바이오 가스란? - 소화기의 종류 및 용도

바이오가스란?

바이오가스는 유기물이 분해되어 나오는 연료가스를 말합니다. 가연성 가스 하수에서 생성되는 메탄과 이산화탄소의 혼합물입니다. 쓰레기 또는 식물 작물의 박테리아 분해, 산소가 없는 녹비 및 분뇨.
산소가 없는 상태에서 유기물을 분해하는 것을 혐기성 소화라고 합니다. 그것은 일반적으로 소화조로 알려진 대형 탱크에서 발생합니다. 소화조 내부의 박테리아는 생물학적 폐기물을 바이오 가스로 전환합니다. 따라서 바이오 가스는 혐기성 박테리아에 의한 혐기성 소화 또는 생분해성 폐기물의 발효에 의해 생성됩니다.
이 재생 가능한 에너지원에는 암모니아, 물, 질소, 황화수소 및 수소의 증거가 있습니다. 수소, 메탄, 일산화탄소로 언급된 가스가 산소와 함께 산화될 때. 이 과정에서 배출되는 에너지는 바이오가스를 연료로 사용할 수 있도록 합니다.

 

바이오가스의 역사

17세기 초 Jan Baptita van Helmont는 부패하는 물질에서 가연성 가스가 발생할 수 있음을 발견했습니다. 1776년까지 알레산드로 볼타 백작은 썩어가는 물질과 가스 사이의 연관성을 결론지었습니다.
1808년 Humphrey Davy 경은 바이오가스의 메탄 흔적을 발견했습니다. 따라서 1859년 뭄바이에서 최초의 소화 공장이 만들어졌습니다. 1895년, 바이오가스는 영국에서 가로등 연료로 사용되었습니다. 마지막으로 미생물학은 과학으로 발전했고 1930년에 이르러서야
Bushwell과 몇몇 다른 과학자들은 메탄 생성을 촉진하는 혐기성 박테리아와 적절한 조건을 발견했습니다. 현대 세계의 점점 더 많은 국가에서 바이오가스에 정교한 시스템을 사용하고 있습니다.

 

왜 바이오가스를 선택하는가?

바이오 가스 공장은 혐기성 소화에 의존하며, 미생물에 의해 폐기물이 소화되어 메탄 가스(바이오 가스)를 생성하는 용해 과정입니다. 폐기물은 생물 비료로 변형되어 직접 밭으로 분리될 수 있습니다. 그리고 바이오가스는 천연가스를 연료로 바꾸어 사용할 수 있습니다.
바이오가스는 낮은 설치 비용과 폐기물의 가용성으로 인해 시골이나 가난한 지역에서 특히 유용할 수 있습니다. pH와 온도와 같은 요인이 가스 생산에 영향을 미치지만 기본적으로 모든 유기 폐기물은 이 과정에서 활용할 수 있습니다.
그것은 제로 배출 공정이라는 사실 때문에 재생 가능한 에너지 대안으로 인용되었습니다. 바이오가스 플랜트는 메탄 배출을 포착하여 온실 효과를 방지하고 대기 중에 순환하는 유해 가스의 수를 제한합니다.
유기성 폐기물을 매립지로 보내는 초기 선형 프로세스에 루프를 추가하고 닫음으로써 혐기성 소화 및 혐기성 소화를 말합니다. 폐기물, 에너지, 지속 가능한 식품 및 영양소 재활용의 문제를 해결할 수 있습니다. "Biogas Association.
또한 바이오가스 생성은 복제 또는 재생산할 수 있는 재생 가능한 천연 재료에 의존하므로 지속 가능한 방법이 됩니다.
바이오가스 생성 과정의 부산물은 생물학적 소화를 풍부하게 하며, 이는 종종 유독하고 유해한 영향을 미치는 화학 비료를 완전히 보충하거나 대체합니다. 대조적으로, 유기 소화는 식물의 성장과 질병에 대한 회복력을 증가시킬 수 있습니다.

 

바이오가스 최종 용도

원료 바이오가스 및 소화물

매우 적은 처리로 바이오가스는 건물을 가열하고 보일러 또는 소화조를 가열하기 위해 현장에서 불을 붙일 수 있습니다. 바이오가스는 열병합 발전(CHP) 작업에 사용할 수 있으며, 바이오가스는 연소 엔진, 연료 전지 또는 가스터빈을 사용하여 전기로 변환되어 현장에서 전기를 사용할 수 있습니다. 또는 전기 그리드에서 판매할 수 있습니다.
소화 과정 후 나머지 영양소가 풍부한 것은 고체 또는 액체입니다. 여기에는 원래 유기 물질에 존재했지만 식물과 토양 제조에 더 쉽게 사용할 수 있는 모든 재활용된 영양소가 포함되어 있습니다.
소화의 구성과 영양소는 소화조에 추가되는 공급원료에 따라 달라집니다. 액체 소화는 비료로 들판에 쉽게 뿌릴 수 있으므로 합성 비료를 구입할 필요가 줄어듭니다.
고형 소화는 최소한의 처리로 가축 침대 또는 퇴비로 사용할 수 있습니다. 최근 바이오가스 업계는 소화 안전과 품질 관리를 보장하기 위해 소화 인증 프로그램을 만드는 조치를 취했습니다.
바이오가스 시스템을 통해 낙농장, 농장 및 산업체는 자체 유기 폐기물을 사용하여 장비와 건물에 전력을 공급함으로써 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 인디애나의 Fair Oaks Dairy는 9,000마리의 젖소에서 나온 퇴비로 매일 120만 입방피트의 바이오가스를 생산합니다.
일부 바이오가스는 CNG로 업데이트되었으며 전기 트레일러를 사용하여 Fair Oaks 가공 공장에 우유를 배달합니다. 연간 150만 갤런의 디젤 연료 사용을 줄입니다.

재생 가능한 천연 가스

재생 가능한 천연 가스(RNG) 또는 바이오메탄은 천연 가스 산업 표준을 충족하도록 정제된 바이오 가스로 이산화탄소, 수증기 및 기타 미량 가스를 제거합니다.
RNG는 기존 천연 가스 그리드(파이프라인 포함)에 주입할 수 있으며 기존 천연 가스와 호환하여 사용할 수 있습니다. 천연 가스(재래식 및 재생 가능)는 미국 전력의 26%를 생산하고 천연 가스의 40%는 전기를 생성하는 데 사용됩니다.
나머지 천연가스는 상업용(난방, 취사) 및 산업용으로 사용됩니다. RNG는 미국에서 사용되는 천연가스의 10%를 대체할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.

압축 천연 가스 및 액화 천연 가스

RNG는 기존 천연가스와 마찬가지로 압축천연가스(CNG)나 액화천연가스(LNG)로 전환돼 차량 연료로 사용할 수 있다. CNG 구동 차량의 연비는 기존 가솔린 차량과 비슷하며 경량에서 대형 차량에 사용할 수 있습니다.
LNG는 고밀도로 인해 장거리를 이동하는 대형 차량에 더 나은 연료가 되지만 생산 및 저장 비용이 모두 비싸기 때문에 CNG로 널리 사용되지 않습니다. 연료 인프라에 가장 많은 투자를 하기 위해서는 CNG와 LNG가 연료 보급을 기반으로 하는 함대 차량에 가장 적합합니다.
국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)는 RNG가 전기 생산에 사용되는 천연 가스의 5%, 차량 연료 생산에 사용되는 천연 가스의 56%를 차지할 수 있다고 추정합니다.

 

다양한 공급원료에서 평균 최대 바이오가스 생산

음식물 쓰레기

매년 전 세계 식량 공급의 약 30%가 손실되거나 낭비됩니다. 2010년에만 미국은 주로 주거용 및 상업용 식품 부문에서 1,330억 파운드(6,650만 톤)의 음식물 쓰레기를 생산했습니다.
이 폐기물을 처리하기 위해 EPA의 식품 회수 계층은 먼저 소스 감소를 우선시한 다음 추가 식품을 사용하여 기아를 해결합니다. 동물 사료 또는 에너지 생산은 우선 순위가 낮습니다. 음식은 최후의 수단으로 매립지로 보내야 합니다.
불행히도 음식물 쓰레기는 미국 매립지의 21%를 차지하며 음식물 쓰레기의 5%만이 토양 개질 또는 비료로 재활용됩니다.
이 폐기물은 대부분 매립지로 보내지며 분해와 함께 메탄을 생성합니다. 매립지가 생성된 바이오가스를 포집할 수 있지만 유기 폐기물 매립은 근원 유기 물질로부터 영양분을 재활용할 기회를 제공하지 않습니다.
2015년에 EPA와 USDA는 2030년까지 매립지로 보내지는 음식물 쓰레기의 양을 50%까지 줄이겠다는 목표를 설정했습니다. 그러나 이 목표를 달성하더라도 재활용해야 하는 추가 식품이 있을 것입니다.
에너지 효율이 중요합니다. 예를 들어 하루에 100톤의 음식물 쓰레기가 발생하는 경우 혐기성 소화는 연간 800~1,400가구에 전력을 공급할 수 있는 충분한 에너지를 생산할 수 있습니다. 식품 서비스 산업에서 발생하는 지방, 오일 및 오일은 혐기성 소화조에서 추가로 결합하여 바이오가스 생산을 증가시킬 수 있습니다.

매립가스

매립지는 미국에서 인간과 관련된 메탄 배출의 세 번째로 큰 저장소입니다.
매립지에는 유기 물질을 분해하여 바이오 가스(이 경우 매립지 가스(LFG))를 형성하는 소화조에 존재하는 혐기성 박테리아가 포함되어 있습니다. LFG가 대기 중으로 빠져나가도록 하는 대신 에너지로 수집하여 사용할 수 있습니다.
현재 미국 전역의 LFG 프로젝트는 매년 약 170억 킬로와트시 전력을 생성하고 980억 입방피트의 LFG 천연 가스 파이프라인을 사용자에게 직접 배포합니다.
참고로 2015년 미국의 평균 가정은 연간 약 10,812kWh의 전기를 사용했습니다.

가축폐기물

1,000파운드의 젖소는 매일 평균 80파운드의 퇴비를 생산합니다. 이 퇴비는 종종 비료가 분해되면서 메탄을 생성할 뿐만 아니라 수로의 추가 영양소에 기여할 수 있기 때문에 심기 전에 보관하기 위해 탱크에 저장됩니다.
2015년에 가축 퇴비 관리는 미국의 모든 메탄 유출물의 약 10%를 제공했지만 가축 폐기물의 3%만이 혐기성 소화기에 의해 재사용되었습니다.
가축 분뇨가 바이오가스를 생산하는 데 사용될 때 혐기성 소화는 온실 가스 배출을 줄이고 악취를 줄이며 퇴비 병원균을 최대 99%까지 줄일 수 있습니다.
그리고 이 EPA는 연간 1,300만 메가와트 이상의 에너지를 생성할 수 있는 8,241개의 가축 바이오가스 시스템의 용량을 추정합니다.

폐수 처리

많은 폐수 처리 시설(WWTP)에는 이미 처리 과정에서 분리되는 하수 슬러지를 처리하기 위해 현장 혐기성 소화가 있습니다. 그러나 많은 WWTP에는 제조한 바이오가스를 사용하기 위한 장비가 없고 대신 연소됩니다.
혐기성 소화조를 사용하는 1,269개의 폐수 처리장 중 약 860개가 바이오 가스를 사용합니다. 매일 500만 갤런을 처리하는 현재 혐기성 소화를 사용하는 모든 시설에 에너지 회수 시설을 설치하면 미국은 연간 이산화탄소 배출량을 230만 미터톤으로 줄일 수 있습니다. 이는 자동차 430,000대의 연간 배출량에 해당합니다.

작물 잔류물

작물 잔류물에는 줄기, 짚, 식물 가지치기가 포함될 수 있습니다. 토양 유기물과 수분을 유지하고 침식을 방지하기 위해 약간의 잔류물이 땅에 남아 있습니다. 그러나 더 높은 작물 수확량은 잔류물의 양을 증가시켰고 이들 중 일부를 제거하는 것은 지속 가능했습니다.
작물 수확량은 작물, 토양 유형 및 기후 요인에 따라 다릅니다. 지속 가능한 작물 비율을 인식하여 미국 에너지부는 현재 건조 톤당 약 6천만 달러의 가격으로 가능한 약 1억 4백만 톤의 작물 잔류물이 있을 것으로 예상합니다.
작물 잔류물은 리그닌 함량이 높아 분해하기 어렵기 때문에 일반적으로 다른 유기성 폐기물과 함께 소화됩니다.

 

바이오가스의 장점

친환경

바이오 가스는 혐기성 소화를 통해 개발되므로 생산에 산소가 필요하지 않습니다. 기술적으로 이것은 연소 형태가 발달하지 않았으므로 온실 가스가 방출되지 않았음을 의미합니다. 따라서 바이오가스는 환경 친화적입니다.

재생 가능한

바이오가스는 재생 가능한 에너지원입니다. 쓰레기, 하수, 농작물 찌꺼기, 거름, 풋거름 등 모든 제품이 사용되며 충분히 확보될 것입니다. 따라서 정기적으로 바이오가스를 생산할 수 있습니다.

토양 오염 감소

바이오가스 생산에 사용되는 모든 제품은 친환경적이며 생분해됩니다. 토양과 혼합하면 퇴비화되고 토양 비옥도가 증가하여 토양 오염이 감소합니다.

낮은 투자

바이오 가스는 매우 저렴한 비용과 투자로 가정에서 개발할 수 있습니다. 사용된 원료는 무료로 얻을 수 있습니다. 개발된 가스는 요리와 발전에 쉽게 사용할 수 있습니다. 바이오 가스를 압축하면 천연 가스를 얻을 수 있고 자동차에 사용할 수 있습니다.

건강한 세대

바이오가스 발생 부산물은 영양분이 풍부한 유기분뇨(소화제)로 활용될 수 있다. 화학 비료의 이상적인 보충제로 사용할 수 있으므로 건강 합병증을 줄일 수 있습니다.

고용

바이오가스 산업은 많은 국가에서 많은 일자리를 창출했습니다. 많은 사람들이 원료 수집과 바이오가스 제조에 고용되었습니다.

건강한 요리 옵션

바이오가스는 건강한 요리 옵션이며 경제적입니다. 특히 시골 지역에서 장작을 수집하는 여성과 어린이를 돕습니다. 가스 스토브에서 요리하는 것은 항상 불에서 요리하는 것보다 훨씬 나은 선택입니다.

수질 개선

혐기성 소화는 병원체와 기생충을 감소시키고 비활성화시킵니다. 이것은 차례로 수질 오염과 수인성 질병을 줄입니다.

화석 연료 사용을 줄입니다

바이오가스의 사용이 증가함에 따라 석유, 석탄, 가스와 같은 화석연료의 사용을 크게 줄일 수 있다. 이는 인도와 중국과 같은 국가에서 바이오가스 플랜트 및 개발에 많은 투자를 했기 때문에 도움이 되었습니다.

 

바이오가스의 단점

불순물 함유

자동차에 사용되는 바이오 연료에는 금속 부품의 부식을 유발할 수 있는 불순물이 포함되어 있습니다. 이것은 차량의 유지 보수 비용을 증가시킵니다. 가정용으로 더 적합합니다.

수요를 충족시킬 수 없음

바이오 가스는 저렴한 비용으로 인해 수요가 많습니다. 그러나 불행히도 기술은 더 이상 요구 사항을 충족할 만큼 많이 생산할 만큼 효율적이지 않습니다. 대부분의 국가에서 정부는 이러한 바이오가스 플랜트에 많은 투자를 하지 않습니다.

모든 영역에 적합하지 않음

바이오 가스는 원료 요소를 많이 사용할 수 있는 지역에서 사용할 수 있습니다. 대부분 농촌 지역에서 풍부하게 구할 수 있습니다. 따라서 농촌 지역에 바이오 가스 플랜트를 건설하는 것이 실용적입니다.

경제적으로 매력적이지 않음

사용된 원료를 저렴하게 구할 수 있어 경제적으로 매력적이지 못하다.

날씨 영향

대부분의 재생 가능한 에너지원과 마찬가지로 바이오가스에도 온도 효과가 있습니다. 더운 기후는 박테리아가 기능하기에 이상적인 조건입니다. 따라서 기후가 추운 지역에서는 바이오 가스를 구축하기가 어렵습니다.

 

혐기성 소화의 생화학적 과정

 

1. 가수분해

이 단계에서 유기화합물은 미생물이 쉽게 사용할 수 있도록 단순한 형태로 환원된다. 가수분해 속도는 유기물 크기, 표면적, 크기 및 바이오매스와 같은 요인에 따라 다릅니다.
바이오매스는 일반적으로 큰 유기 고분자 단백질, 지방 및 탄수화물을 포함합니다. 이들은 아미노산, 지방산 및 단순당과 같은 작은 분자로 분해됩니다.
이것은 혐기성 발효에 필요한 첫 번째 단계입니다. 발효 박테리아는 복잡한 유기물을 가용성 분자로 가수분해합니다. 수소와 아세테이트를 포함한 일부 가수분해 생성물은 나중에 혐기성 소화 과정에서 메탄 생성 물질에 의해 사용될 수 있습니다.
여전히 상대적으로 큰 대부분의 분자는 산성화 과정에서 더 분해되어야 합니다. 그들이 메탄을 생산하는 데 사용할 수 있도록.

2. 산 생성

산 생성은 산 생성 미생물이 가수 분해 후 바이오 매스 및 유기 생성물을 분해하는 혐기성 소화의 다음 단계입니다.
이러한 발효세균은 암모니아, 메탄, 이산화탄소, 황화수소, 저휘발성 지방산, 유기산 및 기타 부산물의 양을 검출하여 소화조 내 산성 환경을 조성합니다.
생성되는 주요 산은 아세트산, 프로피온산, 부티르산 등입니다.

3. 아세트산 생성

일반적으로 초산 생성은 초산 생성에 의한 탄소 및 에너지원에서 초산의 유도체인 초산 생성입니다. 이 미생물은 산성에서 아세트산, 이산화탄소 및 메탄으로 제조된 많은 제품을 촉매합니다.
아세토겐은 바이오매스를 일정 수준까지 분해하여 메탄이 메탄을 만들기 위해 남은 물질을 더 많이 사용할 수 있도록 합니다.

4. 메탄생성

메탄생성은 메탄생성물질이 가수분해 및 산생성의 일부 중간 생성물뿐만 아니라 초산생성의 최종 생성물로부터 메탄을 형성하는 혐기성 소화의 최종 단계를 구성합니다.
아세트산 및 이산화탄소의 사용과 관련된 두 가지 주요 제품은 메탄을 생성하기 위한 혐기성 소화의 처음 세 단계의 두 가지 주요 제품입니다.
이산화탄소는 반응을 통해 메탄과 물로 전환될 수 있지만 메탄 생성에서 메탄 생성의 주요 메커니즘은 아세트산을 포함하는 경로입니다.
이 단계에서 혐기성 소화의 두 가지 주요 생성물인 메탄과 이산화탄소가 생성됩니다.

 

바이오 가스 소화기의 유형

1. 고정형 돔 바이오가스 플랜트

고정형 돔 플랜트는 고정식 소화조와 고정식 소화조가 결합된 고정식 소화조로, 소화조 상단에 배치되거나 소화조 상단의 공간에 수집된 가스가 고정됩니다.
가스 생산이 시작되면 슬러리가 보상 탱크로 옮겨집니다. 가스의 양은 소화조의 슬러리 레벨과 보상 탱크의 슬러리 레벨 중 가스의 양과 높이 사이에서 증가합니다.
고정형 돔 바이오가스 플랜트의 가격은 비교적 저렴합니다.
플랜트는 가동부가 없고 녹슨 강철 부품이 없고 예상보다 플랜트 수명이 20년 이상 길기 때문에 간단합니다. 소화조는 물리적 손상으로부터 보호하고 공간을 절약하기 위해 지하에 건설됩니다.
덮개가 있는 소화조는 밤과 추운 기후의 저온으로부터 보호되지만 햇빛과 따뜻한 날씨는 소화조를 계속 가열합니다. 소화조의 주야간 온도 변동은 세균 과정에 긍정적인 영향을 미치지 않습니다.
고정 돔 플랜트의 건설은 노동 집약적이므로 지역 고용을 창출합니다. 고정 돔 식물은 건설하기 쉽지 않습니다.
경험이 풍부한 바이오가스 기술자가 건설을 모니터링할 수 있는 곳에서만 만들어야 합니다. 그렇지 않으면 식물이 기밀하지 않을 수 있습니다(구멍 및 균열).

2. 플로팅 돔 바이오가스 플랜트

플로팅 돔 플랜트에는 지하 소화조(원통형 또는 돔형)와 움직이는 가스 홀더가 있습니다. 가스 홀더는 발효 용액 위에 떠 있습니다.
가스는 저장 된 가스의 양에 따라 위아래로 올라가는 돔을 수집했습니다. 가스 돔은 가이드 프레임에 의해 구부러지는 것을 방지합니다. 돔의 위치는 가스의 사용 가능한 부피/압력을 나타냅니다.
건설은 비교적 쉽습니다. 그러나 강철 돔은 비용이 더 많이 들고 또한 강철 부품은 부식되기 쉽습니다. 플로팅 돔 식물은 고정 돔 식물보다 수명이 짧습니다. 또한 돔 페인팅에는 정기적인 유지 관리 비용이 발생합니다.
저가형 고정 돔 중국 모델이 시작된 이후로 플로팅 돔 플랜트는 구식이 되고 있습니다. 플로팅 돔 플랜트의 높은 투자 및 유지 관리 비용 외에도 몇 가지 설계 약점이 있습니다.

3. 풍선 공장

고무백이나 풍선으로 구성되어 있으며 소화조와 가스홀더를 혼합합니다. 고무 가방의 피부에 대한 입력 및 출력 연결.

결론

바이오가스 시스템은 폐기물 관리 비용을 미국 농장, 낙농업 및 산업을 위한 수익 기회로 전환합니다.
폐기물을 전기, 열 또는 차량 연료로 변환하면 수입 석유에 대한 의존도를 줄이고 온실 가스 배출을 줄이며 환경 품질을 향상하고 지역화를 통해 일자리를 늘릴 수 있는 재생 가능한 에너지원을 제공합니다.
바이오가스 시스템은 식품 공급에서 영양소를 재사용할 수 있는 기회를 제공하여 석유화학 비료와 광산 비료의 필요성을 줄입니다.
바이오가스 시스템은 많은 문제를 해결하고 수익원을 포함한 많은 이점을 제공하는 폐기물 관리 솔루션입니다.
미국은 현재 13,500개의 새로운 바이오가스 시스템을 추가하여 335,000개 이상의 건설 작업과 23,000개의 영구 일자리를 제공할 능력이 있습니다. 그러나 잠재력을 최대한 발휘하려면 업계에서 지속적인 정책 지원이 필요합니다.
Farm Bill Energy Title 프로그램과 강력한 재생 가능 연료 표준에 대한 신뢰할 수 있는 자금 조달은 바이오가스 산업에 대한 투자와 혁신을 장려합니다. 미국이 연료 공급을 늘리고 기후 변화에 대응하기를 기대한다면 바이오가스의 많은 이점을 충분히 고려해야 합니다.