“바이오 연료”… 기술 동향

[디지털비즈온 김맹근 기자] 지구온난화 문제로 전 세계가 기후변화 위기의 심각성을 인식하고 있으며, 지구 온도 상승을 제한하기 위해서는 2050년까지 탄소중립(Net-zero)을 달성해야 하는 상황이다. 지구 온난화가 지속된다면 2030~2052년 사이 지구의 온도 상승폭은 1.5℃를 초과하고, 2100년에는 3℃를 넘을 것으로 예측된다.

고체 바이오 연료는 발전용 고형연료화 기술은 고에너지 효율의 펠릿 성형 기술개발이 진행 중이며, 고형 바이오연료를 사용한 고에너지효율 펠릿 보일러 등을 개발한다. 목재펠릿 제조 공정은 미활용 바이오매스 자원이 발생되는 현지에서 에너지로 활용하거나 이동식 또는 중간 거치식으로 활용할 수 있는 기기를 도입하여 산재된 소비처로 공급하는 기술이다.

국내에서는 농식품부 등 시설원예용에 지원되는 목재펠릿 난방기 설치 지원을 활용해 미활용 바이오매스 중 농업부산물 펠릿을 활용하도록 하는 시스템을 구축하고, 농업용 펠릿보일러 등을 제작한다. 국내에서는 미활용 바이오매스의 확보 및 청정 연료화 기술에 대한 관심이 증가하고 있으며, 해외의 경우 저급 바이오매스의 고급 연료화 기술 개발 중이다.

액체 바이오 연료는 바이오에탄올은 사탕수수, 옥수수, 밀 등 식량자원을 발효하여 만든 알코올 기반의 연료로써 효소당화공정 및 발효공정 등을 거쳐 생산한다. 발효공정에 효모(yeast) 또는 박테리아를 이용할 수 있으나 상업화 수준에서는 효모를 주로 사용하며 당화-발효 동시 공정도 개발되어 상업적으로 적용되고 있다.

당 및 전분을 원료로 하는 1세대 바이오에탄올은 상업적으로 생산 기술이 이미 확립되어 있으나 식량을 연료로 사용한다는 윤리적인 문제를 피할 수 없어 셀룰로오스계 원료를 이용한 2세대 바이오에탄올의 생산 기술 개발에 관한 관심이 증가하고 있다. 셀룰로오스계 바이오에탄올 생산을 위해서는 전처리 공정이 추가로 필요한데 이때 후단의 당화 및 발효 공정에 저해 영향을 주는 부산물의 생성을 최소화하고 비용이 많이 들지 않아야 하므로 이에 대한 다양한 공정이 개발되고 있다.

바이오부탄올은 독성 극복의 다양한 방법과 부탄올 회수공정 비용을 낮추는 기술 개발 진행

바이오부탄올은 에탄올의 낮은 에너지 밀도(에탄올의 부피 당 에너지 밀도는 휘발유의 2/3), 엔진 부식 문제, 친수성 등의 문제를 극복할 수 있는 휘발유 대체의 연료이다. 특히, 휘발유 차량에 직접 사용이 가능할 뿐만 아니라, 코팅제, 페인트, 접착제 등 범용 화학 물질로 활용 가능한 산업적으로 매우 중요한 물질이다.

셀룰로오스계 바이오부탄올은 폐목재와 폐농작물을 분쇄해 산과 혼합해 바이오당을 만들고 고성능 균주가 이를 먹고 배설하는 연속발효 및 분리정제 공정을 거쳐 생산된다. 아직 상용화급 시설이 많이 건설되지 않은 상황으로 미국에서 12.5%까지 가솔린에 혼합이 가능하며, 16%의 혼합은 에탄올 기준 E10과 동일한 효과가 있다고 보고 되고 있다.

바이오디젤은 식물성 기름 또는 동물 지방을 원료로 메탄올과 반응시켜 합성, 석유기반의 디젤 연료 대체 가능

바이오디젤은 알코올을 이용한 유지의 에스테르교환반응(transesterification)을 통하여 생 산되는데 상업적으로는 주로 염기 촉매를 이용하지만 산 촉매를 이용하거나 리파아제(lipase) 효소 공정, 초임계 유체 공정 등도 개발되어 있다. 바이오디젤 생산 과정에서 반드시 생산되는 부산물인 글리세롤을 고가의 화학물질 생산 원료로 활용하는 기술은 바이오디젤 생산의 경제성을 높이는데 중요한 부분을 차지한다.

최근 식량, 에너지, 환경 문제가 다시 대두되면서 전 세계적으로 새롭게 미세조류 바이오디젤에 관한 관심이 증대되고 고지질 미세조류종 개발, 대량 배양, 수확 및 오일 추출, 부산물 활용에 관한 연구가 경쟁적으로 진행되고 있다.

전세계적 바이오항공유 개발 관심 고조, 바이오매스 기반의 바이오항공유 개발은 상용화 전단계에 도달

세계 항공업계는 온실가스 감축이 시급(전체 CO2 배출량의 2% 차지)한 상황으로 석유계 항공유를 대체할 수 있는 수단으로 바이오항공유의 도입 확대가 불가피 하다. 바이오항공유는 동･식물성 유지, 셀룰로스계 바이오매스 및 조류 등을 원료로 발효, 촉매 공정으로 전환하여 석유계 항공유와 매우 유사한 성분으로 제조되며, 항공용 연료로 혼합하여 사용 가능하다.

현재 상용화된 바이오항공유는 항공기 엔진성능에 최적화된 등유(kerosene) 기반 항공유를 연료 품질 기준에 따라 적정량 혼합하여 사용하고 있으며, 항공유에 50% 이상 혼합할 수 있도록 미국재료시험 협회(ASTM)에서 승인 규격이 마련된 상태이다.

기체 바이오연료는 열원이나 발전용 연료 사용, 바이오가스 생산 공정 기술의 경우 실제 적용 부분이 중요

유기성 폐기물을 다양한 혐기성 미생물 군집에 의해 분해하여 메탄과 이산화탄소로 전환하는 혐기성 소화(anaerobic digestion)는 전 세계적으로 광범위하게 운영되는 기술이다. 혐기성 소화조는 미생물 부착 상태에 따라 부유식 생장 소화조(suspended-growth digester)와 부착식 생장 소화조(attached-growth digester)로 구분된다.

혐기성 소화를 통하여 생성된 바이오가스는 주성분이 50~80% 메탄, 20~40% 이산화탄소이며 0.05~1% 소량의 황화수소와 수분, 실록산(siloxane) 등의 불순물을 포함하는데 여기에서 분리, 정제를 통하여 99% 이상의 고순도 메탄을 생산하는 것이 최근 중점 개발 분야이다.

정제 및 고질화된 바이오가스 및 바이오매스를 활용해 생산된 수소는 천연가스의 완벽한 대체원으로 부상하고 있는 분야이다. 혐기성 소화조에서 생산된 바이오가스에서 수분, 황화수소, 실록산, 미세먼지, 휘발성 유기 화합물을 제거하는 정제공정으로는 물을 뿌려 세정하는 흡수 공정, 활성탄 등을 이용한 흡착 공정이 있다.

결론적으로 전 세계적으로 온실가스 감축에 기여효과가 큰 바이오연료 개발에 집중하고 있으며, 국내에서도 관련 상용화 기술개발 및 기반기술 확보를 추진하고 있다. 유럽, 미국 등 주요국은 바이오연료 기술개발 및 실증 연구는 비식량계 원료인 목질계, 초본계 및 폐기물 기반 순환 자원을 활용하여 온실가스 감축 효과가 큰 연료 중심으로 개발 중이다.

국내에서는 수송용 바이오디젤, 발전용 바이오중유 그리고 발전용과 도시가스용 바이오가스가 상용화 되었으며, 바이오에탄올, 수소첨가 바이오디젤 등은 기반기술 개발 및 실증 단계이다.