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바이오에너지

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목차

1. 개요

바이오에너지는 바이오매스 또는 그 대사 부산물에서 얻는 에너지를 의미하며, 화석 연료를 제외한 유기 물질인 바이오매스를 활용한다. 전통적인 바이오매스는 땔감으로 사용되는 나무, 숯, 농업 잔재물 등을 말하며, 바이오매스는 연료로 직접 사용되거나 바이오연료, 바이오가스로 전환될 수 있다. 바이오매스 연료는 농업 부산물, 잔여물, 폐기물을 활용하며, 옥수수, 사탕수수, 팜유 등 다양한 작물과 폐기물을 활용하여 메테인 가스, 에탄올, 바이오디젤을 생산한다. 바이오매스 발전은 직접 연소, 열분해 가스화, 생화학적 가스화 등의 기술을 사용하며, 목재 및 목재 잔재가 가장 큰 에너지원이다.

바이오매스 에너지 생산은 환경 문제와 지속 가능성 논란을 야기하며, 탄소 배출, 산림 파괴, 악취 발생, 식량 수요 경쟁 등의 문제점을 안고 있다. 유럽 연합은 목재 바이오매스 발전에 대한 규제를 강화하고 있으며, 일부 국가에서는 바이오매스 발전에 대한 지원 정책을 시행하고 있지만, 환경 오염 및 주민 반대 등의 문제로 사업이 중단되기도 한다. 한국은 일본의 사례를 참고하여 바이오매스 에너지 정책을 수립하고, 보조금 관리 강화, 환경 및 안전 기준 강화 등을 통해 지속 가능한 바이오매스 에너지 발전을 추구해야 한다.

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바이오에너지
바이오에너지 개요
프랑스에서 바이오매스를 사용하여 3만 가구에 바이오에너지를 공급하는 CHP 발전소
브라질에서 바이오에너지 생산을 위해 사탕수수 재배
정의바이오매스로부터 생산되는 재생 에너지
관련 용어바이오매스 (에너지)
바이오 연료
주요 특징재생 가능 에너지원
탄소 중립 가능성
다양한 형태의 에너지 생산 가능
지역 경제 활성화 기여 가능성
바이오에너지 생산 방식
바이오매스 직접 연소바이오매스를 태워 열에너지 생산 후 발전, 난방 등에 활용
바이오매스 가스화바이오매스를 고온에서 불완전 연소시켜 합성 가스 생성 후 연료로 활용
바이오매스 액화바이오매스를 액체 연료로 전환하여 수송용 연료나 화학 원료로 사용
바이오매스 혐기성 소화바이오매스를 미생물 분해하여 바이오가스 생성 후 에너지원으로 활용
바이오에너지 종류
바이오 연료에탄올: 주로 사탕수수, 옥수수 등에서 생산
바이오디젤: 식물성 기름, 동물성 기름 등에서 생산
바이오 항공유: 다양한 바이오매스에서 생산
바이오가스음식물 쓰레기, 하수 슬러지 등 유기성 폐기물에서 생산
바이오매스 열에너지목재, 농업 부산물 등 바이오매스 직접 연소 또는 가스화하여 생산
바이오 발전바이오매스를 연료로 사용하여 발전
바이오에너지의 장점
재생 가능 에너지지속적으로 생산 가능한 에너지원
온실가스 감축탄소 중립적인 에너지 생산 가능성 (바이오매스 성장 과정에서 이산화탄소 흡수)
에너지 안보 강화지역 자원을 활용하여 에너지 자립도 향상
농촌 경제 활성화농업 부산물 활용 및 바이오매스 생산 농가 소득 증대
폐기물 처리 문제 해결유기성 폐기물을 에너지원으로 활용하여 매립 문제 감소
바이오에너지의 단점
토지 이용 문제바이오매스 생산을 위한 경작지 확보 경쟁 심화
산림 파괴 및 생물 다양성 감소바이오매스 생산을 위한 산림 벌채 및 서식지 파괴
물 소비 증가바이오매스 재배 과정에서 많은 물 소비
식량 가격 상승식량 작물을 바이오매스로 활용할 경우 식량 가격 상승 유발
에너지 생산 효율성일부 바이오에너지 생산 기술의 에너지 전환 효율성 낮음
환경 오염바이오매스 연소 시 미세먼지 등 대기오염 유발 가능성
지속 가능성 문제바이오매스 생산 방식에 따라 환경 영향이 크게 달라질 수 있음
바이오에너지의 지속가능성
지속 가능한 바이오매스 생산친환경적인 농업 방식 적용
토양 및 수자원 보호
생물 다양성 보전 노력
폐기물 재활용 및 활용
바이오매스 인증 제도지속 가능한 방식으로 생산된 바이오매스 인증 제도 필요
바이오에너지 정책 지원바이오에너지 연구 개발 및 보급을 위한 정부 정책 및 투자 필요
주요 국가별 바이오에너지 정책 및 현황
유럽 연합재생 에너지 목표 달성을 위한 바이오에너지 지원 정책 추진
지속 가능한 바이오 연료 기준 강화
바이오에너지 기술 개발 투자 확대
미국바이오 연료 생산 및 이용 장려 정책
바이오 에너지 R&D 투자 확대
바이오매스 자원 다양화 노력
브라질사탕수수 기반 에탄올 생산 선도 국가
바이오 연료 보급 의무화 정책
바이오매스 에너지 자원 개발 활발
대한민국신재생에너지 정책의 일환으로 바이오에너지 보급 확대 노력
바이오매스 발전 및 바이오 연료 기술 개발 추진
폐자원 에너지화 정책 강화
바이오에너지의 미래
기술 개발바이오매스 생산 기술 고도화, 전환 효율성 향상 연구 지속
지속 가능한 바이오에너지 시스템 구축환경 영향 최소화 및 경제성 확보를 위한 노력 필요
바이오에너지의 역할 확대탄소 중립 목표 달성을 위한 핵심 에너지원으로 중요성 증대
수송, 발전, 난방 등 다양한 분야에서 활용 확대 전망

2. 정의 및 용어

IPCC 제6차 평가 보고서는 '바이오에너지(bioenergy)'를 "모든 형태의 바이오매스 또는 그 대사 부산물에서 얻은 에너지"로 정의한다.[7] 여기서 '바이오매스(biomass)'는 "화석화되거나 지질 형성체에 포함된 물질을 제외한 유기 물질"을 말한다.[7] 즉, 석탄이나 다른 화석 연료는 바이오매스에 포함되지 않는다.

'전통적인 바이오매스(traditional biomass)'라는 용어는 바이오에너지와 관련하여, "저소득 국가에서 흔히 볼 수 있듯이, 나무, 숯, 농업 잔재물 및/또는 동물 배설물을 땔나무로 사용하여 벌판의 불이나 비효율적인 난로에서 요리 또는 난방을 하는 것"을 의미한다.[7]

바이오매스는 연료로 직접 사용될 수 있기 때문에(예: 나무 장작), '바이오매스'와 '바이오연료'라는 용어는 때때로 같은 의미로 사용된다. 그러나 '바이오매스'는 주로 연료가 만들어지는 생물학적 원료를 가리키며, 바이오연료 또는 바이오가스는 각각 액체 또는 기체 연료를 지칭할 때 사용된다.[8]

3. 바이오매스 원료

바이오매스는 동식물과 그 부산물을 포함한 유기물에서 추출되는 물질이다. 거름, 정원 폐기물, 작물 잔해 등이 바이오매스의 원료이다. 이는 석유, 석탄, 핵연료 등의 다른 천연 자원과는 달리 탄소 순환에 기초한 재생가능 에너지 자원이다. 다른 원료로는 대부분 큰 규모의 동물 축사에서 생산되는 끊임없고 피할 수 없는 오염원인 동물 폐기물이 있다.

바이오연료 생산을 위해 특화되어 재배되는 농작물도 있다. 미국에서는 옥수수, 콩, 버드나무, 수수 등이 쓰이고 유럽에서는 유채, 밀, 사탕무, 버드나무 등이 쓰이며 브라질에서는 사탕수수, 동남아시아에서는 팜유, 억새, 중국은 수수, 카사바, 인도는 자트로파를 쓰고 있다. 삼 또한 바이오연료로서 활용할 수 있다는 것이 증명되었다. 공업, 농업, 산림, 가정으로부터 나온 생분해성 산출물도 바이오연료 생산에 쓰일 수 있다. 생분해성 찌꺼기로는 짚, 목재, 거름, 쌀껍질, 하수, 음식물 쓰레기 등을 예로 들 수 있다.

바이오매스 자체로는 쓰레기 관리나 기후 변화 등에 해결책이 될 수 없지만, 바이오매스 연료의 사용은 연료 안전성뿐만 아니라 기후 변화를 예방하거나 늦추고 쓰레기 관리에 도움이 된다.

바이오매스는 메테인 가스나 에탄올, 바이오디젤 같은 수송 연료 등의 다른 에너지 형태로 전환될 수 있다. 썩은 쓰레기, 농업 폐기물 같이 메테인 가스를 뿜어내는 모든 것들은 “쓰레기 매립지 가스” 또는 “바이오가스” 등으로 불린다. 옥수수나 사탕수수 같은 작물들은 에탄올 등의 수송 연료를 생산하기 위해 발효될 수 있다. 또 다른 수송연료인 바이오디젤은 식물성 기름이나 동물 지방 같은 남는 식량들을 이용하여 생산될 수 있다. 또한 BTL(Biomass to Liquids)과 셀룰로오스 에탄올 등은 연구 진행 중이다.

전기 생산에 사용되는 바이오매스는 지역별로 다양하며, 다음과 같이 정리할 수 있다.

지역주요 바이오매스 원료
미국목재 잔여물
모리셔스사탕수수 잔여물
동남아시아왕겨
영국가금류 잠자리짚



브라질에서 설탕과 에탄올 생산 과정은 사탕수수에 저장된 에너지를 최대한 이용한다. 껍질(버개스) 일부는 현재 공장에서 연소되어 기계를 작동시키기 위해 증류 및 전기를 위한 열을 공급한다. 이는 에탄올 공장이 에너지적으로 자급자족 할 수 있게 하고 심지어 잉여 전기를 전력 사업자들에게 팔기도 한다. 현재 생산량은 자체 용도로 600MW이고 판매용으로 100MW이다.

3. 1. 목재 및 목재 잔재

스코틀랜드의 바이오매스 발전소


목재 펠릿


목재 펠릿 제조 플랜트로 운반되는 대량의 목재


목재와 목재 잔재는 현재 가장 큰 바이오매스 에너지원이다.[9] 목재는 연료로 직접 사용하거나 펠릿 연료 또는 기타 형태의 연료로 가공할 수 있다.

바이오매스 발전은 사실상 목재 펠릿을 이용한 화력 발전이 대부분을 차지하고 있으며, 이는 연료인 펠릿 생산을 위해 산림 파괴를 가속화시키고 있다는 비판을 받는다.

또한, 지속 가능성 확보를 위한 산림 관리 인증 시스템이 존재하지만 거의 기능하지 않고 있으며, 목재 펠릿 공급업체의 위장 사례도 발각되고 있다.[26] 발전 사업자들은 그러한 인증 제도를 거의 이용하지 않고 방치된 상태이다.

국제 환경 NGO인 「FoE Japan」이 FIT 제도 인증을 받은 바이오매스 발전 사업자 154개사에 설문 조사를 실시한 결과, 지속 가능한 산림 관리(Forest Management: FM) 인증을 받은 원료만을 사용한다고 답변한 사업자는 단 1개사에 불과했다. 또한, 행정부의 감시와 관련하여 FIT 제도 인증 후 경제산업성 등으로부터 조달에 대한 지속 가능성 확인을 받은 사업자는 단 8개사에 불과하여, 검증 체계도 제대로 기능하지 않고 있음이 드러났다.[27]

3. 2. 기타 식물

옥수수, 스위치그래스, 미스칸투스, 대나무 등도 바이오매스 연료로 사용할 수 있다.[9] 목재와 목재 잔재는 현재 가장 큰 바이오매스 에너지원이며, 연료로 직접 사용하거나 펠릿 연료 등 다른 형태로 가공할 수 있다.

3. 3. 폐기물

바이오매스 연료는 농업, 축산, 벌목 과정의 부산물, 잔여물, 폐기물이다. 이는 연료와 식량 생산 사이에 경쟁이 없음을 의미한다.[9] 주요 폐기물 원료는 목재 폐기물, 농업 폐기물, 생활 쓰레기, 산업 폐기물이다.[9]

썩은 쓰레기와 농업 폐기물은 "쓰레기 매립지 가스" 또는 "바이오가스"로 불리는 메테인 가스를 방출한다. 옴니 프로세서는 폐수 고형물을 연료로 사용하여 하수 폐수를 음용수 및 전기 에너지로 전환하는 자체 유지 과정이다.[9]

지역별로 전기 생산에 사용되는 바이오매스는 다양하다. 미국에서는 목재 잔여물, 모리셔스와 동남아시아에서는 농산 폐기물(각각 사탕수수 잔여물과 왕겨), 영국에서는 가금류 잠자리짚과 같은 축산업 잔여물이 많이 사용된다.[9]

사탕수수 찌꺼기(버개스) 연소는 기름, 석탄과 비교해 환경 친화적이다. 회분 함량은 2.5%(석탄은 30~50%)이며 황 함량이 매우 적다. 낮은 온도에서 연소하므로 아산화질소를 거의 생성하지 않는다. 사탕수수 찌꺼기는 감귤 농축액, 식물성 기름, 도자기, 타이어 재활용 등 다양한 산업에서 연료(중유 대신)로 판매된다. 상파울루 주에서는 연료 수입액 약 3500만달러를 절약했다.[9]

4. 바이오매스 전환 기술

바이오매스는 메테인 가스나 에탄올, 바이오디젤 같은 수송 연료 등 다른 에너지 형태로 전환될 수 있다. 썩은 쓰레기, 농업 폐기물처럼 메테인 가스를 뿜어내는 것들은 “쓰레기 매립지 가스” 또는 “바이오가스”라고 불린다. 옥수수나 사탕수수 같은 작물들은 에탄올 등의 수송 연료를 생산하기 위해 발효될 수 있다. 바이오디젤은 식물성 기름이나 동물 지방 같은 남는 식량들을 이용하여 생산될 수 있다. 또한 BTL(Biomass to Liquids)과 셀룰로오스 에탄올 등은 연구가 진행 중이다.

바이오매스 발전소의 터빈 엔진


목재와 목재 잔재는 현재 가장 큰 바이오매스 에너지원이다. 목재는 연료로 직접 사용하거나 펠릿 연료 또는 기타 형태의 연료로 가공할 수 있다. 옥수수, 스위치그래스, 미스칸투스, 대나무 등 다른 식물도 연료로 사용할 수 있다.[9] 주요 폐기물 원료는 목재 폐기물, 농업 폐기물, 생활 쓰레기, 산업 폐기물이다. 원료 바이오매스를 더 높은 등급의 연료로 바꾸는 방법은 열, 화학, 생화학으로 크게 분류된다.

바이오매스 발전은 화석연료를 제외한 유기물을 연소시켜 터빈을 회전시켜 발전하며, 기본적인 발전 메커니즘은 화력발전 및 화력발전소와 같다. 기존 화력발전소에 병렬로 건설되거나, 석탄 등의 화석연료와 혼소도 이루어진다.

현재 일반적인 화력발전과 가장 큰 차이는 연료 및 연소 방식의 다양성에 있다. 어떤 바이오매스를 어떻게 연소시킬 것인가, 그리고 그 바이오매스가 어디에 있는가에 따라 발전소의 입지가 크게 좌우된다. 각지의 바이오매스를 유효 활용한다는 점에서 에너지의 지역자원 순환과 잘 맞고, 톱밥 같은 산업폐기물, 식품 폐기물, 오니 등을 연료로 연소시켜 전원 분산에 도움이 된다고 여겨진다.[20][21]

풍력발전이나 태양광발전에 비하면 상시 가동이 가능하지만, 일반적인 화석연료와 비교하면 공급 가능량이나 연료 확보 안정성은 떨어진다고 여겨져 보조 전원으로서의 위치를 차지하고 있다.[22][23] 또한 탄소 중립이나 지속 가능성 측면에서도 평가받고 있다.

이러한 장점이 강조되지만, 2022년 현재는 실질적으로 목재 펠릿을 사용한 발전이 대부분이라 산림 파괴의 원인이 된다는 견해가 강해지고 있으며, 유럽과 미국을 중심으로 재검토가 진행되고 있다. 바이오매스 발전은 목재 펠릿을 이용한 화력 발전이 대부분이며, 연료인 펠릿을 생산하기 위해 산림 파괴가 가속화되고 있다.

지속 가능성 확보를 위한 산림 관리 인증 시스템은 존재하지만 거의 기능하지 않고 있으며, 목재 펠릿 공급업체의 위장 사례도 발각되고 있다.[26] 발전 사업자들은 그러한 인증 제도를 거의 이용하지 않고 방치된 상태이다.

국제 환경 NGO인 「FoE Japan」이 FIT 제도 인증을 받은 바이오매스 발전 사업자 154개사에 설문 조사를 한 결과, 지속 가능한 산림 관리(Forest Management: FM) 인증을 받은 원료만을 사용한다고 답변한 사업자는 단 1개사뿐이었다. 또한 행정부의 감시와 관련하여 FIT 제도 인증 후 경제산업성 등으로부터 조달에 대한 지속 가능성 확인을 받은 사업자는 단 8개사에 불과해, 검증 체계도 기능하지 않고 있음이 드러났다.[27]

4. 1. 열 변환

열 변환 공정은 열을 주된 메커니즘으로 사용하여 바이오매스를 더 나은 실용적인 연료로 업그레이드하는 방식이다. 기본적인 대안으로는 토리피케이션, 열분해, 가스화가 있으며, 이는 주로 관련 화학 반응이 진행되는 정도, 즉 산소의 이용 가능성과 전환 온도에 따라 구분된다.[24]

4. 2. 화학적 전환

많은 화학적 전환은 피셔-트롭쉬 합성과 같은 기존의 석탄 기반 공정을 기반으로 한다. 석탄과 마찬가지로 바이오매스는 여러 가지 상품 화학 물질로 전환될 수 있다.[10]

4. 3. 생화학적 전환

미생물을 이용해 바이오매스를 전환하는 대표적인 공정에는 혐기성 소화, 발효, 퇴비화 등이 있다.[11]

바이오매스의 연소 방식은 다음과 같이 분류할 수 있다.[24]

방식설명
직접 연소바이오매스를 직접 연소시켜 발전하는 방식
열분해 가스화바이오매스를 고온으로 가열하여 성분을 가스화하고, 이를 연소시키는 방식
생화학적 가스화바이오매스를 미생물에 의해 발효 분해시켜 메테인 등의 바이오가스를 발생시키고, 이를 연소시키는 방식



미생물로 바이오매스를 분해하여 메탄가스를 생성하는 경우 악취가 발생하는 문제가 있다.[28]

5. 바이오매스 활용



바이오매스는 다양한 형태로 활용될 수 있다. 목재, 목재 잔재, 옥수수, 스위치그래스, 미스칸투스, 대나무 등은 연료로 직접 사용하거나 펠릿 연료 등으로 가공할 수 있다. 주요 폐기물 원료는 목재 폐기물, 농업 폐기물, 생활 쓰레기, 산업 폐기물이다.[9]

바이오매스를 더 높은 등급의 연료로 전환하는 방법은 크게 열, 화학, 생화학적 방법으로 분류할 수 있다.


  • '''열 변환''' 공정은 열을 주된 메커니즘으로 사용하여 바이오매스를 연료로 전환한다. 토리피케이션, 열분해, 가스화 등이 있으며, 이는 산소 이용 가능성과 전환 온도에 따라 구분된다.
  • '''화학적 전환'''은 피셔-트롭쉬 합성과 같은 기존의 석탄 기반 공정을 기반으로 한다. 바이오매스는 여러 가지 상품 화학 물질로 전환될 수 있다.[10]
  • '''생화학적''' 공정은 미생물을 사용하여 바이오매스를 분해한다. 혐기성 소화, 발효, 퇴비화 등이 있다.[11]


바이오매스 발전은 화석연료를 제외한 유기물을 연소시켜 터빈을 회전시켜 발전하는 방식이다. 기본적인 발전 메커니즘은 화력발전과 유사하며, 기존 화력발전소에 병렬로 건설되거나 화석연료와 혼소되기도 한다. 연료 및 연소 방식의 다양성이 특징이며, 톱밥과 같은 산업폐기물, 식품 폐기물, 오니 등을 연료로 활용하여 에너지의 지역자원 순환에 기여한다.[20][21]

풍력발전이나 태양광발전에 비해 상시 가동이 가능하다는 장점이 있지만, 일반적인 화석연료에 비해 공급 가능량이나 연료 확보 안정성은 떨어진다고 여겨진다. 탄소 중립이나 지속 가능성 측면에서도 평가받고 있다.[22][23]

하지만 2022년 현재, 목재 펠릿을 사용한 발전이 대부분을 차지하여 산림 파괴의 원인이 된다는 비판이 있으며, 유럽과 미국을 중심으로 재검토가 진행되고 있다.

5. 1. 바이오매스 난방

바이오매스 발전소에서 배출된 소각재의 용융 슬래그


교토부 후쿠치야마시에 건설된 바이오매스 발전소는 가동음과 악취로 인해 인근 주민들의 강한 반대 운동이 일어났고, 공산당 계열 시의원도 상황을 확인하는 등 큰 문제로 발전하여, 민사 및 공해심판회 조정 신청 끝에 최종적으로 발전소가 폐쇄되었다. 주민들은 소음으로 잠을 못 이루고 악취로 구토했다는 등의 피해를 호소하며, 건강 피해에 대한 손해배상 청구 소송을 고려하고 있다.[36][32]

마찬가지로 마이즈루의 팜유 바이오매스 발전소도 가동 중단에 몰리고 있다.[37]

미야기현 도메시의 바이오매스 발전소에서는 발전에 따른 폐수가 하루 100ton 이상 발생하며, 이는 주변 수계에 악영향을 줄 수 있다는 우려를 낳고 있다. 특히 여름에는 폐수량이 하천 수량을 웃돌아 폐수가 정체되는 현상까지 발생한다.[38]

시즈오카현의 바이오매스 발전소에서는 연료인 바이오가스 누출로 인한 악취 문제가 발생하고 있다.[39]

후쿠오카현 다가와시의 목질 바이오매스 발전 계획은 공업 지대나 임업 번성 지역이 아니라는 점, 사용 목재의 방사성 물질 오염 우려 등으로 주민들의 이해를 얻지 못해 중단되었다.[40][41]

이러한 문제들로 인해 바이오매스 발전소가 건설되는 자치단체에서는 사업자와 공해 방지 협정을 체결하고 있으며, 국가 차원에서도 바이오매스 발전 사업 가이드라인을 공개하는 등 대책 마련에 나서고 있다.[42][43][44][45]

5. 2. 바이오 연료 (수송용)

바이오 연료는 바이오매스에서 얻어지는 연료로, 수송용 연료로 사용될 수 있다. 바이오매스는 동식물과 그 부산물을 포함한 유기물로부터 추출되는 물질이며, 거름, 정원 폐기물, 작물 잔해 등이 그 원료이다. 이는 탄소 순환에 기초한 재생 가능 에너지 자원이다.

바이오매스는 메테인 가스나 에탄올, 바이오디젤 같은 수송 연료 형태로 전환될 수 있다. 썩은 쓰레기나 농업 폐기물 등에서 발생하는 메테인 가스는 "쓰레기 매립지 가스" 또는 "바이오가스"라고 불린다. 옥수수나 사탕수수 같은 작물은 에탄올을 생산하기 위해 발효될 수 있다. 바이오디젤은 식물성 기름이나 동물성 지방 같은 남은 식량 자원을 이용하여 생산될 수 있다.

바이오 연료는 식량 작물을 사용하는지 여부에 따라 크게 1세대와 2세대로 분류된다. 1세대 바이오 연료는 사탕수수나 옥수수같은 식량 작물로 만들어지며, 2세대 바이오 연료는 다년생 에너지 작물과 농업 잔류물, 폐기물과 같은 비식량 기반 바이오매스 원료를 활용한다.

5. 2. 1. 1세대 바이오 연료

1세대 바이오 연료는 경작지에서 재배되는 식량 작물, 예를 들어 사탕수수나 옥수수를 원료로 만들어진다. 이 바이오매스에 존재하는 당은 발효되어 바이오에탄올을 생산하는데, 이는 가솔린 첨가제로 사용되거나 연료 전지에서 전기를 생산하는 데 사용되는 알코올 연료이다.[23] 바이오에탄올은 주로 옥수수, 사탕수수 또는 수수와 같은 당 또는 전분 작물에서 발효를 통해 만들어진다. 바이오에탄올은 미국과 브라질에서 널리 사용된다. 바이오디젤은 유채 또는 사탕무의 기름으로 생산되며 유럽에서 가장 일반적인 바이오 연료이다.

팜유


한국에서는 바이오가스 생산을 위해 음식물쓰레기나 오니 등의 유기물을 미생물로 분해하여 메탄 가스를 생성하기도 한다. 식물성 기름 중에서는 팜유가 가장 많이 사용되며, 목질계 연료와 마찬가지로 고도 처리 없이 그대로 연료로 사용된다.[23]

5. 2. 2. 2세대 바이오 연료

2세대 바이오 연료(첨단 바이오 연료)는 다년생 에너지 작물과 농업 잔류물, 폐기물과 같은 비식량 기반 바이오매스 원료를 활용한다. 연료를 만드는 데 사용되는 원료는 경작지에서 자라지만 주요 작물의 부산물이거나 한계지에서 자란다. 산업, 농업, 임업 및 가정의 폐기물도 2세대 바이오연료에 사용될 수 있는데, 예를 들어 혐기성 소화를 사용하여 바이오가스를 생산하거나, 가스화를 사용하여 합성가스를 생산하거나, 직접 연소를 통해 에너지를 얻을 수 있다.[23] 나무와 풀과 같은 비식량 원료에서 파생된 셀룰로오스 바이오매스는 에탄올 생산을 위한 원료로 개발 중이며, 바이오디젤은 식물성 기름과 동물성 지방과 같은 남은 식품으로 생산될 수 있다.

2세대 바이오 연료의 종류는 다음과 같다.

  • '''목질계 연료''': 폐기물, 간벌재, 땔나무 및 목재 펠릿 등을 가리킨다.
  • '''바이오연료''': 사탕수수나 옥수수 등으로부터 화학적으로 생성한 에탄올을 가리킨다.
  • '''바이오가스''': 음식물쓰레기나 오니 등의 유기물을 미생물로 분해하여 생성하는 메탄 가스를 가리킨다.
  • '''식물성 기름''': 가장 많이 사용되는 것은 팜유이다. 목질계 연료와 마찬가지로, 별다른 처리 없이 그대로 연료로 태운다.


하지만 2세대 바이오 연료는 여러 문제점을 안고 있다. 야마가타현에서는 바이오매스 발전소 폭발 사고로 주민이 부상을 입었고[46][47][48], 목재펠릿 인증 제도 미흡으로 불량 펠릿이 성행하여 화재 사고가 잇따르고 있다.[49] 또한, 산림 인증 제도(FSC) 위장 문제[49], 사업 계획 불투명성 및 주민 동의 없는 건설 강행[50][51][38], 폐플라스틱 연료 시설 병설 계획[52] 등의 문제도 발생하고 있다.

5. 3. 액체 연료 생산

바이오매스는 메테인 가스나 에탄올, 바이오디젤 같은 수송 연료 등 다른 형태의 에너지로 전환될 수 있다. 썩은 쓰레기나 농업 폐기물처럼 메테인 가스를 뿜어내는 것들은 “쓰레기 매립지 가스” 또는 “바이오가스”라고 불린다. 옥수수나 사탕수수 같은 작물들은 에탄올과 같은 수송 연료를 생산하기 위해 발효될 수 있다. 바이오디젤은 식물성 기름이나 동물 지방 같은 남는 식량들을 이용하여 생산될 수 있다. 또한 BTL(Biomass to Liquids)과 셀룰로오스 에탄올 등은 연구가 진행 중이다.[9]

바이오매스를 더 높은 등급의 연료로 전환하는 방법은 크게 열, 화학, 생화학적 방법으로 분류할 수 있다.

  • '''열 변환''' 공정은 열을 주된 메커니즘으로 사용하여 바이오매스를 더 나은 실용적인 연료로 전환한다. 기본적인 대안은 토리피케이션, 열분해, 가스화이며, 이는 주로 관련 화학 반응이 진행되는 정도(주로 산소의 이용 가능성과 전환 온도에 의해 제어됨)에 따라 구분된다.

  • 많은 '''화학적 전환'''은 피셔-트롭쉬 합성과 같은 기존의 석탄 기반 공정을 기반으로 한다. 석탄과 마찬가지로 바이오매스는 여러 가지 상품 화학 물질로 전환될 수 있다.[10]

  • '''생화학적''' 공정은 바이오매스를 구성하는 분자를 분해하기 위해 자연에서 발전해 왔으며, 이 중 많은 부분을 활용할 수 있다. 대부분의 경우 미생물을 사용하여 전환을 수행한다. 이러한 공정을 혐기성 소화, 발효, 퇴비화라고 한다.[11]


구체적인 기술로는 다음과 같은 것들이 있다.

  • 바이오매스 액상 연료화

  • 바이오매스의 혼합 알코올 연료로의 생물전환

5. 4. 바이오매스 발전 (전기 생산)

전기 생산에 사용되는 바이오매스는 지역별로 다양하다. 미국에서는 목재 잔여물과 같은 산림 부산물이, 모리셔스(사탕수수 잔여물)와 동남아시아(왕겨)에서는 농산폐기물이 흔하게 사용된다. 영국에서는 가금류 잠자리짚과 같은 축산업 잔여물이 인기가 많다.[9]

브라질에서는 설탕과 에탄올 생산 과정에서 사탕수수 껍질(섬유재)을 연소시켜 열을 공급하고, 이를 통해 증류 및 전기를 생산한다. 이는 에탄올 공장이 에너지 자급자족을 가능하게 하고, 잉여 전기를 전력 사업자에게 판매할 수 있게 한다. 현재 브라질의 사탕수수 찌꺼기를 이용한 발전량은 자가 사용 600MW, 판매용 100MW 수준이다. 사탕수수 찌꺼기의 잠재 발전량은 기술에 따라 1,000~9,000MW로 추정된다.[9]

사탕수수 1톤의 잔여물에서 약 288MJ의 전기를 추출하는 것이 경제적으로 실용적이며, 그중 약 180MJ이 식물 자체에서 사용된다. 따라서 연간 100만 톤의 사탕수수를 처리하는 중형 증류소는 약 5MW의 잉여 전기를 판매할 수 있다. 고급 보일러와 터빈 기술을 사용하면 전기 생산량이 사탕수수 1톤당 648MJ로 증가할 수 있지만, 현재의 전기 가격은 투자를 정당화하기 어렵다.[9]

사탕수수 찌꺼기 연소는 다른 연료에 비해 환경 친화적이다. 회분 함량이 2.5%로 낮고 황 함량이 매우 적으며, 낮은 온도에서 연소하여 아산화질소 생성이 적다. 또한, 사탕수수 찌꺼기는 감귤 농축액, 식물성 기름, 도자기 및 타이어 재활용과 같은 다양한 산업에서 연료로 사용된다.[9]

바이오매스 발전은 화석연료를 제외한 유기물을 연소시켜 터빈을 회전시켜 발전하는 방식이다. 기본적인 발전 메커니즘은 화력발전과 유사하며, 기존 화력발전소에 병렬로 건설되거나 화석연료와 혼소되기도 한다.

바이오매스 발전은 연료 및 연소 방식의 다양성이 특징이다. 어떤 바이오매스를 어떻게 연소시키는지, 그리고 그 바이오매스가 어디에 있는지에 따라 발전소의 입지가 크게 달라진다. 톱밥과 같은 산업폐기물, 식품 폐기물, 오니 등을 연료로 활용하여 에너지의 지역자원 순환에 기여하고, 전원 분산에 도움이 된다고 여겨진다.[20][21]

풍력발전이나 태양광발전에 비해 상시 가동이 가능하다는 장점이 있지만, 일반적인 화석연료에 비해 공급 가능량이나 연료 확보 안정성은 떨어진다고 여겨진다. 탄소 중립이나 지속 가능성 측면에서도 평가받고 있다.[22][23]

2022년 현재, 실질적으로 목재 펠릿을 사용한 발전이 대부분을 차지하여 산림 파괴의 원인이 된다는 비판이 있으며, 유럽과 미국을 중심으로 재검토가 진행되고 있다.

사미트 반다 파워 주식회사의 반다 바이오매스 발전소 야경


한국에서는 RPS제도 및 고정가격매입제도(FIT제도) 등 국가 차원의 지원이 이루어지고 있으며[21], 각지에서 바이오매스 발전소 건설 계획이 추진되고 있다. 그러나 건설 지역 주민들의 환경오염 민원으로 사업이 중단된 발전소도 있다.

5. 4. 1. 미생물을 이용한 전기 발전

바이오 에너지의 또 다른 형태는 미생물 연료전지로부터 획득될 수 있는데, 미생물 연료전지는 폐수나 흙에 저장된 화학 에너지가 미생물의 신진대사 과정을 통해 직접적으로 전기에너지로 전환되는 장치이다. 이 기술의 전력 발전 수용성은 지금까지 경제적이지 않았지만, 이 기술은 화학 처리 과정과 학생 교육을 위한 더 좋은 활용법을 찾았다.[57]

5. 4. 2. 하수 바이오매스

하수 처리 과정에서 발생하는 바이오매스를 활용하는 새로운 기술이 개발도상국을 중심으로 시작되고 있다. 옴니 프로세서는 폐수 고형물을 연료로 사용하여 하수 폐수를 음용수 및 전기 에너지로 전환시키는 자체 유지 과정이다.[1]

6. 다른 재생 에너지와의 비교

바이오매스 에너지는 풍력, 태양광, 수력 등 다른 재생 에너지원에 비해 표면 발전 밀도가 낮다. 즉, 동일한 양의 에너지를 생산하기 위해 더 넓은 토지가 필요하다. 평균 수명 주기 표면 발전 밀도는 바이오매스가 0.30 W/m2, 풍력이 1 W/m2, 수력이 3 W/m2, 태양광이 5 W/m2이다.[12] 다른 추정치에 따르면 바이오매스는 0.08 W/m2, 수력은 0.14 W/m2, 풍력은 1.84 W/m2, 태양광은 6.63 W/m2로, 재생 가능 에너지원 중 10 W/m2를 초과하는 것은 없다.[13]

에너지원표면 발전 밀도 (W/m2)
바이오매스0.30[12] (또는 0.08[13])
풍력1[12] (또는 1.84[13])
수력3[12] (또는 0.14[13])
태양광5[12] (또는 6.63[13])



바이오매스 발전은 기본적으로 화석연료가 아닌 유기화합물을 연소시켜 터빈을 돌려 발전하는 방식으로, 화력발전과 유사하다. 화력발전소와 병행하여 건설되거나, 화석연료와 혼소되기도 한다. 연료 및 연소 방식의 다양성으로 인해 에너지의 지역자원 순환에 기여하고, 산업폐기물, 식품 폐기물, 오니 등을 활용하여 전력 분산에 도움을 준다.[20][21]

풍력발전이나 태양광발전에 비해 상시 가동이 가능하다는 장점이 있지만, 일반적인 화석연료에 비해서는 공급 안정성이 떨어진다.[22][23] 또한 탄소 중립 및 지속 가능성 측면에서도 평가받고 있다.

하지만, 2022년 현재 바이오매스 발전은 대부분 목재 펠릿을 사용하므로 산림 파괴의 원인이 된다는 비판이 있으며, 유럽과 미국을 중심으로 재검토가 진행되고 있다. 바이오매스는 연료로서 에너지 밀도가 낮아 운송 비용이 크고, 수입 의존 시 에너지 수지 비율이 낮아져 환경 부하를 악화시킬 수 있다는 견해가 있다.[33]

유럽연합(EU)은 목재 바이오매스에 대한 보조금 및 세금 감면 폐지, 재생에너지 제외 등 규제를 강화하고 있다.[59] 이는 바이오매스 발전소가 해외에서 목재를 수입하며 발생하는 대기오염 문제와 연료 조달 불안정성 때문이다.

7. 관련 기술

태국에서는 사탕수수 찌꺼기인 바가스를 이용한 바이오매스 발전이 추진되고 있지만, 주민들의 환경오염 소송과 행정소송이 제기되고 있다는 보고가 있다.[68] 또한, 바가스 운반 트럭이 교통사고의 원인이 되고 있다는 보고도 있다.[68]

바가스


탄소 포집 및 저장 기술은 바이오에너지 발전소의 배출량을 포집하는 데 사용될 수 있으며, 이 과정은 바이오에너지와 탄소 포집 및 저장(BECCS)으로 알려져 있다. 이는 대기 중에서 순 이산화탄소 제거를 가져올 수 있지만, 바이오매스 재료의 재배, 수확 및 운송 방법에 따라 BECCS는 순 배출량이 양수가 될 수도 있다.

7. 1. 탄소 포집 및 저장(BECCS)

탄소 포집 및 저장 기술은 바이오에너지 발전소의 배출량을 포집하는 데 사용될 수 있다. 이 과정은 바이오에너지와 탄소 포집 및 저장(BECCS)으로 알려져 있으며, 대기 중에서 순 이산화탄소 제거를 가져올 수 있다. 그러나 바이오매스 재료의 재배, 수확 및 운송 방법에 따라 BECCS는 순 배출량이 양수가 될 수도 있다. 일부 기후 변화 완화 경로에서 설명된 규모로 BECCS를 배치하려면 대량의 경작지를 전환해야 한다.[69]

하와이에서 추진되던 바이오매스 발전소 건설 계획은 하와이주 공공사업위원회(Hawaii Public Utilities Commission)에 의해 거부되어 중단되었다. 그 이유는 환경보호단체의 바이오매스 발전에 따른 대기오염 관련 소송 제기와 바이오매스 발전이 이산화탄소 배출량 감소에 기여하지 않는다는 연구 결과 때문이었다.[69]

8. 환경 및 지속 가능성 측면

바이오매스 에너지는 농업, 축산업, 벌목 과정에서 발생하는 부산물, 잔여물, 폐기물을 활용한다는 점에서 장점을 가진다. 이론적으로는 식량 생산과 경쟁하지 않아야 하지만, 현실에서는 항상 그렇지만은 않다. 바이오매스는 동식물과 그 부산물을 포함한 유기물에서 추출되는 물질로, 탄소 순환에 기초한 재생 가능한 에너지 자원이다. 그러나 바이오매스 자체만으로는 쓰레기 관리나 기후 변화 문제의 해결책이 될 수 없으며, 연료 안전성, 기후 변화 대응, 쓰레기 관리 측면에서 고려해야 할 점들이 있다.[14]

최근에는 숲 바이오에너지, 특히 목재 펠릿을 이용한 발전 방식이 Greenpeace 등의 환경단체로부터 비판받고 있다. 나무 전체를 수확하는 방식은 숲의 장기적인 건강에 해로울 수 있으며, 벌목 과정에서 숲의 토양이 훼손되고 탄소 배출이 증가할 수 있다는 연구 결과도 있다.

목재 펠릿은 주로 나무를 벌채하여 생산되는데, 이 과정에서 발생하는 이산화탄소는 새로 심은 나무가 흡수하기까지 수십 년이 걸릴 수 있다. 또한, 벌목은 숲의 탄소 흡수 능력을 저하시켜 장기적으로 기후 변화에 악영향을 미칠 수 있다.

바이오매스 발전은 사실상 목재 펠릿을 이용한 화력 발전이 대부분을 차지하며, 이로 인해 산림 파괴가 가속화되고 있다는 비판이 있다. 지속 가능한 산림 관리 인증 시스템이 존재하지만 제대로 기능하지 않고 있으며, 목재 펠릿 공급업체의 위장 사례도 보고되고 있다.

일본이 미국에서 수입하는 목재 펠릿 생산 공장에서는 환경오염 문제가 발생하고 있으며, 이는 저소득층과 유색인종이 많은 지역에서 주로 발생하여 인종차별 문제와도 연관되어 있다.

바이오매스는 연료로서 에너지 밀도가 낮아 운송 비용이 크고, 수입 의존도가 높을 경우 에너지 수지 비율이 낮아지는 문제가 있다. 이는 이산화탄소 배출량 증가로 이어져, 단순히 화석연료를 바이오매스로 대체하는 것만으로는 환경 부하를 줄이기 어렵다는 지적이 있다.

유럽연합(EU)은 바이오매스 발전 기준을 재검토하고 규제를 강화하는 추세이다. 목재 펠릿 등 목질 바이오매스에 대한 보조금 및 세금 감면 혜택을 폐지하고, 재생에너지에서 제외하는 방안이 논의되고 있다. 또한, CO2 감축률 산정을 엄격하게 하고, 바이오매스 발전소의 규모 기준을 낮추는 등 규제가 강화되고 있다.

EU는 바이오매스 발전의 지속 불가능성을 인식하고, 목재 연료의 탄소 중립성에 대한 특례 조치를 폐지하는 방향으로 정책을 전환하고 있다. 이는 바이오매스 발전이 산림 파괴를 조장하고, 단위 에너지당 이산화탄소 배출량이 화석연료보다 많다는 과학적 근거에 따른 것이다.

유럽의 환경 보호 단체들은 이러한 변화를 환영하며, 바이오매스 발전이 지난 10년간 EU의 가장 파괴적인 정책 중 하나였다고 비판하고 있다.

스웨덴 등 목질 바이오매스 수출국들은 새로운 기준이 시기상조라는 입장을 보이고 있지만, 스웨덴의 천연림 면적은 감소하고 있으며, 산림 생물 서식지가 훼손되고 있다는 보고가 있다.

8. 1. 기후 변화 영향

바이오매스 에너지는 탄소 순환에 기초한 재생 가능한 에너지원으로, 이론적으로는 탄소 중립적이라고 여겨진다. 그러나 최근 여러 환경 단체들은 숲 바이오에너지의 형태가 숲과 기후에 해로운 영향을 미칠 수 있다고 비판한다.[14]

환경 단체들은 나무 전체를 수확하는 방식이 숲의 장기적인 건강에 해로울 수 있으며, 바이오매스를 태울 때 배출된 탄소가 다시 나무로 돌아가기까지 수십 년이 걸릴 수 있다고 지적한다. 또한, 벌목 작업은 숲의 땅을 훼손하고 저장된 탄소를 배출시킬 수 있다는 과학적 연구 결과도 제시한다.[14]

2016년 9월, '새로운 과학자(New Scientist)'는 바이오에너지가 해로울 수 있다는 언론 보도의 배경을 설명하는 기사를 게재했다. 이 기사에서는 50년 된 오크나무를 벌목하여 난방에 사용하는 시나리오를 제시하며, 같은 양의 열을 내기 위해 나무는 석탄보다 더 많은 이산화탄소를 배출하고, 썩는 뿌리에서도 추가적인 이산화탄소가 발생한다고 설명한다. 새로 심은 나무가 이산화탄소를 흡수하는 데 약 50년이 걸리지만, 기존 나무를 그대로 두면 석탄 사용으로 인한 이산화탄소를 더 많이 흡수할 수 있다는 것이다.

또한, 이 기사는 유럽 연합(EU)과 미국에서 바이오매스 연소로 인한 탄소 배출량을 계산에 포함하지 않아, 대체 에너지를 사용한 탄소 감축 효과가 과장되었다고 지적한다.

8. 2. 환경 영향

바이오매스 발전은 화석연료를 태우는 화력발전과 마찬가지로 매연에 의한 대기오염이나 고속 회전 터빈 및 연료 펌프에 의한 소음 등의 문제를 일으킨다.[25] 특히 일본이 미국에서 수입하는 목재 펠릿 생산 공장에서는 저소득층 및 유색인종 거주 지역에서 환경오염 문제가 발생하여 인종차별 문제와 함께 큰 논란이 되고 있다. 엔비바(Enviva)와 같은 생산업체는 벌금을 부과받았고, 스미토모, 미쓰비시, 마루베니 등의 상사들은 이 문제를 인지하고 있음에도 사업 확장을 계획하고 있다.[25]

또한, 바이오매스 발전은 목재 펠릿을 주 연료로 사용하기 때문에 산림 파괴를 가속화시킨다는 비판을 받는다.[26] 지속 가능한 산림 관리 인증 시스템이 존재하지만 제대로 기능하지 않고 있으며, 목재 펠릿 공급업체의 위장 사례도 발견되고 있다.[26] 국제 환경 NGO인 「FoE Japan」의 조사에 따르면, FIT 제도 인증을 받은 바이오매스 발전 사업자 중 지속 가능한 산림 관리(FM) 인증 원료만을 사용하는 사업자는 단 1개사에 불과했으며, 경제산업성의 조달 지속 가능성 확인을 받은 사업자도 8개사에 그쳐 검증 체계가 제대로 작동하지 않고 있다.[27]

바이오매스 발전은 다음과 같은 고유한 문제점도 가지고 있다.

  • 미생물 분해를 통한 메탄가스 생성 시 악취 발생
  • 목질 바이오매스 연료 확보 과정에서의 산림파괴
  • 팜오일 등 식용 유지 사용 시 식량 수요와의 경합
  • 연료 및 연소 과정의 다양성으로 인한 처리의 어려움[28]
  • 가공, 운반 등에 화석연료를 사용하여 탄소 중립이 아니라는 환경 NGO 단체의 지적[29]
  • 해외 수입 연료 사용 시 폐기물 활용이라는 본래의 목적 상실 및 생산국의 수출 규제에 따른 운전 중단 가능성[30] (예: 2022년 러시아의 우크라이나 침공으로 인한 인도네시아의 팜오일 수출 금지 조치[31])
  • 주택가 인근 난립으로 인한 주민 공해 문제 발생 (예: 후쿠치야마 바이오매스 발전소의 경우 민가에서 10미터 거리에 건설되어 소음 및 악취 문제 발생[32])


바이오매스는 연료로서 에너지 밀도가 낮아 운송 비용이 크고, 수입 의존 시 에너지 수지 비율이 낮아져 환경 부하를 악화시킬 수 있다는 비판이 제기되고 있다.[33][34]

일본 교토부 후쿠치야마시(京都府福知山市)의 바이오매스 발전소는 소음과 악취로 인해 주민들의 반대 운동과 공해심판회 조정 신청 끝에 폐쇄되었다. 주민들은 건강 피해에 대한 손해배상 청구 소송을 고려하고 있다.[36][32] 마이즈루(舞鶴)의 팜유 바이오매스 발전소도 가동 중단 위기에 처해 있다.[37] 토메시(登米市)의 바이오매스 발전소는 폐수 배출로 인한 수계 오염이 우려되고,[38] 시즈오카현(静岡県)의 발전소는 바이오가스 누출로 악취 문제가 발생하고 있다.[39] 후쿠오카현 타가와시(福岡県田川市)의 목질 바이오매스 발전 계획은 주민들의 반대로 중단되었다.[40][41]

이러한 문제들로 인해 바이오매스 발전소 건설 자치단체들은 사업자와 공해 방지 협정을 체결하고 있으며,[42][43][44] 국가는 바이오매스 발전 사업 가이드라인을 공개했다.[45] 목재 바이오매스 발전의 산업폐기물 처리를 맡은 업체가 무허가로 설립되어 환경부의 지도를 받고 서류 위조 혐의로 행정처분을 받은 사례도 있다.[55][56]

유럽에서는 바이오매스 발전에 대한 규제가 강화되고 있다. 유럽연합 집행위원회의 재생에너지 계획 개선안은 다음과 같다.

  • 목재 펠릿 등 목질 바이오매스에 대한 보조금 및 세금 감면 등 우대 조치 폐지
  • 목재 연료의 재생에너지 제외
  • 바이오매스 발전 연료의 벌채 주의사항 추가
  • CO2 감축률 산정 엄격화
  • 대상 바이오매스 발전소를 20MW 이상에서 5MW 이상 시설로 확대
[59]

EU는 바이오매스 발전소의 연료 수입, 대기오염, 연료 조달 불안정성으로 인해 바이오매스 발전을 지속 불가능하다고 판단했다. 목재 연소로 배출된 이산화탄소가 재흡수되기까지 100년 가까이 걸리고, 목재 연료의 단위 에너지당 이산화탄소 배출량이 화석연료보다 많다는 지적도 제기되었다.

목재 연료의 탄소 중립이라는 잘못된 인식에 따른 CO2 배출량 미포함 특례 조치도 폐지될 예정이다. EU는 바이오매스 발전소 대신 원자력 발전소와 천연가스 플랜트를 지속 가능한 에너지원으로 지정했다.

환경 보호 단체 Fern은 "바이오매스 발전 추진은 지난 10년간 EU의 가장 파괴적인 정책 중 하나"였다며 신규 규칙을 환영했고, Mighty Earth는 "바이오매스 연료는 석탄보다 환경을 오염시킨다"고 밝혔다.

스웨덴 등 목질 바이오매스 수출국은 신기준이 시기상조라는 의견을 제출했다.[60][61][62][63][61] 스웨덴의 천연림은 감소하고 있으며, 보호받지 못하고 벌채되어 생산 효율이 좋은 조림 식물로 대체되고 있다. 스웨덴 산림 생물 서식지 15개 중 14개가 양호하지 않은 상태이며, 벌채가 진행 중이다. 2010년 벌채의 3분의 1 이상이 스웨덴 임업법 환경 요건에 부합하지 않았다.[64] 스웨덴은 산림 자원 유지를 위해 벌채 시 가지와 잎 바이오매스의 20% 이상을 벌채지에 남겨두거나, 목질 바이오매스 소각재를 임지에 살포한다.[65]

각국 산림 보호 NGO 연합인 산림 방어 동맹(FDA)은 EU에 바이오매스 연료를 위한 산림 벌채 중단을 촉구하고 있다.[66] 영국에서는 닭 배설물 연료 바이오매스 발전소 계획이 주민 반대로 철회되었다.[67]


8. 3. 지속 가능성 논란

바이오매스 에너지는 농업, 축산업, 벌목 과정에서 발생하는 부산물, 잔여물, 폐기물을 활용한다는 점에서 장점을 가진다. 이론적으로는 식량 생산과 경쟁하지 않아야 하지만, 현실에서는 항상 그렇지만은 않다.[14]

바이오매스는 동식물과 그 부산물을 포함한 유기물에서 추출되는 물질로, 탄소 순환에 기초한 재생 가능한 에너지 자원이다. 그러나 바이오매스 자체만으로는 쓰레기 관리나 기후 변화 문제의 해결책이 될 수 없으며, 연료 안전성, 기후 변화 대응, 쓰레기 관리 측면에서 고려해야 할 점들이 있다.

최근에는 숲 바이오에너지, 특히 목재 펠릿을 이용한 발전 방식이 Greenpeace 등의 환경단체로부터 비판받고 있다. 나무 전체를 수확하는 방식은 숲의 장기적인 건강에 해로울 수 있으며, 벌목 과정에서 숲의 토양이 훼손되고 탄소 배출이 증가할 수 있다는 연구 결과도 있다.[14]

목재 펠릿은 주로 나무를 벌채하여 생산되는데, 이 과정에서 발생하는 이산화탄소는 새로 심은 나무가 흡수하기까지 수십 년이 걸릴 수 있다. 또한, 벌목은 숲의 탄소 흡수 능력을 저하시켜 장기적으로 기후 변화에 악영향을 미칠 수 있다.

화석연료를 사용하여 목재 펠릿을 운반하는 트럭


바이오매스 발전은 사실상 목재 펠릿을 이용한 화력 발전이 대부분을 차지하며, 이로 인해 산림 파괴가 가속화되고 있다는 비판이 있다. 지속 가능한 산림 관리 인증 시스템이 존재하지만 제대로 기능하지 않고 있으며, 목재 펠릿 공급업체의 위장 사례도 보고되고 있다.[26]

일본이 미국에서 수입하는 목재 펠릿 생산 공장에서는 환경오염 문제가 발생하고 있으며, 이는 저소득층과 유색인종이 많은 지역에서 주로 발생하여 인종차별 문제와도 연관되어 있다.[25]

바이오매스는 연료로서 에너지 밀도가 낮아 운송 비용이 크고, 수입 의존도가 높을 경우 에너지 수지 비율이 낮아지는 문제가 있다. 이는 이산화탄소 배출량 증가로 이어져, 단순히 화석연료를 바이오매스로 대체하는 것만으로는 환경 부하를 줄이기 어렵다는 지적이 있다.[33]

지속 불가능으로 간주되는 목질 바이오매스


유럽연합(EU)은 바이오매스 발전 기준을 재검토하고 규제를 강화하는 추세이다. 목재 펠릿 등 목질 바이오매스에 대한 보조금 및 세금 감면 혜택을 폐지하고, 재생에너지에서 제외하는 방안이 논의되고 있다. 또한, CO2 감축률 산정을 엄격하게 하고, 바이오매스 발전소의 규모 기준을 낮추는 등 규제가 강화되고 있다.[59]

EU는 바이오매스 발전의 지속 불가능성을 인식하고, 목재 연료의 탄소 중립성에 대한 특례 조치를 폐지하는 방향으로 정책을 전환하고 있다. 이는 바이오매스 발전이 산림 파괴를 조장하고, 단위 에너지당 이산화탄소 배출량이 화석연료보다 많다는 과학적 근거에 따른 것이다.

목재를 위해 벌채되어 땅이 드러난 숲


유럽의 환경 보호 단체들은 이러한 변화를 환영하며, 바이오매스 발전이 지난 10년간 EU의 가장 파괴적인 정책 중 하나였다고 비판하고 있다.

팜유 재배를 위해 벌채된 숲. 팜유가 생산된다.


스웨덴 등 목질 바이오매스 수출국들은 새로운 기준이 시기상조라는 입장을 보이고 있지만, 스웨덴의 천연림 면적은 감소하고 있으며, 산림 생물 서식지가 훼손되고 있다는 보고가 있다.[64]

9. 규모 및 미래 동향

2020년 바이오에너지는 58 EJ(엑사줄)의 에너지를 생산했는데, 이는 원유 172 EJ, 석탄 157 EJ, 천연가스 138 EJ, 원자력 29 EJ, 수력 16 EJ, 풍력, 태양열 및 지열을 합쳐 15 EJ에 비하면 적은 양이다.[15] 전 세계 바이오에너지의 대부분은 산림 자원에서 생산된다.[16][17]

2020년에는 바이오에너지 확장이 전반적으로 50% 감소했다. 중국과 유럽에서만 각각 2GW와 1.2GW의 바이오에너지 용량을 추가하며 상당한 확장을 기록했다.[18]

현재 대부분의 목재 제재소 잔재가 이미 펠릿 생산에 사용되고 있어 추가적인 확장 여력은 제한적이다. 바이오에너지 부문이 크게 확장하려면 수확된 펄프재(간벌목)의 더 많은 부분을 펠릿 공장으로 전환해야 한다. 그러나 펄프재 수확은 나무들이 오래 자라 탄소 저장 용량을 최대화할 기회를 제거한다.[19] 펄프재와 비교했을 때, 제재소 잔재는 순 배출량이 더 낮다. 제재소 잔재는 다른 산림 작업에서 발생하는 폐기물로, 추가적인 수확을 의미하지 않으며, 폐기물로 태우거나 썩도록 방치될 경우 어차피 대기 중으로 탄소를 방출하기 때문에 적어도 몇 년 동안은 탄소 중립적일 수 있다.[19]

10. 국가별 현황

RPS 제도 및 FIT 제도와 같은 국가 차원의 지원으로[21] 각지에서 바이오매스 발전소 건설이 추진되고 있으며, 일부는 이미 운전 단계에 있다. 그러나 건설 지역 주민들의 환경오염 민원으로 사업이 중단되는 경우도 발생하고 있다. 2021년 기준으로 일본에는 955기의 바이오매스 발전소가 설치되었다.[35]

10. 1. 대한민국

대한민국에서는 RPS 제도 및 FIT 제도와 같은 국가적 지원을 통해 바이오에너지 발전소 건설이 추진되고 있다.[21] 그러나 이러한 발전소 건설은 지역 주민들의 심각한 환경오염 민원을 야기하여 사업이 중단되는 경우도 발생하고 있다. 2021년 기준으로 대한민국에는 955기의 바이오매스 발전소가 설치되어 운영 중이다.[35]

바이오매스 발전소는 화력발전소와 유사하게 대기오염과 소음 문제를 동반한다. 특히, 대한민국에서는 해외에서 수입하는 목재 펠릿 생산 과정에서 발생하는 환경오염 문제가 심각하게 나타나고 있으며, 이는 저소득층 및 유색인종 거주 지역에서 두드러져 인종차별 문제와도 관련되어 있다.[25]

이러한 문제점을 해결하기 위해 일부 지방자치단체에서는 사업자와 공해 방지 협정을 체결하는 등의 노력을 기울이고 있으며,[42][43][44] 국가 차원에서도 바이오매스 발전 사업을 위한 가이드라인을 제시하고 있다.[45]

10. 1. 1. RPS 제도 및 FIT 제도

RPS제도 및 FIT제도 등 국가 차원의 지원이 이루어지고 있으며[21], 각지에서 바이오매스 발전소 건설 계획이 추진되어 이미 운전 단계에 들어선 곳도 있다. 한편, 건설된 지역 주민들로부터 심각한 환경오염 민원이 발생하여 사업이 중단된 발전소도 있다.

10. 1. 2. 문제점

바이오매스 발전은 화력발전의 일종으로, 매연에 의한 대기오염과 터빈 및 펌프 가동으로 인한 소음 등 화력발전과 동일한 문제점을 안고 있다.[25] 특히 일본에서는 미국에서 수입하는 목재 펠릿 생산 공장의 환경오염 문제가 심각하며, 이는 저소득층 및 유색인종 거주 지역에서 두드러져 인종차별 문제와도 연관되어 있다.[25]

바이오매스 발전에 특유한 문제점은 다음과 같다.

  • 미생물 분해 과정에서 악취 발생.
  • 목질 바이오매스 연료 확보 과정에서 산림파괴 발생.
  • 팜오일 등 식용 유지 사용 시 식량 수요와 경쟁.
  • 폐기물, 오니 등 다양한 연료 사용으로 인한 적절한 처리 필요.[28]
  • 가공, 운반 과정에서 화석연료 사용으로 탄소중립 달성 어려움.[29]
  • 해외 연료 수입 의존 시, 생산국의 수출 규제에 취약.[30] (예: 2022년 러시아의 우크라이나 침공으로 인한 인도네시아의 팜오일 수출 금지 조치)[31]
  • 주택가 인근 난립으로 인한 주민 공해 문제 발생 (예: 후쿠치야마 바이오매스 발전소의 경우, 민가와 10m 거리에 건설되어 소음 및 악취 문제 발생).[32]


RPS제도 및 고정가격매입제도(FIT제도) 등 국가 지원[21]으로 바이오매스 발전소 건설이 증가하고 있지만, 환경오염 민원으로 사업이 중단되는 사례도 발생하고 있다. 2021년 기준 일본 내 바이오매스 발전소는 955기에 달한다.[35]
구체적인 사례:

  • 후쿠치야마시(京都府福知山市): 팜유 연소로 인한 소음 및 악취로 주민 반대 운동 발생, 발전소 폐쇄. 주민들은 건강 피해 손해배상 청구 소송 고려 중.[36][32]
  • 마이즈루(舞鶴): 팜유 바이오매스 발전소 가동 중단.[37]
  • 토메시(登米市): 발전 폐수(하루 100톤 이상)로 인한 수계 오염 우려.[38]
  • 시즈오카현(静岡県): 바이오가스 누출로 인한 악취 문제.[39]
  • 타가와시(福岡県田川市): 목재 방사성 물질 오염 우려 등으로 주민 반대, 계획 중단.[40][41]
  • 야마가타현: 바이오매스 발전소 폭발 사고로 주민 부상, 발전소 가동 중지 및 제작 업체 도산.[46][47][48]


이러한 문제로 인해 지방자치단체는 사업자와 공해 방지 협정을 체결하고 있으며,[42][43][44] 국가는 바이오매스 발전 사업 가이드라인을 공개했다.[45]

일본 정부의 지원 제도(FIT, 보조금)로 바이오매스 발전소 건설이 급증하면서, 허위 신청, 무단 계획 변경 등의 문제도 발생하고 있다.[53] 히로시마에서는 시장이 보조금을 지급한 사업 회사가 파산하고 보조금을 부정 수급한 사실이 드러나, 시민들이 시장을 상대로 손해배상 청구 소송을 제기했다.[54]

목재 바이오매스 발전 폐기물 처리 업체의 무허가 설립 및 서류 위조 혐의도 드러나, 해당 업체는 행정처분을 받았다.[55][56]

10. 2. 일본

일본은 바이오매스 에너지 정책을 적극적으로 추진하며, 다양한 바이오매스 자원을 활용하여 전력을 생산하고 있다. 특히, 산업폐기물, 식품 폐기물, 오니 등을 연료로 활용하여 에너지의 지역자원 순환에 기여하고, 전원 분산에도 도움이 된다고 평가받는다.[20][21]

일본의 바이오매스 발전은 화력발전과 유사한 메커니즘을 가지며, 기존 화력발전소에 병렬로 건설되거나 석탄 등의 화석연료와 혼소되기도 한다. 풍력발전이나 태양광발전에 비해 상시 가동이 가능하다는 장점이 있지만, 연료 확보 안정성은 떨어진다는 단점도 있어 보조 전원으로서 역할을 담당하고 있다.[22][23]

그러나 2022년 현재 일본의 바이오매스 발전은 목재 펠릿에 크게 의존하여 산림 파괴의 원인이 된다는 비판을 받고 있으며, 유럽과 미국을 중심으로 바이오매스 발전에 대한 재검토가 이루어지고 있다.

10. 3. 유럽

유럽에서는 바이오매스 발전 기준이 대폭 재검토되고 규제가 강화되는 방향으로 기울고 있다. 유럽 연합 집행위원회가 마련한 재생에너지 계획에서 다음과 같은 개선안이 발표되었다.[59]

  • 목재 펠릿 등 목질 바이오매스에 대한 보조금, 세금 감면 등 각종 우대 조치를 완전히 폐지한다.
  • 이러한 목재 연료를 재생에너지에서 제외한다.
  • 바이오매스 발전 연료에 대해 연료를 위한 벌채에 대한 주의사항이 추가되었다.
  • CO2 감축률 산정을 엄격화한다. 운반, 수송, 가공 등에 따른 화석연료 사용, 바이오매스 연료의 CO2 배출 계수(발생하는 열에너지와 CO2의 비율)가 화석연료보다 크다는 점 등을 고려한 엄격한 산출 방식이 정해졌다.
  • 이러한 기준의 대상이 되는 바이오매스 발전소를 20MW 이상 시설에서 5MW 이상 시설로 낮추었다.


EU는 바이오매스 발전소가 연료로 해외에서 수백만 톤의 목재를 수입하고 있으며, 배기가스로 인한 대기오염 문제와 연료 조달의 불안정성으로 인해 바이오매스 발전은 지속 불가능하다고 판단했다.

목재를 태워 배출된 이산화탄소가 성장한 숲에 재흡수되기까지는 평균 100년 정도의 시간이 걸리며, 그 긴 사이클이 완전히 순환될 때까지 대기 중 CO2 농도는 계속 상승한다. 또한 국내외 과학자들로부터 목재 연료는 단위량당 에너지를 발생시킬 때 배출하는 이산화탄소량이 화석연료보다 많다는 지적이 제기되었다.

목재 연료는 탄소 중립이라는 잘못된 생각에 기초하여 바이오매스 발전소의 CO2 배출량을 배출량에 포함하지 않는 특례 조치가 설정되었지만, 이러한 방침 전환에 맞춰 그 조치도 폐지된다. EU는 바이오매스 발전소 대신 원자력 발전소와 천연가스 플랜트를 CO2 배출량이 적은 지속 가능한 에너지원으로 위치지었다.

유럽의 환경 보호 단체 Fern은 이 신규 규칙을 환영하며, "바이오매스 발전의 추진은 재생에너지라는 이름 아래 산림 파괴를 조장하는 지난 10년간 EU의 가장 파괴적인 정책 중 하나이며, 그것을 중단하는 방침이 처음으로 명확하게 제시되었다"라고 밝혔다. 미국의 환경 보호 단체 Mighty Earth는 "바이오매스 연료는 석탄보다 환경을 오염시키는 것이며, 유럽이 그 사실을 인식하기 시작했다"라고 말했다.

한편, 스웨덴 등 목질 바이오매스 수출국은 이 신기준은 시기상조라는 의견서를 제출했다.[60][61][62][63]

10. 4. 기타 국가

전기 생산에 사용되는 바이오매스는 지역별로 다양하다. 미국에서는 목재 잔여물과 같은 산림 부산물이 많이 쓰인다. 모리셔스(사탕수수 잔여물)와 동남아시아(왕겨)에서는 농산폐기물이 흔하게 사용된다. 영국에서는 가금류 잠자리짚과 같은 축산업 잔여물이 인기가 있다.

브라질에서는 설탕과 에탄올 생산 과정에서 사탕수수에 저장된 에너지를 최대한 활용한다. 사탕수수 껍질(버개스) 일부는 공장에서 연소되어 증류 및 전기를 위한 열을 공급하는 데 사용된다. 이를 통해 에탄올 공장은 에너지 자급자족이 가능하며, 잉여 전기를 전력 사업자에게 판매하기도 한다. 현재 브라질의 사탕수수 찌꺼기를 이용한 발전량은 자체 소비 600MW, 판매 100MW 수준이다. 이는 10년 계약에 대해 "공정한 가격"(약 10USD 또는 0.036USD)을 지불하도록 유도되었기 때문에 가능했으며, 앞으로 더 성장할 것으로 예상된다. 사탕수수 찌꺼기의 잠재 발전량은 기술에 따라 1000MW~9000MW로 추정된다.

현재 사탕수수 1톤의 잔여물에서 약 288MJ의 전기를 추출하는 것이 경제적으로 실용적이며, 그 중 약 180MJ은 식물 자체에서 사용된다. 따라서 연간 100만 톤의 사탕수수를 처리하는 중형 증류소는 약 5MW의 잉여 전기를 판매할 수 있다. 현재 가격으로 설탕과 에탄올 판매에서 약 1800만달러, 잉여 전기 판매에서 약 100만달러를 벌어들일 수 있다. 고급 보일러와 터빈 기술을 사용하면 전기 생산량이 사탕수수 1톤당 648MJ로 증가할 수 있지만, 현재 전기 가격으로는 투자가 어렵다.

사탕수수 찌꺼기 연소는 기름이나 석탄과 같은 다른 연료에 비해 환경 친화적이다. 회분 함량은 2.5% (석탄의 30~50%) 수준이며, 황 함량도 매우 적다. 비교적 낮은 온도에서 연소되기 때문에 아산화질소도 거의 생성하지 않는다. 또한 사탕수수 찌꺼기는 감귤 농축액, 식물성 기름, 도자기, 타이어 재활용 등 다양한 산업에서 연료로 사용된다. 상파울로 주에서는 2백만 톤의 연료를 사용하여 약 3500만달러의 연료 수입액을 절약했다. 셀룰로스 에탄올 연구자들은 사탕수수 찌꺼기와 다른 식물에서 에탄올을 추출하기 위해 노력하고 있다.

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