기후변화 대응을 위한 탄소 중립 수단으로서의 목재펠릿의 가치와 제조 공정 및 기술적 특성 doc_id PCY_201501280908329421_1

기후변화에 관한 유엔 기본 협약; 기후변화협약(United Nations Framework Conventioon on Climate Change; UNFCCC)의 교토의정서(Kyoto Protocol: KP)는 지구 전체적으로 심각한 기후 변화의 위협을 알린 최초의 시도 중 하나이다. 기후변화협약(UNFCCC)의 궁극적 목표는 기후 체계(climate system)에 대한 위험한 인간의 간섭을 막아 온실가스의 대기 중 농도를 안정화하는 것이다. 교토의정서는 1997년에 채택되었고 2005년 2월 16일에 발효되었다. 교토의정서는 선진국에, 6개 온실가스의 배출량을 2008년에서 2012년까지(1차 의무이행 기간), 1990년 대비 5% 이상 감축하는 법적 의무를 부과했다. 구체적 감축 목표는 국가마다 다르며 유럽연합(EU) 소속 국가들은 8% 감축을 목표로 정했다. 화석연료의 소비에 비해 목재 연료의 이용은 바이오매스 연료의 소비에서 야기되는 이산화탄소를 바이오매스 생장으로 상쇄하기 때문에 이산화탄소의 순 배출(net release)을 일으키지 않는 지속가능한 방법이다. 따라서 바이오에너지의 이용은 감축 목표를 달성해야하는 가맹국들에게 중요한 선택 사항이다. 목재펠릿을 포함한 바이오매스 연료는 이산화탄소 배출량을 감축하는 전략적 목적을 제공한다. 교토의정서는 감축 목표 달성의 유연성을 예견했다. 교토의정서는 산업화된 국가들이 배출권 거래 및 해외 배출 억제 사업(emission curbing project abroad)을 통한 배출권(credit) 획득으로 감축 목표를 달성할 수 있게 한다. 그 중 하나의 개념이 배출권거래체계(emissions trading mechanism)이다. 예를 들어, 감축 목표를 초과 달성한 국가는 감축 목표를 달성하지 못한 국가에 배출권을 판매할 수 있다. 오늘날 사용되는 다른 연료들에 비해 목재펠릿은 비교적 새로운 종류의 연료라 할 수 있다. 사실 목재펠릿은 이미 1970년대, 북미지역의 대체 연료로 등장했다. 당시, 목재펠릿을 도입한 당초 목적은 석유파동 등 에너지 위기(the energy crisis)를 해결하고자 하는데 있었다. 펠릿은 초기에 주로 산업, 공업, 공공시설의 난방 연료로 이용되었다. 1983년, 주택용 목재펠릿 가스레인지 판매를 시작으로 주택용 목재펠릿 산업이 등장하게 되었다. 북미지역에서는 2003년 기준으로 110만 톤 수준이던 목재펠릿 생산량이 2008년 기준으로 420만 톤 생산 규모로 성장하였다. 한편 유럽의 목재펠릿 생산은 북미지역보다 다소 늦은 1980년대 초, 스웨덴의 주도로 시작되었다. 화석연료에 대한 탄소세와 높은 석유 가격으로 인해 스웨덴 시장의 개발은 늦어졌다. 이로 인해 몇몇 EU 가입국은 스웨덴의 목재펠릿 시장 개발에 동참했다. 2008년 기준으로 유럽지역에서는 530개 이상의 목재펠릿 생산 공장에서 연간 약 743만 톤의 펠릿을 생산하고 있다. 톱밥, 대팻밥, 우드 칩으로 펠릿을 만들기 전에 원료를 건조시키고 균질하게 하는 것이 중요하다. 일반적으로 입자가 크면 목재펠릿에 질적 손실을 야기하기 때문에 원자재는 hammer grinder와 같은 기계로 가루를 만든다. 함수율이 높은 원료의 경우에는 수분 함량 8~10% 정도로 건조시킨다. 목재펠릿의 길이와 직경을 결정하는 펠릿 주형에 넣어 압축한 뒤 필요한 크기로 절단하게 된다. 목재의 리그닌과 수지는 천연 결합제(natural binding agent) 역할을 하기 때문에 일반적으로 부수적인 첨가물은 필요하지 않다. 활엽수는 리그닌의 비율이 침엽수와 비교하여 상대적으로 낮기 때문에, 버드나무와 같은 활엽수를 원료로 하여 목재펠릿을 생산하려면 전분과 같은 첨가제를 이용하는 경우가 있으며, 펠릿 성형 과정에서 원료에 추가적인 수분이 공급되기도 한다. 제조 기술의 새로운 발전으로 침엽수, 활엽수로 만든 목재펠릿의 품질은 지속적으로 향상되고 있다. 건조는 펠릿 생산에 있어 필수적인 공정이다. 대팻밥과 같은 일부 원료는 건조공정이 별도로 필요하지 않지만 대부분의 펠릿 제조 원료는 건조가 필요하다. 건조 과정에서는 많은 에너지가 소요되며 이는 목재펠릿의 순 에너지양(net energy value)을 높인다. 드럼 건조기는 북미지역에서 가장 널리 사용되는 건조설비이다. 과거에는 천연 가스가 가장 일반적인 연료원이였지만 화석연료 가격 상승으로 인해 많은 생산자들이 목재를 이용하기 시작하였다. 목재의 이용은 천연가스를 이용하는 것보다 저렴하고, 온실가스 배출과 관련한 환경적인 이익을 판매할 수 있는 기회를 제공하기도 한다. 이러한 환경적 이익은 유럽과 같이 환경적으로 엄격하게 규정하고 있는 시장에 판매할 경우, 매우 중요한 인자로 작용할 수 있다. 목재 섬유(wood fiber)는 수분 함량이 17% 정도에서 펠릿화가 가능하지만, 최종 상품의 목표 수분 함량이 6~8%라면, 최적의 상태는 12% 이하이다. 원자재가 펠릿 제조에 필요한 정도 이상으로 건조될 수 있으므로 원자재의 적절한 수분 함량 비율을 찾아야 한다. 따라서 건조는 비용의 최소화와 목재펠릿 에너지의 질적 향상을 위하여 산업적으로 면밀하게 고려해야 할 핵심적인 공정이다. 목재펠릿 제조 공정을 안정적이고 지속적으로 운영하기 위해서는 제조시설 규모에 적합한 원자재 저장 공간을 보유하고 있어야 한다. 자재는 저장용 통(bins), 건물(covered building), 시멘트 바닥(cement pad) 또는 바닥(ground)에 보관할 수 있다. 공급 원료의 청결과 건조를 위한 저장 시스템 비용은 제조시설 전체 규모에 따라 적절한 규모로 설계되어야 한다. 원료는 깨끗이 보관하여 불필요한 유지비용을 최소화한다. 칩과 같은 일부 원자재는 수분을 줄이기 위해 통기성 저장 시스템(open air storage system)을 이용하며 이를 통해 제조공정 단계에서의 건조비용을 절감할 수 있다. 다양한 종류 및 형태의 원자재를 원료를 사용하는 일부 공장에서는 혼합공정을 통해 원자재를 혼합한다. 이 때 단순히 불도저(front end loader)로 자재의 묶음을 시멘트 바닥에서 혼합하는 방법과 각각의 원료를 분리된 저장용 통(bin)에 보관하고 자동 계량 시스템(automated metering system)으로 혼합하는 개선된 방법이 있다. 두 방식은 주형 내부의 막대기로 원자재에 큰 압력을 가해 펠릿을 만든다. 압력과 마찰이 증가하면 목재의 온도도 올라가고 이로 인해 리그닌이 연하게 되며 섬유는 펠릿의 형태를 갖게 된다. 주형 안으로 들어온 자재에 따라, 섬세한 제련과 설정의 균형이 필요하다. 가장 결정적인 조정은 주형을 바꾸는 것이다. 주형은 내부에 구멍이 있는 금속판이다. 원자재가 판의 구멍을 통과하는 동안, 압축 바퀴가 원자재를 압축하는 방식으로 주형이 작동한다. 적절한 저항은 원자재를 가열하고 연하게 하여 원하는 형태로 변형하고 압축한다. 자재에 과도한 압력을 가하면 타버릴 수 있다. 저항이 너무 작으면 원자재는 압축되지 않고 그냥 다이 구멍을 통과한다. 다이 구멍의 크기를 바꾸거나 점점 가늘어지게 하거나 구멍의 개수를 늘리는 방식으로 저항을 조정한다. 구멍이 클수록, 점점 가늘어지는 정도가 작을수록, 구멍이 많을수록 저항은 작아진다.