 번째 그린가솔린이다.
열분해유를 디젤 체 연료로 사용하기 위한 연구들이 오래전부터 진행되었는데 열분해유의
저급한 성질 때문에 단독으로 디젤엔진에 적용하기 어려우므로 고급화 방법을 거친 연료를 적용
하였다. 물리적으로 고급화된 열분해유의 경우 품질 기준이 까다로운 수송용 연료로 사용하기
어려우므로 발전용 디젤엔진에 적용하고 있으며, 수첨 공정을 통해 화학적으로 고급화된 열분해
유를 수송용 연료로 사용하고 있다. 미국의 샌디아 국립연구소(Sandia National Laboratory,
SNL)는 열분해유의 연소 특성을 살펴보기 위하여 정적 챔버에서 열분해유의 단일 액적 연소
실험을 수행하였는데 열분해유의 경우 디젤유와 다르게 연소 초기 미세폭발(Micro-explosion)이
발생하며 연소 후 카본 입자(Carbonaceous cenosphere)가 많이 발생한다고 보고하였다. 이탈
리아의 Istituto motori는 2000년에 최초로 상용 디젤엔진에 열분해유 30%를 디젤과 유화한
유상액을 연료로 엔진을 구동하였으며, 만족할 만한 수준의 엔진 성능을 얻었다. 인도의 NIT
Rourkela 연구소에서도 열분해유를 디젤과 유화한 유상액을 디젤엔진에 적용하였는데 기존 디젤
비 10% 정도의 엔진 효율이 증가하였다. 독일의 PYTEC사는 350 kW급 발전용 디젤엔진에
열분해유를 적용하여 발전 시스템을 구축하였는데 열분해유의 높은 점도 및 부식성 문제를 해결
하기 위하여 공급 연료를 60℃ 이상으로 가열하였으며, 연료 펌프, 분사기 노즐 등의 연료 공급계
부품들을 스테인리스 재질로 개조하였다.7) 네덜란드의 BTG사에서는 열병합 발전용 디젤엔진에
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100% 열분해유, 디젤과 열분해유를 유화한 유상액, 수첨 공정을 통하여 고급화된 열분해유,
디젤+부탄올+열분해유가 혼합된 혼합연료를 적용하는 실험을 수행하였다. 100% 열분해유는 디젤
엔진 발화 조건에서는 자발화되지 않기 때문에 엔진의 압축비를 22로 높이고 흡기온도를 200℃
이상으로 높인 상태에서 연소하였으며, 40시간 연속 운전한 결과를 발표하였다.8)
독일 PYTEC사의 350kW급 발전용 디젤엔진 네덜란드 BTG사의 열병합 발전용 디젤엔진
<그림 3> 목질계 열분해유 디젤엔진 적용 예7)
3. 업체 동향
2012년 3월 핀란드의 Fortum사는 급속열분해 기술을 적용하여 열분해유를 생산하는 플랜트
건설에 2,000만 유로를 투자한다고 발표하였다. 이는 전 세계적으로 급속열분해 기술의 상용화를
위한 첫 번째 시도이며, 생산된 열분해유는 열병합 발전에 사용될 것이라고 밝혔다. 네덜란드의
BTG사는 급속열분해 방식에 사용되는 회전콘 반응기를 최적화하여 70% 열분해유와 30%의 차
(Char)를 얻었으며, 이를 이용하여 25MW급 발전기에서 전기를 생산하고 있다. 캐나다의
Ensyn사는 자사의 순환유동층 반응기 방식인 Rapid Thermal Processing(RTP) 기술을 이용
하여 최 75%의 수율을 확보하였다. 미국의 KiOR사는 미시시피주의 콜럼버스에 열분해유를
정제하여 그린가솔린, 그린디젤 등을 생산하는 상용화 플랜트를 건설하였다. 2012년 4월 미국의
에너지부(Department of Energy, DOE)에서는 수송용 신재생 에너지 개발의 일환으로 열분해유
를 기반으로 한 연료 개발 과제에 하여 1,500만 달러를 지원하겠다고 발표하였다. CENUSA
Bioenergy사는 미국 농무부(USDA) 산하 국립식량농업연구소(NIFA)에서 제공하는 2,500만 달
러의 자금을 지원받아 고품질 열분해유를 생산 할 수 있는 급속열분해 기술을 개발하고 있다.
목질계 열분해유의 디젤엔진 적용기술 동향_107
Ⅲ. 향후 전망
전체 에너지원의 97% 이상을 해외에서 수입하고 있는 국내 실정에서 재생 가능한 에너지
사용을 촉진하여 에너지 자립도 향상 및 기후변화 협약에 한 응이 절실히 요구되고 있다.
이에 따라 정부에서도 정책적으로 폐기물, 바이오매스, 태양광, 풍력 등의 재생 가능 에너지 활용
방안을 강구하고 이와 관련한 연구 및 투자를 장려할 필요가 있다. 앞서 소개한 바와 같이 국내
에서 현재 가용할 수 있는 목질계 바이오매스 자원은 풍부한 편이 아니며, 주요 자원을 차지하고
있는 산림 바이오매스의 경우 부분이 산악지역에 위치해 있으므로 운반 및 저장 비용이 높아
경제성이 떨어진다. 이를 극복하기 위하여 급속열분해 방식을 이용한 열분해유를 제조하는 방법이
안으로 각광받고 있으며, 일부 산림자원이 풍부한 나라의 경우 상용 플랜트가 이미 건설되어
운영 중이다.
국내에서는 아직까지 열분해유를 제조하고 이를 활용하는 연구가 미진하며, 몇몇 기관들에
의해서 기초단계 수준으로 연구가 진행되고 있다. 특히, 열분해유를 디젤엔진에 적용하고자 하는
연구는 국내외에서 활발히 진행되고 있지 않으며, 상용 시스템을 구축한 예도 없다. 하지만 열분
해유의 물리적 고급화를 통하여 발전용 엔진에 적용하고자 하는 연구가 진행 중이며, 화학적
고급화를 통한 그린 디젤연료를 제조하는 연구가 지속적으로 이루어지고 있으므로 조만간 수송용
연료로 사용할 수 있는 열분해유가 판매될 시기가 도래할 전망이다.
현재 정부에서도 바이오매스 활용 분야에 한 활성화 방안을 마련하고 있으며, 관련 연구에
지속적으로 투자하고 있으므로 향후 열분해유 관련 사업(수집, 이송, 제조, 연료표준화, 활용 등)에
한 정책적 지원이 있을 것으로 예상되어 기술 개발 전망은 밝다고 할 수 있다.
<참고문헌>
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TO CLIMATE CHANGE AND RENEWABLE ENERGY HARNESSING”, 2012
2. Bridgwater AV, Meier D, Radlein D, “An overview of fast pyrolysis of biomass”, Organic
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3. Chiaramonti D, Oasmaa A, Solantausta Y, “Power generation using fast pyrolysis liquids
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4. Bertoli C, D’Alessio J, Giacomo N, Lazzaro M, Massoli P, Moccia V, “Running Light-Duty
DI Diesel Engines with Wood Pyrolysis Oil”, SAE paper 2000-01-2975, 2000
5. Bridgwater AV, “Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading”, Biomass and
Bioenergy, Vol.38, pp.69-94, 2012
6. 환경부, “폐목재 재활용 활성화 책”, 2007
7. Scholl S, Horning T, Hentschel B, Meier D, “Running a 350 kW Diesel Engine with
Bio-Crude Oils Experiences and Results”, TCbiomass 2009, Chicago, 2009
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8. Beld BV, Holle E, Florijn J, “The use of pyrolysis oil and pyrolysis oil derived fuels in
diesel engines for CHP applications”, Applied Energy, Vol.102, pp.190-197, 2013
