스크랩 일본의 바이오디젤 원료용 유채 재배 기계기술 현황

[프림이]

일본의 바이오디젤 원료용 유채 재배 기계기술 현황

1. 머리말

  일본 정부는 2002년 12월 내각부, 총무성, 문부과학성, 농림수산성, 경제산업성, 국토교통성 그리고 환경성이 참여하는 “바이오매스 일본”이라는 정부 주도형 정책을 채택하였다. 바이오매스 일본의 주요 골자는 지속 발전 가능한 사회 실현을 위하여 일본 전 지역의 바이오매스의 종합적이고 효율적인 재이용을 꾀하기 위해 바이오매스 마을을 조성한다는 것이다. 사업은 매년 시군구 자체적으로 지역 실정에 적합한 바이오매스(목질계, 축산계, 식품계, 농업계, 작물계 바이오매스 등) 활용계획을 세워 정부에 사업신청을 하게 되며 정부에서는 검토를 거쳐 사업결과에 따라 평가를 실시하여 기술개발, 지역조직 활성화 및 시설정비 등에 필요한 예산을 지원해 주고 있다. 앞으로 이러한 마을을 2010년까지 500개소로 확대해 나갈 계획이며 많은 시군구에서 논 유채재배를 기반으로 한 바이오매스 마을 조성사업 신청을 하고 있다. 이를 통해 신?재생에너지 보급률을 1999년 1.2%에서 2010년에는 3.3%까지 확대해 나갈 계획을 가지고 있다.

   일본 국내 총 바이오디젤 생산량은 2006년 5월 기준으로 약 4,100톤(비중 0.82로 환산)이며 2010년도까지 8,200～12,300톤까지 확대할 계획이다. 식물유지의 90 %이상을 수입하고 있는 일본은 새로운 식물유에서 바이오디젤을 생산하는 것은 현실적인 어려움이 있어 현재는 폐식용유를 원료로 한 바이오디젤의 생산이 대부분을 차지하고 있다. 20년 전부터 바이오디젤 연료에 관한 연구 및 개발을 추진하여 현재 교토시를 시작으로 전국에 약 20개소에 시설이 있으며 약 12곳의 민간기업 및 약 10개의 연구기관?연구회에서 폐식용유, 유채유, 해바라기유를 중심으로 제조?판매?이용을 해 오고 있다.

   따라서, 여기서는 우리와 농업환경이 유사한 일본의 바이오디젤 원료용 유채재배 기계기술에 대한 분석을 통해 우리 실정에 적합한 유채재배 기계기술 개발에 필요한 정보를 제공하고자 한다. 일본의 바이오디젤 원료용 유채재배 기계기술 현황에 관한 1차 조사는 2006년 9월 11일부터 14일까지 개최된 일본 농업환경공학 관련 학회에 참석하여 독립행정법인 농업?식품 산업기술총합연구기구 토우호쿠(東北) 농업연구센터 한냉지 바이오매스 연구팀과 독립행정법인 농업?식품산업기술총합연구기구 생물계특정산업기술연구지원센터 전문가를 만나 조사를 하였다. 2차 조사는 2007년 5월 8일 독립행정법인 농업?식품산업기술총합연구기구 중앙농업총합연구센터 바이오매스 자원순환연구팀을 직접 방문하여 조사를 하였으며, 3차 조사는 2007년 9월 11일부터 14일까지 있었던 일본 농업환경공학 관련학회에 참석하여 유채재배 기계기술 전문가의 발표청취 및 질의응답을 통해 이루어졌다. 기타 내용들은 문헌조사와 웹 문서 검색 등을 통하여 실시하였다.

2. 유채재배 및 기계기술 현황

 가. 유채재배 동기

  몇 년 전만해도 온실가스 절감 정책의 일환으로 바이오디젤 차량이 권장되고 농업정책 및 잉여 농산물의 활용대책 등으로 바이오디젤 연료가 추천되고 있는 구미에 비해 일본에서는 바이오디젤 연료를 이용하고자 하는 노력은 거의 존재하고 있지 않았다. 역으로, 디젤 승용차 자체가 감소하고 식물유 원료를 거의 전량 해외에서 수입에 의존하고 있는 일본에서는 바이오디젤 연료 이용에 대한 반향은 반드시 좋은 것만은 아니었다. 그러나 환경단체를 중심으로 한 “유채꽃 프로젝트”를 전개하기 시작하여 바이오디젤이란 이름 자체가 널리 알려지기 시작하였다. 유채꽃 프로젝트는 단순히 폐유로부터 바이오디젤을 만드는 것이 아니라 논에 유채를 심어 유채종자를 수확하고 그것을 착유해 채종유를 가정에서 요리와 학교급식에 사용하고 착유 시에 나온 유박은 비료나 사료로 사용하는 것이다. 또 폐식용유를 회수해 비누와 바이오디젤로 변환하고 지역 내에서 재이용한다는 지역자립의 자원 순환 사이클을 목적으로 하고 있다. 2001년 4월에 시가현(滋賀?)에서 유채꽃 서미트가 개최되어 그 프로그램으로부터 유채꽃 프로젝트 네트웍이 설립되어 전국 각지로 유채꽃 프로젝트가 알려 지면서 2006년 현재 전국에 150개 단체가 활동하고 있다.

    유채재배가 활성화 되고 관심을 가지게 된 또 다른 배경은 쌀 소비감소에 따른 논 전환 밭의 타 작물로의 이용 전개 및 교토 의정서에서 약속된 온실가스 배출량 삭감 목표의 실현을 위해 바이오디젤의 이용이 추진되고 있다.

    이러한 몇 가지 배경으로 인해 유채 작목기술?재배기술의 개발 및 바이오디젤 생산공정 개발 등의 연구가 추진되고 있다. 그림 1은 유채꽃 프로젝트의 자원 순환 사이클을 나타내고 있다.

 

<그림 1> 유채꽃 프로젝트의 자원 순환 사이클

 나. 재배면적

  유채는 주로 벼의 뒷그루 작물로서 재배되고 있으며, 일본 농림수산성 통계자료에 의하면 재배 면적은 1957년 258,600ha가 최고였으며, 생산량은 1956년 320,000톤이 최고를 나타내었고, 10a당 단위 수량은 1998년에 최고 247 kg으로 나타났다. 그러나 이러한 재배면적은 캐나다에서 신품종인 카놀라의 재배면적이 확대됨에 따라 양자간의 생산비 격차, 유채재배 기계화 지연, 농촌노동력의 유출, 중소 착유업자의 감소와 효율적인 대형공장의 항구 쪽으로 이전 그리고 벼 이앙시기가 빨라짐에 따른 이모작 감소 등에 의해 감소하였다. 2005년도 아오모리현 조사 자료에 의하면 일본 내 유채 재배면적은 약 451 ha 내외로 약 889톤가량의 유채를 생산하고 있으며 이는 일본 내 유채유 소비량의 0.03 %에 불과하다. 지역별 생산량을 살펴보면 총 생산량 889톤 중에 아오모리현, 홋카이도 그리고 시가현에서 생산되는 양이 454톤, 366톤 그리고 45톤으로서 전 생산량의 97 %를 차지하고 있다.

 다. 파종 기계 기술

  재배되고 있는 가장 대표적인 품종은 기존 유채 품종에 포함되어 있는 인체 유해물질인 에루진산과 글루코지노레이트 성분이 적게 포함된 “키라리보시“라는 신품종으로서 토우호쿠(東北) 농업연구센터에서 개발하여 2002년도에 품종등록 된 것이다. 유채종자의 크기는 직경이 1.5～2 mm 정도이며 천립중이 4.5～5 g 정도이다. 파종 전에는 퇴비 살포와 기비살포를 한 후 파종을 실시하고 있으며, 파종 시기는 지역에 따라 크게 다르며 홋카이도와 토우호쿠 지방에서는 9월 중순까지 파종을 마치며, 봄에 파종하는 품종도 있지만 수량이 매우 적어 실질적으로 재배면적은 많지 않다. 관동지방은 2모작 한계지대로서 10월 중순까지는 파종을 마칠 필요가 있다고 한다. 파종방법은 주로 산파와 조파로 이루어지고 있으며, 파종량은 산파의 경우 300～900 g/10a정도이며, 조파의 경우는 300 g/10a 미만도 가능한 것으로 조사되었다. 산파에서 파종량을 증가시키면 잡초발생을 줄일 수 있는 장점이 있지만 너무 증가시키면 과도하게 무성해져 도복 등의 문제가 발생될 수 있다고 한다. 파종 깊이는 1～2 cm정도가 좋다고 하며 3 cm이상이 되면 발아율이 저하된다고 한다.

    파종간격은 조파 시 조간은 15～70 cm 정도이고, 기계에 의한 중경제초를 위해서는 조간을 60 cm이상으로 할 필요가 있으며, 조간 30 cm이하에서는 밀식재배가 되어 기계제초는 불가능하다고 한다. 주로 이용되고 있는 파종기계는 유채 파종을 위해 특별히 개발된 기계가 아니라 관행적으로 사용하고 있는 보행형과 승용형 트랙터에 장착한 소립종자 파종기를 이용하고 있다. 그림 2는 일반적으로 이용되고 있는 파종기를 나타내고 있다. 종자배출기구는 회전형 접시모양 배출 롤러식, 밸트식, 횡구 롤러식, 진공식 등 다양한 종류가 사용되고 있다. 큰 종자와 석회 등으로 코팅피복한 종자 등과는 달리 유채 종자와 같은 소립종자를 직접 파종할 경우에는 진공식 조출장치가 가장 정확하다고 한다. 그러나 작업능률이 낮아 횡구롤러식의 종자 조출기구에 원래 홈을 약간 막는 기구를 붙인 파종롤러를 사용하여 파종을 하고 있으며, 작업효율과 정밀도가 높고 생육도 좋으며 수량도 높다고 한다. 그림 3은 유채 파종을 위해 개조한 횡구 롤러식 배종롤러를 보여주고 있다. 아오모리현 요코하마 마을에서는 비료와 종자를 혼합해 브로드 케스터로 산파하는 경우도 있으며, 작업효율이 높고 작업성능은 8분/10a 이었다. 산파는 일손을 줄일 수가 있지만 수량은 조파에 비해 10～30 %정도 떨어진다고 한다. 또, 일부지역에서는 보리 등을 조파하는 파종장치에 유채종자와 비료를 1대 2로 혼합하여 파종하는 경우도 있다.

    파종할 때는 포장 배수성과 파종상의 쇄토상태에 유의하여야 하며 유채의 파종 시기는 늦장마와 중복되는 경우가 있기 때문에 배수대책에 충분히 주의를 할 필요가 있다고 하였다. 유채를 밭에 산파했을 경우에는 6～9 m간격으로 배수로를 내어 주는 것이 좋다고 하며, 논에 산파를 했을 경우에는 좀 더 조밀한 3～6 m간격으로 배수로를 내어 주는 것이 좋다고 한다.

 

          <그림 2> 관행 파종기        <그림 3> 유채파종용 개량 배종롤러

 라. 시비 및 방제기계 기술

  유채는 겨울철에 월동을 하기 때문에 하계작물과 비교해 잡초 및 병해충 발생이 적어 관리작업이 비교적 적은 편이다. 시비는 지역과 토양에 따라 차이가 있지만, 유채 파종 전에 완숙퇴비를 1～2 t/10a, 유채 붕소결핍증을 예방하기 위해 붕소가 포함된 고토석회를 100 kg/10a을 살포하고 있다. 질소는 6～8 kg/10a, 인산은 16～20 kg/10a, 가리는 10～12 kg/10a을 살포하고 있다. 추비는 수량증수에 효과가 있기 때문에 권장하고 있으며 10a당 2～4 kg의 질소를 시비한다. 주수에 비해 비료가 너무 과다하면 도복하기 쉽고, 균핵병 발생도 많이 일어난다고 한다. 유채는 제초 억제 효과가 있으며, 작물의 생육이 잡초보다 매우 우성이라 잡초를 덮어 생육이 좋은 유채 포장에서는 제초를 할 필요가 없다. 그러나 생육초기 잡초억제를 위해서는 파종 후 토레파노사이드(Torefanoside)라는 입제를 200～300 ml/10a를 살포한다. 시비 및 병해충 방제기계는 유채재배에 적합한 기계가 별도로 있는 것이 아니고 관행적으로 사용하고 있는 트랙터 부착형 살포기를 이용하고 있다. 그림 4는 독립행정법인 농업?식품산업기술총합연구기구 중앙농업총합연구센터 바이오매스자원순환연구팀에서 재배하고 있는 유채 재배포장에 있어서 유채 등숙기의 생육상태를 나타내고 있다.

<그림 4> 유채 생육 상태

 마. 수확기계 기술

  수확시기에 있어서 유채의 물리적 특성은 품종, 파종간격, 파종량, 시비량 등 재배조건에 따라 다소 차이가 있지만, 초장의 경우 138 cm 전후, 분지수는 5.25개, 최하 분지고 79.5 cm, 단위면적당(m²) 주수는 18주, 단위면적당(m²) 입수는 64,500개 정도였다. 따라서 이러한 유채를 관행적으로는 낫으로 잘라 노지에서 건조를 한 후 발로 밟거나 탈곡기 등으로 탈곡을 하였으나, 노동력이 많이 소요되기 때문에 최근에는 콤바인을 이용한 수확이 이루어지고 있다. 아오모리현과 홋카이도 등의 주산지에서는 보통형 콤바인이 사용되고 있으며, 작은 포장과 습답에서의 작업에서는 이것보다 소형 콤바인을 이용하고 있다. 수량은 유채 주산지인 아오모리현에서 약 250 kg/10a 정도이다.

    중앙농업총합연구센터 바이오매스 자원순환연구팀에서는 유채 수확작업의 비용절감을 위해 보통형 콤바인보다 자탈형 콤바인을 이용한 수확작업의 가능성을 검토해 몇 가지 요건을 만족시킬 경우 자탈형 콤바인으로 수확도 가능하다고 하였다. 이 요건은 다음과 같다. 우선, 수확시에 유채의 줄기와 줄기의 엉김현상을 줄이기 위해 조파방식의 파종을 할 것, 유채를 콤바인의 탈곡통에서 잘 탈곡될 수 있도록 유도하기 위해서는 밀식재배를 하여 이삭길이를 짧게 할 것 그리고 수확시기를 적기보다 조금 빨리 하여 두부손실을 적게 할 것 등이다. 그림 5의 왼쪽은 자탈형 콤바인을 이용한 유채 수확 장면을 보여주고 있다. 비교적 소형의 대두용 보통형 콤바인의 이용도 가능하지만, 타 콤바인과 비교해서 줄기와 잎 등이 전량 탈곡통에 투입되기 때문에 탈곡통 길이가 보통형 콤바인과 비교해 짧아 미 탈립된 종자의 손실이 많은 경향을 보인다고 하였다.

    유채 수확의 적기는 매우 짧고 관동지방에서는 1주일 정도도 되지 않으며 모내기 시기와는 약간 다르지만 밀 수확시기와는 중복되었다. 콤바인을 이용한 기계수확 적기 판단기준은 주경의 이삭 선단에서 1/3 지점의 꼬투리 종자가 5～6립 흑색으로 된 시점이라고 하였다. 생육단계로 보았을 때는 성숙기 7～10일 이후가 좋다고 하였으며, 자실수분이 12 %정도가 좋다고 하였다. 수확기 작물조건이 자실수분 20 %전후, 꼬투리 수분 25 %, 줄기수분 70 %정도였을 때 예취폭 1.44 m의 보통형 콤바인을 이용하여 유채 수확작업을 했을 경우 작업능률은 24분/10a 이었다. 작업정도에 있어서는 탈곡선별부 손실이 4.6～6.3 %, 예취부손실이 1.6～4.1 %, 총손실이 6.2～10.4 %로 높았고, 이물질 혼합비율이 높아 곡립손실 절감과 선별정도 향상을 위한 노력이 필요할 것으로 판단되었다. 예취부 손실을 줄이기 위한 방법으로는 가능한 한 예취높이를 이삭에 가깝게 높게 올리고, 작업속도를 빨리하며, 릴 회전속도를 최소화 하는 것이라고 하였다. 그리고 수확 후에는 타 작물을 수확할 때 곡립이 섞이지 않게 깨끗이 청소를 하는 것이 좋다고 하였다. 그림 5의 왼쪽은 자탈형 콤바인, 오른쪽은 보통형 콤바인을 이용하여 유채를 수확하는 장면을 각각 나타내고 있다.

<그림 5> 자탈형 콤바인과(위쪽) 보통형 콤바인(아랫쪽)을 이용한 유채 수확광경

 바. 건조 및 선별기계 기술

  콤바인에 의해 수확된 유채 씨는 선별정도가 떨어져 그림 6과 같이 깍지와 씨 등이 혼재되어 있어 건조기 투입 전에 2～3 mm 이하의 망목을 가진 선별체를 이용하여 조선별을 실시한다. 조선별 된 유채씨는 그림 7과 같이 유채 건조에 적합하도록 부분적으로 조절된 미맥용 순환형 건조기를 이용하여 건조시킨다. 즉, 건조시 유채 종자의 손실을 방지하기 위해 정선기능을 가진 배진팬을 중지시키고, 수분측정기는 기존의 벼, 보리용의 복립식 수분계를 유채에 적합하게 검량선만 변경하여 이용하고 있다. 목표 건조 수분은 8 %, 건조온도는 45 ℃ 이하이며, 장기보관을 위한 종자의 경우는 수분이 7 %(w. b) 이하까지 건조한다. 22.6 %의 초기수분을 가진 유채를 9.1 %까지 건조하는데 10.3시간이 소요되었으며 건감율은 1.35%/hr, 건조효율은 0.05 kg(등유)/kg(물) 이었다. 건조된 유채씨 속에는 잡초씨와 미립의 이물질이 혼합되어 있기 때문에 벨트형 콩 선별기를 이용하여 재선별을 하여 포대에 담아 저장한다. 압착법에서 착유효율은 종자수분이 10 %이상일 때 나쁘기 때문에 수분관리가 중요하고, 반대로 과 건조에 의한 문제는 적었다. 그러나 건조기 내 곡물 이송과정에서 타공망에 유채씨와 선별되지 못한 깍지 일부가 끼여 막힘 현상이 일어나 개선의 여지를 안고 있었다.

 

            <그림 6> 수확된 유채종자        <그림 7> 건조기

    이상으로 일본의 유채 재배 기계기술에 대해 살펴보았는데 유채 재배에 소요되는 연간 작업시간은 10a당 4～5시간으로 후작물로서는 보리와 비슷한 수준이다. 생산비는 경영면적과 지역에 따라 다르지만 10a 당 30～40만원 정도이며, 1ha의 전환 밭에서 겨울에 유채, 여름에 해바라기를 재배하면 30～50 ha의 논 농업에서 사용하는 경유에 상당하는 바이오디젤유를 공급할 수 있다고 한다.

3. 맺음말

 일본은 유채꽃 네트워크를 중심으로 한 지역사회 자원 순환 사이클의 구성요소로 보급되기 시작한 바이오디젤은 “바이오매스 일본”이란 정책적 뒷받침과 농업환경의 변화 등에 의해 바이오디젤 원료생산과 보급은 지금보다 더 활성화 될 것으로 판단된다. 유채재배 기계화 기술로서 유채 파종량은 산파의 경우 300～900 g/10a, 조파의 경우 300 g/10a 정도를 살포하고 있으며, 수량성은 조파의 경우가 10～30 % 높다고 한다. 유채 기계 수확적기는 주경 이삭 선단에서 1/3지점의 꼬투리 종자가 5～6립 흑색으로 된 시점, 자실 수분은 12 %정도 일 때이고, 수확손실은 최대 10.4 % 정도이다. 유채 건조 시 목표건조수분은 8 %, 장기보관을 할 경우는 자실 수분이 7 %까지 건조한다. 유채 재배에 필요한 농기계 지출비용 최소화를 통한 유채재배 생산비 절감을 위해 독일과 마찬가지로 기존 기계를 대부분 유채에 적합하도록 부분적으로 개량해서 사용하고 있다.

문의: 농업공학부 생산자동화기계과  031-290-1870