Bio liquid fuel

Bio liquid fuel

 

그림 1. 유기물 에너지원, 바이오 에너지

출처 : 교보 생명

지금까지 화석연료의 양은 인류가 사용하기 충분하였다. 그 결과 석유에 의해 에너지, 전자, 수송, 건설, 제조 등 거대 산업들은 화석연료에 큰 의존성을 가지게 되었다. 하지만 화석연료는 자원 유한성과 환경 오염의 문제점을 지녀 지속가능성이 떨어진다. 따라서 세계 각국은 화석연료에 대한 의존도를 낮춰 자국의 에너지 안보 및 독립을 이루고 환경 오염에 대응하기 위해 바이오 연료를 의무적으로 석유 연료와 혼합하여 사용하는 제도를 도입하고 있다.

한편, 한국 에너지경제연구원의 통계에 따르면 우리나라에서 사용하는 에너지의 96.4%(08년기준)를 해외에 의존하고 있으며, 그 중 석유에 대한 의존도는 41.6%에 해당할 만큼 높은 비율을 차지한다. 그리고 한국석유공사 자료에 따르면 국내 석유소비량 중에 수송용 소비량은 평균 21%이며, 그 중 도로(자동차) 비중은 평균 80%일만큼 많은 부분이 수송용 연료로 사용되고 있는 것이 현실이다. 본 기사에서는 해외 의존도가 높은 한국의 에너지 시장에서 수송용 바이오 연료의 필요성에 대하여 서술하였다.

 

1. 바이오 에탄올

1) 바이오 에탄올의 정의

사탕수수, 밀, 옥수수, 감자, 보리 등 주로 녹말작물을 발효시켜 차량 등의 연료 첨가제로 사용하는 바이오 연료로서 바이오 디젤과 함께 가장 널리 사용된다. 바이오 에탄올 생산공정은 크게 3가지로 이루어져 있다. 당화 저해 물질을 제거하고 셀룰로오스 접근 가능성을 증가시키기 위한 전처리 공정(Pretreatment)과 셀룰로오스의 가수분해를 통해 발효 가능한 당류로 변환하는 당화 공정(Saccharification). 마지막으로 생성된 당을 효모, 박테리아를 이용하여 에탄올로 전환시키는 발효공정(Fermentation)으로 구성되며 바이오매스 별 생성공정은 그림2와 같다.

그림 2. 바이오 연료 생성 공정

출처 : 에너지 관리공단 신에너지재생센터

 

바이오매스는 풍력이나 태양열과 같은 단순한 에너지 공급원이 아니라 화학공업의 원료로서 사용될 수 있는 화석연료를 대체 할 수 있는 유일한 자연발생적 재생가능자원이다. 바이오 에탄올은 교통수단의 연료로써 사용이 가능하며 지구상의 대기중의 CO₂의 발생을 줄일 수 있는 역할을 하는 동시에 발생하는 CO₂를 바이오 에탄올의 공급체로 제공되어 식물이나 나무들이 성장의 좋은 원료로서 역할을 하면서 대기중의 co₂ 농도를 줄이는데 큰 기여를 하는 친환경에너지원이다.

 

2) 바이오 에탄올 필요성

현재 우리나라의 각 연도별 자동차 등록대수 현황 조사결과 휘발유 자동차 등록비율이 가장 높은 것으로 나왔다. 즉 바이오 에탄올을 먼저 도입하는 것이 가장 큰 효과를 볼 수 있기 때문에 바이오 디젤보다 바이오 에탄올을 우선 연구되어야 한다.

 

표 1. 연료 별 자동차 등록현황(단위: 대)

출처 : 국토해양부(2012)

현재 시범 적용해 보고 있는 바이오 에탄올을 적용할 수 있는 단계 E3,E5를 기준이며, E5 적용시, 약 한달 기준의 3/5의 휘발유를 소비감소 가능하다. 소비자의 휘발유 사용절감으로 인한 이득 발생한다는 결과가 있으며 온실가스 감축으로 인한 환경적, 경제적 이득을 볼 수 있다. 교토 의정서로 인해 탄소배출감소가 의무가 되었고 바이오 에탄올 생산을 위한 CO₂ 배출은 배출에 포함시키지 않는다는 조약이 있다. 바이오 에탄올 사용으로 CO₂ 저감이 가능한다.

 

표 2. 바이오 에탄올 혼합 시 절감되는 휘발유의 양

출처 : Australian Government Biofuels Taskforce, EPA, Sheehan J.

 

표 3. 바이오 에탄올 혼합 시 CO₂절감률

출처 : Australian Government Biofuels Taskforce, EPA, Sheehan J.

3) 바이오 에탄올의 문제점         

바이오 에탄올 사용에 있어 항상 문제제기가 이루어지고 있는 주제인 식량가격이다. 이에 대하여 Jean Ziegler UN 인권위원회 식량 특별조사관 및 Robert Zoellick 세계은행 총재 등이 바이오 에탄올 생산증가가 개도국들의 식량난을 부추긴다고 주장하였고 이에 대하여 브라질 정부가 사탕수수를 이용한 바이오 에너지 생산은 식량 가격의 상승과는 무관하다고 반박하였다.

 

이에 대한 근거로 첫번째 이유는 사탕수수 재배 확대는 주로 목축지의 감소와 연관, 식량 생산감소와 직접적인 관계없다고 하였다. 두번째는 최근의 단기적인 가격 급등의 주요 요인은 공급 측면보다 중국, 인도의 식량 수요 급증이 주된 요인이며, 바이오 에탄올을 식량가격 상승의 주된 원인으로 지목하는 것은 무리라는 주장을 하면서 반박을 하였다. 브라질의 경우 전체 경작지의 20%만 사용하고 있으며 현재와 같은 식량가격 수준이 지속될 경우 브라질은 가용 경작지를 활용하여 곡물 생산을 크게 증가 시킬 수 있고, 장기적으로 곡물생산의 증가를 통한 식량가격의 하락을 가져올 수 있을 것이라고 전망하고 있으며 Roberto Rodrigues 전 주재국 농업장관은 사탕수수 경작면적의 확대는 토지의 황폐화를 막고 식량 생산을 확대하는데 기여할 것이라고 주장하고 있다.

 

4) 친환경 에너지원 바이오 연료

당질 및 전분질계 바이오매스(현재까지 바이오 에탄올 생산에 필요한 원료)는 인류가 사용하는 식량이라는 문제점을 지니고 있어, 영구적인 기질이라 볼 수 없다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 새로운 형태의 바이오매스의 도입과 적용이 필수적이다. 가장 대두되고 있는 원료로는 목질계 바이오매스로 섬유소는 양적으로 가장  풍부, 이용가능성이 높은 물질, 풍부한 양, 재생능력, 저렴한 원료비 등의 장점을 가져 에탄올 생산 원료로서 활용가능성이 높다.

 

그림 3. 친환경연료 바이오에탄올

 

2. 바이오 디젤

1) 바이오 디젤

유지작물, 동물성 유지, 팜유, 폐식용유, 합성가스, 미세조류로부터 생산될 수 있는 바이오 디젤은 석유계 디젤에 준하는 에너지 밀도를 가져 수송용으로 활발히 적용되고 있다. 바이오 디젤은 기존의 석유계 디젤과 혼합하여 사용 가능하므로 기존의 인프라에 큰 변화 없이 화석연료를 대체할 수 있다는 점이 매우 큰 장점이다.

바이오 디젤은 기존의 석유 디젤에 비해 생분해성이 높고 독성배출가스와 분진의 배출이 적어 친환경적이며 인화점이 높기 때문에 취급과 저장성 면에서 유리하다. 또한 황 성분이 적은 석유 디젤은 윤활성이 떨어지는 반면 바이오 디젤의 경우 황성분이 적은 데도 불구하고 윤활성이 높아 기계의 마모 현상을 줄일 수 있다는 장점과 아울러 황산화물을 생성하지 않아 황산화물이 대기환경에 작용하여 인간에서 미치는 악영향을 줄일 수 있는 이점을 가진다.

 

그림 4. 바이오 디젤 생산기술 개략도

 출처 : R.C. Costello & Assoc., Inc.

그림 5. 폐식용유로부터 바이오 디젤의 생산

출처 : YG chemical

그림 6. 합성가스와 Bio-GTL을 통한 바이오디젤 생산

출처 : PNAS

그림 7. 미세조류로부터 바이오 디젤의 생산

출처 : Hello DD

2) 바이오 디젤의 사회, 경제, 환경적 효과

우리나라에서 바이오 디젤의 발전이 가져올 효과는 다양하다. 바이오 디젤은 여러 나라에서 일정 수준 이상의 혼합비가 의무화되어 세계 시장의 규모가 보장된다. 따라서 바이오 디젤 기술의 발전과 생산량의 증가는 에너지 수출의 경제적 효과를 얻을 수 있다. 우리나라의 경우 에너지 수입량이 압도적으로 많고 해외의존도가 높아 에너지 안보가 취약한데, 에너지 작물의 재배를 통해 국산에너지의 생산이 가능해지며 에너지 산업과 농업의 고용 및 수익 창출로 연결될 수 있다. 다양한 원료로부터 생산될 수 있는 바이오 에너지는 유기성 폐기물을 재사용하여 수질오염을 줄이고, 연소 시 대기오염 물질의 배출이 적고, 석유 디젤과 달리 발암 물질이 없고, 토양에 유출 시 1달 이내에 80%가 생분해 되는 환경적 이점을 가진다.

 

그래프 1. 바이오 디젤의 대기오염 물질 배출 저감

출처 : 한국바이오에너지협회

3) 바이오 디젤의 필요성

바이오 디젤은 현 산업에 적용가능성, 생산성, 타 산업의 경제성 제고 등 긍정적인 효과를 가진다. 뿐만 아니라 바이오 디젤은 탄소경제에서 수소경제로 에너지 패러다임을 전환하는 징검다리가 될 것으로 전망된다. 2세대 바이오 디젤 생산기술인 합성가스를 통하여 수소의 생산, 활용이 가능한데, 수소에너지는 친환경적이고 고에너지 밀도를 갖기 때문에 에너지 산업이 앞으로 나아가야 할 방향이다. 세대를 거듭할수록 바이오 디젤의 원료 범위가 넓어지고 있기 때문에 수소 생산의 원료 또한 확대되어 수소에너지 경제로의 전환 가능성이 점차 확대되고 있다.

 

표 4. 바이오 디젤의 보급 필요성

출처 : 지식경제부

 

그림 8. 수소에너지 경제로 전환

출처 : 바이오디젤협회

4) 바이오 디젤의 문제점

4.1) 경제성

바이오 에너지는 국제유가에 민감한 반응을 가진다. 석유계 연료의 대체제인 바이오 연료는 생산 단가가 높아 경제성이 떨어지기 때문이다. 국제유가가 높을 때 바이오 연료는 상대적으로 활성화되고, 국제유가가 낮을 때 바이오 연료는 위축된다. 2014년 셰일혁명으로 국제유가가 1/3수준으로 폭락하였고, 그로 인해 바이오 연료의 시장과 연구 활동이 크게 위축되었다. 그러나 최근 유가가 다시 상승함에 따라 바이오 에너지에 대한 관심이 일고 있다.

따라서 정책적 지원이 결부되어 사회경제적 변화에 의한 불안정성을 낮출 필요가 있다. 여러 국가에서는 기후변화에 대응하여 수송용 연료에 바이오 연료의 함유를 의무화하는 정책을 도입하였다. 이러한 정책은 경제성이 떨어지는 바이오 에너지가 시장경쟁에서 도태되는 것을 방지할 수 있지만, 한편으로는 기술 개발의 의지를 저하시켜 기술 발전의 속도를 늦출 수 있다는 시각이 있다. 또한 무분별한 정책적 개입은 품질 및 탄소 저감효과가 떨어지는 바이오 연료의 생산까지 촉진하기 때문에 결과적으로 탄소의 발생을 촉진하게 될 수도 있다.

 

4.2) 탄소 저감의 실효성 의심

유럽연합의 바이오 연료 사용 장려가 오히려 온실가스 배출을 증가시킨다는 연구 결과가 등장하였다. 식물성 유지 기반의 바이오 디젤을 계속하여 사용한다면 EU전체의 차량 온실가스 배출이 화석연료를 사용한 경우보다 약 4% 증가할 것으로 예상된다는 내용이다. 특히 콩과 야자에 기반한 바이오 디젤의 온실가스 배출은 각각 석유 디젤의 2배, 3배이다. 유럽시장에서 바이오 디젤은 가장 규모가 큰 연료로 전체의 70%를 차지하는데 이중 75% 이상의 바이오 연료가 석유 연료(가솔린, 디젤)보다 온실가스의 배출이 많을 것으로 추정된다. 에너지 작물의 재배를 위해 우림 등 생태계를 농지화하는 토지사용의 변화에서 비롯한 도미노 효과 때문이다. 따라서 EU에서는 RED를 수정하여 재배작물 기반의 바이오 디젤을 목표치 10% 중 7%를 넘지 못하도록 상한선을 정하였다. 하지만 T&E는 이러한 수정사항에도 불구하고 전반적인 영향은 부정적이며, 재배 작물에 기반하는 바이오 디젤의 보조금 지급을 단계적으로 폐지해야 한다고 덧붙였다.

 

그림 9. 바이오 디젤의 실질적 탄소 발생

출처 : LIFECYCLE ANALYSIS

그래프2. 화석연료와 바이오연료 온실가스 배출 비교

출처 : European Union Data Leaked to Euroactive.

결론

우리나라는 2013년 기준으로 세계 8위의 에너지 소비대국이다. 하지만 우리나라는 에너지의 대부분을 수입에 의존하고 있으며 그 중 원유의 경우 중동 의존도가 84%로 절대적으로 에너지 안보가 매우 취약한 상황이다.

전 세계적인 기후변화 대응 및 온실가스 감축 문제를 위하여 목표를 설정하고 이를 이행하기 위하여 각 국은 스스로 방법은 채택하고 있는 상황에서 화석연료에 크게 의존하고 있는 우리나라 경제구조상 이는 어쩌면 커다란 도전일지도 모른다. 이러한 상황에서 바이오연료는 좋은 대안이 될 수 있다. 바이오 매스에서 생산되는 액체 연료는 수송용 석유계 연료를 대체하는 효과가 매우 크다. 기존 연료가 갖는 에너지효율, 에너지밀도, 연료생산 및 소비 인프라를 동일하게 취할 수 있으며, 석유계 연료와 혼합이 가능하므로 단계적인 연료 전환의 발전이 용이하다. 표5와 같이 각각의 에너지는 장단점이 존재한다. 앞으로 바이오에너지에 대한 기술이 개발되어 단점이 보완되고 효율이 증진된다면 에너지전환을 주력할 수 있는 원료로의 역할을 할 수 있을 것이다.

 

표 5. 바이오 에탄올, 디젤의 장단점

출처 : Future eco

 

 

 

참고문헌

1) Australian Government Biofuels Taskforce, EPA, Sheehan J. 수송용 바이오 에탄올의 생산기술, (http://www.ksmcb.or.kr/notice/file/2008_4-4.pdf)

2) 피오나 키팅 아이비타임즈 기자, 『바이오 디젤이 일반 디젤보다 환경에 더 나쁘다.』, Newsweek Korea, 2016.5.23

3) 이종대, 『바이오디젤 생산 공정의 최적화』, 한국생산기술연구원

4) 김철안, 『바이오디젤 현황 및 과제』, (사)한국바이오디젤협회, 2010.12.17

5) 임영관 외 3명, 『바이오디젤의 효과적 생산방법』, 한국석유품질관리원, 2008.3.11

6) 배정환, 『바이오디젤 보급 정책의 경제성 및 환경성 평가』, 한국에너지경제연구원, 2009.8