서 론
지속적인 에너지 수요 증가와 화석연료 사용에 따른 환경오염 문제가 대두되면서 자원 순환적이고 환경오염 문제가 없으며 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 대체 에너지원에 대한 필요성이 증대되고 있다. 이에 탄소고정 능력이 높으며 화석연료를 대체할 수 있는 자원 순환형 재생에너지원으로 산림바이오매스 자원이 주목받고 있다(Choi et al., 2014; Hamelinck et al., 2005; Kim et al., 2016).
산림바이오매스는 탄소중립(Carbon-Neutral) 연료로써 온실가스 감축 의무에 대응할 수 있는 에너지원으로 지속적인 생산 및 이용이 가능하며, 다른 신･재생 에너지원에 비해 국내 잠재량이 풍부하다(An et al., 2009). 산림바이오매스의 에너지 이용 형태는 주로 목재칩과 목재펠릿이며, 에너지 생산에 있어 경제성을 확보하기 위해 집약적인 형태의 산림바이오매스 생산이 필요하다(Kim et al., 2016). 이에 산림청에서는 국내 산림바이오매스 확충, 기후변화 대응, 연료용 목재 수요 증가 등에 대비하기 위한 방안으로 단기간 내 산림 바이오매스를 생산할 수 있는 집약적 형태의 단벌기 목재에너지림(Short-Rotation Coppice, SRC) 조성 사업을 추진하였다(An and Ko, 2021; Korea Forest Service, 2011; National Institute of Forest Science, 2016).
단벌기 목재에너지림은 버드나무(Salix koreensis)나 포플러(Populus deltoides) 등의 속성수를 고밀도로 식재하여(10,000본/ha 기준) 1－5년 주기로 바이오매스를 수확하는 것으로, 수확 주기가 짧고 많은 양의 바이오매스를 생산할 수 있다(Choi et al., 2014; Kim et al., 2016; National Institute of Forest Science, 2016). 포플러의 경우 환경 적응력이 강하고 생장이 빨라 단기간의 많은 바이오매스를 생산할 수 있으며, 셀룰로오즈(Cellulose) 함량이 높고 리그닌(Lignin) 함량이 낮아 바이오연료 생산에 적합한 수종이다(National Institute of Forest Science, 2016).
단벌기 목재에너지림은 바이오매스 에너지 생산에 초점이 맞추어져 있고, 이를 수확하기 위해 국외에서는 전통적인 임업기계(SRC 전용장비)를 이용하고 있으며(National Institute of Forest Science, 2014), 국내의 경우도 기계화를 이용한 수확작업이 대부분이나, 인력에 의한 수확작업도 이루어지고 있다. 또한, 단벌기 목재에너지림에서 목재칩 생산 방법은 수확 후 파쇄시기에 따라 두 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 목재 수확과 동시에 파쇄하는 것으로, 생산량은 많으나 목재칩의 함수율이 50－60%로 높다는 단점이 있다. 함수율이 높은 목재칩은 저장 중 곰팡이 및 박테리아로 인한 중량 손실 문제로 연료로 이용하기 위해서는 별도의 건조처리가 요구된다(National Institute of Forest Science, 2016; Santangelo et al., 2015). 두 번째는 수확한 목재를 운송로에 집재하여 6－12개월간 자연 건조를 실시한 후 파쇄하는 것으로, 생산된 목재칩의 함수율이 연료용으로 요구되는 함수율인 28－32%에 도달하는 데 별도의 처리 비용이 들지 않는다는 장점이 있으나(National Institute of Forest Science, 2016), 건조 및 동결된 속성수 파쇄 시 미세분이 증가하는 경향이 있어(Pecenka et al., 2020) 연료로 이용 시 유해가스 배출 증가, 에너지 플랜트 및 연소 시스템 효율 저하 등의 문제를 발생시킬 수 있다는 단점이 있다(Choi et al., 2021).
목재칩은 목재펠릿 대비 생산공정이 단순하고 저비용으로 대량 생산이 가능하여 대형 바이오매스 발전소의 연료로 각광받고 있다(Lee et al., 2018). 그러나 분쇄･압축 등의 2차 성형을 통해 생산되는 목재펠릿에 비해 원료인 목재의 수종, 건조상태, 파쇄조건 등에 영향을 많이 받으며, 벌채 및 파쇄 또는 운송되는 과정에서 토양으로부터 오염될 가능성이 있어 최종적인 연료의 품질이 불균일하다는 단점이 있다. 이에 고품질의 연료용 목재칩을 생산하기 위해 수종, 목재수확 방법, 목재파쇄기의 종류, 선별 및 건조작업 유무 등에 따라 생산된 목재칩의 특성을 분석하고, 국내 및 국제 기준에 의해 평가하는 연구들이 진행되었다(Choi et al., 2019, 2021; Huber et al., 2017; Spinelli et al., 2011). 국내에서는 산림바이오매스 벌채부산물 연료를 대상으로 에너지 이용시설이 확대되면서 목재파쇄기, 수확방법 등에 따라 생산된 목재칩의 연료 특성 분석에 관한 연구가 진행되고 있으나(Cha et al., 2011; Choi et al., 2019, 2021), 속성수의 경우 국내 환경에 적합한 클론 선발에 관한 연구(Kim et al., 2016; Lee et al., 2017; Song et al., 2016)가 대부분으로 생산 조건에 따른 목재칩의 연료 특성에 관한 연구가 미비한 실정이다.
따라서 본 연구목적은 목재에너지림에서 생산된 목재칩을 에너지 연료로 이용하기 위한 생산･가공에서 수확방법에 따른 생산성 및 비용을 분석하고, 수확 후 파쇄 가공하는 시기에 따라 생산된 연료용 묙재칩의 연료 특성 및 등급 분류를 통해 에너지 이용시설에서의 적합성과 이용 가능성을 검토하고자 하였다.
재료 및 방법
연구대상지
본 연구 대상지는 단기간 내 산림바이오매스를 생산할 수 있는 집약적 형태의 단벌기 목재에너지림이며, 전라북도 김제시 진봉면 화포로 167-23에 위치한 새만금 간척지 목재에너지림(35°52’21”N, 126°47’37”E & 35°52’26”N, 126°47’43”E)내 식재된 이태리포플러를 수확하였다(Fig. 1). 연구대상지의 지황 및 임황은 Table 1과 같다.
Table 1.
Stand descriptions of the study site
목재칩 생산 수확시스템의 개요
인력 작업시스템
인력 작업시스템은 Fig. 2와 같으며, 체인톱(MS261, STIHL, Germany)을 이용한 벌도 작업(1 ha에 총 투입인력 3명/일)을 실시하였고, 인력(1 ha에 총 투입인력 105명/3일)에 의한 집재작업, 목재파쇄기(C645T, KESLA, Finland)에 의한 파쇄작업, 25톤 우드칩벤에 의한 운송작업(완주 고산 자연휴양림 기준, 운송거리 60 km)을 실시하였다.
기계화 작업시스템
기계화 작업시스템은 Fig. 3과 같으며, 벌도작업은 굴삭기 기반의 그래플쏘(GS 350, OAK, Korea)를 이용하여 벌도작업을 실시하였고, 굴삭기 기반의 클램벙크 스키더를 이용한 집재작업(국립산림과학원 개발장비), 목재파쇄기(C645T, KESLA, Finland)에 의한 파쇄작업, 25톤 우드칩벤에 의한 운송작업(완주 고산 자연휴양림 기준, 운송거리 60 km)을 실시하였다.
목재칩 생산 및 처리방법
목재칩의 파쇄작업
목재칩은 파쇄기 종류에 따라 생산되는 형상이나 특성이 변화할 수 있기 때문에에너지 연료 목재칩을 균일하게 파쇄하여 생산할 수 있는 드럼형 목재파쇄기(C645T, KESLA, Finland)로 203마력급 임업용 트랙터(203T, VALTRA, Finland)의 동력인출장치(PTO, Power Take-off)에 의해 작동되며, 자체 크레인에 로그 그래플이 장착되어 있다. 목재파쇄기의 드럼 직경은 570 mm이며, 드럼에 장착된 파쇄칼날은 좌측날 3개, 우측날 3개 총 6개로 구성되어 있다. 또한 목재칩 크기를 조정할 수 있는 스크린이 장착되어 있다.
목재칩의 처리방법
본 연구는 목재에너지림에서 생산된 산림바이오매스 목재칩을 대상으로 시기에 따른 연료 특성을 고려하기 위해 수확작업은 2019년 동절기(12월)에 이루어졌으며, 수확 후 즉시 파쇄한 목재칩 A(2019년 12월)와 수확 후 일정기간(9개월) 동안 건조된 속성수 시료를 파쇄한 목재칩 B(2020년 9월)를 생산하였다. Table 2은 목재칩 A(2019년 12월)와 B(2020년 9월)의 시료를 채취한 당시 초기 함수율과 겉보기밀도를 나타낸 것으로 초기 함수율은 각각 41.9 wt%와 36.4 wt%로 통계적으로 유의한 차이 있는 것으로 나타났으며(Fig. 4), 겉보기밀도는 각각 203.3 kg/m3와 205.1 kg/m3이었다. 생산된 목재칩은 톤백마대(Length 0.9 m × Width 0.9 m × Height 1.3 m)에 저장되어 온실형 저장시설에서 수 개월간 보관하였다(Fig. 5). 초기 함수율에 따라 생산된 목재칩은 저장 시간 경과에 따른 연료 특성을 확인하기 위해 연료로 사용되는 시기인 이듬해 동절기(2020년 11월)와 2021년 하절기(6월) 두 차례 시료 채취를 원추 4분법(ISO 18135, 2017)을 이용하였다.
Table 2.
Initial bulk density and moisture content of wood chips from SRC according to extraction time
| Systems | Bulk density(kg/m3) | Moisture content (wt%*) |
| Wood chip A | 203.3 ± 3.2** | 41.9 ± 1.2** |
| Wood chip B | 205.1 ± 4.7** | 36.4 ± 1.8** |
조사방법
인력 작업시스템의 작업생산성 및 비용은 사업내역(2019년 목재에너지림 입목벌채사업)의 정산결과를 기반으로 조사하였다. 기계화 작업시스템에서 목재에너지림 산림바이오매스의 생산 및 가공처리에 따른 생산성 분석을 위해 카메라를 이용한 영상을 수집하였고, 시간 및 동작연구(Time and motion study)를 적용하였다(Cho et al., 2019; Choi et al., 2018). 목재에너지림의 산림바이오매스의 생산중량은 하중측정장치를 이용하여 30본 이상을 측정한 평균중량을 이용하였다. 또한 산림바이오매스 수확 및 목재칩 생산･가공작업에서 임업기계의 기계비용 산출에 필요한 인자로 장비구입가격, 내구년수, 연간작업시간, 유류소비량, 유류단가, 수리 및 유지비, 이자율, 인건비 등을 조사하였다.
분석방법
목재에너지림 수확시스템의 생산성 및 비용
작업생산성
기계화 작업시스템에 의한 목재에너지림 산림바이오매스의 작업생산성(Gwt/hr)은 식 (1)과 같이 시간당 생산본수(trees/hr)와 본당 중량(Gwt, Green weight ton/tree)을 이용하여 산출하였다. 운송작업 생산성(Gwt/hr)은 회당 소요시간(hr)과 적재중량(Gwt)을 이용하여 분석하였다.
작업비용
작업비용(won/Gwt)은 식 (2)와 같이 기계비용(won/hr)과 작업생산성(Gwt/hr)을 이용하여 산출하였다. 기계비용은 Table 3과 같이 독일 산림작업 및 임업기계위원회(KWF, Kuratorium für Waldarbeit und Forsttechnik e. V)에서 정한 방식으로 감가상각비, 이자비, 수리 및 유지비, 유류비, 인건비 등을 이용하여 산출하였다(Brinker et al., 2002; Cho et al., 2019; Choi et al., 2018; Miyata, 1980; Woo et al., 1990). 목재에너지림에서 생산된 목재칩 운송작업은 25톤 우드칩벤을 이용하였으며, 운송비용은 탐문조사를 통해 2022년 9월 기준 단가(990,000 won/day)를 적용하였다. 또한 운송거리는 최종 수요처인 완주 고산 자연휴양림을 기준으로 거리 60 km를 적용하여 분석을 실시하였다.
Table 3.
Cost factors and assumptions used for operation cost analysis
| Cost factor | Operation machine | ||||
| Felling | Yarding | ||||
| Excavator |
Grapple- saw | Excavator |
Clambunk skidder | ||
| Price (won) | (P) | 54,000,000 | 22,000,000 | 54,000,000 | 8,800,000 |
| Endurance period* (years) | (N) | 7 | 8 | 7 | 8 |
| Economic life (hour) | (H) | 9,744 | 11,136 | 9,744 | 11,136 |
| Annual operation time** (hour) | (J) | 1,392 | 1,392 | 1,392 | 1,392 |
| Fuel consumption (L/hour) | (c) | 4.1 | - | 4.2 | - |
| Coefficient of repair and maintenance | (r) | 0.8 | 0.9 | 0.8 | 0.9 |
| Coefficient of lube oil | (l) | 0.4 | 0.4 | 0.4 | 0.4 |
| Interest rate (%/year) | (i) | 10 | 10 | 10 | 10 |
| Depreciation (won/hour) | P/H or P(N･H) | 5,542 | 1,976 | 5,542 | 790 |
| Interest expense (won/hour) | 0.5･P･i･0.01/J | 1,940 | 790 | 1,940 | 316 |
| Costs of repair and maintenance (won/hour) | P/H･r | 4,433 | 1,778 | 4,433 | 711 |
| Fuel cost*** (won/hour) | c･L･(1+0.1) | 10,619 | - | 10,774 | - |
| Other cost (won/hour, Insurance, storage fee etc.) | - | 776 | 296 | 776 | 119 |
| Sub total | - | 23,310 | 4,840 | 23,465 | 1,936 |
| Labor cost**** (won/hour, 50% Inclusion incidental expense) | - | 51,677 | - | 51,677 | - |
| Total machine cost (won/hour, Inclusion labor cost) | - | 74,987 | 4,840 | 75,142 | 1,936 |
| 79,827 | 77,078 | ||||
*174 day × 8 hour = 1,392 hours (Korea Forest Service, 2012)
**Endurance period (Brinker et al., 2002; Miyata, 1980; Woo et al., 1997)
목재에너지림 목재칩의 연료특성 분석
속성수 목재칩 A와 B의 특성 분석 및 평가는 국립산림과학원에서 고시한 ‘목재제품의 규격과 품질기준(제2020-3호)’를 기준으로 진행하였다. 겉보기밀도(Bulk density), 함수율(Moisture content), 목재칩 크기(Particle size), 회분(Ash content), 원소(Elementary), 무기물(Inorganic substances), 순발열량(Net calorific value) 등의 항목을 조사･분석하였으며, 각 항목에 대한 등급 기준은 Table 4와 같다.
Table 4.
Standard of wood chips grade (National Institute of Forest Science, 2020)
| Parameters | Unit | First class | Second class | |
| Moisture content | wt%* | ≤ 25 | ≤ 35 | |
| Bulk density | kg/m3 | ≥ 200 | ≥ 150 | |
| Ash content | wt%* | ≤ 1.5 | ≤ 3.0 | |
| Elementary | Nitrogen | wt%* | ≤ 1.0 | |
| Sulfur | ≤ 0.1 | |||
| Chlorine | ≤ 0.05 | |||
| Inorganic substances | Arsenic | mg/kg | ≤ 1 | |
| Cadmium | ≤ 1.0 | |||
| Chromium | ≤ 10 | |||
| Lead | ≤ 10 | |||
| Mercury | ≤ 0.1 | |||
물리적 특성
목재칩의 겉보기밀도는 채취한 시료를 8 L(Length 0.2 m × Width 0.2 m × Height 0.2 m) 아크릴 용기에 용기 입구로부터 약 20 cm 떨어진 곳에서 낙하시켜 산을 이루게 한 후, 용기 위에 남은 목재칩 제거 후 중량을 측정하였으며, 목재칩의 함수율 측정(ISO 18134-1, 2015)은 채취한 시료를 건조기(Jeio Tech, LBV-100, Korea)에 넣고 105 ± 3°C의 온도에서 24시간 건조 후 중량 변화를 측정하였다. 목재칩의 크기 분포(ISO 17827-1, 2016)를 확인을 위해 진동체 선별기(CISA, RP-10, Spain)을 이용하여 입도 분포를 조사하였다. 입도분포 조사 시 목재칩의 함수율을 20% 이하로 조절함으로써 입자 간의 붙는 현상을 최소화하였으며, 선별기 내 체의 크기(ISO 3310-2, 2013)를 3.15 mm, 8 mm, 16 mm, 31.5 mm, 45 mm, 63 mm로 구분하여 진행하였다.
화학적 특성
Table 5는 화학적 특성에 대한 시험법과 시험 장비를 나타낸 것이다. 화학적 특성 조사는 각 시료에 대하여 3회 반복 실시하였다(고정탄소, 휘발분, 순발열량 제외). 회분(Ash)은 연료가 완전 연소된 후의 남아있는 비활성 잔류물로 정의되며, 1 g 내외의 시료를 회화(Ashing)시킨 후 회화 전･후 무게의 비율로써 산출된다(ISO 18122, 2015). 고정탄소(Fixed carbon; ASTM D7582-15, 2016), 휘발분(Volatile matter; ASTM D7582-15, 2016)은 회분과 함수율과 함께 연료의 특성을 파악하는 데 필요한 분석 항목으로써 일반적으로 고정탄소가 많을수록 발열량은 증가하며, 휘발분이 많을수록 발열량은 감소하지만 점화가 용이해진다. 순발열량(Net calorific value)은 봄베형 열량계를 이용하여 측정된 총발열량(Gross calorific value)에서 시료의 수소 함량(%), 산소 함량(%), 질소 함량(%)과 시료수분 함량(%)을 이용하여 식 (3)과 같이 발열량을 산출하였다(ISO 18125, 2017). 회분 융점(Deformation temperature of ash, DT)은 시료의 윗부분이 용융되어 둥근 형태로 변화하기 시작하는 온도로 회융점 분석기를 이용하여 측정하였다(ISO/DIS 21404, 2019).
Where, qp.net.m = Net calorific value
qv.gr.d = Gross calorific value
w(H)d = Content of hydrogen
w(O)d = Content of oxygen
w(N)d = Content of nitrogen
M = Moisture content
Table 5.
Standards for wood chips and measurement equipment
| Parameters | Standard | Equipment |
| Ash content | ISO 18122, 2015 |
Ash analyzer (FU-706S, Daesonglabtech Co., Ltd., Republic of Korea) |
|
Fixed carbon Volatile matter | ASTM D7582-15, 2016 |
Proximate analyzer (5E-MAC IV, CKIC, China) |
|
Carbon Hydrogen Nitrogen | ISO 16948, 2015 |
Elemental analyzer (5E-CHN2200, CKIC, China) |
|
Sulfur Chlorine | ISO 16994, 2016 |
Ion chromatography (ICS-2100, THERMO, USA) Combustion-Ion chromatogragphy (AQF2100H, Mitusubishi, Japan) |
|
Arsenic Cadimium Chromium Lead Mercury | ISO 16968, 2015 |
Inductively couples plasma mass spectrometer (ICP-MS 7900, THERMO, USA) |
| Gross calorific value | ISO 18125, 2017 |
Bomb Calorimeter (5E-C5508, CKIC, China) |
| Melting point of ash | ISO/DIS 21404, 2019 |
Ash fusion determinator (5E-AF4115, CKIC, China) |
통계분석
속성수 목재칩 A와 B에 대한 통계분석은 함수율, 회분, 황, 염소, 무기물 항목 등을 대상으로 실시하였다. 각 항목의 평균값에 대한 t-검정을 통해 유의성을 분석하여(p < 0.05) 파쇄시기에 따른 목재칩의 연료 특성 차이를 검증하였으며, 통계분석은 SPSS 23.0 프로그램(IBM Inc., Armonk, Ny, USA)를 이용하였다.
결과 및 고찰
목재에너지림 생산성 및 비용 분석
인력에 의한 목재에너지림의 생산･가공작업 생산성은 파쇄작업(14.3 Gwt/hr), 운송작업(10.0 Gwt/hr), 벌도작업(1.9 Gwt/hr), 집재작업(0.3 Gwt/hr) 순으로 높게 분석되었다. 작업비용은 총 107,350 won/Gwt이며, 집재작업 비용이 64,913 won/Gwt로 가장 높았으며, 벌도작업이 11,366 won/Gwt로 가장 낮은 것으로 산출되었다. 기계화 목재에너지림의 생산･가공작업 생산성은 파쇄작업(14.3 Gwt/hr), 운송작업(10.0 Gwt/hr), 벌도작업(9.3 Gwt/hr), 집재작업(5.7 Gwt/hr) 순으로 높게 분석되었다. 작업비용은 총 48,525 won/Gwt이며, 운송작업이 16,500 won/Gwt로 가장 높았으며, 벌도작업이 7,338 won/Gwt로 가장 낮았다(Table 6). 또한 벌도작업에서 그래플 쏘를 적용함에 따라 생산성이 7.4배 향상되었고, 비용은 35.4% 절감되는 것으로 나타나 그래플 쏘를 적용한 벌도작업이 효율적일 것으로 판단된다. 따라서 인력 시스템에 의한 작업 대비 기계화 수확작업시스템으로 전환 시 작업비용을 54.8% 절감과 기계화작업 숙련도에 따라 발생되는 추가비용을 절감할 수 있을 것으로 판단되었다.
Table 6.
Productivity and cost of wood chips production and processing from SRC based on mechanization harvesting and processing system
|
System (Manual) |
Felling (Chain-saw) |
Yarding (Man power) |
Chipping* (Chipper) |
Transportation**,*** (25 ton wood chip truck) | Total |
|
productivity (Gwt/SMH) | 1.9 | 0.3 | 14.3 | 10.0 | - |
| cost (won/Gwt) | 11,366 | 64,913 | 14,571 | 16,500 | 107,350 |
|
System (Mechanization) |
Felling (Excavator based felling grapple |
Yarding (Excavator based clambunk skidder) |
Chippingb (Chipper) |
Transportationa (25 ton wood chip truck) | Total |
|
productivity (Gwt/SMH) | 9.3 | 5.7 | 14.3 | 10.0 | - |
|
cost (won/Gwt) | 7,338 | 10,116 | 14,571 | 16,500 | 48,525 |
*Productivity and cost of chipping operation (Choi et al., 2021), **Transportation distance : 60 km (25 ton wood chip truck),
연료특성
물리적 특성
겉보기 밀도 및 함수율
국내기준에서 겉보기밀도는 1급 ≥ 200 kg/m3, 2급 ≥ 150 kg/m3로 분류되며, 함수율은 1급 ≤ 25wt%, 2급 ≤ 35 wt% 분류된다. 2020년 동절기의 경우, 목재칩 A의 겉보기 밀도는 122.2 kg/m3으로 등급 외, 함수율은 20.0 wt%로 1급으로 분류되었으며, 목재칩 B의 겉보기 밀도는 219.0 kg/m3으로 1급, 함수율 32.0 wt%로 2급으로 분류되었다. 2021년 하절기의 경우 목재칩 A의 겉보기 밀도 142.0 kg/m3으로 등급 외, 함수율 15.9 wt%로 1급으로 분류되었으며, 목재칩 B의 겉보기 밀도는 186.4 kg/m3으로 2급, 함수율은 29.7 wt%로 2급으로 분류되었다(Table 7).
Table 7.
Bulk density and moisture content of wood chips from SRC according to extraction time
| Systems | Bulk density (kg/m3) | Moisture content (wt%*) | ||
| winter (2020.11) | summer (2021.06) | winter (2020.11) | summer (2021.06) | |
| Wood chip A | 122.2 ± 3.3** | 142.0 ± 4.6** | 20.0 ± 2.3** | 15.9 ± 0.6** |
| Wood chip B | 219.0 ± 0.8** | 186.4 ± 6.4** | 32.0 ± 2.0** | 29.7 ± 1.7** |
목재칩의 겉보기밀도는 수종과 함수율에 따라 차이가 있으나 선행연구에서 제시된 포플러 수종 목재칩의 겉보기밀도는 함수율 30% 기준 130－157 kg/m3로 보고된 바 있다(Eisenbies et al., 2019). 본 연구에서의 목재칩 겉보기밀도를 함수율 30% 기준으로 표준화했을 때 목재칩 A는 134.5－162.0 kg/m3, 목재칩 B는 187.0－214.6 kg/m3으로 다소 높게 나타났으며, 이는 파쇄 당시 함수율 조건과 파쇄장비 종류에 따른 차이로 판단된다(Table 7). 2020년 동절기, 2021년 하절기 모두 목재칩 A의 겉보기밀도가 목재칩 B 대비 낮게 나타났는데, 파쇄 당시 높은 함수율로 인해 톤백마대에 저장되어 보관되는 동안 곰팡이 및 박테리아로 인한 중량 손실이 보다 크게 나타난 것으로 판단된다(National Institute of Forest Science, 2016; Santangelo et al., 2015). 또한, 목재칩 A의 경우 2020년 동절기는 2021년 하절기 대비 함수율이 높음에도 불구하고 겉보기밀도가 낮게 나타났으며, 이는 속성수 목재칩의 함수율, 파쇄장비와 저장조건에 따라 중량 손실에 영향을 미치기 때문에 이를 해결할 수 있는 저장 및 보관 방법이 필요할 것으로 판단된다.
목재칩 크기
목재칩 크기는 시료의 60%를 차치하는 목재칩 크기, 과대치(입자길이 45 mm 초과), 미세분(입자길이 3.15 mm 이하)에 의해 분류된다. Fig. 6은 두 종의 목재칩 크기의 입도분포를 나타낸 것이다. 목재칩 A, B 모두 P31S로 분류되었다. 목재칩 B의 미세분 비율이 목재칩 A 대비 다소 높게 나타났는데 이는 건조된 속성수 파쇄 시 미세분이 증가하는 경향이 있다는 선행연구(Pecenka et al., 2020)와 유사한 결과로써 자연 건조를 통해 파쇄 당시 함수율이 감소하면서 발생된 현상으로 판단된다(Tables 8, 9, 10).
Table 8.
Analysis of the particle size distribution of wood chips from SRC biomass according to chipping time
Table 9.
Coarse (> 45 mm) fraction rate of wood chips from SRC according to extraction time
Table 10.
Fine (< 3.15 mm) fraction rate of wood chips from SRC according to extraction time
화학적 특성
원소 및 공업 분석
Table 11은 목재칩 A와 B의 화학적 특성 결과를 나타낸 것이다. 앞서 언급한 목재칩 물리적 특성에서 저장되는 시기와 형태에 따라 중량 손실이 발생될 수 있는 결과로 이에 따른 화학적 특성에서도 유사한 경향을 확인하기 위해 저장시기가 다른 시료에 대한 분석을 실시하였다. 2020년 동절기에 목재칩 A의 회분은 1.6 wt%로 2급, 목재칩 B의 회분은 1.0 wt%로 1급으로 분류되었다. 회분을 제외한 질소, 황, 염소, 무기물(비소, 카드뮴, 크롬, 납, 수은) 항목에 대해 두 종의 목재칩 모두 등급 내로 분류되었으며, 통계 분석 결과 회분, 황, 비소, 카드뮴, 납, 수은 항목에서 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p < 0.05). 2021년 하절기에 목재칩 A의 회분은 2.0 wt%로 2급, 목재칩 B의 회분은 1.0 wt%로 1급으로 분류되었다. 회분을 제외한 질소, 황, 염소, 무기물(비소, 카드뮴, 크롬, 납, 수은) 항목에 대해 두 종의 목재칩 모두 등급 내로 분류되었으며, 화학적 특성 결과에 대한 t-검정 결과 카드뮴, 크롬 항목에서 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p < 0.05). 목재칩 B는 개활지에서 건조되면서 외부 환경(강수, 바람 등)에 노출되어 목재 표면의 부착된 토양과 같은 성분들이 제거되어 이와 같은 결과를 보인 것으로 사료된다.
Table 11.
Chemical properties of wood chips from SRC according to extraction time
| Parameters | unit | Wood chip A | Wood chip B | |||
| winter | summer | winter | summer | |||
| Proximate | Ash | wt%* | 1.6 | 2.0 | 1.0 | 1.0 |
| Fixed carbon | 15.5 | 16.7 | 15.2 | 14.4 | ||
| Volatile matter | 82.9 | 81.3 | 83.8 | 84.6 | ||
| Elementary | Carbon (C) | wt%* | 49.3 | 50.1 | 49.0 | 49.7 |
| Hydrogen (H) | 5.9 | 6.1 | 6.0 | 6.1 | ||
| Oxygen (O) | 42.6 | 41.4 | 43.5 | 42.3 | ||
| Nitrogen (N) | 0.6 | 0.4 | 0.5 | 0.4 | ||
| Sulfur (S) | 0.05 | 0.05 | 0.04 | 0.03 | ||
| Chlorine (Cl) | 0.01 | 0.02 | < 0.01 | < 0.01 | ||
|
Inorganic substances | Arsenic (As) | mg/kg | < 0.5 | < 0.5 | < 0.5 | < 0.5 |
| Cadmium (Cd) | 0.6 | 0.5 | 0.3 | 0.3 | ||
| Chromium (Cr) | < 1 | < 1 | < 1 | < 1 | ||
| Lead (Pb) | < 1 | < 1 | < 1 | < 1 | ||
| Mercury (Hg) | < 0.01 | < 0.01 | < 0.01 | < 0.01 | ||
| Net calorific value | MJ/kg | 14.5 | 15.4 | 9.9 | 12.8 | |
| Melting point of ash | °C | 1,430 | 1,350 | 1,370 | 1,470 | |
공업분석 결과, 2020년 동절기에는 목재칩 B 대비 목재칩 A의 고정탄소는 0.3%p 높고, 휘발분은 0.9%p 낮게 나타났다. 2021년 하절기에는 목재칩 B 대비 목재칩 A의 고정탄소는 2.3%p 높고, 휘발분은 3.3%p 낮게 나타났다. 목재칩 저장 중 발생되는 중량 손실은 주로 탄소와 질소화합물이 분해되며 발생되는데(An and Ko, 2021), 이때 발생되는 열과 가스 배출, 목재칩의 탄소와 질소의 비(C:N) 변화 등으로 인해 목재칩의 원소 구성 비율이 달라짐에 따라 차이를 보이는 것으로 사료된다(Kuptz et al. 2020; Lenz et al., 2015; Pecenka et al., 2018).
발열량 분석결과, 2020년 동절기, 2021년 하절기 목재칩 A, B의 총 발열량은 통계적으로 유의한 차이가 없었다(p = 0.903). 순발열량은 목재칩 B 대비 목재칩 A에서 높게 나타났는데, 이는 두 종의 목재칩의 함수율과 회분 함량 차이에 의한 것으로 일반적으로 목재 연료의 발열량은 함수율과 회분 함량이 낮을수록 증가된다(Choi et al., 2021).
회분 융점의 경우, 2020년 동절기에는 목재칩 A가, 2021년 하절기에는 목재칩 B가 높게 나타났다. 회분 융점이 낮으면 회분이 용융되기 쉽고 용융된 회분은 연소 온도가 낮아지면 고체 형태로 굳어지게 된다. 이는 파울링(Fouling), 슬래깅(Slagging)과 같은 현상으로 이어져 보일러 효율 감소 및 고장 등의 문제가 발생할 가능성이 높다(Kuptz et al., 2019; Moon et al., 2012; Park et al., 2012; Zeng et el., 2021). 국내 기준에서 발열량과 회분 융점은 표시하도록 권고하고 있지만 별도의 등급 분류는 없는 상황이다. 발열량과 회분 융점은 연료로 이용 시 직접적인 영향을 주는 인자이므로 이에 대한 등급 분류가 필요하다고 판단된다(Choi et al., 2021).
에너지 이용 가능성
목재칩의 종합 등급은 각 항목 중 가장 낮은 등급에 의해 결정된다. 2020년 동절기, 2021년 하절기 모두 목재칩 A는 함수율 1급, 겉보기밀도 등급 외, 회분 2급, 원소(질소, 황, 염소)와 무기물(비소, 카드뮴, 크롬, 납, 수은)은 등급 기준을 만족하여 종합 등급은 등급 외로 평가되었으며, 목재칩 B는 함수율 2급, 겉보기밀도 1급, 회분 1급, 원소(질소, 황, 염소)와 무기물(비소, 카드뮴, 크롬, 납, 수은)은 등급 기준을 만족하여 종합 등급은 2급으로 평가되었다(Table 12).
Table 12.
Final class of wood chips from SRC according to extraction time
| Property class | Wood chip A | Wood chip B | ||
| winter | summer | winter | summer | |
| Moisture content | Fisrt class | Second class | ||
| Bulk density | n.a.* | First class | ||
| Ash content | Second class | First class | ||
| Elemental (N, S and Cl) | First class | |||
| Inorganic substanses (As, Cd, Cr, Pb and Hg) | First class | |||
| Final class | n.a.* | Second class | ||
목재칩을 에너지원으로 이용하는 시설은 크게 가스화 열병합발전(Gasification combined heat and power system), ORC 열병합발전(Organic Rankine Cycle combined heat and power system), 스팀터빈 열병합발전(Steam turbine- based biomass-fired combined heat and power system), 바이오매스 보일러 시스템(Biomass-fired boiler system)으로 구분할 수 있다(Choi et al., 2021). 가스화 열병합발전의 경우 가스화로(Gasifier)에서의 반응 및 발전효율을 높이기 위해 타 시설 대비 낮은 함수율(13% 미만)의 목재칩을 요구하기 때문에 함수율 조건을 만족하기 위해 건조작업이 필수적이다(Choi et al., 2021). ORC 및 스팀터빈 열병합발전과 바이오매스 보일러 시스템은 보일러가 시스템의 기본이므로 가스화 열병합발전에서 요구되는 함수율보다 높은 함수율의 목재칩을 연료로 이용할 수 있어 추가적인 건조 및 선별작업이 필수적으로 요구되지 않으나, 연료 품질에 따른 보일러 열효율이 차이가 나기 때문에 연료 품질에 대한 관리가 필요하다.
본 연구 결과, 목재칩 A를 제외한 목재칩 B에서 가스화 열병합발전을 제외한 모든 에너지 시설에서 이용이 가능할 것으로 판단된다. 선별 및 건조작업 적용 시 목재칩의 균일성 향상, 미세분 감소, 저장성 증가 등의 효과로 목재칩의 품질을 향상 시킬 수 있다고 보고된 바 있으며(Choi et al., 2021; Huber et al., 2017; Spinelli et al., 2011), 선별 및 건조작업 적용 시 가스화 열병합발전 시설에도 이용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 선별 및 건조작업 적용 시 각각 10,906 won/ton, 42,204 won/ton(300 kg/m3 기준)의 추가적인 비용이 발생된다고 보고된 바 있으며(Choi et al., 2019, 2021; Raitila and Faaij, 2015), 추후 목재칩 품질 향상을 위한 선별 및 건조 작업 적용에 따른 연료적 특성 변화와 비용 조사를 통한 경제성 분석에 관한 연구와 실제 연료로 이용 시 효율, 배기가스 배출 특성에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 속성수인 이태리포플러를 연료로 이용하기 위해 수확방법에 따른 목재칩의 연료 특성 분석 및 품질을 평가하여 에너지 이용시설에서의 이용 가능성을 검토하고자 하였다. 수확 직후 파쇄하여 생산된 목재칩 A는 겉보기밀도 항목에서 기준 미달로 인해 등급 외로 평가되었다. 수확 후 9개월간 자연 건조 후 파쇄하여 생산된 목재칩 B는 2급 목재 연료칩으로 평가되었으며, 선별 및 건조작업 적용 시 1급 목재 연료칩으로 품질을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. 수확 직후 파쇄하는 경우 높은 함수율로 인해 저장 중 곰팡이 및 박테리아로 인한 중량 손실로 인해 목재칩의 품질이 저하되므로 이를 방지하기 위해서는 건조 작업이 필수적으로 이루어져야하며, 건조작업 적용이 어려울 경우에는 파쇄 당시 목재의 함수율이 적어도 40% 미만이어야 한다고 판단된다. 목재칩 A와 B는 가스화 열병합발전시설을 제외한 에너지 이용시설에서 연료로 이용 가능한 것으로 판단되며, 선별 및 건조 작업 등을 통해 연료 품질을 향상 시킨다면 모든 에너지 이용시설에서 이용 가능할 것으로 판단된다. 추후 선별 및 건조 작업 적용 시 목재칩의 연료 특성 변화와 작업 비용 조사를 통한 경제성 분석에 관한 연구, 실제 연소를 통한 배기가스 배출 특성, 연소 조건 및 효율에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한, 수확 후 연료로 이용하는 시기까지 저장되는 목재칩의 품질 저하를 방지하기 위해 다양한 함수율 조건에서 저장 특성을 분석하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
