Bio-resource tech vol.1 <바이오매스; biomass>

Bio-resource tech vol.1 <바이오매스; biomass>

[그림 1_ 다양한 biomass의 경로]

■ 사전적 정의

 화학적 에너지로 사용 가능한 식물, 동물, 미생물 등의 생물체, 즉 바이오 에너지의 에너지원을 의미하며, 생태학적으로 단위 시간 및 공간 내에 존재하는 특정 생물체의 중량 또는 에너지량을 의미하기도 한다.

 

# 다시 말해, 생물체 자체 혹은 생물체에서 비롯한 모든 자원을 뜻한다. 

바이오매스는 친환경성 및 활용성 측면에서 화석연료를 대체할 자원으로써 가치가 높다.

1^st 

 생산자(ex.식물체)가 광합성을 통하여 무생물적 환경(abiotic environment)에1서 생물계(biome)로 탄소를 유입 시키고, 소비자(ex.동물체)와 분해자(ex.미생물)에 의하여 다시 무생물적 환경으로 탄소가 순환하는 과정에 관여하여 생물 자원을 에너지원으로 이용하는 것으로 화석연료를 사용하는 것보다 탄소 발생이 현저히 줄어드는 효과를 가져온다.

2^nd 

생물체의 생장 혹은 재배를 통하여 얻어 지기 때문에 고갈의 염려가 없다.

3^rd 

 기존의 화석연료는 단순한 에너지 자원 뿐만 아니라 물질적 자원 측면에서도 큰 가치를 지녔다. 타 대체 에너지는 단순히 화석연료의 에너지 자원으로써 역할만을 대체할 뿐이었는데, 바이오매스는 바이오 소재의 생산으로 석유기반의 화학소재를 대체할 수 있다.

 

 

 

■ 세대별 분류

 지금까지 바이오매스의 정의에 대하여 알아보았다. 지구상에 존재하는 유기물을 총칭하는 바이오매스를 명확하게 분류하기란 어렵다. 하지만 산업 전반에 걸쳐 통상적으로 사용되는 분류를 통하여 바이오매스를 분류해보고자 한다. 다음과 같이 바이오매스는 크게 3세대로 나뉜다.

세대 구분	원료
1st Generation	<곡물류> Sugar, starch, vegetable, oil or animal fats
2nd Generation	<Cellulose-based biomass> Non-food, wood, straw
3rd Generation	<조류> 거대조류 및 미세조류
4th Generation	<Biomass to Liquid> 바이오 매스에서 액체연료(가솔린) 및 탄화수소로 전환 (Bio-refinery)

[표 1_ Classification of Biomass by Generation]

 

1세대

우리가 ‘바이오(매스)에너지’를 떠올렸을 때 쉽게 생각할 수 있는 원료는 대부분 1세대 원료일 것이다. 옥수수나 사탕수수 등을 이용한 1세대의 바이오 연료는 식량자원인 곡물류에 해당한다. 1세대 원료는 기술개발이 가장 활발히 진행되어왔고 가장 상용화 되어있다. 세계 각국은 자국에 적합한 원료를 이용하여 바이오 에너지 보급에 주력해왔다.

 

국가	미국	EU	일본	브라질	중국
주력 원료	옥수수	유지작물 (유채, 해바라기)	폐기물계 바이오매스	사탕수수	옥수수, 사탕수수 (+ 밀, 카사바, 고구마)

[표 2_ 국가별 바이오매스 주력 원료]

 

하지만 곡물을 이용하여 에너지를 생산하게 되면서 곡물가의 상승을 막지 못한다. 2008년 바이오 연료의 원료로 이용하는 곡물의 양이 증가함에 따라 미국의 곡물가가 폭등하는 현상이 일어났다. 이에 따라 오바마 대통령은 Green New Deal 정책을 펼쳐 이를 완화시켰다.

뿐만 아니라 식량자원인 곡물을 에너지의 원료로 이용함에 따라 윤리적인 문제가 발생하게 되었다. 이를 비유하는 말로 ‘biofool’이라는 단어가 생겨날 정도다. 제3세계의 아이들은 하루의 식사도 하지 못하고 있는데 어디서는 이를 이용하여 에너지를 생산하는 현황을 비꼬는 단어이다. 이러한 문제점 때문에 식량자원을 원료로 사용하지 말고 다른 대책을 찾았고 이는 셀룰로오스계 바이오매스로 발전하게 되었다.

 

2세대

셀룰로오스계 바이오매스는 현재에도 전 세계적으로 많이 개발되고 있는 분야이다. 우선 셀룰로오스는 전 지구상에 가장 풍부한 유기자원으로서 무한한 자원량이 있기 때문에 가장 각광받고 있는 에너지원 중에 하나이다.

하지만 식물의 세포벽에 가장 많이 존재하는 셀룰로오스를 얻기 위해서는 전처리 과정이 필수적이다. 하지만 전처리를 기술은 비용적 측면에서 값비싸다는 단점을 갖고 있어 한계가 있다. 값 싸게 전처리하는 방법이 개발된다면 그 어떠한 재생에너지 보다 발전 가능성이 무궁무진한 원료이다.

 

3세대

 이러한 2세대의 문제점을 넘어서기 위하여 개발되고 있는 것은 조류를 이용한 바이오매스이다. 조류는 우리가 쉽게 접할 수 있는 미역 등과 같은 거대조류가 있고, 우리 눈으로 쉽게 관찰하기 힘든 미세조류가 있다. 과학계 최고의 잡지인 <네이처>에서 조류를 이용한 바이오에탄올과 관련된 글에서 이를 녹색의 금이라고 명명할 정도로 이에 부가가치는 엄청나다는 것을 알 수 있다.

 조류를 이용한 바이오매스 개발은 환경적 측면에서도 엄청난 가치가 있다고 할 수 있다.

 

4세대

 마지막 4세대는 이러한 바이오연료를 가솔린 변환기술을 이용하여 얻는 것을 말한다. 이를 지칭하여 바이오리파이너리 기술이라고 지칭한다. 석유화학 산업의 페트로리파이너리에 대응되는 개념으로 바이오기술(BT)을 이용한 바이오매스로부터 재생가능한 바이오연료 및 바이오 화합물을 생산하는 것을 말한다. 바이오매스는 이용하는 과정에서 CO₂를 발생시키지만 생산하는 과정에서 CO₂를 흡수하기 때문에 탄소 중립적인 성격을 지니고 있다.

 

 

 

■ 다양한 바이오매스의 분류

위에서 설명한 바이오매스의 세대별 분류 이외에도 다양한 시선에서 바이오매스를 분류하기도 한다.

1) 식량 vs 비식량

 

[그림 2. 곡물 바이오매스]

출처 : SK에너지

 1세대 바이오매스인 옥수수, 사탕수수와 같은 곡물/식물류는 바이오 연료로 전환하는 공정이 비교적 간단하고, 생산 단가가 저렴하였으나, 원료가 되는 곡물/식물류의 수요 및 가격의 증가로 이어지며, 빈민국의 기아문제와 맞물린 윤리적 문제로 인하여 비 곡물 2세대 바이오매스로 초점이 이동하였다.

 

2) 고함수 vs 저함수

바이오매스에 함유된 수분의 양에 따른 분류이다. 기본적으로 바이오매스는 생물체에서 기인하므로 대부분 수분을 다량 함유하는 고함수 바이오매스로 분류된다. 하지만 건조의 과정을 거쳤거나, 바이오매스 자체에 수분함량이 적은 경우 저함수 바이오매스를 얻을 수 있다. 또, 바이오매스를 자원으로 전환하는 공정에 따라 적합한 함수량의 바이오매스가 선택될 수 있다.

예를 들어, 저함수 바이오매스인 목질계 바이오매스의 경우 가스화 공정 시 건조과정이 생략될 수 있어 가스화를 통한 합성 가스의 생산에 유리하다. 또한, 고함수 바이오매스인 축산 분뇨 혹은 유기성 폐기물의 경우 가스화 할 경우 건조과정이 필요하여 불리하고, 혐기발효 미생물이나 수소 생산균을 이용하여 메탄과 수소와 같은 바이오가스의 생산하는 것이 유리하다.

   - 고함수 바이오매스 : 축산 분뇨, 동물체, 유기성 폐수, 음식물 쓰레기, 등

   - 저함수 바이오매스 : 목질계 바이오매스 (우드칩, 팰릿, 폐목재)

 

3) 구체적 바이오매스 종류 & 전환 공정 & 생산물

 [그림 3. 바이오매스의 다양한 종류와 그에 따른 활용방법]

출처 : 한국 에너지 공단

 

■ 바이오매스의 장단점

우리는 왜 바이오매스 각광하고, 기대하는 것일까. 그 이유는 간단하다. 친환경적인 원료이다. 바이오매스의 가장 큰 장점은 탄소중립이 가능하다는 것이다. 이용하는 과정에서 co2가 발생하지만 바이오매스 원료가 생산되는 과정에서 CO₂가 흡수되기 때문에 전체적으로 본다면 탄소가 나오지 않고 자연계에서 순환하는 탄소중립을 실현 시킬 수 있는 유일한 원료라고 할 수 있다.

 뿐만 아니라 다양한 형태의 에너지원 생산이 가능하다. 가장 많이 사용하는 수송용 원료로 액체형태의 원료 생산이 가능하며, 필요에 따라 고체, 기체 형태로의 생산이 가능하기에 활용성 또한 기대되고 있다.

 하지만 바이오매스에도 몇 가지 풀어야하는 문제가 존재한다. 가장 큰 문제는 화석연료에 비하여 분포지역이 넓고 부피가 커서 이를 사용하기 위한 비용적인 문제가 따라온다. 그리고 단위 중량당 발열량이 적어 아직까지 화석연료의 에너지 효율을 따라오기엔 부족하다.

  

■ 바이오매스의 가능성

바이오매스는 친환경적으로 에너지와 소재를 대체하는데 큰 가치를 갖는다.

 하지만, 여러 대체 에너지와 마찬가지로 원료 당 생산되는 에너지 밀도가 낮아 대규모의 생산 설비가 필요하고, 에너지의 원료가 되는 요소들이 실생활과는 거리가 있는 단점을 갖는다. 또한, 생성되는 에너지가 전기에너지 혹은 열 에너지에 국한되어 있는 타 대체 에너지와는 달리 에너지 뿐 아니라 실생활에서 유용하게 사용될 수 있는 소재 혹은 화학물질의 생산까지 가능하여 그 활용성 측면에서 만큼은 가능성이 매우 높은 대체 자원이다.

구체적인 예를 들어 보면, 

- 혐기 발효를 통하여 얻은 메탄가스는 C1-chemistry의 원료가 될 수 있어 액체 연료를 비롯한 탄화수소의 생산이 가능하다.

- 셀룰로오스계 바이오매스로부터 얻을 수 있는 바이오 폴리머는 석유화학 소재들을 대체 가능하다.

- 수소 생성균을 이용하여 얻는 수소는 연료전지의 연료가 될 수 있고, petroleum refinery에서 수소화공정의 원료가 되어 화석 연료를 더욱 효율적으로 사용할 수 있도록 하며, 질소와 함께 비료의 원료가 될 수도 있다.

- 바이오매스의 가스화를 통하여 얻은 합성가스는 메탄올, 가솔린 첨가제, 포름알데하이드, 메탄, 수소, 휘발유, 탄화수소, 비료, 복합발전설비 연료 등 에너지원과 물질적 자원으로 다양한 활용이 가능하다.

 특히, 근래의 환경 정책들을 환경 오염이 많은 디젤연료의 사용을 줄이고 가솔린의 사용을 장려한다. 디젤과 가솔린은 수송용 연료로 사용이 큰 비중을 차지하는데, 가솔린 내연기관의 효율은 연료의 압축비를 의미하는 옥탄가에 의해 좌우된다. 기존에 가솔린의 옥탄가를 향상시키기 위해 가솔린 첨가제로 사용되었던 MTBE(Methyl Tert-Butyl Ether)가 발암물질로 판명됨에 따라 가솔린 첨가제로 에탄올과 같은 알코올이 사용되고있다. 여러 선진국에서는 바이오 매스를 통하여 알코올을 생산하고 가솔린 첨가제로 활용하였다.

 이처럼 구체적으로 실생활에 사용가능한 물질적 자원으로 활용이 가능하다는 점에서 타 대체에너지보다 가능성이 높다고 판단된다.

 

 

 

- 참고 문헌

1. 국립 환경 과학원 “독일의 바이오가스화 지침서”

2. 스웨덴 사례를 중심으로 선진국의 바이오가스화 현황

3. “Energy & Environmental Science”

4. 바이오가스 현황과 과제 (한국에너지기술연구원)

5. 박용환 기자, 『바이오연료, 新 원료 찾기』, EBN news, 2009.05.21

http://www.ebn.co.kr/news/view/383162

6. 『바이오매스, 고마운 에너지』, SK energy_에너지 인사이드, 2013.04.30

http://skenergy.tistory.com/548

7. 양지원 교수, 『바이오매스 기술의 발전과 미세조류 기반의 바이오에너지 기술 전망』, GS Caltex mediahub, 2012.09.19

https://gscaltexmediahub.com/energy/development-of-biomass-technology-and-prospect/