바이오에너지 현황과 미래 [1] 바이오에너지란?

바이오 에너지 현황과 미래 [1] 바이오에너지란?

 

한국생산기술연구원은 지구온난화의 위험 수위가 극에 달할 것으로 전망되는 2025년 이전까지 안정적인 바이오 에너지를 확보한다는 목표를 세우고, 2007년을 기점으로 2020년까지의 13 년에 걸친 3단계 전략을 수행 중이다.  

 

2007년부터 2010년까지의 1단계 과정에서는 해조류 대량 양산에 적합한 국내·외 재배지와 바이오연료 원천기술 확보에 집중한다는 구상이다.

 

  본지에서는 바이오 에너지 종류 및 특징, 바이오 에너지와 온실가스 저감, 기존 바이오 에너지의 원료별 특징 및 문제점 등 바이오 에너지의 개괄적인 내용에 대해 살펴보고, 차세대 바이오 매스로 연구되고 있는 해조류의 종류 및 특징, 해조류의 양식에 대해 살펴본다.

 

  아울러 해조류를 해양 신바이오매스로 활용하여 현재 바이오 에탄올 제조기술에 대한 연구를 수행하고 있는 한국생산기술연구원 환경에너지 본부 김경수 본부장과 신명교·김용진 연구원을 통해 해조류 바이오 에탄올의 제조방법 및 해조류 바이오 에너지 추진비전에 관해 자세히 알아본다.

 

 

1. 바이오 에너지란?

 

가. 바이오 에너지 종류 및 특징

  바이오 에너지란 바이오매스를 직접 또는 생·화학 적, 물리적 변환과정을 통해 액체, 가스, 고체연료나 전기·열에너지 형태로 이용하는 에너지를 일컫는다.

 

  그러므로 바이오 에너지를 얻기 위해서는 반드시 바이오매스를 활용해야 하는데 바이오매스는 생명체 (Bio)와 덩어리(Mass)를 결합시킨 용어로, ‘생물량’을 뜻하는 생태학적 용어였으나 이제는 ‘에너지화 할수 있는 생물 유래 물질’이란 의미로 사용되고 있다.

 

  일반적으로 바이오매스는 광합성으로 생성되는 유기 물을 의미하지만, 산업계에서는 가축분뇨와 음식쓰레기 등의 유기성 폐기물도 바이오매스에 포함시킨다.

 

  바이오매스는 원료의 종류에 따라 아래와 같이 분류 된다.

 ● 전분질계의 자원 : 쌀, 보리 등의 곡물과 고구마, 감자, 타피오카 등

 ● 당질계의 자원 : 사탕수수, 사탕무, 스위트소검 등

 ● 목질계의 자원 : 초본, 임목, 볏짚, 왕겨 등과 같은 농업부산물과 임업부산물 등

 ● 동물 단백질계의 자원 : 축산 분뇨, 사체와 미생 물의 균체 등● 육상식물계 자원 : 유채씨, 대두, 해바라기 등

 ● 유기성 폐자원 : 유기성 폐수, 슬러지 등지구상에서 1년 동안 발생하는 바이오매스의 추정 통계량은 1,550억 톤으로, 이는 전체 석유 매장량과 비슷한 규모인 것으로 추정되고 있다. 

 

이 가운데 식물이 가장 많은 부분을 차지한다. 앞서 언급한 바와 같이 바이오매스에 열화학적·생화학적 기술들을 적용한 가공 공정 (Biorefinery)을 가함으로써 바이오 에너지로 전환될 수 있으며, 이러한 바이오 에너지는 원료가 되는 바이오매스에 따라 <그림 1-1>과 같이 바이오 에탄올, 바이오 부탄올, 바이오 디젤 등의 액체연 료와 수소, 메탄 등의 기체연료로 나눌 수 있다.

 

 나. 바이오 에너지와 온실가스 저감

 바이오매스 는 사실 19세기 이전까지 지구상에서 가장 오래, 가장 많이 사용됐던 에너지원이다. 우리나라만 하더라도 산에서 구해온 땔감으로 군불을 지펴 구들을 덥히고 가마솥에 밥을 짓던 것이 불과 반세기 전의 일이었다. 

아직도 전 세계의 1차 에너지 중 10%는 전통적인 바이오매스의 직접 연소로 에너지를 얻고 있다.  

 

석유와 석탄에 밀려 액세서리 취급을 받던 바이 오매스가 화석연료 시대를 대체할 대안으로 급부상하고 있는 것은 우선 어디에서나 쉽게 구할 수 있기 때문이다. 

최근 고유가, 기후변화협약 시대에 직면한 현상황에서 미국, 유럽, 일본 등 선진국에서는 다양한 바이오매스의 이산화탄소 흡수력을 통한 온실가스 저감 및 신재생에너지의 개발 등 지속가능기술에 관한 각종 정부지원정책 및 연구를 활발히 수행 중에 있다.

 

  산업혁명이 일어나기 전 지구 대기 중 이산화탄소의 농도는 280ppm이었고 연평균 14도의 적당한 온도를 유지할 수 있었다. 하지만 우리가 생활에 필요한 에너 지를 얻기 위해 화석에너지인 석탄과 석유를 무분별 하게 사용하게 되면서 280ppm이었던 수치는 올라가기 시작하여 1957년 탄소량을 처음 측정하기 시작할 당시 농도가 315ppm 이었고 지금은 그 수치가 380ppm까지 달하고 있으며 매년 약 2ppm 씩 올라 연평균 온도가 1957년 당시와 비교하여 0.5도가 올라 있는 실정이다.  

 

대기 중 이산화탄소의 농도가 높아지면 앞으로 어떠한 일이 일어날 지 정확하게 예측하기는 어렵겠지만 지금까지 오른 온도만으로도 지구상에 얼어있던 많은 양의 얼음이 녹기 시작하여 해수면이 상승하였으며 이에 따라 계절과 강우 유형이 바뀌는등 지구 곳곳에서 이상기후 징후를 보여주고 있다.

 

 

지난 몇 년간 발표된 일련의 보고서는 우리가 지켜야 할 이산화탄소 농도의 한계치를 450ppm으로 규정하고 있다. 현재 이산화탄소의 농도가 매년 2ppm씩 증가하는 추세가 계속된다면 우리에게 남은 시간은 고작 35년뿐이다. 한편 전 세계 탄소 배출량의 1/4을 배출하는 미국은 점점 더 많은 탄소를 배출하고 있으며 신흥 경제국으로 급성장하고 있는 중국과 인도도 조만간 미국의 배출량을 따라 잡을 예정이다.

 

  전세계적인 탄소 배출량을 감소시키기 위해서는 연료 효율이 높은 자동차의 개발, 친환경 주택 등 에너지 저소비 형태로 생활을 바꿔야 할 뿐 아니라 새로운 에너지 활용 및 생산기술을 마련해야 한다.

 

  과학자들은 앞으로 50년간 이산화탄소의 배출량을 최소 절반으로 줄여야 전 세계적인 지구온난화 사태를 막을 수 있다고 말한다. 

미국 프린스턴 대학의 로버트 소콜로와 스티븐 파칼라 교수는 향후 50년간 이산화탄소의 배출량을 최소 절반으로 줄여야 전 세계 적인 지구온난화 사태를 막을 수 있다고 경고하면서 지금의 기술 수준으로 이 목표를 달성할 수 있는 15 가지 억제책으로 4가지 방안 (<표 1-1> 참조, ① 에너지 효율성 증대와 절약, 

② 온실가스 포집과 저장기 술개발, ③ 저탄소 연료의 사용, ④ 재생 가능한 에너 지와 탄소 흡수원의 확보)을 제시하였으며, 궁극적으 로는 배출된 CO₂가 지구와 바다에 모두 흡수되는 배출량 zero 신기술 개발이 매우 중요하다고 언급하였다.

 

  하지만 이러한 방식으로 탄소량의 감축책을 효과 적으로 활용한다 하더라도 <표 1-2>에서 보는 바와 같이, 50년 후의 이산화탄소 농도는 현재 380ppm에서 450ppm으로 증가하고 지구의 연평균 온도 또한 1957년도 대비 2℃ 상승하게 된다는 점은 우리에게 시사하는 바가 매우 크다.

 

  <표 1-1>에서 보는 바와 같이, 자동차에서 내뿜는 탄소배출량은 제안된 15개의 기술 중 3개 분야를 차지할 정도로 석탄화력발전소 못지않게 중요한 위치를 차지하고 있으며, 이를 해결하기 위한 기술로서 신· 재생에너지의 한 분야인 바이오 에너지를 이용한 수송용 연료의 대체기술은 탄소량 배출 감소를 위해 매우 중요한 위치를 차지하고 있다는 것을 알 수 있다.

  <그림 1-2>는 바이오 에너지를 이용한 에너지의 100% 순환구조를 나타낸 것이다.>

 

 

 1) 바이오 디젤

 바 이오 디젤의 원료로는 폐식용유, 폐오일 등과 식물성 기름인 유채유, 대두유, 코코넛유, 야자수 유, 해바라기유, 쌀겨유, 팜유 등을 사용한다. 경제적 관점에서 볼 때 바이오디젤의 상용화의 가장 큰 장애가 되는 부분은 원료 및 생산단가이다. 독일의 경우 바이오디젤의 원료는 대부분 유체꽃이며 이로부터 생산되는 유채유 바이오디젤 가격의 85%가 원료비에 해당한다.  

 

우리나라의 경우 가격이 이보다 저렴한 팜유나 폐식용유를 이용하는 것이 가장 유리하겠지 만, 이 역시 고체 찌꺼기를 함유한 폐유지의 처리와 체계적인 수거시스템의 한계가 존재하고 팜유의 경우 겨울철에 필터막힘점 현상을 해결하기 위한 저온 유동성 향상용 첨가제 개발이 선행되어야 하는 문제 점이 있다.

 

  바이오디젤의 제조는 직접이용법, 마이크로 에멀젼 법, 열분해법, 에스테르교환법으로 구분될 수 있으며, 식물성 유지원료의 화학적인 공정을 거치지 않는 직접이용법을 이용한 바이오디젤의 경우, 자동차 디젤 엔진에 여러 가지 문제를 발생시켜 현재는 거의 사용 하지 않는다. 

1990년대 들어서서 에스테르교환법 (Transesterification)을 통해 비로소 진정한 의미의 바이오디젤을 위한 대량생산 공정개발이 이루어지게 되었는데, 이 제조 공정은 강알칼리 혹은 강산 촉매 하에 트리 글리세리드(Trigliceride)로 이루어진 식물성 유지를 메탄올과 에스테르 교환반응을 통해 바이 오디젤 (FAME)을 얻는 제조법이다.

 

  에스테르 교환반응에 사용되는 균일계 촉매로는 알칼리촉매, 산촉매, 효소촉매로 구분되며, 알칼리 촉매 로는 NaOH, KOH, NaOCH₃등이며, 산촉매로서는 H₂SO₄, HCl 및 효소촉매(Lipase, Novozym 435) 등이 사용되고 있다.  

 

일반적으로 알칼리 촉매로는 KOH 공정이 경제적으로 평가되고 있으나, 이러한 균일계 촉매를 이용한 바이오디젤 제조법은 반응 후 바이오 디젤로부터 용해되어 있는 촉매를 생성물로부터 분리 /회수해야 할 뿐 아니라 촉매분리가 완벽하지 못할 경우 촉매 잔류 성분으로 인한 디젤엔진에 문제점을 야기할 수 있는 단점이 존재한다.  

 

특히 KOH를 포함한 알칼리 촉매공정은 반응 후 중화과정에서 다량의 공업폐수를 생성시킬 뿐 아니라, 원료 유지에 대한 특별한 전처리를 하지 않는 한 식물성 원료유에 통상적으로 1~3% 함유하고 있는 유리 지방산(Free Fatty Acid)과의 비누화 반응을 통하여 염을 형성, 바이오디 젤유와 부산물인 글리세린의 효과적인 분리를 방해하 며, 결과적으로 바이오디젤유의 수율이 낮아지는 문제점을 발생시키는 단점이 있다.

 

  삼성경제연구소에서 바이오 디젤을 도입하는데 사회적인 편익을 조사한 결과, 상용화에 있어서 가장 큰걸림돌이 되는 부분은 원료 문제로서 유채를 이용할때 가장 높은 편익이 나오는 것으로 조사되었지만 국내 생산비용을 리터당 0.49달러 이하로 낮추어야만 하며, 우리나라의 좁은 경작면적을 고려할 때 충분한 대안이 될 수는 없을 것으로 예상된다.  

 

 

유채유보다 저렴한 팜 바이오 디젤의 경우 팜 원료를 동남아 등지에서 수입해야 하나 에너지 자원을 해외로부터 들여오는 것은 원유를 도입하는 것과 다를 바 없으므로 보다 국내 실정에 맞는 바이오매스를 선정하는 것이 무엇 보다도 중요하다고 하겠다.

 

 (2) 바이오 에탄올

 현재 바이오 에탄올의 원료가 되는 원료는 크게 당질계 (사탕수수, 사탕무 등), 전분질계 (옥수수, 감자, 고구마 등), 목질계 (나무, 볏짚, 폐지 등)로 나눌 수있으며 이 중 당질계와 전분질계는 식량자원과 연관 됨으로써 장기적인 관점에서 원료수급이 불안정으로 인한 원료비 상승과 원료확보 문제가 상존한다.

 

  상기 바이오매스는 <그림 1-3>과 같이 전분질계와 목질계의 경우 적절한 전처리 과정을 거친 후, 당화공정을 거친 당화액은 여러 가지 에탄올 생산균주를 이용한 발효공정을 통해 바이오 에탄올을 제조할 수 있다.

 

  당질계의 경우 원료를 비교적 간단한 전처리 과정 후이어지는 발효공정을 통해 곧바로 바이오 에탄올로 전환이 가능, 비교적 저렴하게 수송용 에탄올을 제조할 수 있으나, 이 경우 브라질과 같이 국토의 면적이 충분해 사탕수수 재배면적이 넓은 경우에만 적용할수 있어 당질계를 이용한 수송용 바이오 에탄올 생산 기술은 국내 실정에 맞지 않다.

 

  목질계는 도시 폐기물 형태의 폐목재나 산림 곳곳에 흩어져 있는 임산부산물을 원료로 이용할 수 있으 며, 식량으로서 활용가치가 없어 원료 수급의 안정성이 확보될 수 있는 원료이나, 공정상 반드시 수반되어야 하는 리그닌 제거 전처리공정으로 인한 공정비 상승과 함께, 목질계 셀룰로오스 기질의 특징인 수소결 합으로 이루어진 crystalline 구조적 특성으로 당화수 율이 낮아 경제성이 낮은 단점이 존재한다.

 

  수송용 대체연료로서 바이오 에탄올의 성공적인 상업화는 가솔린 대비 바이오 에탄올의 가격 경쟁력 즉, 바이오 에탄올 제조 저비용성 확보에 있다. 

통상적으로 바이오 에탄올 제조단가 중 원료비와 공정비가 차지하는 비율은 바이오매스의 종류와 공정에 따라서 편차가 크나, 사탕수수나 사탕무를 이용하는 당질계의 경우 원료비 : 공정비는 약 75 : 25 정도인 반면, 옥수수, 감자, 카사바 등의 전분질계는 약 50 : 50 이며, 목질계의 경우는 약 25 : 75 정도로 당질계 및 전분질계는 원료비가 생산단가의 절반 이상을 차지하지만 목질계의 경우는 원료비는 저렴하지만 앞서 언급한 복잡한 공정으로 인해 공정비가 절반 이상을 차지 하는 문제가 상존하다.

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[출처] 바이오 에너지 현황과 미래|작성자 에코