알코올 연료
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1. 개요
알코올 연료는 알코올을 사용하여 작동하는 연료를 의미하며, 20세기 초 가솔린 공급이 일반화되기 전까지 내연 기관의 주요 연료로 사용되었다. 1970년대 오일 쇼크 이후 석유 가격 급등과 지구 온난화 문제 해결을 위한 대안으로 다시 주목받고 있다. 주요 알코올 연료로는 에탄올과 메탄올이 있으며, 내연 기관, 연료 전지, 램프, 버너 등에 사용된다. 알코올 연료는 화석 연료, 바이오매스, 이산화탄소와 물에서 생산될 수 있으며, 휘발유 및 경유에 비해 장단점을 가지고 있다. 알코올 연료는 각 국가별로 다양한 상황을 보이며, 브라질은 세계 최대의 알코올 연료 생산국이며, 미국, 유럽 연합, 일본, 중국 등에서도 알코올 연료를 사용하거나 연구하고 있다. 알코올 연료는 수소 배송, 온실 기체 감축, 석유 의존도 감소 등의 장점을 가지며, 농업 생산 알코올은 재생 가능 에너지원이라는 특징이 있다.
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| 알코올 연료 | |
|---|---|
| 알코올 연료 | |
 | |
| 개요 | |
| 정의 | 내연 기관에서 연료로 사용되는 알코올 |
| 종류 | 메탄올 (CH3OH) 에탄올 (C2H5OH) 프로판올 (C3H7OH) 부탄올 (C4H9OH) |
| 장점 | |
| 높은 옥탄가 | 알코올은 가솔린보다 옥탄가가 높아 엔진의 노킹 현상을 줄여준다. |
| 청정 연소 | 알코올은 연소 시 매연 발생량이 적어 대기 오염을 줄일 수 있다. |
| 재생 가능 에너지 | 알코올은 바이오매스를 통해 생산 가능하므로 화석 연료를 대체할 수 있는 재생 가능 에너지원이다. |
| 물에 의한 소화 | 물과 섞일 수 있기 때문에 화재 진압 시 물을 사용하여 소화가 가능하다. |
| 단점 | |
| 낮은 에너지 밀도 | 가솔린보다 에너지 밀도가 낮아 동일 거리를 주행하기 위해 더 많은 연료가 필요하다. |
| 부식성 | 일부 알코올은 금속 및 고무 부품을 부식시킬 수 있어 엔진 부품의 내구성을 저하시킬 수 있다. |
| 높은 생산 비용 | 알코올 생산 비용이 가솔린보다 높아 경제성이 떨어질 수 있다. |
| 낮은 증기압 | 추운 날씨에 시동이 잘 걸리지 않을 수 있다. |
| 활용 | |
| 혼합 연료 | 알코올은 가솔린과 혼합하여 연료로 사용될 수 있으며, 혼합 비율에 따라 다양한 종류의 혼합 연료가 존재한다. 예: E10 (에탄올 10%, 가솔린 90%), E85 (에탄올 85%, 가솔린 15%) |
| 전용 연료 | 알코올은 특정 엔진에 맞춰 전용 연료로 사용될 수 있다. |
| 레이싱 연료 | 높은 옥탄가를 활용하여 레이싱 차량의 연료로 사용된다. |
| 환경 영향 | |
| 온실 가스 배출 감소 | 바이오매스 기반 알코올 연료는 생산 과정에서 이산화탄소를 흡수하여 온실 가스 배출량을 줄일 수 있다. |
| 대기 오염 감소 | 알코올은 연소 시 매연 및 유해 물질 배출량이 적어 대기 오염을 줄일 수 있다. |
| 미래 전망 | |
| 지속 가능한 에너지원 | 알코올 연료는 화석 연료를 대체할 수 있는 지속 가능한 에너지원으로 주목받고 있으며, 연구 개발을 통해 생산 비용을 낮추고 효율성을 높이려는 노력이 계속되고 있다. |
2. 역사적 배경
20세기 초 석유에서 정제되는 가솔린이 널리 보급되기 전까지는 알코올이 내연 기관의 주요 연료였으며, 내연 기관 발명자인 니콜라우스 오토도 에탄올을 연료로 사용한 것으로 알려져 있다.[1] 1908년에 출시되어 자동차 시대를 연 포드 모델 T는 에탄올과 가솔린을 모두 연료로 사용할 수 있는 이중 연료 자동차였다. 이후 석유에서 정제되는 가솔린이 대량으로 저렴하게 공급되면서 내연 기관 연료로서 알코올의 사용은 쇠퇴했지만, 1970년대 오일 쇼크로 인해 석유, 특히 가솔린 가격이 급등하면서 다시 주목받기 시작했다. 최근에는 지구 온난화 문제에 대한 관심이 높아짐에 따라 알코올 연료가 더욱 주목받고 있다.
메탄올과 에탄올은 화석 연료, 바이오매스, 또는 이산화탄소와 물로부터 얻을 수 있다. 에탄올은 주로 당의 발효를 통해 생산되는 반면, 메탄올은 주로 합성 가스에서 생산되지만, 더 현대적인 방법들도 존재한다.[1] 연료로서 메탄올과 에탄올은 휘발유(가솔린) 및 경유와 같은 연료에 비해 장단점을 모두 갖는다. 점화 엔진에서 두 알코올 모두 훨씬 높은 배기 가스 재순환 속도와 더 높은 압축비로 작동할 수 있다. 두 알코올 모두 높은 옥탄가를 가지는데, 에탄올은 109 RON (리서치 옥탄가), 90 MON (모터 옥탄가) (99.5 AKI)이며, 메탄올은 109 RON, 89 MON (99 AKI)이다.[2]
3. 주요 알코올 연료
부탄올 연료와 프로판올은 메탄올보다 독성이 훨씬 적고 휘발성이 적다. 특히 부탄올은 35 °C의 높은 인화점을 가지고 있어 화재 안전에 유리하지만, 추운 날씨에 엔진 시동에는 어려움이 있을 수 있다.
3. 1. 메탄올과 에탄올
메탄올과 에탄올은 화석 연료, 바이오매스, 또는 이산화탄소와 물로부터 얻을 수 있다. 에탄올은 주로 당의 발효를 통해 생산되는 반면, 메탄올은 주로 합성 가스에서 생산되지만, 더 현대적인 방법들도 존재한다. 효소는 발효 대신 사용될 수 있으며, 에탄올은 메탄올로부터 만들 수 있다. 메탄올은 가스화기에서 바이오매스를 합성 가스로 변환하거나, 이산화탄소와 물 또는 증기로부터 산업적으로 생산 가능하다. 또한 전기 분해나 효소를 사용하여 실험실에서도 생산할 수 있다.[1]
연료로서 메탄올과 에탄올은 휘발유(가솔린) 및 경유와 같은 연료에 비해 장단점을 모두 갖는다. 점화 엔진에서 두 알코올 모두 훨씬 높은 배기 가스 재순환 속도와 더 높은 압축비로 작동할 수 있다. 두 알코올 모두 높은 옥탄가를 가지는데, 에탄올은 109 RON (리서치 옥탄가), 90 MON (모터 옥탄가) (99.5 AKI)이며, 메탄올은 109 RON, 89 MON (99 AKI)이다.[2] AKI는 RON과 MON 등급을 평균하는 '노크 방지 지수'를 나타내며, 미국 주유소 펌프에서 사용된다. 일반적인 유럽 휘발유는 95 RON, 85 MON (90 AKI)이다. 압축 점화 엔진 연료로서 두 알코올 모두 입자를 거의 생성하지 않지만, 낮은 세탄가 때문에 약 5%의 글리콜과 같은 점화 개선제를 연료에 혼합해야 한다.
점화 엔진에서 알코올을 사용하면 NOx, CO, HC 및 입자를 줄일 수 있다. E85 연료를 사용하는 쉐보레 루미나스 테스트 결과, NMHC[3]는 개질된 가솔린에 비해 20-22%, NOx는 25-32%, CO는 12-24% 감소했다.[4] 벤젠 및 1,3-부타디엔의 유해 배출량도 감소했지만, 아세트알데히드 등의 알데히드 배출량은 증가했다. 이러한 알코올의 낮은 탄소 대 수소 비율과 엔진 효율성 향상으로 인해 CO2 배기 가스 배출량도 감소한다.
메탄올 및 에탄올 연료에는 가용성 및 불용성 오염 물질이 포함되어 있다.[5] 염화물 이온과 같은 할로겐 이온은 가용성 오염 물질로, 알코올 연료의 부식성에 큰 영향을 미친다. 할로겐 이온은 여러 금속의 부동태 산화막을 화학적으로 공격하여 침식 부식을 유발하고, 연료의 전도성을 증가시켜 부식을 촉진한다. 수산화알루미늄과 같은 가용성 오염 물질은 시간이 지남에 따라 연료 시스템을 막는다.
부식을 방지하려면 연료 시스템을 적절한 재료로 만들고, 전선을 제대로 절연해야 하며, 연료 레벨 센서는 비접촉형이어야 한다. 또한 고품질 알코올은 오염 물질 농도가 낮고 적절한 부식 억제제가 첨가되어야 한다. 과학적 증거에 따르면 물은 에탄올에 의한 부식의 억제제이다.[6]
E50을 사용한 실험에서 부식 효과가 가속화되었다. 연료 에탄올의 수분량을 늘리면 부식을 줄일 수 있다. 에탄올 연료에 2%(20,000ppm)의 물이 있으면 부식이 멈췄다. 수분 에탄올은 무수 에탄올보다 부식성이 낮은 것으로 알려져 있다. 연료에 충분한 물이 있으면 알루미늄은 물과 우선적으로 반응하여 Al2O3를 생성, 보호 알루미늄 산화막을 복구한다.
메탄올과 에탄올은 일부 폴리머와 호환되지 않는다. 알코올은 폴리머와 반응하여 팽창을 일으키고, 시간이 지남에 따라 산소가 폴리머의 탄소-탄소 결합을 분해하여 인장 강도가 감소한다. 대부분의 자동차는 최대 10% 에탄올(E10)을 견딜 수 있도록 설계되었다.
"FlexFuel" 차량은 E85 또는 M85를 사용하기 위해 연료 시스템 및 엔진 구성 요소를 업그레이드했으며, ECU는 가솔린과 E85 또는 M85 사이의 모든 연료 혼합에 적응할 수 있다. 일반적인 업그레이드에는 연료 탱크, 연료 탱크 전기 배선, 연료 펌프, 연료 필터, 연료 라인, 필러 튜브, 연료 레벨 센서, 연료 분사기, 씰, 연료 레일, 연료 압력 조절기, 밸브 시트 및 흡입 밸브 수정이 포함된다. 브라질 시장을 위한 "Total Flex" 자동차는 E100(100% 에탄올)을 사용할 수 있다.
에탄올 1리터는 연소 시 21.1 MJ, 메탄올 1리터는 15.8 MJ, 휘발유 1리터는 약 32.6 MJ를 방출한다. 즉, 휘발유 1리터와 동일한 에너지 함량을 위해 에탄올 1.6리터와 메탄올 2.1리터가 필요하다. 그러나 부피당 원시 에너지 숫자는 알코올 연료 엔진을 실질적으로 더 에너지 효율적으로 만들 수 있기 때문에 오해의 소지가 있다. 알코올 연료 1리터의 연소로 방출되는 에너지의 더 큰 비율을 유용한 작업으로 변환할 수 있다. 이러한 효율성 차이는 특정 엔진에 따라 에너지 밀도 차이를 부분적으로 또는 완전히 상쇄할 수 있다.
메탄올 연료는 미래의 바이오 연료로 제안되었으며, 종종 수소 경제의 대안으로 제안되었다. 메탄올은 레이싱 연료로 오랜 역사를 가지고 있다. 초기 그랑프리 레이싱에서는 혼합물과 순수 메탄올을 사용했다. 이 연료는 전쟁 후 주로 북미에서 사용되었다. 그러나 레이싱용 메탄올은 주로 천연 가스에서 파생된 합성 가스에서 생산된 메탄올을 기반으로 하므로 바이오 연료로 간주되지 않는다. 그러나 합성 가스가 바이오매스에서 파생되면 메탄올은 가능한 바이오 연료가 된다.
이론적으로, 메탄올은 지속 가능한 바이오매스와 이산화탄소에서 생산할 수 있으며, 핵 발전, 지열 발전 또는 기타 재생 에너지원을 사용하는 수소 전기 분해로도 생산할 수 있다 (Carbon Recycling International 참조). 바이오에탄올에 비해 메탄올 바이오 연료의 주요 장점은 훨씬 더 높은 웰-투-휠 효율성이다.
에탄올은 이미 연료 첨가제로 광범위하게 사용되고 있으며, 에탄올 연료를 단독으로 사용하거나 휘발유와 혼합하여 사용하는 것이 증가하고 있다. 메탄올에 비해 주요 장점은 부식성이 낮고 무독성이라는 것이지만, 이 연료는 일부 유독성 배기 가스를 생성한다. 2007년 이후, 인디 레이싱 리그는 40년 동안 메탄올을 사용한 후 에탄올을 독점 연료로 사용해 왔다.[7] 2007년 9월부터 호주 뉴사우스웨일스 주 주유소는 모든 휘발유에 2% 에탄올을 공급하도록 의무화되었다.[8]
3. 2. 부탄올과 프로판올
부탄올 연료와 프로판올은 메탄올보다 독성이 훨씬 적고 휘발성이 적다. 특히 부탄올은 35 °C의 높은 인화점을 가지고 있어 화재 안전에 유리하지만, 추운 날씨에 엔진 시동에는 어려움이 있을 수 있다. 그러나 인화점의 개념은 실린더 내 공기 압축으로 인해 점화 전에 온도가 수백 도 섭씨에 달하기 때문에 엔진에는 직접 적용되지 않는다.
섬유소로부터 프로판올과 부탄올을 생산하는 발효 공정은 실행하기가 상당히 까다로우며, 이러한 전환을 수행하는 데 현재 사용되는 바이츠만 균(Clostridium acetobutylicum)은 극도로 불쾌한 냄새를 생성하므로 발효 공장을 설계하고 위치를 정할 때 이를 고려해야 한다. 이 유기체는 또한 발효되는 물질의 부탄올 함량이 2%로 상승하면 죽는다.[9] 비교해 보면, 효모는 공급원의 에탄올 함량이 14%에 도달하면 죽는다. 특수 균주는 더 높은 에탄올 농도를 견딜 수 있으며, 소위 터보 효모는 최대 16%의 에탄올을 견딜 수 있다.[10] 그러나 일반적인 사카로미세스 효모의 에탄올 저항성을 개선하도록 수정할 수 있다면, 과학자들은 언젠가 바이츠만 유기체의 자연적 한계인 7%보다 높은 부탄올 저항성을 가진 균주를 생산할 수 있을 것이다.
이러한 단점에도 불구하고, 듀폰(DuPont)과 BP(BP)는 최근 부탄올 연료 소규모 시범 공장을 공동으로 건설할 것이라고 발표했다.[11] 이는 Associated British Foods(Associated British Foods)와 공동으로 개발하고 있는 대규모 바이오에탄올 공장과 함께 건설될 것이다.
Energy Environment International은 부산물인 아세톤과 에탄올의 생산을 최소화하기 위해 두 개의 별도 미생물을 순차적으로 사용하는 부탄올 생산 방법을 개발했다.[12]
스위스 회사 Butalco GmbH는 에탄올 대신 부탄올을 생산하기 위해 효모를 변형하는 특별한 기술을 사용한다. 부탄올 생산 유기체로서의 효모는 박테리아에 비해 결정적인 장점을 가지고 있다.[13]
부탄올 연소:
:C4H9OH + 6O2 → 4CO2 + 5H2O + 열
프로판올 연소:
:2C3H7OH + 9O2 → 6 CO2 + 8H2O + 열
3-탄소 알코올인 프로판올(C3H7OH)은 대부분 용매로 사용되기 때문에 (에탄올, 메탄올 및 부탄올과 달리) 가솔린 엔진의 직접적인 연료원으로 자주 사용되지 않는다. 그러나 일부 유형의 연료 전지에서 수소 공급원으로 사용되며, 대부분의 알코올 기반 연료 전지의 연료인 메탄올보다 더 높은 전압을 생성할 수 있다. 그러나 프로판올은 메탄올보다 (생물학적으로 또는 석유에서) 생산하기 어렵기 때문에 프로판올을 사용하는 연료 전지보다 메탄올을 사용하는 연료 전지가 선호된다.
4. 국가별 현황
- '''브라질:''' 세계 최대 사탕수수 생산국 중 하나로, 사탕수수를 이용해 에탄올을 생산한다. 브라질 자동차 대부분은 알코올 또는 가소홀로 주행하며, 최근에는 듀얼 연료("Flex Fuel") 엔진이 주로 사용된다. 브라질의 알코올 정책은 여러 문제로 비판받기도 한다.
- '''중국:''' 1935년부터 알코올 연료로 구동되는 자동차를 만들었다.[20] 청정 자동차를 위한 국가 계획을 추진하며, 알코올 연료를 주요 대체 연료 중 하나로 삼고 있다.[21]
- '''미국:''' 2007년 말 연간 26900ML의 알코올 연료를 생산했다.[22] 많은 주와 지방 자치 단체에서 휘발유에 10%의 알코올을 혼합하도록 의무화하고 있다. 초기에는 옥수수 유래 에탄올 사용이 에너지 수지상 적자라는 연구가 있었으나, 생산 방법 개선으로 현재는 흑자를 나타내는 연구가 많다.
- '''유럽 연합:''' 2005년부터 2008년까지 유럽 연합의 바이오에탄올 소비량은 다음과 같다.[23][24][25]
| 국가 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 |
|---|---|---|---|---|
| 프랑스 | 871 | 1,719 | 3,164 | 4,693 |
| 독일 | 1,682 | 3,544 | 3,448 | 4,675 |
| 스웨덴 | 1,681 | 1,894 | 2,119 | 2,488 |
| 스페인 | 1,314 | 1,332 | 1,512 | 1,454 |
| 폴란드 | 329 | 611 | 837 | 1,382 |
| 핀란드 | 0 | 10 | 20 | 858 |
| 오스트리아 | 0 | 0 | 199 | 633 |
| 헝가리 | 28 | 136 | 314 | 454 |
| 체코 | 0 | 13 | 1 | 378 |
| 아일랜드 | 0 | 13 | 59 | 207 |
| 리투아니아 | 10 | 64 | 135 | 182 |
| 벨기에 | 0 | 0 | 0 | 145 |
| 슬로바키아 | 0 | 4 | 140 | 76 |
| 에스토니아 | 0 | 0 | 0 | 17 |
| 룩셈부르크 | 0 | 0 | 14 | 11 |
| 이탈리아 | 59 | 0 | 0 | 0 |
| 몰타 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 키프로스 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 유럽 연합 | 6,481 | 10,138 | 13,962 | 20,538 |
| 1 toe = 11.63MWh, 0 = 데이터 없음 알코올 소비는 교통 연료 사용을 명시하지 않음 2008년 데이터는 아직 확인되지 않음 | ||||
- '''일본:''' 1999년 대한민국에서 개발된 알코올 연료인 '''GAIAX'''가 수입되어 판매되었으나, 일본 정부와 석유 산업계의 반발로 시장에서 퇴출되었다. 현재 일본은 독자적인 알코올 연료를 연구 개발하고 있지만, 법률 및 소비자 인식 문제로 상업적 성공이 불투명하다.
4. 1. 브라질
브라질은 세계 최대 사탕수수 생산국 중 하나로, 사탕수수를 이용하여 에탄올, 설탕, 전력 및 산업용 열원을 생산한다. 사탕수수 재배는 적은 노동력을 필요로 하며, 정부의 세금 및 가격 정책 덕분에 에탄올 생산은 매우 수익성이 높은 대규모 농장 사업이 되었다. 지난 25년간 브라질에서 가장 크게 성장한 주요 작물 중 하나가 사탕수수이다.사탕수수는 인력이나 기계로 수확되어 증류소로 운반된다. 증류소는 대개 대농장이나 농업 협동조합 소유로, 생산 현장 근처에 위치한다. 사탕수수는 압착되어 당액을 추출하고, 섬유 잔류물(바가스)은 제거된다. 당액은 효모로 발효되어 에탄올과 이산화 탄소로 분해된다. 이렇게 얻어진 에탄올 혼합액은 증류를 거쳐 약 5%의 물을 포함하는 에탄올이 된다. 산성 증류 잔사는 석회로 중화되어 비료로 판매된다. 함수 에탄올은 그대로 판매되거나(에탄올 자동차용), 탈수하여 휘발유와 혼합(가솔홀 자동차용)하여 사용된다.
1톤의 사탕수수에서는 약 72리터의 에탄올을 얻을 수 있다. 바가스를 태워 증류 및 건조에 필요한 열을 얻고, 약 80킬로와트시의 전력을 생산한다. 이 중 약 50킬로와트시는 플랜트 자체에서 사용하고, 30킬로와트시는 공공용으로 판매한다. 알코올 제조 비용은 1갤런당 0.63USD이며, 세계 시장에서 가솔홀 가격은 대략 갤런당 1.05USD이다. 사기업들은 경작지 확대와 농업 기술 개선에 투자하여, 1978년부터 2000년까지 평균 알코올 수확량이 헥타르당 3,000리터에서 5,500리터로 증가했다.
브라질 자동차 대부분은 알코올 또는 가소홀로 주행하며, 최근에는 듀얼 연료("Flex Fuel") 엔진이 주로 사용된다. 주유소는 두 연료를 모두 취급하며, 연료 가격 변화에 따라 차종별 시장 점유율이 변동한다. 에탄올 전용 차량은 1980년부터 1995년까지 많이 판매되었으나, 현재는 판매량이 적다.
국내 알코올 수요는 1982년부터 1998년 사이에 40억 리터에서 120억 리터로 성장한 후 거의 유지되고 있다. 1989년에는 생산량의 90% 이상이 에탄올 전용 차량에 사용되었으나, 현재는 가소홀 차량 40%, 가솔린 60%로 비율이 바뀌었다. 듀얼 연료 자동차 개발로 에탄올 소비 및 에탄올/가소홀 비율은 증가 추세에 있다.
현재 브라질 자동차의 에탄올 연료 사용은 매년 100억 리터의 가솔린을 대체하고 있다. 브라질은 주요 산유국이지만, 디젤 연료는 에탄올로 대체하기 어려워 수입하고 있다.
브라질의 알코올 정책은 토지 이용, 환경 문제, 식용 작물 전작, 저임금 노동자 의존, 통계 편중, 국고 보조금 의존 등 여러 문제로 비판받기도 한다.
국립 석유 기업 페트로브라스는 사영 증류소에서 에탄올을 구매하여 정제 에탄올과 가솔린 혼합물(가솔홀)을 판매한다. 그러나 내수 부족으로 인해 페트로브라스는 흑자 가솔린을 국제 시장보다 싼 가격에 판매해야 한다. 페트로브라스는 에틸 메틸 에테르와 MTBE도 생산하며[54], MTBE는 대부분 수출된다[55].
사탕수수 생산 추진파는 정치적으로 유력하며, 비평가들로부터 정책을 옹호하고 있다. 브라질의 긍정적 결과를 바탕으로, 환경 문제나 정치 문제보다는 외국 무역의 긴장이 더 크게 언급된다.
4. 2. 중국
중국은 1935년부터 알코올 연료로 구동되는 자동차를 만들었다.[20] 중국은 기존 가솔린에 70% 메탄올을 혼합하여 원유 의존에서 벗어났다고 보고했다.청정 자동차를 위한 국가 계획 및 행동 조정 위원회는 알코올/에테르 연료와 관련된 핵심 기술을 목록에 올리고 산업화를 주요 의제로 가속화했다. 알코올 연료는 5가지 주요 대체 연료의 일부가 되었으며, 그중 두 가지는 메탄올과 에탄올이었다.[21]
4. 3. 미국
미국 E85 참조2007년 말 미국은 연간 26900ML의 알코올 연료를 생산했다.[22] E10 또는 가소홀은 델라웨어에서 흔히 판매되며, E85는 많은 주, 특히 옥수수에서 에탄올을 현지에서 생산하는 중서부 지역에서 발견된다.
많은 주와 지방 자치 단체에서는 연중 일부 또는 전체 기간 동안 모든 휘발유 연료에 10%의 알코올(일반적으로 에탄올)을 혼합하도록 의무화했다. 이는 오염을 줄이고 이러한 지역이 연방 오염 제한을 준수하도록 하기 위함이다. 알코올은 부분적으로 산소가 공급되기 때문에 오존을 포함하여 전체 오염 물질을 덜 생성한다. 일부 지역(특히 캘리포니아)에서는 오염을 줄이지만 연료 유통을 복잡하게 하고 연료 비용을 증가시키는 다른 제형 또는 추가 화학 물질을 요구할 수도 있다.
초기의 많은 연구에서는 옥수수 유래 에탄올을 연료로 사용하는 것이 에너지 수지상 적자가 된다고 여겨졌다. 즉, 에너지 수지의 총계는 알코올이 될 때까지의 발효, 경작, 농업용 트랙터의 연료, 곡물의 수확과 수송, 에탄올 플랜트의 건설과 조업, 그리고 옥수수 당을 증류하는 데 사용하는 천연 가스의 수지를 포함하며, 비용은 생산된 에탄올이 발생하는 에너지를 초과한다.
비평가들은 생산 에너지의 대부분이 화석 연료에서 오는 가솔홀이 돈을 낭비하고, 재생 가능 자원을 급속히 고갈시킨다고 주장했다.
이러한 많은 연구는 1970년대와 1980년대 초에 이루어졌다. 그리고 2001년에 분석된 데이터에 따르면, 에탄올의 에너지 수지 적자는 지속되었다. 코넬 대학교 생태학 교수인 데이비드 피멘텔(David Pimentel)의 추산에서는 위의 결론을 확인하는 데 그쳤다. 피멘텔 교수의 연구는 다른 전문가들에게 논쟁을 불러일으켰고, 그에게 산출 수치의 재검토를 강요했다.
2003년 8월 시점에서도 코넬 대학교 논문 게재에 따르면, 옥수수 유래 에탄올 생산은 소비한 에너지를 29% 상회할 뿐이다. 그러나 지속적인 에탄올 생산 방법의 개선은 이익/원가율을 크게 개선했다. 그리고 대부분의 연구에서는 현행 시스템에서는 순 에너지 수지가 흑자를 나타낸다고 보고 있다.
다른 많은 연구에서는 옥수수 유래 에탄올 생산의 순 에너지 수지 추정치가 크게 변화한 것처럼, 개선이 진행되었다고 보고 있다. 그들의 대부분은 연료 생산 프로세스를 가동하는 데 필요한 양의 1/2 또는 2/3를 초과하는 흑자를 에너지 수지가 나타내고 있다.
2002년 미국 농무성 보고서에서는 옥수수 유래 에탄올 생산이 1.34의 에너지 계수를 갖는다고 결론지었다. 이것은 생산된 에탄올이 제조에 소요된 에너지에 비해 34% 상회한다는 것을 의미한다. 이것은 단위당 생산의 75% (1/1.34)가 제조를 위한 에너지에 소비된다는 의미가 된다.
미시간 주립 대학교의 MSU 에탄올 에너지 수지 조사(2002년 5월)에서는 1갤런당 56%의 제조에 소요된 것에 비해 잉여 에너지가 있다고 했다.[50]
4. 4. 유럽 연합
| 국가 | 2005 | 2006 | 2007 | 2008 |
|---|---|---|---|---|
| 프랑스 | 871 | 1,719 | 3,164 | 4,693 |
| 독일 | 1,682 | 3,544 | 3,448 | 4,675 |
| 스웨덴 | 1,681 | 1,894 | 2,119 | 2,488 |
| 스페인 | 1,314 | 1,332 | 1,512 | 1,454 |
| 폴란드 | 329 | 611 | 837 | 1,382 |
| 핀란드 | 0 | 10 | 20 | 858 |
| 오스트리아 | 0 | 0 | 199 | 633 |
| 헝가리 | 28 | 136 | 314 | 454 |
| 체코 | 0 | 13 | 1 | 378 |
| 아일랜드 | 0 | 13 | 59 | 207 |
| 리투아니아 | 10 | 64 | 135 | 182 |
| 벨기에 | 0 | 0 | 0 | 145 |
| 슬로바키아 | 0 | 4 | 140 | 76 |
| 에스토니아 | 0 | 0 | 0 | 17 |
| 룩셈부르크 | 0 | 0 | 14 | 11 |
| 이탈리아 | 59 | 0 | 0 | 0 |
| 몰타 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 키프로스 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 유럽 연합 | 6,481 | 10,138 | 13,962 | 20,538 |
| 1 toe = 11.63MWh, 0 = 데이터 없음 알코올 소비는 교통 연료 사용을 명시하지 않음 2008년 데이터는 아직 확인되지 않음 | ||||
4. 5. 일본
1999년 대한민국에서 개발된 알코올 연료인 '''GAIAX'''가 일본에 수입되어 판매되기 시작했다. GAIAX는 주성분이 메탄올이었으며, 일본의 유류세 과세 대상이 아니었다.[26] 그러나 일본 정부와 석유 산업계는 이를 밀수 행위로 간주했다. GAIAX 소매 판매는 경유세를 납부하여 탈세 논란을 피하려 했다.2000년경 GAIAX를 주유하던 차량에서 화재 사고가 보고되면서, 일본 자동차 업계는 "고농도 알코올이 연료 파이프를 부식시켜 화재를 유발한다"고 비판했다. GAIAX는 "고농도 알코올 연료"로 불리며 시장에서 퇴출되기 위한 캠페인이 벌어졌고, 경제산업성도 이에 동참했다.[26]
2003년 휘발유 등의 품질 확보 등에 관한 법률이 개정되어, 연료 제조업체는 휘발유에 3% 이상의 알코올을 첨가하는 것이 금지되었다. 이로 인해 E3 이상의 알코올 연료 판매가 불가능해졌다.
현재 일본 석유 산업계는 GAIAX와는 다른 독자적인 알코올 연료를 연구 개발하고 있다. 그러나 기존 법률로 인해 새로운 연료의 상업적 제조 및 판매가 금지될 수 있으며, 일본 소비자들의 고농도 알코올 연료에 대한 거부감도 상업적 성공을 저해할 수 있다.
5. 알코올 연료 생산
알코올 연료는 사탕수수, 사탕무, 옥수수, 보리, 감자 등 다양한 작물에서 제조된다. 브라질의 사탕수수 에탄올 생산이 대표적이다.[15] 알코올은 에탄, 아세틸렌, 탄화 칼슘, 석탄, 석유 가스 등 다른 자원으로부터 합성하여 얻을 수도 있다.
5. 1. 에탄올 생산
사탕수수나 옥수수와 같은 바이오매스에서 에탄올을 생산하는 방법은 이미 확립되어 있으며, 바이오매스 에탄올 생산량이 확대되면서 "환경 친화적"인 가솔린 대체 연료로 최근 주목받고 있다.[14] 브라질은 사탕수수를 발효시켜 에탄올을 생산하며, 세계 최대의 알코올 연료 생산국 중 하나였다.[15] 미국 또한 2007년 말 기준 연간 269억 리터(70억 갤런)의 알코올 연료를 생산했다.[22]에탄올은 사탕수수, 사탕무, 옥수수, 보리, 감자 등 다양한 작물에서 제조된다.[29][30][31] 그중 브라질의 사탕수수 에탄올 생산이 대표적이다.[15] 사탕수수는 옥수수보다 생육과 가공이 용이하며, 더 많은 발효 가능한 탄수화물을 제공한다. 1톤의 사탕수수에서는 약 72리터의 에탄올을 얻을 수 있다.
| 품목 | 생산량 |
|---|---|
| 건조 섬유 (바가스) | 145kg |
| 설탕 | 138kg (112kg 추출, 23kg 폐당밀) |
| 에탄올 | 72L |
| 전력 | 80kWh (50kWh 플랜트 사용, 30kWh 판매) |
브라질의 알코올 제조 평균 비용은 1갤런당 0.63USD이며, 세계 시장에서 가솔홀 가격은 대략 갤런당 1.05USD이다.
셀룰로오스 에탄올을 경제적으로 생산할 수 있게 되면 해조류, 옥수수 줄기, 스위치그래스, 간벌재 등 에탄올 제조 원료의 폭이 넓어질 가능성이 있다.[48][49] 흰개미 소화 기관 내 공생균에 의한 셀룰로스 분해 과정도 바이오매스 에탄올 제조에 도움이 될 것으로 기대된다.[38][39][40][41][42][43][44][45]
5. 2. 대체 자원
지구환경산업기술연구소가 실용화 개발 중인 RITE 바이오 프로세스[48][49] 등이 상용화되면 해조류, 옥수수 줄기, 스위치그래스, 간벌재 등 에탄올 제조 재료의 폭이 넓어질 가능성이 있다. 광대한 사막이나 반사막 지역에서는 넓은 토지를 저렴하게 이용할 수 있지만 물 비용이 문제가 된다. 스위치그래스나 선인장 등 건조에 강한 식물을 건조지에서 재배하여 에너지 에탄올 생산량을 늘릴 수 있다고 한다.[48][49]경지 1 헥타르당 유량 수확량이 수십 톤에 달하는 조류(藻類)를 이용한 에탄올 제조도 검토되고 있다.
1980년대 브라질에서는 주식 작물이자 뿌리에서 대량의 전분을 얻을 수 있는 카사바로부터 에탄올을 생산하는 방법이 진지하게 검토되었으나, 에탄올 수율은 사탕수수보다 낮았고 전분을 발효 가능한 당으로 변환하는 카사바 처리는 복잡했다.
산업 폐기물이나 가축 분뇨, 재배 작물, 목재 등 다양한 유기 자재(바이오매스)를 에탄올 혹은 다른 연료원으로 사용하는 것에도 주목하고 있다.
6. 알코올 연료의 미래
메탄올과 에탄올은 모두 화석 연료, 바이오매스 또는 이산화탄소와 물에서 얻을 수 있다. 에탄올은 주로 당의 발효를 통해, 메탄올은 주로 합성 가스에서 생산되지만, 효소를 사용하거나 메탄올을 에탄올로 전환하는 등 더 새로운 방법도 있다. 메탄올은 가스화기에서 바이오매스를 합성 가스로 변환하거나, 이산화탄소와 물 또는 증기로부터 산업적으로 생산할 수 있으며, 전기 분해나 효소를 사용해 실험실에서도 만들 수 있다.[1]
메탄올과 에탄올은 휘발유 (가솔린) 및 경유와 비교해 장단점이 모두 있다. 점화 엔진에서 두 알코올 모두 높은 배기 가스 재순환 속도와 압축비로 작동 가능하며, 높은 옥탄가를 가진다. 에탄올은 99.5 AKI, 메탄올은 99 AKI를 가지는데, 이는 미국 주유소에서 사용되는 RON과 MON 등급을 평균한 값이다.[2] 압축 점화 엔진 연료로서 두 알코올 모두 입자를 거의 생성하지 않지만, 낮은 세탄가로 인해 점화 개선제가 필요하다.
알코올을 점화 엔진에서 사용하면 NOx, CO, HC 및 입자를 줄일 수 있다. E85 연료를 사용한 쉐보레 루미나스 테스트 결과, NMHC[3], NOx, CO 배출량이 감소했으며, 벤젠 및 1,3-부타디엔의 유해 배출량도 감소했지만, 알데히드 배출량은 증가했다.[4] 또한, 낮은 탄소 대 수소 비율과 엔진 효율성 향상으로 CO2 배출량도 감소한다.
메탄올 및 에탄올 연료에는 가용성 및 불용성 오염 물질이 포함되어 있다.[5] 염화물 이온과 같은 할로겐 이온은 알코올 연료의 부식성에 큰 영향을 미쳐, 연료 시스템 부식을 유발한다. 부식을 막기 위해 연료 시스템은 적절한 재료로 만들어야 하며, 고품질 알코올은 낮은 오염 물질 농도와 적절한 부식 억제제를 포함해야 한다. 물은 에탄올에 의한 부식을 억제한다는 과학적 증거가 있다.[6]
메탄올과 에탄올은 일부 폴리머와 호환되지 않아 팽창 및 인장 강도 감소를 일으킬 수 있다. 그러나 대부분의 자동차는 지난 수십 년 동안 최대 10% 에탄올(E10)을 견딜 수 있도록 설계되었다. "FlexFuel" 차량은 E85 또는 M85를 사용하며, ECU는 가솔린과 E85 또는 M85 사이의 모든 연료 혼합에 적응할 수 있다.
에탄올 1리터는 21.1 MJ, 메탄올 1리터는 15.8 MJ, 휘발유 1리터는 약 32.6 MJ의 에너지를 방출한다. 휘발유 1리터와 동일한 에너지를 얻으려면 에탄올 1.6리터, 메탄올 2.1리터가 필요하다. 그러나 알코올 연료 엔진의 효율성이 높아 실제 연료 소비량은 다를 수 있다.
메탄올 연료는 수소 경제의 대안으로 제안되기도 한다. 메탄올은 레이싱 연료로 오랜 역사를 가지고 있지만, 주로 천연 가스에서 파생된 합성 가스에서 생산되어 바이오 연료로 간주되지 않는다. 그러나 바이오매스에서 파생된 합성 가스를 사용하면 바이오 연료가 될 수 있다. 이론적으로 메탄올은 지속 가능한 바이오매스 및 이산화탄소에서 생산 가능하며, 핵 발전, 지열 발전 또는 기타 재생 에너지원을 사용하는 수소 전기 분해로 생산할 수도 있다. 메탄올 바이오 연료는 웰-투-휠 효율성이 높다는 장점이 있다.
에탄올은 이미 연료 첨가제로 널리 사용되고 있으며, 에탄올 연료를 단독으로 사용하거나 휘발유와 혼합하여 사용하는 것이 증가하고 있다. 메탄올에 비해 부식성이 낮고 무독성이지만, 일부 유독성 배기 가스를 생성한다. 인디 레이싱 리그는 2007년부터 에탄올을 독점 연료로 사용하고 있으며,[7] 호주 뉴사우스웨일스 주에서는 2007년 9월부터 모든 휘발유에 2% 에탄올을 공급하도록 의무화했다.[8]
초기에는 옥수수 유래 에탄올을 연료로 사용하는 것이 에너지 수지상 적자라고 여겨졌으나, 지속적인 생산 방법 개선으로 현재는 순 에너지 수지가 흑자를 나타내는 것으로 보고되고 있다. 2002년 미국 농무성 보고서에서는 옥수수 유래 에탄올 생산이 1.34의 에너지 계수를 갖는다고 결론지었다.
6. 1. 알코올과 수소
2012년 4월 1일, 에탄올 연료의 일본 국내 보급을 방해했던 휘발유 등의 품질 확보 등에 관한 법률 시행 규칙이 개정되어, E10 대응 차량에 한해 에탄올 혼합률 10%의 E10 판매가 인정되었다.[47]현재 화석 연료 수요는 수소로 전환될 것으로 보이며, 수소 경제라고도 불리는 상황을 형성하고 있다. 어떤 설에 따르면, 수소 자체는 연료 자원으로 간주되어서는 안 된다고 한다. 이 설에 따르면, 수소는 (태양광 발전, 바이오매스, 화석 연료 등) 에너지원과 에너지를 사용하는 장소 사이에 존재하는 일시적인 에너지 저장 매체이다. 실제로 수소는 기체 상태에서 다른 연료에 비해 부피가 커서 에너지 배송 측면에서 매우 어려운 문제가 된다. 한 가지 해결 방법으로 에탄올을 사용하여 수소를 배송하는 방법이 있다.
이는 배송지에서 수소 재생(hydrogen reform)을 통해 수소를 결합하고 있는 탄소로부터 유리시켜 연료 전지에 공급하는 방법이다. 다른 방법으로 에탄올을 직접 연료 전지의 연료로 공급하는 방법도 있다.
2004년 초, 미네소타 대학교의 연구자들은 단순한 구조의 에탄올 연료 전지를 개발했다고 발표했다. 이는 촉매층에 에탄올을 투과시켜 필요한 수소를 연료 전지에 공급하는 것이다.
장치는 1단계 반응에 로듐-세륨 촉매를 사용하는데, 이때 반응 온도는 약 700°C에 달한다. 1단계는 에탄올과 수증기의 혼합물과 산소를 반응시켜 충분한 양의 수소를 발생시킨다.
안타깝게도 부생성물로 일산화탄소가 발생하며, 이 물질은 연료 전지를 막히게 한다. 따라서 다른 촉매를 투과시켜 그것을 이산화탄소로 변환한다. 최종적으로 이 단순한 장치는 대략 50%의 수소와 30%의 질소로 구성된 가스를 생산한다. 나머지 20%는 주성분이 이산화탄소이다. 불활성 질소와 이산화탄소와 함께 수소의 혼합 가스는 적절한 연료 전지에 펌프로 보내진다. 그 후, 이산화탄소는 대기 중에 방출되어 식물에 의해 재흡수된다.
6. 2. 온실 기체
알코올 연료 경제로의 전환은 온실 기체인 이산화탄소의 총 배출량을 줄이는 데 기여할 수 있다. 에탄올 제조 및 소비 과정에서 이산화탄소가 배출되지만, 이는 에탄올의 원료가 되는 식물이 성장 과정에서 흡수하는 이산화탄소의 양으로 상쇄될 수 있다. 반면, 화석 연료 연소는 과거에 축적된 탄소를 대기 중으로 방출하는 것이므로, 알코올 연료와 같이 흡수원으로 상쇄되지 않는다.[45]이러한 장점은 농업 생산 에탄올에만 해당되며, 석유에서 전환되는 에탄올에는 해당되지 않는다. 또한, 공업적으로 소비되는 알코올의 대부분은 천연 가스에서 유래한 것이며, 이는 비용이 저렴하기 때문이다. 따라서 농업 생산 에탄올로의 전환을 고려할 때는 이러한 요소를 함께 고려해야 한다.[45]
사탕수수를 예로 들면, 식물 환산 시 당이 차지하는 열량은 30% 미만이다. 열량의 35%는 줄기 칩에 남아 수확 시 경작지에 방치되고, 나머지 35%는 압착 잔여물인 바가스에 존재한다.[45]
바가스의 일부는 증류 과정에 필요한 열에너지 공급과 기계 작동에 필요한 전력을 생산하기 위해 압착소에서 소각된다. 이는 에탄올 플랜트가 에너지 자립을 가능하게 하며, 남는 전력은 공공 전력으로 판매된다. 현재 생산에서는 60만 킬로와트가 자체 소비되고, 10만 킬로와트가 판매된다. 이러한 2차 생산은 10년 계약을 통해 공공 가격(약 3USD/만 킬로와트시 ~ 4USD/만 킬로와트시)으로 일반 사회에 공급될 것으로 예상된다.[45]
브라질에서는 전력 생산이 주로 댐의 수력 발전에 의존하는데, 건기에는 전력이 부족해지기 때문에 바가스 연소를 통한 화력 발전이 중요한 역할을 한다. 바가스 발전 잠재력은 기술에 따라 100만에서 900만 킬로와트까지 다양할 것으로 추정된다.[45]
높은 추정치는 현재 사용되는 저압 보일러와 터빈을 고압으로 교체하고, 바이오매스 가스화를 통해 현재 버려지는 수확 잔여물까지 활용하는 것을 전제로 한다. 브라질의 Angra I 원자력 발전소가 60만 킬로와트를 생산하는 것과 비교하면, 바가스 발전의 잠재력이 상당함을 알 수 있다.[45]
머지않아 1톤의 사탕수수 잔여물에서 약 80kWh의 전력을 추출하는 것이 경제적으로 실현 가능할 것으로 예상된다. 이 중 50kWh는 플랜트 운전에 사용될 것이다. 따라서 연간 100만 톤의 사탕수수를 가공하는 중규모 증류소는 약 5000kWh의 잉여 전력을 판매할 수 있다.[45]
현재 설탕과 에탄올 판매로 1800만달러, 잉여 전력 판매로 100만달러를 벌어들인다. উন্নত 보일러와 터빈 기술을 사용하면 전력 수율은 사탕수수 1톤당 180kWh로 증가할 수 있지만, 현재의 전력 가격으로는 이러한 투자를 회수하기 어렵다. 일부 보고서에 따르면 전력 가격이 7USD/만 킬로와트시가 되면 세계은행이 바가스 발전에 투자할 것이라고 한다.[45]
석탄이나 석유와 같은 다른 연료와 비교했을 때, 바가스 연소는 환경 친화적이다. 바가스는 2.5%의 재만 포함하며(석탄 연소 시 30~50%), 대기 오염의 원인이 되는 황 성분도 포함하지 않는다. 또한, 바가스는 비교적 저온에서 연소되므로 질소산화물 발생도 적다. 더불어 바가스는 레몬 주스 농축, 식물유, 도업, 타이어 재활용 등 여러 산업에서 중유를 대체하는 연료로 판매될 수 있다. 상파울루주에서는 200만 톤의 바가스가 사용되어 3500만달러의 연료유 수입을 절약했다.[45]
6. 3. 석유의 유효 이용 및 재생 가능 에너지
알코올 연료는 재생 가능 에너지원이며, 석유 의존도를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 석유는 합성 수지를 만드는 석유 화학, 선박 연료, 항공 연료 등 대체 불가능한 분야에 사용하는 것이 바람직하다. 반면, 자동차 연료와 같이 알코올이나 압축 천연 가스 등으로 대체 가능한 분야에는 석유 사용을 줄여야 한다. 이러한 석유의 "노블 유스" 관점에서 자동차 연료용 알코올이 주목받고 있다.[1]7. 기타
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7. 1. 종교적 금기 문제
2009년 사우디아라비아의 셰이크 모하메드 알 나짐(Sheikh Mohamed Al-Najim)은 알코올을 사용한 바이오 연료 사용이 죄라고 표명했다.. 이는 2009년 당시 일부 학자들의 개인적인 견해로 제시되었지만, 공식적으로 파트와로 발표되면 이슬람 국가에서 알코올 연료 사용은 종교적 금기로 여겨질 수 있다. 하지만 사우디아라비아는 원유 수출국이며, 이러한 주장은 국익을 위한 것으로 일반적으로 받아들여진다. 이슬람교에서 알코올을 금지하는 이유는 음료로 인해 싸움이 일어나는 것을 방지하기 위함이므로, 이는 확대 해석으로 간주된다.참조
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第二次世界大戦의 航空用エンジン（レシプロガソリンエンジン）에는 充填効率을 높이는 目的으로 水メタノール噴射装置을 備えたものがあるが、この場合のメタノールは、気温の低い高空での水の凍結을 防ぐための添加剤としての役割이 主である。
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同規則第10条の2第2項（揮発油規格の特則）
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RITEバイオプロセスの概要
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바이오연구그룹・바이オリファイナリー生産技術開発及び実用化開発に向けた取り組み
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MSUエタノールエネルギー収支調査
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エタノールと石油に関する税的優遇措置
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PETROBRAS MTBE Unit Retrofit to Isoctane Production
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そのほとんどがアメリカ向けであった。そのためアメリカ国内にMTBE製造設備を有していた。
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Saudi Muslim scholar says running cars on bio-fuels could be 'sinful'
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Dubai News.Net
2009-02-22
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