Bio-material vol 3. Potential of Bio-Energy

Bio-material vol 3. Potential of Bio-Energy

 

1. Advantage & Disadvantage of Renewable-Energy

 현재 에너지 시장에서 신재생에너지가 차지하는 비율은 아직 미미하다. 신재생에너지 기술과 의존도가 높은 화력 발전, 원자력 발전을 비교하면 저마다 장단점을 가진다. 본 기사에서는 신재생에너지 기술 전반에 걸친 장단점과 기술 별 장단점을 알아보고, 바이오 에너지만이 가진 장점의 가치를 판단하여 단점의 극복 가능성을 분석하였다.

[그래프 1. Estimated Renewable Energy share of Total Final Energy Consumption, 2016

출처 : See endnote

1.1. 신재생에너지 전반적인 장단점

장점	단점
원료의 재생성/무한성	에너지원(원료) 공급의 불균일
에너지 자급률 향상	높은 출력 변동
장비 보수 용이, 수명이 길다.	높은 발전비용(태양광)
온실가스 및 유해물질의 배출저감	소음, 진동
소규모, 분산형 발전 가능	낮은 설비 이용률
(전기)에너지 수송이 편리	한정된 에너지 저장형태(전기/열) 전기/열은 에너지 밀도가 낮다.

[표1. 신재생에너지의 전반적인 장단점]

1.2. 신재생에너지 기술 별 장단점

 신재생에너지는 대부분 자연의 열, 빛, 역학 에너지를 포집하여 사용하는데, 바이오 에너지는 생물에서 기인한 탄소를 에너지원으로 사용한다. 따라서 에너지의 생산과정과 생성되는 에너지의 형태가 다르고 그에 따른 독특한 장단점을 가진다.

 

2. 바이오 에너지의 장단점

 바이오 에너지 기술은 타 신재생에너지로는 획득할 수 없는 장점들을 가지고 있다. 또한, 바이오 에너지의 단점은 대체적으로 극복 가능하고 발전 잠재력을 가진다.

 

2.1. 바이오 에너지의 장점

2.1.1. 다양한 형태의 에너지 전환 (전기, 열, 고/액/기체 연료의 형태로 저장 가능)

[그래프 2. Renewable Energy in Total Final Energy Consumption, 2015]

출처 : See endnote

 [그래프 2]는 신재생에너지로부터 생산되는 에너지를 크게 열, 수송연료, 전력으로 분류하고 대체 경로와 비율을 나타낸 것이다. 수송용 연료를 대체하는 신재생에너지의 90%가 바이오 연료로 매우 높은 비율을 가진다. 타 신재생에너지 기술은 수송 연료를 대체하기 힘들고, 바이오 연료만이 수송 연료로써 가치가 있음을 서술하였다.

[그림 1. 바이오에너지 계통도]

출처 : 대한설비공학회 설비저널

 고함수/저함수, 동물계/식물계 등으로 구분되는 다양한 바이오매스로부터 액체 연료, 기체 연료, 고형 연료의 다양한 바이오 에너지를 생산할 수 있다. 에너지 산업에서 높은 원료 가용성과 제품 가변성은 원료 수급 문제와 제품 가격 변동의 문제로부터 안정성을 확보할 수 있다.

 또한, 바이오매스는 혐기발효 혹은 합성가스 기술을 통하여 수소의 생산이 가능한데, 수소에너지는 지구온난화, 대기/수질 오염 등의 측면에서 청정한 에너지로 인류가 나아가야할 에너지 경제의 도착지이다. 바이오 에너지의 수소 생산기술은 석유계 에너지 경제에서 수소에너지 경제로 변모하는 중간다리의 역할을 수행할 수 있다.

 

2.1.2. 높은 에너지 밀도 (석유계 연료의 대체 가능)

[그림 2. Conversion Pathways to Advanced Bio-fuels]

출처 : See endnote

[그래프 3. A plot of selected energy densities]

출처 : Own work of Scott Dial(좌), ENERGY TRENDS INSIDER(우)

 태양광, 풍력, 수력과 같은 대부분의 신재생에너지는 지속가능한 원료로부터 전기에너지를 생산/변환/저장한다. 전기에너지는 배터리를 활용한 에너지저장과 송전을 통한 에너지수송 측면에서 강점이 있지만, 에너지밀도 측면에서 큰 단점을 가진다.

 (중량/체적)에너지밀도는 (1kg/1L)에 저장되는 에너지를 수치화 한 것이다. 배터리는 전해액 속의 이온 간 전위차에 의하여 전기에너지를 출력하며, 연료는 탄소사슬과 이산화탄소의 생성열 차이에 의하여 에너지를 출력한다. 따라서 배터리는 설비 자체에 전해액을 포함하므로 연료에 비하여 에너지밀도가 낮으며, 건설 중장비와 같이 높은 에너지밀도를 요하는 분야에서는 석유계 연료의 대체가 힘들다. 대부분의 신재생에너지 기술은 전기에너지를 생산하기 때문에 석유계 연료의 대체능력에 한계를 가지는 반면, 바이오에너지는 디젤, 가솔린, 메탄, 수소와 같은 연료의 형태로 전환 가능하기 때문에 타 신재생에너지 기술에 비하여 가치가 높다.

 

2.1.3. 발전효율

 바이오매스는 열, 전기를 모두 생산 가능하므로 열병합 발전이 가능하다. 단순히 바이오매스 발전소의 효율은 25~35% 정도에 불과하지만, 열병합 발전소의 에너지 효율은 80%, 난방 보일러로만 사용하는 경우 95%까지 효율을 끌어올릴 수 있다. 또한, 열에너지를 사용하여 증기터빈을 돌려 추가적으로 전기에너지를 생산하는 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle) 복합화력발전이 가능하다. IGCC는 합성가스의 전환, 활용 과정을 거치므로 높은 에너지 효율 이외에도 수소, 전력, 액체/기체 연료의 생산이 모두 가능한 장점을 지닌다.

[그림 3. IGCC Process Diagram]

출처 : SIEMENS

 현재의 IGCC는 석탄을 주된 원료로 사용하지만, 가스화 & 가스정제 기술이 첨가된 바이오매스 가스화 설비를 갖춘다면 낮은 원료 가격과 높은 효율을 동시에 얻을 수 있다.

 

2.2. 바이오 에너지의 단점과 해결 가능성

2.2.1. 저조한 발전 규모

[그래프 4. share of Biomass in Total Final Energy Consumption and Final Energy Consumption, 2016]

출처 : See endnote

 신재생에너지 중 바이오매스에서 비롯된 에너지는 큰 비율을 차지한다. 하지만, 그 중 대부분은 목재, 펠릿과 같은 전통적 바이오매스를 연소하여 얻은 열에너지로 그 과정에서 화석연료보다 더 많은 유해물질을 발생하여 신재생에너지로의 가치가 낮다. 반면, 청청에너지로써 가치를 지닌 가스화, 열분해, 복합발전과 같은 모던 바이오매스의 활용이 매우 저조할 뿐 아니라, 바이오 에너지만의 장점인 ‘연료’화 비율 또한 매우 저조하다. 동시에 바이오 연료의 생산국이 미국, 브라질, 중국 등 일부 국가에 집중되어 있는 것 또한 문제이다.

 

2.2.2. 투자 저조 & 감소 동향

[그래프 5. Global Investment Bio-fuels Production]

출처 : 2017 Latin American Energy Review

 바이오 에너지에 대한 관심이 컸던 06, 07년 이후 바이오 에너지에 대한 투자가 지속적으로 감소하고있다. 바이오 에너지는 화석연료를 대체하므로, 유가 변동에 영향을 받는다. 고유가 시대에는 바이오 에너지의 경쟁력이 높아지고, 저유가 시대에는 감소한다. 2014년 이전의 국제유가는 배럴당 100$ 수준의 고유가 정세였지만 2014년 셰일혁명 및 비전통원유의 개발에 따라 30~50$ 수준으로 폭락하였고, 이에 따라 바이오 에너지의 투자의 저조가 계속되어 2015년의 투자금액은 2004년 수준을 밑돌았다.

 바이오 에너지 설비는 바이오매스에서 에너지로 전환하기 위한 공정 및 원료저장 설비를 갖춰야 하므로 대규모 토지면적이 필요하고, 단위 공정들을 구성하는 공정 장비 비용과 설치/설계 비용, 공정 가동을 위한 인건비까지 방대한 초기 투자비용이 필요하다. 이러한 이유로 바이오 분야에서는 개인 투자가 저조하고 기업 혹은 정부의 투자에 의존하며, 바이오 에너지 기술의 개발과는 별개로 바이오 설비용량의 증가 및 상용화 속도가 더디다.

[그래프 6. Global New Investment in Renewable Energy 2016]

출처 : BNEF

 [그래프 6]은 16년 대비 17년의 국제 신재생에너지 투자금액을 나타낸 것이다. 가장 큰 투자 감소율을 보이는 것은 ‘bio-power’로 -36%의 감소율을 보였다. 위 그래프에는 나타나지 않았지만, ‘biofuel’은 14년 대비 15년에는 -42%, 15년 대비 16년에는 -37%의 투자가 감소하였다. 저유가 추이가 계속되며 2016년까지 bio-power/fuel의 바이오 에너지 분야에서 투자가 감소하였다.

 하지만 최근 국제유가가 다시 상승하고 바이오 에너지 업계의 경쟁력이 상승하고 있다. 또한, 파리기후협약과 탄소배출권 등의 국제 환경규제에 따라 바이오 연료에 대한 수요가 점차 증가하고 있는데, 15년 대비 16년의 바이오 디젤 생산량은 9% 증가하였고, 16년 국제 육로 수송 연료 중 4%를 바이오 연료로 충당하였다.

 

2.2.3. 윤리적 문제

 바이오 에너지는 지금까지 윤리적인 문제와 여러 번 마주해왔다. 대표적인 문제로 노동자 착취와 식량자원의 이용에 따른 문제가 거론되고 있다.

 첫번째 문제는 인권 침해와 환경파괴이다. 유럽연합의 재생가능에너지법령(renewable energy directive)에 따르면, 2020년까지 수송용 연료의 10%가 재생가능 자원에서 비롯되어야 한다. 기후변화의 영향이 가시화됨에 따라 바이오 연료를 사용할 필요성이 증대되어 이와 같은 법률이 제정된 것이다. 이에따라 원료 작물을 재배하는 과정에서 후진국의 노동력이 착취 당하고, 경작지화에 의해 생태계가 파괴되어 야생 동·식물의 수가 감소하였다.

[사진 1. 바이오 에탄올의 원료인 사탕수수를 자르고 있는 브라질 여성]

출처 : The Guardian

 두번째 문제는 식량자원을 원료로 사용한다는 점이다. 한때 미국에서 생산되는 옥수수 중 40% 이상이 바이오 에탄올의 생산에 사용되면서 국제 옥수수 가격이 폭등하는 일도 있었다. 이는 옥수수를 식량으로 삼는 이들의 생존권을 위협할 수 있는 문제이며 국제적인 비난을 살 수 있다. 현재는 이러한 문제를 개선하기 위해 식량자원이 아닌 비식량자원 혹은 산업 잔사물을 활용한 바이오 에너지 기술이 시도되고 있다.

[표 2. 국제 주요 농산물의 가격변동 (2005~2007)]

출처 : FAO International Commodity Prices

 영국 뉴필드 생명윤리위원회에서 바이오 연료의 윤리적 문제와 관련하여 연구를 진행하여 몇가지 윤리적 원칙을 발표하였다.

<바이오 연료의 윤리적 원칙>

1. 바이오 연료의 개발은 인간의 기본권을 훼손해서는 안 된다.

(기본권에는 충분한 식량과 물, 보건 혜택, 일할 권리, 토지에 대한 권리가 포함된다.)

2. 바이오 연료는 환경적으로 지속 가능해야 한다.

3. 바이오 연료는 온실가스 배출 감소에 기여하며, 국제 기후 변화를 악화시켜서는 안 된다.

4. 바이오 연료는 공정무역의 원칙에 따라 개발되어야 한다.

(노동권과 지적재산권을 포함하는 공정한 보상이라는 인권을 인식해야 한다.)

5. 바이오 연료의 비용과 혜택은 공평한 방식으로 분배되어야 한다.

(경우에 따라서 바이오 연료를 개발할 의무가 있는지에 관해 숙고해야 한다.)

 또한, 조사를 이끈 조이스 테이트 교수가 다음과 같이 덧붙였다.

“바이오 연료의 사용을 장려하는 현재의 정책과 목표는 심한 부작용을 낳았습니다. 개발도상국가에서 바이오 연료 생산이 급증함에 따라 삼림파괴나 토착민의 강제 이주와 같은 문제가 발생하고 있습니다. (중략) 확고한 윤리적 원칙을 적용하는 것이 현실적으로는 어렵다는 사실을 알고 있습니다. 기존의 바이오 연료 정책은 실채하고 있습니다. 저희가 먼저 유럽 표준을 설정한다면 다른 나라들에게도 선례를 따르게끔 장려할 수 있을 것입니다. 이것은 세계적인 해결책을 요구하는 세계적인 문제입니다.”

 테이트 교수는 윤리적 원칙에 부합하며, 좁은 토지에서 재배가 가능하고, 온실가스 배출을 저감하는 새로운 바이오 연료의 개발이 정부 수준에서 장려되어야 한다고 강조하였다.

 

2.2.4. 원료 수급의 문제

[그래프 7. increase in Pellet Consumption of Korea]

출처 : New & Renewable Energy vol. 12

[그래프 8. 2012년 국내 생산 바이오 디젤의 원료 구성]

출처 : 한국바이오에너지협회

 바이오 에너지 산업의 성패에서 가장 중요한 요소는 원료 수급의 안정성이다. 국토가 좁은 우리나라는 원료의 상당 부분을 해외 수입에 의존하고 있는 것이 현 실정이다. 원료 자급화를 위해 2012년 농촌진흥청은 국내의 자생 식물 중 억새가 바이오 에너지의 원료로써 유망하다고 판단하였다. 전국의 야생 억새를 수집하고 억새의 유전자원을 수집, 평가하여 에너지화에 유리한 품종을 개발하였으며, 이러한 억새를 대량 재배하여 바이오 에너지의 원료로 이용할 계획을 하였다. 국토가 좁은 국가에서는 에너지 작물의 재배가 경쟁력을 갖추기 어렵기 때문에 작물 품종과 재배 방법 및 소재 등 다양한 연구가 진행되고 있고 있다.

[사진 2 (좌)농촌진흥청에서 개량한 ‘거대1호’ 억새, (우)바이오디젤 연구실]

출처 : 한국농업신문(좌), 한국일보 커버스토리(우)

2.2.5. 기술적 문제

2.2.5.1. 저온 유동성 문제

 팜유, 폐식용유, 아열대 유지식물에서 생산되는 바이오 디젤의 경우 저온 유동성 문제가 나타난다. 동물성지방 혹은 식물성오일의 주성분인 트라이글리세라이드(Triglyceride)를 촉매 존재 하에 알코올과 반응시켜 전이에스테르화반응(Transesterification)을 통해 바이오 디젤을 생산할 수 있다.

[그림 4. Bio-Diesel from Triglyceride]

출처 : 서울과학기술대학 논문

 이러한 과정으로 생성된 바이오 디젤은 일반 디젤과 달리 분자에 산소를 11%나 더 가진다. 때문에 세탄가가 높아 연소성능이 좋고, 인화점이 높고, 윤활성이 우수하여 취급 및 안전성에서 유리한 장점을 가진다.

[그림 5. (a)석유기반 디젤의 분자 구조, (b)바이오디젤(Fatty Acid Methyl Ester)의 분자 구조]

출처 : 서울과학기술대학 논문

 동시에 산소는 연소 열량이 없어 중량에너지밀도가 석유기반 디젤에 비하여 10%정도 낮고, 동결점은 높다. 또 -5℃ 이하에서는 유동성이 낮아져 필터 막힘 등의 문제가 발생하므로 순수 바이오 디젤로만 사용하기에 제약이 있다. 따라서 디젤과 바이오 디젤의 혼합연료를 사용한다. 저온 유동성 문제를 해결하기 위하여 혼합비율, 유동성향상제 등의 연구가 진행되고 있다.

 

2.2.5.2. 수분 혼입 문제

 바이오 에탄올, 바이오 중유는 산소를 함유한 극성화합물로 물과의 친화성이 높아 상호용해성, 흡습성으로 인해 저장과정에서 대기 중 수분 혼입의 가능성이 매우 높다. 바이오 에탄올 혼합 가솔린의 경우 수분의 함량이 높아지면 상분리가 일어나 연비가 감소하고 주행성능이 떨어진다. 반면, 바이오 ETBE(Ethyl Tert-Butyl Ether)의 경우 물과의 상호작용이 적어 수분 혼입 문제가 적고, 가솔린의 증기압을 상승시키지 않아 증발 가스 문제가 적지만 iso-butylene과 바이오 에탄올을 반응 공정이 추가되어 초기 투자비용이 증가한다.

 

2.2.5.3. Fisher-Tropsch 공정의 부산물 문제

 Fisher-Tropsch 공정은 합성가스에서 합성석유를 생산하는 공정이다. 바이오매스에서 전환된 합성가스를 F-T공정으로 가솔린, 디젤, 왁스 등의 액체 탄화수소를 생성할 수 있다. F-T공정에서는 일산화탄소의 체인 성장 반응이 일어나는데, 수성가스화 반응 등 다양한 반응이 일어난다.

[표 3. Fisher-Tropsch 공정의 반응식]

 F-T공정에서 일어나는 여러 반응들은 정교한 제어가 힘들어 많은 양의 부산물이 발생한다. 이는 원료 손실 증가, 생성물 품질 저하, 정제 비용 증가 등의 비효율을 야기한다. 따라서 부반응을 억제하는 공정 컨트롤, 선택도를 향상시키는 촉매/조촉매의 개발, 공정 조건에 따른 생성물 품질 비교, 촉매 반응기 개발 등 연구가 활발히 진행중이다.

 

 

3. 결론

3.1. 전망

 이전의 바이오 에너지는 특정한 에너지 작물을 집중적으로 활용하여 윤리, 원료 수급, 토지 문제를 가지고 있었다. 하지만 기술발전으로 바이오매스의 원료 다변화를 통해 이러한 문제를 해결하였고, 국제 유가의 상승으로 경제성을 획득하였으며, 기후 문제에 대한 국제 협약 및 환경 정책에 의해 연구개발 및 산업의 안정성을 획득하였다. 이처럼 바이오 에너지 산업의 향후 전망은 긍정적이지만, 기술적 숙련도를 갖춰 생산되는 바이오 연료의 품질을 향상시킬 필요가 있다. 이는 위에서 기술하였듯 작물 개발, 촉매 개발, 반응기 개발, (전처리/발전 설비/후처리)공정 개발, 혼합제 개발 등 다양한 연구가 진행중이다.

 

3.2. 에너지 패러다임의 변화

 대부분의 신재생에너지는 석유 기반 에너지의 완전한 대체가 불가능하다. 자연에 존재하는 빛, 열, 역학 에너지를 전기에너지로 전환하는 신재생에너지는 그 활용에 한계가 있기 때문이다.

 하지만 바이오 에너지는 근본적으로 에너지의 패러다임을 바꿀 수 있다. 바이오매스로부터 액체, 기체 연료를 얻을 수 있기 때문에 석유계 에너지(연료)를 대체할 수 있다. 뿐만 아니라 바이오매스로부터 단량체를 얻고 고분자중합을 통하여 석유 기반 소재 산업까지 대체 가능하여 인류의 석유 의존도 자체를 낮출 수 있다. 또한, 바이오매스는 합성가스화, 혐기 발효를 통한 수소 가스의 생산이 가능하여 미래의 수소 에너지 경제로 이어지는 중간 다리 역할을 할 수 있다.

 따라서 바이오 에너지를 통하여 에너지 혹은 물질적 측면에서 인류가 현재 누리고 있는 풍요를 잃지 않고도 새로운 에너지 경제를 구축하는 버팀목으로 작용할 것이다.

 

3.3. 한국의 바이오 에너지

 한국의 국토면적과 산업 및 투자의 구조상 바이오 에너지의 발전에 취약하다. 하지만 우리나라가 바다가 삼면이라는 장점을 이용하여 1,2세대 바이오연료와 더불어 3세대 바이오연료를 적극 지원한다면 좁은 국토면적으로 인한 단점을 보완하고 크게 성장 할 가능성이 있다.

 신재생에너지 보급 및 확대를 위한 RPS제도를 적극 활용하여 태양광 및 풍력과 더불어 바이오에너지를 활성화 하기 위한 정부의 협조도 필요 할 것으로 보인다. 지금까지의 산업체계에서 적용할 수 있는 바이오에너지를 개발하고, 국내 실정에 맞는 정책이 수립된다면 우리나라의 든든한 에너지자원이 될 것이다.

 

 

참고문헌

1) 배정환, 『바이오 연료의 보급전망과 사회적 가치추정』, 에너지경제연구원

2) 이진원 외 1명, 『바이오에너지의 종류와 생산방법』, 서강대학교 화공생명공학과, 2011

3) Michael Eckhart 외 4명, 『Renewables 2018 Global Status Report, REN21』, 2018

4) Michael Eckhart 외 4명, 『Renewables 2017 Global Status Report, REN21』, 2017

5) Michael Eckhart 외 4명, 『Renewables 2016 Global Status Report, REN21』, 2016

6) 『Is IGCC a viable option for Biomass?』, IEA Bioenergy, 2016.10.26

7) 이진석, 『바이오에너지 기술의 현황과 전망』, 한국에너지기술연구원 바이오에너지연구센터, 2010.01

8) 홍완준, 『바이오디젤 및 바이오디젤 혼합연료의 저온물성 향상에 관한 연구』, 서울과학기술대학교, 2018.01

9) 정진석, 『바이오에탄올의 도입과 향후과제』, KPA journal 2018 여름호 vol. 308, 2018

10) 전기원, 『Fisher-Tropsch 합성 기술 동향』, NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS vol. 25, 2007.01