Introduction
최근 환경오염, 기후변화 및 에너지 비용 감소 등을 위해 재생에너지 관련 연구가 진행되고 있다. 재생에너지는 온실가스를 줄이는 수단이며 화석연료를 대체하기 위한 연구 가운데 폐기물을 재활용한 연료화 연구가 활발하다(Nosek et al., 2020).
2017년 기준 커피는 석유 다음으로 소비가 많은 상품으로 1톤의 원두는 약 650 kg의 SCG가 발생한다(Girotto et al., 2017, Garcia-Garcia et al., 2015). 하지만 전 세계적으로 발생하는 큰 규모의 SCG는 시장 가치가 낮고 효과적인 해결방법이 부족하여 매립지에서의 폐기로 인해 환경문제를 일으키고 있다(Son et al., 2018). 따라서 최근 화석연료의 변동하는 가격과 석유 자원의 환경적 부정적 영향에 대한 인식이 증가함에 따라 SCG를 활용한 바이오디젤, 펠릿 등으로 다양한 연구가 진행되고 있다(Nosek et al., 2020). 또한, SCG는 10 ~ 15%의 오일을 함유하고 있기 때문에 연소시스템, 연료 펠릿, 바이오에탄올 등으로 활용 기대치가 높으며(Kondamudi et al., 2008) 목재와 유사한 열량과 성질을 가지고 있으며, 바이오 고형연료(Bio-SRF)의 기준을 충족하므로(Choi et al., 2018) 목재펠릿과 같이 성형하여 에너지원으로 이용가치가 있다. 하지만 목재와 달리 소규모로 수집해야하며, 다량의 수분으로 인해 제조 공정 단가가 비쌀 수 있다. 따라서 펠릿제조기계의 공정분석 통해 제조상의 경제성연구가 필요하다(Yong et al., 2017).
새로운 제조 공장을 신축하는 경우 설비계획 절차에 따라 제품설계, 공정설계, 용량설계를 거쳐 레이아웃 설계로 이어지게 된다. 이 과정에서 용량설계는 공장에 설치할 기계의 적정 대수를 결정하고, 각 공정 사이의 제공품을 예측하여 저장장소의 적정 면적 및 설비 비용을 결정하는 것이 중요하다(Watanapa and Wiyaratn., 2018). 이에 본 연구는 기존의 석·연탄을 대체할 수 있는 SCG를 고형연료인 펠릿으로 제조하기 위한 공장 설비를 위한 연구를 진행하였다. 커피 고형연료 제조 시설의 용량을 시뮬레이션 기법을 통하여 검증함과 동시에 경제성 분석에 관한 연구를 진행하였다.
Materials and Methods
Process simulation
시뮬레이션 모델링은 ARENA V15.0 (Rockwell Automation Inc., Pittsburgh, USA)을 이용하여 수행하였다. 모델 개발에 사용된 기본적인 사항은 K 사에서 제공한 도면을 바탕으로 공정을 분석하였으며, 단위 기계의 용량을 산정하였다(Fig. 1).
Process analysis by production scale
공정은 펠릿 성형기를 중심으로 전처리과정과 후처리 및 출고과정으로 구분하여 실시하였으며, 초기 60%대의 함수율을 가진 커피박이 12%의 함수율을 가진 펠릿으로 성형되기 위하여 3톤 기준 약 6.6 ton의 커피박이 투입되어 건조작업을 거친후 선별과정을 통하여 초기 투입된 커피박의 이물질을 배출해낸 뒤 정량 공급기로 투입된다.
정량 공급기에서는 배치당 동일한 용량의 커피박이 펠릿성형 기계에 투입될 수 있도록 그룹화하여 분리한다. 이후 컨디셔너에서 프리트리트먼트 과정을 거치며 함수율을 조정하며 펠릿 기계로 투입되어 성형된 펠릿은 쿨러를 거쳐 고형의 펠릿으로 제조된다. 이후 또 한 번의 선별과정인 세퍼레이터를 거치며 미성형분 커피박을 포함한 가루 형태의 펠릿을 배출해내고 최종 생산물인 커피 펠릿은 계량기를 거쳐 포장기로 이동한다.
공정 시뮬레이션은 하루 10시간 구동 기준으로 365일 반복하여 수행하였고 이때의 단위시간은 분으로 설정하였으며, 기계의 고장 및 기타의 지연 요인은 없다고 가정하였다. 사용되는 분포함수는 일괄적으로 정규분포인 NORM 함수를 사용하고 표준편차는 평균값의 5%로 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다.
결과 분석을 위하여 펠릿 성형기를 총 3가지 용량인 350 kg/h, 700 kg/h, 1,000 kg/h으로 구분하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 이때의 전처리 및 후처리에 사용된 기계의 가동률 및 총 생산량을 비교 분석하였다.
SCG transportation costs
청주의 커피음료 제조사 L 사에서 함수율 60%, 80%의 커피박을 수송료만 지급하여 원료를 공급하였다. 1 ton 트럭 기준 청주-군위의 운행 거리 147.9 km, 운행시간 1시간 41분에서 기본 수송료는 15만 원이며, 톤수가 커질수록 수송료를 원료무게대비 적은 비용으로 지출할 수 있다. 커피박 수거에 이용되는 차량은 대기시간 1시간당 20,000원의 추가비용이 발생하게 된다(Table 1). 커피박은 1시간에 1 ton 가량 배출되어 트럭에 실리게 되는데 트럭의 톤수가 증가하게 되면 대기시간이 증가하여 추가비용을 산출하여야 한다. 따라서 기본 대차 비용에 1 ton 증가할 때마다 20,000원의 추가비용을 추가하여 톤당 수송료를 계산하였다.
Investment cost
투자비용은 기계설비, 토목건축설비, 전기시설비, 대지구입비, 기타비용으로 분석하였으며, 기계설비 비용은 시뮬레이션을 통하여 선정한 기계형식과 용량을 바탕으로 커피 펠릿 생산시스템 제조업체인 금강이엔지의 커피 펠릿설비 주요공정 단가를 의뢰하여 조사하였다(Table 2). 토목·건축비는 일반적으로 농산물 보관창고와 같은 건축물과 토목공사 설계비 산정 기준을 적용하였다.
여기서 설계, 건축, 토목공사, 각종 인허가사항 등을 포함하여 222,000원/㎡을 기준으로 산정하였으며, 이때 모델 플랜트의 건평은 약 600 ㎡으로 선정하였다. 전기시설비는 기계시설에 필요한 소요동력을 계산하여 수·변전 공사비용과 전기공사비용으로 나누어 적용하였다. 수·변전 공사비용과 전기공사비용은 한국전력공사에서 고시한 단가 86,000원/kW와 70,000원/㎡을 적용하였다(KEPCO, 2017).
또한, 기계장치의 총 소요동력은 88.5 kW로 나타났고 기타비용은 각각의 공사비 등을 계산하였다. 토지비용은 전국의 광역시를 제외한 기타비목지의 표준 공시지가 226,500원/㎡을 기준으로 하였다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2019).
커피 펠릿 생산 설비 모델 플랜트의 기계시설비 투자비용은 약 1.6억원이며, 부지 구입비, 토목·건축비, 전기시설비, 유틸리티를 포함한 모델 플랜트의 투자비용은 약 5.1억원으로 나타났다(Table 3).
Operating cost
본 연구에서는 커피펠릿 생산 시스템에 소요되는 이용비용을 고정비와 변동비로 구분하였다. 기계 이용시의 고정비용은 감가상각비, 수리비, 이자, 전력비(기본요금) 등의 합으로 계산되며 작업에 이용된 기계의 구입가격은 조사된 가격을 기준으로 하였다. 모델의 건물 및 시설비용에 대한 감가상각비는 직선법을 적용하여 산출하였다. 내구연한은 문헌을 참조하여 구조물의 경우 20년, 기계류는 8년, 운반 장비는 10년으로 하였으며, 폐기가격은 구입가격의 10%로 가정하였다. 보험은 건물과 시설 투자비용의 연간 0.1%를 적용하였다. 건물 및 시설의 수리비는 고정비에 포함시켜 결정하였는데, 문헌을 참조하여, 일반적으로 적용되는 연간 3%를 수리비로 적용하였다. 기계류의 경우 기계구입가의 연간 6.5%를 적용하였으며, 나머지는 연간 3%를 적용하였다. 차고비는 기계 구입가의 1%로 하였다(Rural development administration. 2016).
모델 플랜트의 이용시 변동비용은 다음의 식(1)으로 산출하였다.
VC = H(L+E) (1)
VC : Variable cost (won/year)
H : Annual machine hours (hour/year)
L: hourly labor wage (won/hour)
E: cost of electricity (won/hour)
연간 이용시간은 적응시험 및 성능시험을 통하여 산정된 모델 플랜트의 소요기계별 이용시간을 적용하였으며, 이를 이용하여 연간이용시간으로 환산하였다. 전력비는 한국전력공사의 자료(2019)에 따라 산업용 고압 전압 이용 시 기본료 6,490원/kW·월과 사용료 89.5원/kWh의 합으로 계산하였으며, 기본료는 고정비로 사용료는 변동비로 분류하여 산출하였다. 시간당 노임은 2020년 농촌 노동임금 전국평균치인 성인 남자 1인의 경우 120,193원/일로 하였다(농촌진흥청, 2020).
Economic feasibility analysis through feasibility study
개발된 커피박 펠릿 생산시스템의 모델 플랜트가 실제로 설치되어 운영한 후 이용비용에 경제성이 있는가 하는 문제는 매우 중요하다. 이를 위하여 이용형태별로 시스템의 투자비용과 이용비용으로 나누어 경제성 분석을 하였으며 투자 대비 손익분기점을 산출하였다.
Results and Discussion
Analysis of utilization rate and production volume through simulation
펠릿 성형기 용량 350 kg/h에서의 커피 펠릿 공정을 분석한 결과 연속되는 공정에 의하여 전처리 기계장치인 원료투입호퍼, 건조기, 정량공급기, 컨디셔너의 가동률을 90% 이상 우수하게 나타났으며, 이때의 펠릿 성형기의 가동률은 96%로 분석된다. 하지만 총 생산량이 1,650 kg으로 낮게 나타났으며 후처리 기계인 쿨러, 계량기, 포장기의 가동률 또한 20 ~ 30% 내로 낮게 나타나 일일 생산량을 1.6 톤에 맞출 경우 후처리 기계의 용량을 줄일 필요성이 있는 것으로 분석되었다(Table 4).
펠릿 성형기 용량 700 kg/h 에서의 커피펠릿 공정을 분석한 결과 연속되는 공정에 의하여 전처리 기계장치인 원료투입호퍼, 건조기, 정량공급기, 컨디셔너의 가동률이 350 kg/h의 펠릿 성형기 용량에서와 같이 90% 이상으로 우수하게 나타났으며, 이때의 펠릿 성형기의 가동률은 96%로 분석되었다. 총 생산량은 3,240 kg으로 약 3.2톤의 커피 펠릿이 생산될 수 있는 것으로 나타났으며, 후처리 기계인 쿨러, 계량기, 포장기의 가동률은 40 ~ 60% 내외로 350 kg/h의 펠릿 성형기 용량보다 높게 나타났다(Table 5).
펠릿 성형기 용량 1,000 kg/h 에서의 커피펠릿 공정을 분석한 결과 연속되는 공정에 의하여 전처리 기계장치인 원료투입호퍼, 건조기, 정량공급기, 컨디셔너의 가동률은 350 kg/h, 700 kg/h의 펠릿 성형기 용량과 같이 90% 이상으로 우수하게 나타났으며, 이때의 펠릿 성형기의 가동률은 96%로 분석된다. 총생산량은 4,650 kg으로 약 4.5t의 커피 펠릿이 생산될 수 있는 것으로 나타났으며 후처리 기계인 쿨러, 계량기, 포장기의 가동률은 계량기 가동률 63%를 제외하면 모두 80 ~ 90% 내외로 나타나 기계 활용도가 다른 두 번의 공정보다 높은 것으로 분석된다(Table 6).
펠릿 성형기를 중심으로 전처리 기계장치에서는 연속되는 공정으로 기계 가동률이 펠릿 성형기의 용량과 관계없이 90% 이상 우수하게 분석되었다. 하지만 쿨러, 계량기, 포장기의 후처리 기계장치는 펠릿 성형기의 기계 용량에 따라 가동률이 다르게 나타났으며 펠릿 성형기의 용량이 1,000 kg/h에서 가장 높게 나타나는 것으로 분석된다. 또한, 기계 장치 간의 과부하 현상이나 병목현상이 나타나는 구간은 없었으며, 커피 펠릿 공장의 일일 생산량에 따라서 전처리 기계장치와 후처리 기계장치의 용량을 가감하여 적용하면 될 것으로 판단된다. 하지만 커피 펠릿 공정의 기계 용량은 초기 입고되는 커피박의 함수율이 60 ~ 70%의 가변적인 상황임을 고려하여야 하며 이물질 및 펠릿으로 성형되지 않고 가루 형태로 폐기되는 커피박의 양 또한 고려하여서 선정하여야 한다.
본 연구로 개발된 시뮬레이션 모델은 많은 가정과 제약의 전제하에서 이루어진 분석으로 최적의 해라고 하기보다는 실제 모델과 비교해 볼 때 많은 유사성을 바탕으로 한 최적 실험설계법에 따른 반복된 결괏값의 분석으로 유용성을 가지는 모델에 있어 최적의 효율을 갖는 기계 용량을 제시한 것이며, 최종적으로 현장에서의 재현성 실험을 통하여 유의성을 검증하여 적용하여야 할 것으로 판단된다.
Operating cost
이상에서 언급한 내용을 토대로 모델 시스템을 이용하였을 때 커피 펠릿 생산량별 연간 이용비용을 계산하여 그 결과를 나타냄. 연간 고정비와 변동비의 총합을 나타냈으며, 1일 10시간, 월 20일 기준으로 노동자 1명에 대하여 산출하였으며, 개발된 커피 펠릿 생산 플랜트의 연간 고정비는 약 1억원/년으로 나타났으며, 고정비와 변동비를 합한 연간 이용비용은 약 2.5억원으로 나타났다(Table 7).
Break-even point
본 연구로 설계된 커피 펠릿 제조 시스템에서의 SCG pellet 생산비용을 분석한 결과 생산 용량별 투자 비용은 같게 나타나 커피 펠릿 제조 시스템의 초기 투자비용은 약 5.1억원이며, 연간이용비용은 내구연한을 20 ~ 30년으로 설정하였을 때 2.35억원으로 나타났다. 생산용량 3.2 ton/day의 생산된 커피 펠릿의 단가를 500원/kg으로 하였을 때 투자비용대비 손익분기점은 그림 2와 같이 약 51개월로 분석된다(Fig. 2).
Conclusion
커피 펠릿 공정 설비를 거쳐 커피 추출 후 기계 가동 범위를 확인하기 위해 용량별 시뮬레이션을 하였다. 기계 용량별 시뮬레이션 결과, 제시된 여러 조건 중 펠릿 성형기 용량 1,000 kg/h에서 가동률이 대체로 우수하게 나타났으며, 커피 펠릿 총생산량은 약 4.5 ton/day으로 분석되었으며 후처리 기계를 제외한 나머지 기계에 80 ~ 90%로 제시된 조건 중 기계 활용도가 가장 높은 것으로 분석되었다.
이후 커피 음료 제조사에서 커피 제조 후 발생 되는 커피박을 공급을 받아 커피 펠릿이 제작되는 과정을 분석하여 손익분기점을 산출하였다. 일 생산량 3.2 ton 기준에 따라 공정 설비에 따른 설비 비용, 커피박 공급을 위한 운송 비용, 인건비 및 전기 비용과 그 외 기타비용에 제작된 펠릿 단가를 500원/kg을 기준으로 하였다. 이때 기계 활용도에 따른 펠릿 제작 용량을 비례하여 산출된 손익분기점은 51개월로 나타났다. 내구연한을 종합에서 기간이 가장 짧은 기계류의 내구연한이 8년인 것을 고려하였을 때, 손익분기점이 4년 3개월인 것은 경제적인 것으로 분석되었다. 본 논문에서는 시뮬레이션을 통하여 펠릿의 생산량과 손익분기점을 분석하였으므로 공장의 실증 가동을 통해 분석내용과 비교할 필요가 있다.
