표제지 1
목차 4
I. 서론 18
II. 고성능 임업기계 기반 산림바이오매스의 저비용 생산 고도화 기술 개발 24
1. 고성능 임업기계를 활용한 경사지 수확작업의 산림바이오매스 생산성 향상 기술 개발 24
1.1. 간벌수확시스템 24
1.2. 모두베기수확시스템 40
1.3. 목재에너지림 수확시스템 43
2. 차량계 고성능 임업기계의 급경사지 주행보조윈치 시스템 및 원격제어 기술 개발 46
2.1. 차량계 고성능 임업기계의 급경사지 주행보조윈치 시스템 기술 개발 47
2.2. 차량계 고성능 임업기계의 원격제어 기술 개발 57
3. 가선계 임업기계의 자동화 데이터 수집시스템 및 반송기 자율 주행 기술 개발 80
3.1. 가선계 임업기계의 집재거리 및 횡집재거리 자동화 데이터 수집시스템 개발 및 성능평가 80
3.2. 가선계 임업기계의 반송기를 활용한 자율주행과 위치제어시스템 개발 및 성능평가 82
III. 산림바이오매스의 고부가가치화 및 공급 체인 최적화 기술 개발 88
1. 산림바이오매스의 경제적 활용을 위한 운송시스템 최적화 기술 개발 88
1.1. 산림바이오매스 파쇄가공 및 운송작업 비용 분석 88
1.2. 산림바이오매스 압축가공 및 운송작업 비용 분석 89
1.3. 산림바이오매스 운송차량을 이용한 가공형태별(미가공 및 압축가공) 운송시스템 비용 비교 분석 90
1.4. 목재에너지림의 가공형태별(압축가공 및 목재칩) 운송시스템 비용 비교 분석 93
2. 산림바이오매스의 고부가가치화 가공 및 저장 기술 개발 95
2.1. 산림바이오매스 가공형태별 건조 특성 분석 95
2.2. 산림바이오매스 고부가가치화를 위한 목재칩의 저장기술 특성 평가 103
2.3. 산림바이오매스 고부가가치화를 위한 목재칩의 연소 특성 평가 114
3. 주요 수종의 목재수확작업 시스템별 산림바이오매스 발생 특성 129
3.1. 생산과정에서의 부산물 이용가능량 조사 분석 129
3.2. 목재에너지림 산림바이오매스 이용가능량 분석 129
3.3. 목재수확 작업에서의 벌채부산물 이용가능량 분석 130
IV. 산림바이오매스 저비용 생산 및 공급체계의 현장 적용성 평가 134
1. 고성능 임업기계 기반의 산림바이오매스 저비용 생산 및 공급 시스템의 실증 134
1.1. 산림바이오매스 생산 및 공급시스템 생산성 예측 모델 개발 134
1.2. 산림바이오매스 생산 및 공급시스템 실증 136
2. 지역특성을 고려한 적정 산림바이오매스 에너지 시설규모 산정기법 개발 137
2.1. 산림바이오매스 클러스터별 잠재량 산출 137
2.2. 화천군 열에너지 이용시설 운영현황 139
2.3. 에너지 이용시설 규모별 경제성분석 142
3. 산림바이오매스 생산·공급 의사결정 지원 프로그램 개발 150
3.1. 산림탄소순환마을 산림바이오매스 생산 및 공급 의사결정 지원 프로그램 개발 150
3.2. 임황 및 지황조건에 맞는 산림바이오매스 생산 및 공급시스템 선정 154
3.3. 산림바이오매스 생산 및 공급 의사결정 지원 프로그램 개발 163
V. 결론 170
VI. 참고문헌 176
국립산림과학원 연구보고 목록 179
판권기 191
뒷표지 193
표 1. 간벌 수확 연구대상지 개요 26
표 2. 정성과 열식간벌작업시스템의 따른 잔존목 피해 조사인자 31
표 3. 열식간벌 전목수확시스템의 생산성 및 비용분석 32
표 4. 국내 숲가꾸기 집재 작업과 본 연구에서의 집재 및 소운반작성 생산성·비용 분석 32
표 5. 열식간벌작업시스템의 작업생산성 및 비용 33
표 6. 간벌작업시스템별 작업생산성 및 비용 34
표 7. 기계화 열식간벌작업의 생산성 및 비용 35
표 8. 기계화 간벌방법에 따른 생산·운송시스템 비용 36
표 9. 정량 및 열식간벌작업별 잔존목 피해 특성 37
표 10. 정량, 열식+정량 및 대상간벌작업의 잔존목 피해 특성 38
표 11. 하베스터+포워더형 열식간벌작업의 잔존목 피해 특성 39
표 12. 모두베기 수확 연구대상지 개요 40
표 13. 고성능 임업기계를 활용한 단목수확시스템의 생산성 및 비용 42
표 14. 고성능 임업기계를 활용한 단목수확시스템의 생산성 및 비용 분석 42
표 15. 목재에너지림 수확 연구대상지 개요 44
표 16. 목재에너지림 수확작업 시스템별 생산성 및 비용 45
표 17. 시뮬레이터의 급경사지 주행보조윈치 및 작업지 제어 항목 49
표 18. 경사에 따른 시뮬레이터의 주행보조윈치시스템 제어 특성 분석 결과 55
표 19. 거리별 무선 영상전송 시스템 성능시험 결과 58
표 20. 거리별 무선 CAN 통신 시스템 성능시험 결과 58
표 21. 거리별 CAN message 및 영상전송 지연시간 측정 결과 59
표 22. CAN 제어신호 지연시간 및 손실률 결과 59
표 23. 영상신호 지연시간 및 손실률 결과 59
표 24. 궤도식 임업용 베이스머신 거리별 주행제어 성능시험 결과 60
표 25. Client 장치 로밍 성능시험 결과 61
표 26. AP 장치와 Client 장치 간의 수신감도별 평균 지연시간, 손실률 분석 62
표 27. 메시 와이파이 통신 시스템 성능 분석 64
표 28. 영상처리 유무에 따른 작업자별 상차작업 생산성의 통계분석(t-검정) 65
표 29. 1번 모니터 영상 송·수신 개수 별 지연시간 측정결과 68
표 30. 2번 모니터 영상 송·수신 개수 별 지연시간 측정결과 69
표 31. 3번 모니터 영상 송·수신 개수 별 지연시간 측정결과 69
표 32. 4번 모니터 영상 송·수신 개수 별 지연시간 측정결과 70
표 33. 반송기 자율주행 효과 분석을 위한 요소작업 세분화 정의 83
표 34. 산림바이오매스 목재칩의 임도 및 공도 운송 시험 89
표 35. 산림바이오매스 목재칩 운송작업 생산성 및 비용분석 89
표 36. 세렉스(4WD 트럭) 운반차의 산림바이오매스 운송 생산성 및 비용 90
표 37. 산림바이오매스 상차·소운반, 파쇄 및 운송작업 생산성 및 비용 92
표 38. 산림바이오매스 운송차량을 이용한 가공형태별(미가공 및 압축가공) 운송시스템 비용 비교·분석 93
표 39. 목재에너지림 산림바이오매스 가공 및 운송시스템 작업비용 94
표 40. 산림바이오매스 형태별 건조 변화량 추정 모델식 97
표 41. 산림바이오매스 형태별 시험 데이터를 이용한 추정 모델식 검증 97
표 42. 산림바이오매스 형태별 최종 건조 변화량 예측 모델식 개발 97
표 43. 산림바이오매스 형태별 측정 및 예측 평균 함수율의 비교 분석 98
표 44. 수종별 산림바이오매스의 함수율 변화량 1차 예측모델식 99
표 45. 수종별 산림바이오매스의 추정 모델식 검증 100
표 46. 수종별 산림바이오매스의 함수율 변화량 최종 예측모델식 100
표 47. 목재에너지림 산림바이오매스의 함수율 변화량 1차 예측 모델식 101
표 48. 목재에너지림 산림바이오매스의 1차 예측 모델식 검증 101
표 49. 목재에너지림 산림바이오매스의 최종 함수율 변화 예측 모델식 102
표 50. 공시재료의 벌채 및 파쇄일자 106
표 51. 산림바이오매스 목재칩의 물리적 및 화학적 특성 평가 108
표 52. 목재칩 입도분포 비율 109
표 53. 공시재료의 벌채, 파쇄, 선별일자 110
표 54. 수확방법 및 선별 유무에 따른 산림바이오매스 목재칩의 물리적 및 화학적 특성 평가(국내기준) 111
표 55. 수확방법 및 선별 유무에 따른 산림바이오매스 목재칩의 물리적 및 화학적 특성 평가(국제표준) 112
표 56. 수확방법 및 선별 유무에 따른 산림바이오매스 목재칩의 입도분포 비율 113
표 57. 산림바이오매스 수집방법별(단목, 전목) 선별 전·후의 목재칩 공업 및 원소분석 114
표 58. 산림바이오매스 수집방법별(단목, 전목) 선별 전·후의 목재칩 연료소비량 116
표 59. 산림바이오매스 수집방법별(단목, 전목) 선별 전·후의 목재칩 배기가스 특성 분석 116
표 60. 산림바이오매스 수집방법별(단목, 전목) 선별 전·후의 목재칩 미연분 및 재 발생량 분석 118
표 61. 산업용 목재칩 보일러 제원(20만 Kcal/h) 121
표 62. 연소 당시 목재칩 함수율, 기온 및 상대습도 122
표 63. 수종 및 수확방법에 따른 재 발생량 및 클링커 비율 125
표 64. 수종 및 수확방법에 따른 연소 후 재의 화학적 특성 126
표 65. 수종 및 수확방법에 따른 목재칩의 슬래깅, 파울링, 알칼리 지수 127
표 66. 수종 및 수확방법에 따른 초미세먼지 발생량 128
표 67. 지면끌기 집재작업에 따른 부산물 이용가능량 조사 129
표 68. 작업종별 벌채부산물 발생 추정량 및 생산량 131
표 69. 산림바이오매스 생산·공급시스템 생산성 예측모델식 및 작업비용 134
표 70. 산림바이오매스 운송작업비용 예측모델 실증 136
표 71. 산림바이오매스 생산·공급시스템 구분 및 정의 136
표 72. 수종별 임분재적 138
표 73. 수종별 목재기본밀도, 바이오매스확장계수, 뿌리함량비, 벌기령, 조재율 138
표 74. 산림바이오매스 잠재량, 공급가능량, 연간 공급가능량 139
표 75. 산림바이오매스센터 이용가구수 증가에 따른 판매수입 140
표 76. 화천군 열에너지 이용시설 에너지효율 141
표 77. 화천군 이용가구형태 구분 141
표 78. 화천군 가구수 및 평균기온을 이용한 세대별 에너지이용량 예측모델 142
표 79. 화천군 열에너지 이용시설 투입비용 및 수입비용 144
표 80. 화천군 열에너지 이용시설 시나리오별 수익비용 분석 144
표 81. 에너지 이용시설별 경제성 분석 조건 145
표 82. 에너지 이용시설별 경제성 분석 147
표 83. 에너지 이용률 및 연료 요구량 변화에 따른 이용시설별 경제성 분석 148
표 84. 에너지 이용률 및 연료 요구량 변화에 따른 이용시설별 경제성 분석 149
표 85. 산림바이오매스 가공형태별 생산·공급시스템 비용 예측 모델식 153
표 86. 산림탄소순환마을 원료 공급 대상지의 구역별 경사분포 분석 결과 160
그림 1. 벌채목적별 미이용 산림바이오매스 증명 현황 19
그림 2. 연구대상지 간벌작업 패턴 25
그림 3. 어골형 열식간벌작업시스템 개요 27
그림 4. 정량간벌작업(트랙터윈치)시스템 개요 28
그림 5. 열식(상향)간벌작업시스템 개요 28
그림 6. 열식(하향)간벌작업시스템 개요 28
그림 7. 정량간벌작업(굴삭기 우드그랩)시스템 개요 29
그림 8. 열식+정량간벌작업시스템 개요 29
그림 9. 대상간벌작업시스템 개요 29
그림 10. 주벌용 및 간벌용 하베스터+포워더시스템 개요 30
그림 11. 정량 및 열식간벌작업의 잔존목 피해 분포 37
그림 12. 정량, 열식+정량 및 대상간벌작업의 잔존목 피해 분포 38
그림 13. 하베스터+포워더형 열식간벌작업의 잔존목 피해 분포 39
그림 14. 모두베기 연구대상지 작업계획 40
그림 15. 차량계 고성능임업기계를 이용한 단목수확시스템 개요 41
그림 16. 모두베기 및 열식간벌작업 생산비용 비교 43
그림 17. 연구대상지(새만금 목재에너지림) 43
그림 18. 기계화 및 인력에 의한 목재에너지림 수확시스템 개요 44
그림 19. 급경사지 주행 및 주행보조윈치의 개념도 47
그림 20. 급경사지 주행보조윈치 시뮬레이터의 설계 및 제작 48
그림 21. 시뮬레이터의 원격제어 무선 송·수신 시스템 구축 49
그림 22. 시뮬레이터의 급경사지 주행 및 주행보조윈치 시스템 제어흐름도 50
그림 23. 베이스머신 실차의 전자식 유압시스템 개념도 51
그림 24. 주행보조윈치 시스템을 위한 유압회로도 설계 52
그림 25. 급경사지 주행보조윈치 시스템의 개발 52
그림 26. 무인형 임업기계 베이스머신의 자유선체도 53
그림 27. 베이스머신 실차 및 시뮬레이터의 견인력과 등판한계 분석 54
그림 28. 주행보조윈치 시스템의 유압회로 구성 54
그림 29. 경사에 따른 시뮬레이터의 주행보조윈치시스템 제어 성능시험 55
그림 30. 경사에 따른 시뮬레이터 주행보조윈치시스템의 장력 변화 56
그림 31. 경사에 따른 베이스머신 실차의 주행보조윈치시스템 제어성능 시험 56
그림 32. 경사에 따른 베이스머신 실차 주행보조윈치시스템의 장력 변화 57
그림 33. 궤도식 임업용 베이스머신 거리별 주행제어 성능 시험 60
그림 34. 와이파이 Client 장치 로밍 성능시험 모습 61
그림 35. AP 장치 최적 설치 조건을 선정 시험 62
그림 36. 메시 와이파이 통신 성능시험 모습 63
그림 37. 영상처리 및 작업자별 상차작업 조사 64
그림 38. 동일한 시험을 위한 조건 설정 65
그림 39. 작업자별 영상처리에 따른 작업생산성 분석 결과 66
그림 40. 다채널 카메라 영상 및 음성 무선 송·수신 시스템 구성도 67
그림 41. 모니터 개수 별 무선영상 송·수신 지연시간 측정 모습 68
그림 42. 카메라의 성능 개선 70
그림 43. 개선된 카메라의 작업자별 영상처리에 따른 작업생산성 분석 71
그림 44. 기존 카메라 및 개선된 카메라의 작업자별 영상처리에 따른 작업생산성 분석 72
그림 45. 사람의 시야각을 고려한 카메라의 화각 측정 조사 72
그림 46. 사람의 시야각을 고려한 카메라의 화각 측정 분석 73
그림 47. 실제와 원격 스테이션 작업 생산성 조사를 위한 환경 구축 73
그림 48. 실제와 원격 스테이션 작업의 전목 벌도 및 전목 집재작업 73
그림 49. 그래플 쏘에 의한 전목 벌도 요소작업별 작업시간 분석 74
그림 50. 클램벙크 스키더에 의한 전목 집재 요소작업별 작업시간 분석 75
그림 51. 작업기 원격 스위칭 제어 기술 개념도 76
그림 52. 외부 무인장비 영상신호 스위칭 기술 모식도 76
그림 53. 외부 무인장비 제어신호 스위칭 기술 모식도 77
그림 54. 기존 및 성능개선 된 제어시스템 구성 환경 77
그림 55. 기존 블루투스 방식의 제어시스템 지연시간 특성 조사 78
그림 56. 성능개선 된 CAN기반 Wi-Fi 제어시스템의 지연시간 특성 조사 78
그림 57. 기존 및 성능 개선된 제어시스템의 압축결속작업 79
그림 58. 집재작업의 집재거리 및 횡집재거리 데이터 수집시스템 개발 80
그림 59. 집재거리 및 횡집재거리 자동화 데이터 수집시스템의 모식도 81
그림 60. 집재거리 및 횡집재거리의 요소작업에 따른 분석 결과 81
그림 61. 반송기 자율주행 및 위치제어시스템의 구축 82
그림 62. 반송기 자율주행 효과를 위한 집재작업의 요소작업 세분화 정의 모식도 83
그림 63. 가선계 집재작업에서 반송기 자율주행 적용시 작업시간 개선 효과 분석 84
그림 64. 산림바이오매스 목재칩 운송 시험 장치 88
그림 65. 3톤 화물트럭(세렉스, 4WD) 번들 운송작업 89
그림 66. 산림바이오매스 가공형태별 운송시스템 91
그림 67. 산림바이오매스 형태별 건조 중량 시험 장치 96
그림 68. 산림바이오매스 가공형태별 건조 중량 시험 96
그림 69. 산림바이오매스 형태별 건조 변화량 98
그림 70. 수종별 산림바이오매스의 함수율 변화량 측정 시험 99
그림 71. 목재에너지림 산림바이오매스의 함수율 변화량 측정 시험 100
그림 72. 목재에너지림 산림바이오매스의 함수율 변화량 측정 시험 결과 101
그림 73. 목재에너지림 산림바이오매스의 함수율 변화량 예측 결과 102
그림 74. 목재칩 저장 시설 103
그림 75. 저장 시험 기간 기상조건(기온 및 습도) 104
그림 76. 단목 및 전목 수확 산림바이오매스 저장 초기 및 종료 시 함수율 104
그림 77. 목재칩 더미 위치별 함수율 변화 105
그림 78. 저장기간에 따른 목재칩 더미 함수율 변화 106
그림 79. 목재칩의 물리적 및 화학적 특성 조사 흐름도 107
그림 80. 수종에 따른 목재칩의 입도분포 109
그림 81. 수확방법 및 선별 유무에 따른 산림바이오매스 목재칩의 입도분포 113
그림 82. 7만 Kcal/h 목재칩 보일러 115
그림 83. 연소가스 및 연료소비량 측정 장치 115
그림 84. 산림바이오매스 수집방법별 단목 선별 전·후의 목재칩 연소가스 분석 117
그림 85. 산림바이오매스 수집방법별 전목 선별 전·후의 목재칩 연소가스 분석 117
그림 86. 수확시스템에 따른 일산화탄소(CO) 농도 분석 119
그림 87. 수확시스템에 따른 일산화탄소(NOₓ) 농도 분석 120
그림 88. 수확시스템에 따른 클링커 및 재발생량 비율 120
그림 89. 산업용 목재칩 보일러(200,000Kcal/hr급) 연소 시스템 122
그림 90. 수종 및 수확방법에 따른 일산화탄소 농도 분석(200,000kcal/h급 산업용 보일러) 123
그림 91. 수종 및 수확방법에 따른 질소산화물 농도 분석(200,000kcal/h급 산업용 보일러) 123
그림 92. 연소실 온도에 따른 질소산화물 농도 변화(200,000kcal/h급 산업용 보일러) 124
그림 93. 수종 및 수확방법에 따른 열효율 분석(200,000kcal/h급 산업용 보일러) 125
그림 94. 미세먼지 시료채취장치 모식도 127
그림 95. 보일러 연통 내 설치된 미세먼지 시료채취장치 128
그림 96. 산림바이오매스 발생특성 조사 방법 129
그림 97. 목재에너지림 산림바이오매스 산물 가공 및 운송체계 130
그림 98. 열식간벌 전목수확작업에서의 임내 잔존 벌채부산물 조사방법 모식도 130
그림 99. 산림바이오매스 생산·공급시스템 예측비용 137
그림 100. 화천군 산림바이오매스 잠재량 139
그림 101. 화천 산림바이오매스 열에너지 이용시설 현황 140
그림 102. 화천군 평균기온에 따른 이용가구형태별 에너지이용 특성 142
그림 103. 산림바이오매스 에너지 이용시설 145
그림 104. 화천군 경사맵 150
그림 105. 화천군 산림바이오매스 생산시스템 151
그림 106. 목재수확시스템에 따른 적용 임업기계 151
그림 107. 소반별 최적 소운반거리 및 운송거리 분석 152
그림 108. 목재 및 산림바이오매스의 생산 단계와 경사별 적용 장비 개념도 154
그림 109. 목재 및 산림바이오매스 생산 임업기계의 선정 기준(벌도 및 조재작업) 155
그림 110. 목재 및 산림바이오매스 생산 임업기계의 선정 기준(집재작업) 156
그림 111. 경제성과 환경을 고려한 목재 및 산림바이오매스 생산 장비의 선정(0-35%) 157
그림 112. 경제성과 환경을 고려한 목재 및 산림바이오매스 생산 장비의 선정(35-50%) 158
그림 113. 경제성과 환경을 고려한 목재 및 산림바이오매스 생산 장비의 선정(50-70%) 159
그림 114. 산림탄소순환마을(화천군) 경사맵 구축 160
그림 115. 산림바이오매스 생산 및 공급 의사결정 지원 프로그램의 흐름도 161
그림 116. 산림바이오매스 공급 비용 예측 모델 162
그림 117. 목재수확을 위한 현장 매목조사 집계표 163
그림 118. 개발된 산림바이오매스 목재칩 생산 비용 예측 프로그램의 기본자료 입력시트 164
그림 119. 개발된 산림바이오매스 목재칩 생산 비용 예측 프로그램의 기계비용 계산시트 165