매립가스 이용

Landfill gas utilization
매립지 상한 구역에서의 매립 가스 수집

매립가스 이용은 쓰레기를 분해하면서 배출되는 메탄이나 다른 가스를 모아 처리해 전기, 열, 연료, 각종 화학성분 등을 생산하는 과정이다. 화석연료와 농업에 이어 매립가스는 인간이 발생시키는 메탄의 세 번째로 큰 자원이다.[1] 이산화탄소에2 비해 메탄은 온실가스에 비해 25배[2] 더 효과적이다. 그것의 배출을 통제하는 것뿐만 아니라, 조건이 허락하는 경우, 에너지를 생성하기 위해 그것을 사용하는 것이 중요하며, 따라서 기후 변화에 대한 두 가지 주요 온실 가스 공급원의 기여를 상쇄한다. 미국 환경보호국에 따르면 가스를 전력으로 전환하는 매립가스 사업은 2005년 399건에서 2009년 519건으로 늘었다. 이 프로젝트들은 에너지 비용을 조절하고 온실가스 배출을 줄이기 때문에 인기가 있다. 이들 프로젝트는 메탄가스를 모아 처리하므로 전기용으로 사용하거나 송유관 등급의 가스로 업그레이드할 수 있다. 이 프로젝트들은 집, 건물, 차량에 동력을 공급한다.[3]

세대

Phases of landfill age and percent composition of each major component of landfill gas.
시간에 따른 매립 가스의 각 주요 구성 요소 구성 비율.[4]

매립가스(LFG)는 미생물에 의한 도시형 고체폐기물(MSW)과 기타 생분해성 폐기물의 성능저하를 통해 생성된다. 에어로빅 조건, 산소의 존재는 주로 이산화탄소2 배출로 이어진다. 쓰레기 매립지의 전형과 같이 혐기성 조건에서는 메탄과 CO가2 60:40의 비율로 생성된다. 메탄(CH
4)은 열량이 33.95 MJ/Nm^3으로 에너지 발생 편익이 발생하기 때문에 매립 가스의 중요한 성분이다.[5] 생성되는 메탄의 양은 폐기물의 구성에 따라 크게 달라진다. MSW 매립지에서 생산되는 메탄의 대부분은 미국의 MSW 매립지 평균 19.4±5.5%, 21.9±5.2%, 20.9±7.1%로 구성된 음식물쓰레기, 복합지, 골판지 등에서 유래한다.[6] 매립 가스 생산 비율은 매립지의 연령에 따라 다르다. MSW 매립지의 한 구간이 배치 후 발생하는 4가지 공통 단계가 있다. 일반적으로 대형 매립지에서는 부지의 다른 지역이 동시에 다른 단계에 있게 된다. 매립가스 생산률은 최대 5년 안팎에 이르러 하락세로 접어들 것으로 보인다.[7] 매립 가스는 건조 조건의 경우 0.02 yr-1, 습윤 조건의 경우 0.065 yr-1의 k-값으로 감소가 시작된 후 1차 운동 붕괴에 따른다.[4] 매립 메탄 배출 프로그램(LMOP)은 매립 가스 생산량(LandGEM, Landfill 가스 배출 모델)을 결정하는 데 도움이 되도록 1차 주문 붕괴 모델을 제공한다.[4] 일반적으로, 도시 고형 폐기물(MSW) 매립지의 가스 배출 속도는 시간당 25 ~ 10000 m이며3, 매립지는 일반적으로 103,000 m ~ 1,000 m의3 폐기물이 제자리에 있다.[5] MSW 매립 가스는 활성 가스 추출 또는 매립지의 부적절한 밀봉(캡팅)으로 인해 현장에 유입되는 공기의 양에 따라 일반적으로 약 45~60%의 메탄과 40~60%의 이산화탄소를 함유하고 있다.[8] 제자리 폐기물의 구성에 따라 HS
2, NO
x, SO
2, CO, 비메탄 휘발성 유기 화합물(NMVOCs), 다회성 방향족 탄화수소(PAHs), 폴리염소화 디벤조디오신(PCDDs), 폴리염소화 디벤조푸란스(PCDFS) 등을 포함한 그 밖의 많은 소성분이 있다. 앞서 언급한 모든 작용제는 다량 복용 시 인간의 건강에 해롭다.[5]

LFG 수집 시스템

Gas_extraction_well.JPG
전형적인 가스 추출 유정.[9]
Landfill_Gas_Blower.JPG
매립 가스 블로워.
Landfill_gas_collection_system.JPG
매립 가스 수집 시스템의 배치.[10]

매립 가스 수집은 일반적으로 폐기물 질량에 수직 및/또는 수평으로 설치된 우물 설치를 통해 이루어진다. 수직 유정의 설계 경험은 매립지 표면의 에이커 당 약 1개의 유정을 요구하는 반면, 수평 유정은 보통 중앙에서 약 50~200피트 간격으로 배치된다.[9] 효율적인 가스 채집은 개방 및 폐쇄형 매립지에서 모두 수행할 수 있지만, 폐쇄형 매립지는 활성 충전이 발생하지 않아 수거 인프라 구축이 확대돼 보다 효율적인 시스템을 갖추고 있다. 평균적으로 폐쇄형 매립지는 생산된 가스의 약 84%를 포획하는 가스 채집 시스템을 갖추고 있는데 비해 개방형 매립지는 약 67%가 포획된다.[11] 매립 가스는 수직 우물 대신 수평 참호를 통해 추출할 수도 있다. 두 시스템 모두 수집에 효과적이다. 매립 가스를 추출하여 주 수집 헤더로 파이핑하여 처리 또는 플레어(flash) 주채취 헤더는 침출수 채집 시스템에 연결하여 배관 내의 응축수 형상을 채집할 수 있다. 송풍기는 채집 우물에서 채집 헤더와 더 먼 다운스트림까지 가스를 끌어오기 위해 필요하다. 600ft3/min 추출률에 맞게 설계된 플레어가 장착된 40에이커(160,000m2) 매립 가스 수집 시스템은 연간 운영 및 유지관리 비용이 우물당 2,250달러, 플레어당 4,500달러, 송풍기(2008) 작동에 연간 99만1,000달러(에이커당 약 24,000달러)로 추산된다. LMOP는 수집 시스템 비용을 예측하는 소프트웨어 모델을 제공한다.[9]

플레어링

Open_(left)_and_enclosed_(right)_flare.JPG
플레어: 열림(왼쪽) 및 폐쇄(오른쪽) 플레어.[9]

가스 추출 속도가 직접 사용이나 전기 발생을 보장하지 않는 경우, 그리고 대기로 제어되지 않은 방출을 방지하기 위해 가스를 폭발시킬 수 있다. 100m3/h는 미국에서 플레어링의 실질적인 한계점이다. 영국에서는 100m3/h 이하의 용량으로 가스 엔진을 사용한다.[5] 플레어는 과도한 가스 추출 급상승과 유지보수 중단 기간을 통제할 수 있기 때문에 모든 매립 가스 시스템에서 유용하다. 영국과 EU의 폐쇄된 플레어는 현대 쓰레기 매립지에서는 불꽃이 보이지 않는 것이 의무적이다. 플레어는 개방되거나 폐쇄될 수 있지만, 후자는 높은 연소 온도와 특정한 거주 시간뿐만 아니라 소음과 빛 공해를 제한하기 때문에 일반적으로 더 비싸다. 일부 미국 주에서는 열린 플레어 위에 밀폐된 플레어의 사용을 요구한다. 연소 온도 및 거주 시간이 높을수록 연소되지 않은 탄화수소와 같은 불필요한 성분이 파괴된다. 일반적으로 허용되는 값은 배기 가스 온도가 1000°C이고 유지 시간이 0.3초인데, 이는 98% 이상의 파괴 효율을 초래한다고 한다. 연소 온도는 1100ºC 이상이면 열 NOx가 지수적으로 형성될 위험이 있는 중요한 제어 요인이다.[12]

매립가스처리

매립 가스는 불순물, 응축수, 미립자를 제거하기 위해 처리되어야 한다. 치료 시스템은 최종 사용에 따라 달라진다. 보일러, 용광로 또는 가마에서 가스를 직접 사용하기 위해서는 최소한의 처리가 필요하다. 이 가스를 전기 발생에 사용하는 것은 일반적으로 더 심도 있는 치료가 필요하다. 치료 시스템은 1차 처리와 2차 처리로 나뉜다. 일차 처리 시스템은 습기와 미립자를 제거한다. 가스 냉각과 압축은 일차 처리에서 일반적이다. 이차 처리 시스템은 최종 사용의 사양에 따라 물리적 및 화학적 여러 가지 정화 프로세스를 채택한다. 제거가 필요할 수 있는 두 가지 성분은 규산염과 황화합물로, 장비에 손상을 입히고 유지관리 비용을 크게 증가시킨다. 흡착과 흡수는 2차 치료 처리에 사용되는 가장 일반적인 기술이다.[9]

매립가스 사용

직접 사용

보일러, 건조기, 프로세스 히터

Boiler_retrofitted_to_accept_landfill_gas.JPG
매립 가스를 수용하기 위해 개조된 보일러.[9]

파이프라인은 가스를 보일러, 건조기, 가마 등에 전달하는데, 가스는 천연가스와 같은 방식으로 많이 사용된다. 매립 가스는 천연가스보다 저렴하며, 천연가스 35,406 kJ/m3(950 Btu/ft3)에 비해 난방가스의 약 절반인 16,785 – 20,495 kJ/m3(450 – 550 Btu/ft3)를 보유하고 있다.[13] 보일러, 건조기, 가마 등은 가스 사용량을 극대화해 사용하기도 하고, 제한적인 처리가 필요하며, 가스를 다른 연료와 혼합할 수 있기 때문에 자주 사용된다. 보일러는 물을 증기로 변환시켜 다양한 용도로 사용하기 위해 가스를 사용한다. 보일러의 경우 매립지에서 100만 미터 톤의 쓰레기 매립지마다 시간당 약 8,000에서 10,000 파운드의 증기가 발생할 수 있다.[9] 대부분의 직접 사용 프로젝트는 보일러를 사용한다. 제너럴 모터스는 매립 가스 보일러를 구현한 제너럴 모터스가 소유한 4개 공장 각각에서 연간 50만 달러의 에너지 비용을 절감한다.[14] 보일러·건조기·가마의 단점은 가스를 수용하려면 개조해야 하고 파이프라인을 건설해야 하므로 최종 사용자가 근처에 있어야 한다는 점이다(약 5마일 이내).

적외선 난방기, 온실, 장인 스튜디오

가스추출률이 낮은 상황에서는 매립지 인근 건물의 전력적외선 히터에 가서 지역 온실에 열과 전력을 공급하고 도기, 금속공예, 유리공예 등을 하는 원룸의 에너지 집약적인 활동에 전력을 공급할 수 있다. 보일러를 사용하기에 열은 상당히 저렴하다. 낮은 가스 추출 속도 상황에서 전력을 공급하려면 마이크로 터빈이 필요할 것이다.[9]

침출수 증발

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침출수 증발 시스템.[9]

매립지에서 나오는 가스는 침출수가 치료비용이 상당히 비싼 상황에서 침출수를 증발시키는 데 사용될 수 있다. 침출수를 증발시키는 시스템은 연간 7만 달러에서 9만 5천 달러의 운영비와 유지비를 투입하는데 30만 달러에서 50만 달러가 든다. 하루 3만 갤런의 증발기는 갤런당 0.05달러 - 0.06달러의 비용이 든다. 증발기 크기가 줄어들수록 갤런당 비용은 증가한다. 하루 10,000갤런의 증발기는 갤런당 1.18달러 - 20달러의 비용이 든다.[9] 추정치는 2007년 달러다.

파이프라인 품질 가스, CNG, LNG

가스 분리막 미끄럼 방지막 미끄럼 처리로 이산화탄소[15] 추출

매립 가스는 이산화탄소, 질소, 산소 함량을 줄임으로써 고-Btu 가스로 전환될 수 있다. 고-Btu 가스는 기존의 천연가스 파이프라인이나 압축천연가스(CNG) 또는 LNG(액화천연가스) 형태로 파이핑할 수 있다. CNG와 LNG는 현장에서 트럭이나 장비를 운반하거나 상업적으로 판매될 수 있다. 가스에서 이산화탄소를 추출하는 세 가지 방법은 막 분리, 분자 체, 아민 스크럽이다. 산소와 질소는 가스 내 산소나 질소의 주된 원인이 압력 차이로 인해 외부로부터 매립지로의 침입이기 때문에 매립지의 적절한 설계와 운영에 의해 통제된다. 고-Btu 처리장비는 매립가스 1분당 표준입방피트(scfm)당 2600~4300달러의 비용이 들 것으로 예상된다. 연간 비용은 87만5천 달러에서 350만 달러에 이른다.[9] 비용은 프로젝트 규모뿐 아니라 최종 제품 가스의 품질에 따라 달라진다. 미국의 LNG 시설에 대한 첫 번째 매립 가스는 Frank R이었다. 캘리포니아 주 오렌지 카운티의 바워맨 매립지. CNG로의 전환에도 같은 프로세스가 사용되지만, 규모가 작다. 로스앤젤레스 푸엔테힐스 매립장의 CNG 프로젝트는 250 scfm의 유량에 상당하는 휘발유 갤런당 1.40달러를 실현했다.[9] 갤런 당 비용은 가스의 유량이 증가함에 따라 감소한다. LNG는 CNG의 액화를 통해 생산될 수 있다. 그러나 폭발 우려를 피하기 위해서는 산소 함량을 0.5% 이하로 줄여야 하며, 이산화탄소 함량은 생산에서 부딪히는 동결 문제를 피하기 위해 가능한 한 0에 가까워야 하며, 질소는 최소한 96% 메탄을 달성할 수 있을 정도로 줄여야 한다. 2000만 달러 규모의 설비가 1일 1만5000갤런(3,000 scfm)의 LNG를 생산하는 공장의 경우 갤런당 0.65달러를 달성할 것으로 추산된다.[9] 추정치는 2007년 달러다.

발전

매립가스 추출률이 충분히 크면 가스 터빈이나 내연기관을 이용해 상업적으로 판매하거나 현장에서 사용할 전기를 생산할 수 있다.

왕복 피스톤 엔진

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전기를 발생시키기 위한 내연기관.[9]

전체 매립 전기 프로젝트의 70% 이상이 내연기관의 한 형태인 왕복 피스톤(RP) 엔진을 사용하고 있는데, 이는 대부분의 매립지와 상대적으로 저렴한 비용과 높은 효율, 좋은 크기 때문이다. RP 엔진은 보통 매립 가스로 25-35%의 효율을 달성한다. 단, 가스 트렌드에 따라 RP 엔진을 추가하거나 제거할 수 있다. 각 엔진은 기체 흐름에 따라 150kW~3MW를 달성할 수 있다. RP 엔진(1MW 미만)은 일반적으로 kW당 2,300달러의 비용이 들 수 있으며 연간 운용 및 유지보수 비용은 kW당 $210이다. RP 엔진(800kW 이상)은 일반적으로 kW당 1,700달러가 들 수 있으며 연간 운용 및 유지보수 비용은 kW당 180달러가 될 수 있다.[9] 추정치는 2010년 달러다.

가스 터빈

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매립 가스를 이용하는 가스 터빈.[9]

내연 기관의 또 다른 형태인 가스 터빈은 보통 매립 가스와 함께 최대 부하에서 20-28%의 효율을 만족한다. 터빈이 부분 부하로 작동하면 효율성이 떨어진다. 가스 터빈은 RP 엔진에 비해 상대적으로 유지비용이 저렴하고 질소산화물 배출량이 적다. 가스 터빈은 높은 가스 압축을 필요로 하는데, 이것은 압축하기 위해 더 많은 전기를 사용하므로 효율을 떨어뜨린다. 가스 터빈은 또한 RP 엔진보다 부식성 손상에 더 강하다. 가스 터빈은 최소 1,300 cfm가 필요하며 일반적으로 2,100 cfm를 초과하며 1~10 MW의 발전이 가능하다. 가스 터빈(3 MW 이상)은 일반적으로 kW당 1,400 달러의 비용이 들 수 있으며 연간 운용 및 유지보수 비용은 kW당 130달러가 될 수 있다.[9] 추정치는 2010년 달러다.

마이크로터빈

마이크로 터빈은 가스 터빈이나 RP 엔진보다 적은 양의 매립 가스로 전기를 생산할 수 있다. 마이크로터빈은 20~200 cfm까지 작동할 수 있으며 RP 엔진보다 질소산화물을 적게 배출한다. 또한, 그것들은 더 적은 메탄 함량(약 35%)으로 기능할 수 있다. 마이크로터빈은 광범위한 가스 처리가 필요하며 30, 70, 250 kW 크기로 나온다. 마이크로터빈(1MW 미만)은 일반적으로 kW당 5,500달러의 비용이 들 수 있으며 연간 운용 및 유지보수 비용은 kW당 380달러가 될 수 있다.[9] 추정치는 2010년 달러다.

연료전지

녹은 탄산수소 연료 전지는 매립 가스에 의해 연료가 공급될 수 있다는 것을 나타내는 연구가 수행되었다. 녹은 탄산수소 연료전지는 일반 연료전지보다 순도가 낮지만 여전히 광범위한 처리가 필요하다. 용해된 탄산 연료 전지를 위해서는 산성가스(HCl, HF, SO2), VOC 산화(HS2 제거), 실록산 제거가 필요하다.[16] 연료전지는 일반적으로 수소로 작동되며 수소는 매립가스에서 생산될 수 있다. 연료전지에 사용되는 수소는 배출량이 제로, 고효율, 유지비용이 낮다.[13]

프로젝트 인센티브

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주 또는 개인 인센티브가 있는 주.[17]
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재생 가능한 포트폴리오 표준이 있는 주.[18]

연방 및 주 차원의 미국 프로젝트에 대한 다양한 매립 가스 프로젝트 인센티브가 존재한다. 재무부, 에너지부, 농무부, 상무부는 모두 매립가스 사업에 대해 연방정부의 인센티브를 제공한다. 일반적으로 인센티브는 세액공제, 채권 또는 보조금의 형태로 이루어진다. 예를 들어, 150 kW 이상의 매립 프로젝트에 대해 재생 전기 생산 세액 공제(PTC)는 kWh당 1.1 센트의 법인세를 공제한다.[19] 다양한 주와 민간 재단이 쓰레기 매립 가스 사업에 인센티브를 준다. 재생가능포트폴리오 표준(RPS)은 전력회사가 매립 가스를 포함한 재생가능원전에서 전력의 일정 비율을 판매하거나 발생시키기 위한 입법 요건이다. 일부 주에서는 모든 공공 사업자에게 준수를 요구하는 반면, 다른 주에서는 공공 사업자에게만 준수를 요구한다.[18]

환경영향

2005년에, 1억6천6백만 톤의 MSW가 미국의 매립지에 버려졌다.[20] 약 120kg의 메탄은 MSW의 모든 톤에서 생성된다. 메탄은 100년[21] 지평선에서 이산화탄소보다 온실가스에 25배 더 효과적인 지구 온난화 잠재력을 가지고 있다. 전 세계 인공 메탄 배출량의 10% 이상이 매립지에서 발생하는 것으로 추정된다.[22] 쓰레기 매립 가스 프로젝트는 메탄 방출의 감소에 도움을 준다. 그러나 매립가스 채집시스템이 발생된 가스를 모두 회수하는 것은 아니다. 매립 가스의 약 4~10%는 가스 채집 시스템을 갖춘 일반 매립지의 채집 시스템을 빠져나간다.[23] 매립가스 사용은 석유나 천연가스 등 환경적으로 유해한 연료의 사용을 상쇄하고, 열처리 가스 메탄을 파괴하며, 가스는 이미 제자리에 있는 폐기물의 퇴적물에 의해 발생하기 때문에 녹색 연료원으로 간주된다. 미국의 2,300개 매립지 중 450개가 2007년 현재 운영 중인 매립 가스 이용 프로젝트를 가지고 있다. LMOP는 현재 존재하는 약 520개의 매립지가 매립 가스를 사용할 수 있을 것으로 추정했다(70만 가구에 전력을 공급할 정도). 매립 가스 사업은 또한 지역 오염을 줄이고, 일자리, 수입, 비용 절감을 창출한다.[23] 2007년에 가동된 약 450개의 매립 가스 프로젝트 중 110억 kWh의 전기가 발생했고 최종 사용자에게 780억 입방 피트의 가스가 공급되었다. 이 총량은 약 1750만 에이커(710만 ha)의 소나무 또는 전나무 숲이나 연간 1400만 대의 승용 자동차에서 배출되는 배출량에 달한다.[24]

참고 항목

참조

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  2. ^ "Building on Success: New Ways to Keep Methane Out of the Atmosphere". World Bank. Retrieved 2019-03-25.
  3. ^ Koch, Wendy (2010-02-25). "Landfill Projects on the rise". USA Today. Retrieved 2010-04-25.
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