[표지] 1
제출문 2
요약문 3
SUMMARY 5
CONTENTS 7
목차 10
제1장 서론 23
제1절 Biochar 23
제2절 Biochar의 활용 24
1. 토양 질 개선 24
2. 흡착에 의한 오염 물질 제거 29
3. Biochar를 이용한 촉매 38
4. Biochar 기반 기능성 탄소 재료 39
제3절 Biochar에 의한 탄소 저장 40
제4절 Biochar 프로젝트와 실증 연구 45
제2장 Biochar의 생산 및 시장 동향 54
제1절 Biochar 생산을 위한 feedstock과 pre-treatment 54
제2절 일반적인 biochar 생산 60
제3절 Biochar 생산 공정 63
제4절 열분해 온도에 따른 biochar 성질 68
제5절 Biochar 생산 기술 동향 74
1. Biochar 산업 전반 74
2. 미국의 biochar 산업 76
3. 중국의 biochar 산업 79
4. EU의 biochar 산업 81
5. 호주의 biochar 산업 84
6. 아시아의 biochar 산업 85
7. 한국의 biochar 산업 87
제6절 Biochar 시장 89
제7절 Advanced pyrolysis technology 90
제3장 Biochar 생산을 위한 F-COMB 장치 제작 92
제1절 Counter flOw Multi Baffle (COMB) 기술 92
제2절 Flexible COMB 설계 99
1. 2019. 12. 11 미팅 노트 99
2. 2019. 12. 27 미팅 노트 101
3. 2020. 2. 5 미팅 노트 102
4. 2020. 2. 17 미팅 노트 104
5. 2020. 4. 7 미팅 노트 106
6. 2020. 6. 9 미팅 노트 107
7. 2020. 7. 15 미팅 노트 111
8. 2020. 7. 27 미팅 노트 112
9. 2020. 7. 30 미팅 노트 113
10. 2020. 8. 20 미팅 노트 114
11. 2020. 9. 17 미팅 노트 116
12. 2020. 9. 24 미팅 노트 116
13. 설계 도면 117
14. Scale-up Potential of COMB 119
제3절 Flexible COMB 제작 및 설치 120
제4절 Flexible COMB 설비 보완 124
제4장 F-COMB 장치를 이용한 biochar 제조 129
제1절 Cold mode 테스트 129
1. 본 과제의 feedstock 129
2. Fan calibration 130
3. 1차 테스트 (2020. 4. 17 & 4. 21) 131
4. 2차 테스트 (2020. 6. 5) 132
5. 3차 테스트 (2020. 6. 16) 133
6. 4차 테스트 (2020. 6. 23) 135
7. 5차 테스트 (2020. 11. 16) 136
8. 6차 테스트 (2020. 12. 2) 137
제2절 F-COMB 테스트 at 원주 141
1. F-COMB 단동 테스트 및 보완 (2020. 10. 15) 141
2. F-COMB 단동 테스트 및 보완 (2020. 10. 28 ) 141
3. F-COMB 단동 테스트 및 보완 (2020. 11. 4) 144
4. F-COMB feeder, ID fan calibration (2020. 11. 6) 146
5. F-COMB 단열과 보일러 승온 확인 (2020. 11. 11) 148
6. Cold mode COMB calibration & 중간 점검 (2020. 11. 12) 151
7. F-COMB calibration & biochar 시험 생산 (2020. 11. 17-18) 154
8. F-COMB biochar 시험 생산 (2020. 11. 23-24) 169
9. F-COMB biochar 시험 생산 (2020. 12. 1) 198
10. F-COMB biochar 시험 생산 (2020. 12. 3) 216
11. F-COMB biochar 시험 생산 (2020. 12. 11-15) 220
제5장 Biochar의 토양 개량 성능 평가 225
제1절 Biochar의 제조 225
제2절 제조된 biochar의 분석 227
제3절 제조된 biochar의 토양 개량 평가 (Sengon) 231
제6장 Biochar 비즈니스 계획 및 결과 요약 241
제1절 Biochar 비즈니스 241
1. Biochar 비즈니스 모델 241
2. Biochar 시장 개요 242
3. 한울의 사업화 추진 동기 및 계획 248
제2절 Biochar 비즈니스를 위한 인도네시아 network 255
제3절 요약 258
Appendix 259
[뒷표지] 260
〈표 1-1〉 Biochar가 퇴비화에 미치는 영향 28
〈표 1-2〉 Biochar에 의한 수용액 내 중금속 흡착 30
〈표 1-3〉 Biochar에 의한 수용액 내 중금속 흡착 31
〈표 1-4〉 Biochar에 의한 토양 내 중금속 안정화 32
〈표 1-5〉 Biochar의 토양/물 적용 시 중금속 흡착 성능 33
〈표 1-6〉 Biochar에 의한 수용액 내 유기물 흡착 34
〈표 1-7〉 Biochar에 의한 토양 내 유기물 흡착 34
〈표 1-8〉 서로 다른 biochar의 toluene 흡착 성능 비교 35
〈표 1-9〉 Engineered biochar의 CO₂ 흡착 36
〈표 1-10〉 Biochar에 의한 tar 제거 성능 비교 38
〈표 1-11〉 Biochar 촉매를 이용한 biodiesel 생산 38
〈표 2-1〉 Feedstock 종류에 따른 biochar의 원소 조성 변화 55
〈표 2-2〉 국내 잠재적 biochar feedstock 59
〈표 2-3〉 대표적인 Biochar 생산 공정 60
〈표 2-4〉 다양한 바이오매스에 대한 lignocellulosic 조성 61
〈표 2-5〉 Biochar 반응기의 장점과 단점 정리 65
〈표 2-6〉 2015년 기준 IBI에 등록된 biochar 생산업체 수 75
〈표 2-7〉 EU biochar certificate (EBC) 81
〈표 2-8〉 Advanced pyrolysis 기술들의 장단점 비교 91
〈표 3-1〉 F-COMB 설계 회의 내용 요약 99
〈표 3-2〉 Flexible COMB 제작 및 설치 주요 내용 120
〈표 4-1〉 Cold mode COMB column에 연결된 Fan의 유량 보정 130
〈표 4-2〉 유량과 gap변화에 따른 loss 비교 132
〈표 4-3〉 BWC의 무게와 유량에 따른 유동성 평가 136
〈표 4-4〉 IWP의 무게와 유량에 따른 유동성 평가 137
〈표 4-5〉 Idemitsu wood pellet(IWP)의 유동성 평가, S2(하단)에 시료 loading 138
〈표 4-6〉 300 g의 IWP의 유동성 평가, S2(하단)에 시료 loading 139
〈표 4-7〉 500 g의 IWP의 유동성 평가, S1(상단)에 시료 loading 139
〈표 4-8〉 500 g의 IWP의 유동성 평가, S2(하단)에 시료 loading 140
〈표 4-9〉 200 g의 BWC의 유동성 평가, S1(상단)에 시료 loading 140
〈표 4-10〉 200 g의 BWC의 유동성 평가, S2(하단)에 시료 loading 140
〈표 4-11〉 IWP 대상 feeder calibration 결과 146
〈표 4-12〉 BWC 대상 feeder calibration 결과 147
〈표 4-13〉 버너에 의한 온도 변화 149
〈표 4-14〉 유량계 측정값 150
〈표 4-15〉 Cold mode fan과 유량 보정 151
〈표 4-16〉 Cold mode에서의 IWP, BWC 최적 유동 유량 151
〈표 4-17〉 유량 보정 154
〈표 4-18〉 350 ℃에서의 유량 calibration 155
〈표 4-19〉 시스템의 산소 농도 156
〈표 4-20〉 Biochar 생산 list 194
〈표 4-21〉 Raw IWP와 #6, #7의 공업분석, 원소분석, BET 분석 194
〈표 4-22〉 Biochar 생산에서 온도의 영향 분석 195
〈표 4-23〉 Biochar 생산에서 체류시간의 영향 분석 196
〈표 4-24〉 Biochar 생산에서 체류시간의 영향 분석 at 300 ℃ 196
〈표 4-25〉 Biochar 생산에서 hot gas 유량의 영향 198
〈표 4-26〉 온도 변화 모니터링 200
〈표 4-27〉 유량의 새로운 calibration 216
〈표 4-28〉 Baffle gap에 따른 유량 변화 측정 217
〈표 4-29〉 운전 중 온도 변화 218
〈표 4-30〉 운전 중 온도 변화 222
〈표 5-1〉 한울이 참여한 조림사업지의 잔존목 축적량 225
〈표 5-2〉 UNILA에서 제조한 biochar의 공업분석 결과 228
〈표 5-3〉 UNILA에서 제조한 biochar의 발열량, EDR, EY 결과 228
〈표 5-4〉 UNILA에서 제조한 biochar에 대한 KIER에서 분석한 공업분석, 원소분석 결과 228
〈표 5-5〉 KIER에서 제조한 EFB biochar의 yield 230
〈표 5-6〉 KIER에서 제조한 5개 biochar의 공업분석, 원소분석 결과 230
〈표 6-1〉 농업에서의 biochar 주요 예상 수요처 245
〈표 6-2〉 국내 양돈 사육 두수 246
〈표 6-3〉 양돈 농가 바이오차 예상 수요 및 시장규모 246
[그림 1-1] Biochar의 물리·화학적 특징 23
[그림 1-2] Biochar 관련 논문의 출판 현황 24
[그림 1-3] Biochar가 토양에 미치는 긍정적인 영향에 대한 도식도 25
[그림 1-4] 식물 성장에 미치는 biochar의 영향을 보여주는 meta analysis 25
[그림 1-5] Biochar에 의한 식물 성장 연구 결과 사진 26
[그림 1-6] Biochar의 성질에 따른 biochar가 식물 성장에 미치는 영향(CEC: cation exchange... 26
[그림 1-7] 토양의 성질에 따른 biochar가 식물 성장에 미치는 영향(CEC: cation exchange... 27
[그림 1-8] 오일에 의해 오염된 토양의 복원 28
[그림 1-9] Biochar에 의한 흡착 기작(PAHs: polycyclic aromatic HCs. CAHB: charge-assisted H-bond) 29
[그림 1-10] Biochar의 탄소 재료로서의 합성 및 적용 가능한 분야 39
[그림 1-11] 관측된 지구 온도 변화와 인위적 배출에 의한 온도 변화 40
[그림 1-12] Biochar에 의한 탄소 저장 원리 41
[그림 1-13] CO₂ 저장 비용과 2050년 기준 저장 잠재량 추정 41
[그림 1-14] 2019년 IPCC가 발간한 2019 Refinement 보고서의 표지 42
[그림 1-15] 2019년 IPCC 보고서 "Appendix 4 Method for Estimating the Change in... 43
[그림 1-16] IPCC의 glossary에 수록된 biochar 43
[그림 1-17] 시간 경과에 따라 biochar가 토양에 남아있는 양을 보여주는 결과 44
[그림 1-18] Virgin earth challenge 및 선정된 3개의 biochar 과제 45
[그림 1-19] Cool Planet의 carbon negative project 개념도 45
[그림 1-20] Stockholm Biochar Project rody, 열분해 반응기, 및 개념도 46
[그림 1-21] Carbon Minus Project by Kameoka(Kyoto) 47
[그림 1-22] Biochar project in Minneapolis, USA 47
[그림 1-23] Botanic garden Berlin project 48
[그림 1-24] BANR Berlin project[그림없음] 48
[그림 1-25] 미국 유타주 Park city의 biochar project 49
[그림 1-26] 오스트리아의 biochar 기반 green asphalt project 49
[그림 1-27] Biochar에 기반한 lake에서 phosphorus load를 줄이는 기술의 적용 관련 기사 50
[그림 1-28] 축분을 이용한 biochar 제조 및 이의 적용 실증 연구 51
[그림 1-29] Biochar를 이용한 폐수 내 화학 오염 물질 제거 51
[그림 1-30] PURO는 2019년 biochar를 voluntary carbon removal market에 도입 52
[그림 1-31] 가축 사료 첨가제로tj의 biochar 52
[그림 1-32] 포도 농장에 적용된 biochar 53
[그림 1-33] 홍콩의 biochar project 53
[그림 2-1] Biochar 제조를 위한 feedstock 54
[그림 2-2] Biochar 제조를 위한 시료 전처리의 예(grinding & pelletizing) 56
[그림 2-3] Biochar feedstock의 전처리 필요성 56
[그림 2-4] 미국에서의 주요 biochar feedstock 57
[그림 2-5] 중국에서의 biochar feedstock의 예 57
[그림 2-6] Global biochar market by feedstock 58
[그림 2-7] 인도네시아의 잠재적인 주요 biochar feedstock 58
[그림 2-8] 인도네시아에 ETS 도입이 임박했음을 보여주는 신문 기사 59
[그림 2-9] Biochar 생산을 위한 전체 공정 60
[그림 2-10] Hemicellulose, cellulose, lignin의 화학적 구조 61
[그림 2-11] 열분해 시 승온에 따른 화학 반응 및 조성 변화 62
[그림 2-12] 열분해에 따른 화학적 조성 변화 62
[그림 2-13] 전통적인 biochar 제조 공정 63
[그림 2-14] Batch type의 biochar 제조 장치 64
[그림 2-15] Biochar 생산을 위한 반응기 종류 65
[그림 2-16] Biochar 제조를 위한 대표적인 상용화 반응기 type 66
[그림 2-17] 상용화된 열분해 설비 67
[그림 2-18] 온도 변화에 따른 biochar의 성질 변화 68
[그림 2-19] 연료들의 H/C와 O/C 비교 69
[그림 2-20] 열분해 온도에 따른 C, H, O, N 조성 변화 69
[그림 2-21] 열분해 온도 증가에 따른 고정탄소 함량 변화 70
[그림 2-22] 열분해 온도 증가 따른 aliphaticity, aromaticity, 비표면적 변화 70
[그림 2-23] 열분해 온도 증가에 따른 비표면적의 변화 71
[그림 2-24] 열분해 온도 증가에 따른 pH의 변화 72
[그림 2-25] 열분해 온도 증가에 따른 bulk density의 변화 72
[그림 2-26] 열분해 온도 증가에 따른 ash 함량의 변화 73
[그림 2-27] 열분해 온도 증가에 따른 ash 조성의 변화 73
[그림 2-28] 2015년 기준 biochar 산업의 분포 74
[그림 2-29] 상용화된 biochar의 생산 기술 분포 75
[그림 2-30] 미국 biochar 생산 현황 76
[그림 2-31] 미국 주요 biochar 제조업체 77
[그림 2-32] 중국의 소형 또는 pilot 규모 biochar 제조 업체 79
[그림 2-33] 중국의 대형 biochar 제조 업체 79
[그림 2-34] 중국의 사용 biochar 제조 업체 80
[그림 2-35] 최근 10년간 출판된 SCI 논문의 나라 별 통계 80
[그림 2-36] EU의 주요 biochar 제조업체 82
[그림 2-37] ANZBI의 biochar user 설문 조사 결과 요약 84
[그림 2-38] 호주의 주요 biochar 제조업체 85
[그림 2-39] 아시아의 biochar 제조업체 85
[그림 2-40] 아시아의 주요 biochar 제조업체 86
[그림 2-41] 인도네시아의 biochar 확산을 위한 활동 87
[그림 2-42] 유기산업의 TLUD 반응기 88
[그림 2-43] 경동개발의 biochar 생산 설비와 제품 88
[그림 2-44] 상림 농협의 biochar 제품 89
[그림 2-45] Biochar 시장 89
[그림 2-46] Biochar 제조 기술에 따른 비율 90
[그림 2-47] Catalytic pyrolysis 개념도 90
[그림 3-1] COMB 개념도 92
[그림 3-2] COMB system 전체 공정도 93
[그림 3-3] COMB의 특징 93
[그림 3-4] 인도네시아 Lampung에 설치된 COMB 장치 94
[그림 3-5] 200 kg/h pilot demo plant 95
[그림 3-6] IEA의 반탄화 설비에 대한 성능평가지표 96
[그림 3-7] 기존 상용화 기술에 대한 평가 96
[그림 3-8] IEA 기준 반탄화 기술표준에 맞춘 COMB 기술의 평가 97
[그림 3-9] 반탄화 반응기의 비교평가 97
[그림 3-10] F-COMB 1차 기본 설계 105
[그림 3-11] F-COMB 2차 기본 설계 105
[그림 3-12] F-COMB 3차 기본 설계 (Final) 107
[그림 3-13] F-COMB 상세 설계 draft 109
[그림 3-14] KIER가 제공하는 설비 110
[그림 3-15] KIER의 buffer tank와 cyclone 설계안 110
[그림 3-16] F-COMB의 flexible baffle 상세설계도 117
[그림 3-17] F-COMB system 상세설계 및 계측기 위치도 118
[그림 3-18] COMB system의 상용화 설비 개념도 119
[그림 3-19] Thermosys에 시범 설치된 F-COMB 시스템 120
[그림 3-20] 원주 중부바이오텍에 본 설치된 F-COMB 시스템 121
[그림 3-21] 각 part의 사진 (다음 페이지에 계속됨) 122
[그림 3-22] Combustor 내 음압 확보 위해 ID fan → combustor line에 vent 설치 124
[그림 3-23] Cooler 제거 후의 column 하단과 sample 받기 위한 채 124
[그림 3-24] Column과 연소기 부위 단열 작업 125
[그림 3-25] 2층 column 입구에 유량 및 온도 측정을 위한 금속 관 설치 125
[그림 3-26] 버너의 보완 필요 사항 126
[그림 3-27] Screw 통과 전후의 wood pellet 126
[그림 3-28] Buffer tank와 ID fan의 오염 청소 127
[그림 3-29] Sliding baffle의 leak 문제 보완 127
[그림 3-30] 설치된 버너 사진 128
[그림 4-1] 본 과제에 사용된 feedstock 129
[그림 4-2] Cold mode COMB column에 연결된 Fan의 유량 보정 130
[그림 4-3] Cold mode 반응기 사진과 개념도 131
[그림 4-4] 2차 cold mode 테스트 사진 133
[그림 4-5] 테스트에 사용한 Small woodchip (SWP) 133
[그림 4-6] Small woodchip의 기존 COMB에서의 거동 134
[그림 4-7] 구입한 woodchip과 그것을 쪼갠 woodchip(BWC) 135
[그림 4-8] BWC의 F-COMB에서의 테스트 136
[그림 4-9] Ring blower 사진 142
[그림 4-10] Cooling screw 내부 및 외부 사진 143
[그림 4-11] Cooler(screw와 motor 등) 제거된 사진 144
[그림 4-12] COMB column 지지를 위해 설치한 지지대 사진 144
[그림 4-13] Cooler system 제거 전 사진 145
[그림 4-14] IWP 대상 feeder calibration 결과 146
[그림 4-15] BWC 대상 feeder calibration 결과 147
[그림 4-16] KIER에서 진행한 단열작업 148
[그림 4-17] Thermosys에서 진행한 단열작업 149
[그림 4-18] Thermocouple의 위치 150
[그림 4-19] 과한 유량 조건에서 나타난 BWC의 적체현상 152
[그림 4-20] 유량 보정 154
[그림 4-21] 350 ℃에서의 유량 calibration 155
[그림 4-22] KIER 유량계와 panel reading 상관관계 156
[그림 4-23] ID fan(Hz)와 ID fan (rpm)의 상관관계 156
[그림 4-24] Biochar 생산에서 온도의 영향 분석 시료 195
[그림 4-25] Biochar 생산에서 온도의 영향 분석 시료 (생산 직후) 195
[그림 4-26] Biochar 생산에서 체류시간의 영향 분석 시료 196
[그림 4-27] Biochar 생산에서 체류시간의 영향 분석 시료 (생산 직후) 197
[그림 4-28] Biochar 생산에서 체류시간의 영향 분석 시료 at 360 ℃ (생산 직후) 197
[그림 4-29] Biochar 생산에서 hot gas 유량의 영향 분석 시료 (생산 직후) 198
[그림 4-30] IWP의 feeder 통과 전후의 IWP 형상 199
[그림 4-31] 온도 변화 모니터링 201
[그림 4-32] 유량의 새로운 calibration 216
[그림 4-33] Baffle gap에 따른 유량 변화 측정-1 217
[그림 4-34] Baffle gap에 따른 유량 변화 측정-2 218
[그림 4-35] 운전 중 온도 변화 219
[그림 4-36] Sliding baffle 부위 leak 보완 작업 220
[그림 5-1] Meranti와 EFB를 이용한 biochar 제조 사진 226
[그림 5-2] UNILA에서 제조한 biochar의 yield와 pH 227
[그림 5-3] 제조된 biochar의 SEM image 229
[그림 5-4] Raw EFB의 TGA profile (N₂ 분위기) 229
[그림 5-5] Sengon의 묘목 키우기 231
[그림 5-6] 묘목의 growing media 준비 과정 232
[그림 5-7] Sengon 묘목을 polybag에 심은 사진 233
[그림 5-8] Meranti biochar가 Sengon 성장에 미친 영향-1 233
[그림 5-9] Meranti biochar가 Sengon 성장에 미친 영향-2 234
[그림 5-10] Meranti biochar가 Sengon 성장에 미친 영향-3 235
[그림 5-11] Field test에서 biochar의 적용 방법 236
[그림 5-12] Sengon 묘목의 field planting 236
[그림 5-13] 5개월 투의 Sengon과 soil sampling 237
[그림 5-14] Palm 나무 측정과 soil sampling 237
[그림 5-15] Meranti biochar 평가를 위한 Sengon sampling 238
[그림 5-16] EFB biochar 평가를 위한 Sengon sampling 239
[그림 5-17] UNILA의 TV 출연 사진 240
[그림 5-18] 주한 인도네시아 대사님 미팅 사진 240
[그림 6-1] Biochar 비즈니스 모델 (Pyrolysis GMBH) 241
[그림 6-2] Jambi주 3개 블록 조림 사업지와 우드펠릭 공장 후보지 (P1 & P2) 243
[그림 6-3] 지역 별 market (Polaris market research) 244
[그림 6-4] 물량 기준 미국 biochar market 예상 244
[그림 6-5] 적용, feedstock, 제조 기술 별 market 분석 245
[그림 6-6] Biochar 적용 분야에 따른 market 분석 247
[그림 6-7] Discovery channel의 Ecopolis에서 기후기술로 선정된 biochar 248
[그림 6-8] Virgin earth challenge에 선정된 최종 11개의 후보 248
[그림 6-9] 조림사업 허가증과 조림사업 지역 249
[그림 6-10] Korindo와의 공급계약서 249
[그림 6-11] 현장 답사 사진 249
[그림 6-12] 펠릭 공장 예정지와 빠당항으로의 육상운송 내역 (삼정 KPMG F/S 결과) 250
[그림 6-13] 벌채 및 조림 계획 250
[그림 6-14] 사업지 잔존목 축적량 조사 현장 사진 251
[그림 6-15] 인도네시아 람풍주의 주요 바이오매스 251
[그림 6-16] Biochar 생산 및 활용을 위한 인도네시아 바이오매스 시장 252
[그림 6-17] 인도네시아의 바이오매스 부산물 252
[그림 6-18] (주)한울 홈페이지 253
[그림 6-19] Biochar에 의한 GHG emission reduction 253
[그림 6-20] 해외 ETS 배출권 거래 현황 254
[그림 6-21] KIER-UNILA 협력 255
[그림 6-22] 인도네시아 국가기관 및 기업과의 협력 256
[그림 6-23] 인도네시아에서의 COMB 기술 확산 노력 257