에탄올 연료
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1. 개요
에탄올 연료는 에탄올을 내연 기관의 연료로 사용하는 것을 의미하며, 주로 바이오매스 에탄올을 지칭한다. 에탄올은 당의 발효, 증류, 탈수, 변성 과정을 거쳐 생산되며, 당밀, 녹말, 셀룰로스 등 다양한 원료를 사용한다. 에탄올 연료는 가솔린에 비해 옥탄가가 높고 노킹이 적다는 장점이 있지만, 에너지 밀도가 낮고 부식성이 있다는 단점도 있다. 연료 혼합물은 E10, E85 등 다양한 비율로 사용되며, 국가별로 에탄올 연료 사용을 의무화하거나 권장하는 정책을 시행하고 있다. 에탄올 연료는 환경 문제와 에너지 안보에 대한 대안으로 주목받고 있지만, 생산 과정에서의 에너지 균형, 대기 오염, 토지 이용 변화, 식량 가격 상승 등의 문제점을 안고 있다. 모터스포츠, 대체 취사 연료 등 다양한 분야에서 활용되며, 대체 원료, 생산 공정 개선을 위한 연구가 진행되고 있다.
내연 기관의 연료로 사용되는 에탄올은 바이오매스 에탄올이라고 불리며, 에탄올만으로 이용하거나 가솔린과 혼합하여 사용할 수 있다. 가솔린과 혼합할 때는 에탄올 혼합 비율에 따라 "Exx" (xx는 에탄올 혼합량을 백분율로 나타냄)로 표기한다. 예를 들어 E10은 에탄올을 부피비로 10% 포함하는 혼합 연료이다.
2. 생산
에탄올 연료는 주로 발효를 통해 생산된다. 에탄올 대량 생산의 기본 단계는 다음과 같다.[20]
발효 전, 일부 작물은 섬유소와 녹말 같은 탄수화물을 당으로 당화하거나 가수분해해야 한다. 섬유소 당화는 섬유소 분해(섬유소 에탄올 참조)라고 부르며, 효소는 전분을 설탕으로 변환하는 데 사용된다.[20]
바이오매스 에탄올은 사탕수수나 옥수수 등에서 얻어지며, 석유나 천연 가스를 이용한 합성 에탄올도 있다. 바이오매스 에탄올은 재생 가능 에너지로, 연소 시 이산화 탄소(CO₂)를 증가시키지 않아 주목받지만, 생산 효율성, 식량과의 경합 등 문제점도 있다. 연료로 사용 시에는 가솔린 등을 첨가하여 음료 전용을 막는다.
2. 1. 발효
에탄올 연료를 생산하는 방법은 여러 가지가 있지만, 가장 일반적인 방법은 발효를 이용하는 것이다.
에탄올 대량 생산의 기본 단계는 다음과 같다.
발효 전에 일부 작물은 섬유소와 녹말 같은 탄수화물을 당으로 당화하거나 가수분해해야 한다. 섬유소의 당화는 섬유소 분해라고 한다(섬유소 에탄올 참조). 효소는 전분을 설탕으로 변환하는 데 사용된다.[20]
크게 알코올 발효와 증류를 동반하는 방법, 그리고 직접 에탄올을 생성하는 방법으로 나눌 수 있다. 어떤 기술을 사용하든 원료의 수집 및 운반[127]과 알코올 생산 후 폐기물 처리에 드는 비용이 가장 큰 과제이다.[128]
; 알코올 발효와 증류
식물 유래 원료에 물과 황산을 첨가하여 효모가 대사할 수 있는 당을 얻은 후, 효모에 의한 알코올 발효로 저농도 에탄올 용액을 생성한다. 이 용액을 농축·증류하여 95% 정도의 에탄올 농도로 만들고, 분자체 등을 사용하여 정제 (탈수)함으로써 99.5%의 무수 에탄올을 생산한다.
; 직접 에탄올 생성
셀룰로스를 원료로 하는 기술에 사용된다. (후술, 셀룰로스를 원료로 한 제조 공정)
2. 1. 1. 당질 원료
에탄올은 당의 미생물 발효에 의해 생산된다. 미생물 발효는 현재 직접적으로 당과만 작용한다. 식물의 두 가지 주요 구성 요소인 녹말과 셀룰로스는 모두 당으로 만들어지며, 이론적으로는 발효를 위해 당으로 전환될 수 있다. 현재는 설탕(예: 사탕수수)과 녹말(예: 옥수수) 부분만 경제적으로 전환할 수 있다.
사탕수수는 효모가 대사할 수 있는 당을 많이 함유하고 있어 바이오매스 에탄올의 원료로 적합하다. 일반적으로는 사탕수수 즙을 그대로 발효시키는 것이 아니라, 정당을 분리한 후의 폐당밀이 발효 원료가 된다.
사탕수수를 원료로 한 에탄올 생산 공정에서 특기할 만한 점은, 부산물인 바가스와 증류 폐액(비나스)의 이용이다. 바가스는 주로 식물 섬유이지만, 사탕수수 처리 공장에서는 열원의 연료로 활용되고 있다. 바가스의 연소로 얻어지는 에너지는 정당 및 에탄올 생산 공정에 필요한 에너지를 넘어서, 자가 발전 장치를 갖춘 에탄올 공장 중에는 지역 전력 회사에 잉여 전력을 판매하여 수입을 얻는 곳도 있다. 또한, 바가스를 제지 원료로 활용하거나, 그것 자체를 분해하여 에탄올의 원료로 하는 연구도 진행되고 있다.
2. 1. 2. 녹말질 원료
에탄올은 당의 미생물 발효에 의해 생산된다. 미생물 발효는 현재 직접적으로 당과만 작용한다. 식물의 두 가지 주요 구성 요소인 녹말과 셀룰로스는 모두 당으로 만들어지며, 이론적으로는 발효를 위해 당으로 전환될 수 있다. 현재는 설탕(예: 사탕수수)과 녹말(예: 옥수수) 부분만 경제적으로 전환할 수 있다.
바이오매스 에탄올의 원료는 이론적으로 탄수화물을 포함하는 생물 유래 자원이라면 무엇이든 좋다. 그러나 생산 효율 면에서 당질 또는 전분질을 많이 포함하는 종자나 지하경, 목질 리그닌이 선호되며, 현재 주로 다음과 같은 농산물이 원료로 이용되고 있다. 브라질에서는 사탕수수에 유래하는 당밀이, 미국에서는 옥수수가, 유럽에서는 사탕무가 주요 원료가 되고 있다.
녹말질 원료는 다음과 같다.
옥수수를 바이오매스 에탄올의 원료로 사용하는 경우, 옥수수 열매에 포함된 전분을 효모가 대사할 수 있는 당으로 당화하는 공정이 필요하다. 옥수수 열매에서는 원래 고순도의 전분을 효율적으로 추출할 수 있지만, 최근에는 건식 제법(아래 참조)에 의한 에탄올 생산에 적합한 하이브리드 품종이 개발되어 에탄올 생산의 효율성 향상에 기여하고 있다.
옥수수를 원료로 한 바이오매스 에탄올의 생산에는 습식 제법(wet milling)과 건식 제법(dry-grind process)이 있다. 습식 제법은 옥수수 열매를 물과 아황산 가스에 담근 후 분쇄하여 전분, 글루텐, 섬유질, 배아 등으로 분리하여 각각을 가공하는 방법으로, 가공 과정에서 얻어지는 전분 용액이 당화되어 발효 원료가 된다. 이에 반해 건식 제법에서는 옥수수 열매를 건조한 상태로 통째로 제분하여 그 가루에 물을 더한 매시를 당화·발효시킨다. 최근에는 공정의 표준화도 있어서 건식 제법의 비용이 낮아지고 있으며, 미국에서 신설되는 옥수수를 원료로 하는 바이오매스 에탄올 공장은 모두 건식 제법의 공장이다.
습식 제법이든 건식 제법이든, 부산물로 사료 등이 생산되므로, 바이오매스 에탄올과 식량과의 경쟁이라는 경우에는 어떻게 경쟁하고 있는지 주의가 필요하다는 의견도 있다. 예를 들어, 옥수수에서 생산되는 사료는 옥수수에 포함된 단백질(글루텐)이 주원료가 되어 있으며, 에탄올 생산을 위해 옥수수의 처리량이 늘어나면 자동적으로 증산된다. 또한, 식용유 (옥수수 배아유, 이른바 「옥수수 기름」)의 경우에도, 습식 제법으로 에탄올을 생산하면 부산물로 생산될 수 있으므로, 에탄올의 증산이 식용유의 증산으로 이어질 가능성이 있다. 다른 한편, 건식 제법에서도 식용유와 같은 유용 성분을 발효 찌꺼기에서 분리하는 연구가 진행되고 있다.
한편, 이는 궤변이며, 위의 예로 말하면 사료 글루텐 생산 결과 부산물로 생성된 전분을 에탄올 양조가 아닌 식량으로 돌리면 빈곤층의 식량난이 완화되는 것처럼, 가식 부분을 양조 원료로 사용하는 한 에탄올은 식량과 경쟁하므로, 바가스나 보릿짚, 벼 짚 등을 사용한 2세대 에탄올이 아니면 빈곤국의 식량난을 악화시킨다는 의견이나, 환경 정치가가 농민 표를 얻기 위해 메탄올보다 비용이 높은 에탄올 양조에 보조금을 지급하여 국세 수입을 낭비하고, 곡물 시세를 올려 빈민의 식량을 빼앗고 있다는 비판도 있다.
습식 제법에서는 발효 찌꺼기가 'distillers grains'이라고 불리는 사료로 이용되고 있으며, 이것이 에탄올 생산의 채산성 향상에 기여하고 있다. 반면, 사료로서의 신선도 유지를 위해 찌꺼기를 건조하는 과정에서 많은 에너지가 소비되어 최종적인 에너지 수지를 악화시키고 있다.
볏짚은 갈아엎거나 들불로 비료로서 논에 환원될 수 있지만, 들불은 스모그로 인한 환경 피해가 있으며, 한랭지에서는 충분한 퇴비화가 갈아엎는 것만으로는 이루어지지 않는 현실이 있다. 그 때문에 아키타현에서는 가와사키 플랜트 시스템이 개발한 열수 처리에 의한 볏짚의 당화 플랜트[145]의 실증 플랜트를 2009년에 건설했다. 분쇄 처리한 짚을 유기산과 함께 200°C에서 3분간 처리하여 헤미셀룰로스를 당화하여 C5 발효시킨 후, 나머지를 2단계의 셀룰로스 당화 플랜트에서 200°C에서 10초간 처리하여 C6 발효시키고, 각각의 에탄올을 수분리함과 동시에 발효 잔사를 비료로서 논에 환원한다.
2. 1. 3. 셀룰로스계 원료
에탄올은 당의 미생물 발효에 의해 생산된다. 미생물 발효는 현재 직접적으로 당과만 작용한다. 식물의 두 가지 주요 구성 요소인 녹말과 셀룰로스는 모두 당으로 만들어지며, 이론적으로는 발효를 위해 당으로 전환될 수 있다. 현재는 설탕(예: 사탕수수)과 녹말(예: 옥수수) 부분만 경제적으로 전환할 수 있다.
식물 셀룰로스를 분해하여 당으로 만들고, 이 당을 에탄올로 전환하여 얻는 셀룰로스 에탄올에 대한 관심이 있다.[21] 그러나 셀룰로스 에탄올은 현재 비경제적이며 상업적으로 실행되지 않고 있다. 2006년 국제 에너지 기구 보고서에 따르면 셀룰로스 에탄올은 미래에 중요해질 수 있다.[22]
바이오매스 에탄올의 원료는 이론적으로 탄수화물을 포함하는 생물 유래 자원이라면 무엇이든 좋다. 그러나 생산 효율 면에서 당질 또는 전분질을 많이 포함하는 종자나 지하경, 목질 리그닌이 선호되며, 현재 주로 다음과 같은 농산물이 원료로 이용되고 있다. 브라질에서는 사탕수수에 유래하는 당밀이, 미국에서는 옥수수가, 유럽에서는 사탕무가 주요 원료가 되고 있다.
; 연구 단계도 포함하는 원료의 예
셀룰로스 에탄올은 바이오매스에서 셀룰로오스를 분리하여, 셀룰로오스를 효소를 사용하여 당분으로 분해하고, 미생물에 의해 알코올로 변환하는 방법이다. 2세대 바이오 연료로 기대된다. 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 생산과 관련하여, 지구환경산업기술연구기구와 혼다 기술 연구소가 핵심 제조 기술을 발표하였고[129], 산업기술종합연구소가 실증 실험[130]을 실시하고 있다. 미국에서도 부시 대통령이 스위치그래스라는 풀을 이용한 바이오 에탄올 생산에 대해 일반 교서 연설 등에서 여러 번 언급하며 예산을 배정했다. 에탄올 연료를 대규모로 도입하기 위해서는, 셀룰로오스로부터의 에탄올 제조가 필요하다는 것이 거의 확실하다고 사이언스 지에도 기사가 게재되었다[131]。 셀룰로오스의 가수 분해에 의한 당화 처리가 필요하며, 지금까지는 셀룰라아제나 초임계수를 사용하여 셀룰로오스를 가수 분해해 왔지만, 메릴랜드 대학교 칼리지 파크의 Steve Hutcheson은 체서피크 만의 늪지에서 발견된 박테리아 (Saccharophagus degradans|사카로파거스 데그라단스영어)가 강력한 셀룰로오스 세포벽 분해능을 가지고 있다는 것을 밝혀냈다.[132][133][134]。 Zymetis사에서는 더 효율적으로 당으로 변환하기 위해 유전자를 재조합하여, 72시간 만에 1톤의 셀룰로오스 바이오매스를 당으로 변환할 수 있음을 실증했다.[135][133]。
건축 폐재는 노천 소각을 포함한 불법 투기가 이루어지는 경우가 있으며, 역유상으로의 회수는 불법 투기를 초래하기 쉽다. 재활용 방안 중 하나로, 바이오 에탄올 재팬 간사이에서는 희황산을 이용한 당화법을 사용하여 C6당인 포도당이 중합되어 생성된 셀룰로오스와 C5당(주로 자일로스)이 중합되어 생성된 헤미셀룰로스를 분해하고 있다. 플로리다 대학교가 개발한 C5당을 Zymomonas mobilis 유래의 유전자를 조합한 대장균(Ko11)을 이용하여 발효시키고, C6 유래의 당은 효모를 사용하여 에탄올을 양조하고 있다. 목재에 포함된 리그닌은 펠릿으로 만들어 보일러에 사용하고 있다.
아키타현에서는 제재 잔재 및 간벌재를 사용한 에탄올 플랜트가 건설되고 있다[136].[수산화 나트륨을 사용하여 리그닌을 제거하고 생성된 펄프를 당화하는 알칼리 증해법과, C5당과 C6당을 분리하지 않는 효소(셀룰라아제)와 효모에 의한 동시 당화 발효법을 사용한다.
흰개미의 소화 기관 내 공생균에 의한 셀룰로오스 분해 프로세스가 바이오매스 에탄올의 제조에 도움이 될 것으로 기대되며, 류큐 대학 및 이화학연구소 등에서 연구가 진행되고 있다.[137][138][139][140][141][142][143][144]。
볏짚은 갈아엎거나 들불로 비료로서 논에 환원될 수 있지만, 들불은 스모그로 인한 환경 피해가 있으며, 한랭지에서는 충분한 퇴비화가 갈아엎는 것만으로는 이루어지지 않는 현실이 있다. 그 때문에 아키타현에서는 가와사키 플랜트 시스템이 개발한 열수 처리에 의한 볏짚의 당화 플랜트[145]의 실증 플랜트를 2009년에 건설했다. 분쇄 처리한 짚을 유기산과 함께 200℃에서 3분간 처리하여 헤미셀룰로스를 당화하여 C5 발효시킨 후, 나머지를 2단계의 셀룰로스 당화 플랜트에서 200℃에서 10초간 처리하여 C6 발효시키고, 각각의 에탄올을 수분리함과 동시에 발효 잔사를 비료로서 논에 환원한다.
네피어 글라스라는 열대 비식용 식물을 원료로 하며, 토요타 자동차가 2020년 실용화를 목표로 연구를 진행하고 있다.[146] 유전자 변형 기술을 사용한 효모균의 작용으로 셀룰로오스를 에탄올로 변환한다. 당의 87%를 에탄올로 사용할 수 있으며, 셀룰로오스 계열 중 변환 효율이 가장 높다. 비식용이므로 물가에 미치는 영향도 없을 것으로 생각된다.[147]
2. 2. 증류 및 탈수
에탄올 연료를 생산하는 일반적인 방법은 발효이다. 에탄올 대량 생산의 기본 단계는 미생물(효모)에 의한 당의 발효, 증류, 탈수 (요구 사항은 다양함), 변성 (선택 사항)이다.[20]
에탄올을 연료로 사용하려면 효모 고형물과 대부분의 물을 제거해야 한다. 발효 후, 매싱을 가열하여 에탄올을 증발시킨다.[23] 이 과정은 증류라고 하며, 에탄올을 분리하지만 95~96%로 순도가 제한된다. 이는 끓는점이 낮은 물-에탄올 공비 혼합물이 형성되기 때문이다. 이 혼합물은 95.6% m/m (96.5% v/v)의 에탄올과 4.4% m/m (3.5% v/v)의 물로 구성된다. 이 혼합물은 수화 에탄올이라고 하며 단독으로 연료로 사용할 수 있지만, 무수 에탄올과 달리 모든 비율로 가솔린과 혼합되지 않으므로, 가솔린 엔진에서 가솔린과 함께 연소하기 위해 일반적으로 추가 처리를 통해 물 부분을 제거한다.[24]
에탄올/물 공비 혼합물에서 물을 제거하는 데에는 세 가지 탈수 공정이 있다.
최근 연구에 따르면 가솔린과 혼합하기 전에 완전한 탈수가 항상 필요한 것은 아니다. 대신, 액체-액체 상 평형이 물 제거를 돕도록 공비 혼합물을 가솔린과 직접 혼합할 수 있다. 믹서-침강조 탱크의 2단계 역류 설정은 최소한의 에너지 소비로 연료 상으로 에탄올을 완전히 회수할 수 있다.[26]
식물 유래의 원료에 물과 황산을 첨가하여 효모가 대사할 수 있는 당을 얻은 후, 효모에 의한 알코올 발효로 저농도 에탄올 용액을 생성한다. 이 저농도 용액을 농축·증류하여 95% 정도의 에탄올 농도로 만들고, 추가로 분자체 등을 사용하여 정제 (탈수)함으로써 99.5%의 무수 에탄올이 생산된다.
2. 3. 생산 과정에서의 부산물 활용
에탄올 생산 과정에서 주목할 만한 점은 부산물의 활용이다. 사탕수수를 원료로 사용할 때, 찌꺼기(바가스)는 주로 식물 섬유이지만, 사탕수수 처리 공장의 열원 연료로 활용된다. 바가스 연소로 얻는 에너지는 정당 및 에탄올 생산에 필요한 에너지를 넘어서며, 자가 발전 장치를 갖춘 에탄올 공장은 잉여 전력을 지역 전력 회사에 판매하기도 한다.[128] 또한, 바가스를 제지 원료로 활용하거나, 분해하여 에탄올 원료로 사용하는 연구도 진행 중이다.
증류 폐액(비나스)은 고온, 강산성, 고BOD의 폐액으로, 하천에 투기하면 심각한 공해를 유발한다. 이를 막기 위해 다른 공장 폐수와 혼합, 희석하여 사탕수수 재배 비료로 활용하는 노력이 이루어지고 있다.
옥수수를 원료로 사용할 경우에는 부산물로 사료 등이 생산된다. 옥수수에서 생산되는 사료는 옥수수에 포함된 단백질(글루텐)이 주원료이며, 에탄올 생산을 위해 옥수수 처리량이 늘면 자동 증산된다. 또한, 식용유(옥수수 배아유, 즉 "옥수수 기름")도 습식 제법으로 에탄올을 생산할 때 부산물로 생산될 수 있어, 에탄올 증산이 식용유 증산으로 이어질 수 있다. 건식 제법에서도 식용유와 같은 유용 성분을 발효 찌꺼기에서 분리하는 연구가 진행 중이다.
습식 제법에서는 발효 찌꺼기가 'distillers grains'라는 사료로 이용되어 에탄올 생산 채산성 향상에 기여한다. 그러나 찌꺼기 건조 과정에서 많은 에너지가 소비되어 에너지 수지를 악화시킨다는 단점도 있다.
3. 화학
에탄올 발효 과정에서 포도당과 옥수수(또는 사탕수수 또는 기타 작물)의 다른 당류는 에탄올과 이산화 탄소로 변환된다. 반응식은 다음과 같다.
:C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 + 열
에탄올 발효는 100% 선택적이지 않으며, 아세트산과 글리콜과 같은 부산물이 생성된다. 이들은 대부분 에탄올 정제 과정에서 제거된다. 발효는 수용액에서 일어나며, 생성된 용액은 약 15%의 에탄올을 함유한다. 에탄올은 그 후 흡착과 증류의 조합을 통해 분리되고 정제된다.
에탄올의 연소 과정에서, 에탄올은 산소와 반응하여 이산화 탄소, 물, 열을 생성한다. 반응식은 다음과 같다.
:C2H5OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O + 열
전분과 셀룰로스 분자는 포도당 분자의 사슬이다. 셀룰로스 물질로부터 에탄올을 생성하는 것도 가능한데, 이 경우에는 셀룰로스를 포도당 분자와 그 후 발효될 수 있는 다른 당으로 분해하는 전처리가 필요하다. 이렇게 생성된 에탄올은 그 기원을 나타내기 위해 셀룰로스 에탄올이라고 불린다.
에탄올은 촉매와 고온의 존재 하에서 이중 결합의 수화 반응에 의해 에틸렌으로부터 산업적으로 생산되기도 한다. 반응식은 다음과 같다.
:C2H4 + H2O → C2H5OH
4. 엔진
바이오매스 에탄올을 연료로 사용하는 내연 기관은 순수 가솔린을 연료로 사용하는 기관과 구조적으로 큰 차이가 없다. 특히 에탄올을 저농도로 혼합한 연료는 순수 가솔린 엔진에서 연소시켜도 문제가 발생하지 않는다. 예를 들어, 미국에서는 현재 운행되는 가솔린 엔진 자동차의 경우 E10까지 허용되며, 일부 주에서는 E10 판매가 의무화되어 있다. 브라질에서 판매되는 표준 자동차용 에탄올·가솔린 혼합 연료는 E20이다. 일본에서는 2003년 6월 25일, 종합 자원 에너지 조사회 연료 정책 소위원회가 에탄올 혼합률 3%(E3)까지 자동차에 사용해도 안전하다는 결론을 내렸다.[148]
에탄올 혼합 비율이 높아지면 내연 기관의 압축비나 점화 시스템 등을 조정해야 충분한 성능을 얻을 수 있다. 에탄올은 가솔린보다 노킹을 일으키기 어렵지만, 단위 용량당 열량이 낮기 때문이다. 또한 에탄올의 부식성에 대한 대책도 필요하다. 브라질에서는 이러한 대책을 실시하여 순수 에탄올부터 순수 가솔린까지 어떤 혼합 비율의 연료를 사용하더라도 충분한 성능을 얻을 수 있는 가변 연료 차량이 판매되고 있으며, 최근에는 국내 자동차 판매의 대부분을 차지하고 있다.
바이오매스 에탄올을 가솔린과 혼합하여 사용할 때는 에탄올과 가솔린이 분리되는 것을 막기 위해 수분 혼입을 방지해야 한다. 반면 에탄올만 연료로 사용하는 경우(E100)에는 어느 정도 수분이 있어도 문제가 없으며, 실제로 브라질에서 판매되는 순수 에탄올 연료는 에탄올 증류 후 탈수 공정을 생략하여 5% 정도의 수분을 포함하고 있다.
4. 1. 연료 경제성
에탄올은 단위 부피당 가솔린보다 약 34% 적은 에너지를 함유하고 있어, 순수 에탄올을 사용할 경우 동일 연비를 기준으로 순수 가솔린 대비 주행 거리가 34% 감소한다. 그러나 에탄올은 옥탄가가 높아 엔진의 압축비를 높여 효율을 개선할 수 있다.[32][33]
E10 (에탄올 10%, 가솔린 90%)의 경우, 개조되지 않은 차량에서 연료 소비량 증가는 기존 가솔린에 비해 적으며(최대 2.8%), 산소화 및 재조성 혼합물에 비해서는 더욱 적다(1–2%).[34][35] E85 (에탄올 85%)는 가솔린보다 마일리지가 낮아 더 자주 재급유해야 한다. 실제 성능은 차량에 따라 다르지만, 2006년 EPA 테스트에서 E85 차량의 평균 연비는 무연 가솔린보다 25.56% 낮았다.[36] E85는 옥탄가가 약 94–96인 고성능 연료이므로, 고급 연료와 비교해야 한다.[38]
에탄올은 같은 양의 가솔린과 비교했을 때 열량이 약 34% 작다.
4. 2. 저온 시동 문제
높은 에탄올 혼합물은 추운 날씨에 연료가 증발하여 점화될 수 있을 만큼 충분한 증기압을 확보하는 데 어려움이 있는데, 이는 에탄올이 연료 기화 엔탈피를 증가시키기 때문이다.[40] 증기압이 45 kPa 미만이면 차가운 엔진 시동이 어려워진다.[41] 11°C 이하의 온도에서 이 문제를 피하고, 추운 날씨에 에탄올 배출량을 줄이기 위해 미국과 유럽 시장에서는 가변 연료 차량에 사용할 수 있는 최대 혼합물로 E85를 채택했으며, 이러한 혼합물로 작동하도록 최적화되었다. 추운 날씨가 심한 곳에서는 미국의 에탄올 혼합물이 계절별로 E70으로 줄어들지만, 여전히 E85로 판매된다.[42][43] 겨울철 온도가 -12°C 이하로 떨어지는 곳에서는 가솔린 및 E85 차량 모두에 엔진 히터 시스템을 설치하는 것이 권장된다. 스웨덴도 유사한 계절별 감소를 보이지만, 혼합물의 에탄올 함량은 겨울철에 E75로 줄어든다.[43][44]
브라질 가변 연료 차량은 E100까지의 에탄올 혼합물(최대 4%의 물 함유)로 작동할 수 있는데, 이는 E85 차량에 비해 증기압을 더 빠르게 떨어뜨린다. 따라서 브라질 가변 연료 차량은 엔진 근처에 작은 보조 가솔린 저장소를 갖추고 있다. 추운 시동 시 낮은 온도에서 시동 문제를 피하기 위해 순수 가솔린이 주입된다. 이 조항은 특히 겨울철 온도가 일반적으로 15°C 이하로 떨어지는 브라질 남부 및 중부 지역 사용자에게 필요하다. 2009년에 출시된 개선된 가변 엔진 세대는 보조 가스 저장 탱크가 필요하지 않게 되었다.[45][46] 2009년 3월 폭스바겐 두 브라질(Volkswagen do Brasil)은 추운 시동을 위한 보조 탱크가 없는 최초의 브라질 가변 연료 모델인 폭스바겐 폴로(Volkswagen Polo E-Flex)를 출시했다.[47][48]
4. 3. 연료 혼합물
많은 국가에서 자동차에 에탄올 혼합물을 사용하도록 의무화하고 있다. 브라질의 모든 경차는 최대 25%(E25)의 에탄올 혼합 연료로 작동하도록 제작되었으며, 1993년부터 연방법에 따라 22%에서 25% 사이의 에탄올 혼합물을 의무화하고 있다.[49] 미국에서는 모든 경차가 10%(E10) 에탄올 혼합 연료로 정상 작동하도록 제작되었다. 2010년 말 미국에서 판매된 가솔린의 90% 이상이 에탄올과 혼합되었다.[50] 2011년 1월 미국 환경 보호청(EPA)은 2001년 이후 모델 연도의 자동차와 경트럭에만 판매할 수 있도록 가솔린과 최대 15%의 에탄올을 혼합한 (E15) 사용을 승인하는 면제를 발급했다.[51][52]
1999년 모델 연도부터 전 세계적으로 0%에서 최대 100% 에탄올까지 어떠한 연료에서도 수정 없이 작동할 수 있는 엔진을 장착한 차량이 증가하고 있다. 많은 자동차와 경트럭(미니밴, SUV, 픽업트럭 포함)은 북미와 유럽에서 최대 85%(E85) 에탄올 혼합 연료를 사용하고, 브라질에서는 최대 100%(E100)까지 사용할 수 있는 가변 연료 차량으로 설계되었다. 이전 모델에서는 엔진 시스템에 연료의 알코올 센서와 배기가스의 산소 센서가 포함되어, 모든 연료 혼합물에 대해 화학량론적(배기가스에 잔류 연료 또는 자유 산소 없음) 공기 대 연료 비율을 달성하기 위해 연료 분사를 조절하도록 엔진 제어 컴퓨터에 입력을 제공했다. 최신 모델에서는 알코올 센서가 제거되었으며, 컴퓨터는 산소 및 공기 흐름 센서의 피드백만 사용하여 알코올 함량을 추정한다. 엔진 제어 컴퓨터는 또한 더 높은 알코올 비율이 연료에 존재한다고 예측할 때, 사전 점화 없이 더 높은 출력을 달성하기 위해 점화 타이밍을 조절(진각)할 수 있다. 이 방법은 에탄올 사용 여부와 관계없이 대부분의 고성능 가솔린 엔진에 사용되는 첨단 노크 센서로 뒷받침되며, 사전 점화 및 노킹을 감지한다.
2021년 6월, 인도는 20% 에탄올 혼합 자동차 연료 시행 목표를 2025년으로 앞당겼다. 당시 인도의 연료 내 에탄올 혼합률은 8%였으며, 2020년 6월 5일 (세계 환경의 날) 나렌드라 모디 총리가 발표한 '인도 내 에탄올 혼합 로드맵 2020-25'에 따라 2022년까지 10%로 증가할 예정이었다. 정부는 인디안 오일 주식회사(IOC) 및 힌두스탄 페트롤리엄 주식회사(HPCL)와 같은 석유 판매 회사들이 2023년 4월부터 20% 에탄올 혼합 연료를 제공할 것으로 예상하고 있다. 에탄올이 잉여 생산되는 마하라슈트라 및 우타르 프라데시와 같은 주가 더 높은 에탄올 연료 혼합률을 처음으로 채택할 것으로 예상된다.[53][54] 인도는 또한 에탄올 혼합 연료와 호환되는 차량 출시를 우선시하고 있다. 2021년 3월부터 자동차 제조업체는 새 차량의 에탄올 호환성을 표시해야 하며, 엔진은 20% 에탄올 혼합 연료를 사용하도록 최적화되어 설계되어야 한다. 정부는 자동차 제조업체가 2022년 4월 이전에 에탄올 혼합 연료 호환 차량 생산을 시작할 것으로 예상한다.[53]
일반적으로 가솔린과 혼합하는 경우 에탄올의 혼합 비율에 따라 "Exx"(xx는 백분율로 나타낸 에탄올의 혼합량)으로 표기된다. 예를 들어 E10은 에탄올을 부피비로 10% 포함하는 혼합 연료이다.
바이오매스 에탄올을 연료로 하는 내연 기관은 구조적으로 순수 가솔린을 연료로 하는 것과 같아도 문제가 없다. 특히 에탄올을 저농도로 혼합한 연료는 순수 가솔린을 연료로 이용하는 것을 전제로 한 내연 기관에서 연소시켜도 문제가 발생하지 않는다. 예를 들어, 미국에서 현재 운행되고 있는 가솔린 엔진 자동차는 E10까지 허용되며, 미국의 일부 주에서는 E10 판매가 의무화되어 있다. 브라질에서 판매되는 표준적인 자동차용 에탄올·가솔린 혼합 연료는 E20이다. 일본에서는 종합 자원 에너지 조사회 연료 정책 소위원회가 2003년 6월 25일에 에탄올 혼합률 3%(E3)까지 자동차에 사용해도 안전하다는 결론을 내렸다.[148]
에탄올 혼합 비율이 높아지면 내연 기관의 압축비나 연료에 대한 점화 시스템 등을 조정하지 않으면 충분한 성능을 얻을 수 없다. 이는 에탄올이 가솔린에 비해 노킹을 일으키기 어려운 반면, 용량 1단위당 열량이 낮기 때문이다. 또한 에탄올의 부식성에 대한 대책도 필요하다. 브라질에서는 이러한 대책을 실시하여 순수 에탄올부터 순수 가솔린까지 어떤 혼합 비율의 연료를 사용하더라도 충분한 성능을 얻을 수 있는 자동차("flexible-fuel vehicles")가 판매되고 있으며, 최근에는 국내 자동차 판매의 대부분을 차지하고 있다.
바이오매스 에탄올을 가솔린과 혼합하여 내연 기관의 연료로 사용할 때에는 에탄올과 가솔린이 상분리되는 것을 방지하기 위해 수분 혼입을 막아야 한다. 반면 에탄올만 내연 기관의 연료로 이용하는 경우(E100)에는 어느 정도 수분이 남아도 문제가 없다.
4. 4. 기타 엔진 구성
; ED95 엔진
1989년부터 스웨덴에서는 디젤 엔진의 원리를 기반으로 하는 에탄올 엔진이 사용되었다.[55] 이 엔진은 주로 시내버스에서 사용되지만, 유통 트럭이나 쓰레기 수거차에서도 사용된다. 스카니아에서 제작한 이 엔진은 압축비가 수정되었으며, 사용되는 연료(ED95)는 93.6% 에탄올, 3.6% 점화 촉진제, 2.8% 변성제의 혼합물이다.[56] 점화 촉진제는 연료가 디젤 연소 사이클에서 점화될 수 있도록 돕는다. 이를 통해 에탄올과 함께 디젤 엔진의 연비를 활용할 수 있다. 이 엔진은 리딩 버스에서 사용되었지만, 현재는 바이오에탄올 연료 사용이 점차 중단되고 있다.
; 듀얼 연료 직접 분사
2004년 MIT 연구와 자동차 기술자 협회에서 발표한 논문에서는 가솔린과 혼합하는 것보다 연료 에탄올의 특성을 더욱 효율적으로 활용하는 방법을 확인했다. 이 방법은 알코올 사용을 통해 하이브리드 전기 자동차의 비용 효율성을 개선할 가능성을 제시한다. 개선 사항은 터보차저, 고압축비, 소형 배기량 엔진에서 순수 알코올(또는 공비 혼합물, E85)과 가솔린을 최대 100%까지 임의의 비율로 듀얼 연료 직접 분사하는 것이다. 이를 통해 엔진은 2배 배기량의 엔진과 유사한 성능을 낼 수 있다. 각 연료는 별도로 운반되며, 알코올 탱크는 훨씬 작다. 고압축 엔진은 저출력 주행 조건에서 일반 가솔린을 사용하고, 알코올은 과도한 가속 시와 같이 '노크'를 억제하기 위해 필요한 경우에만 실린더에 직접 분사되며, 동시에 가솔린 분사가 감소한다. 직접 실린더 분사는 에탄올의 높은 옥탄가를 130까지 높인다. 계산된 전체 가솔린 사용 및 CO2 배출량 감소는 30%이다. 소비자의 비용 회수 시간은 터보 디젤보다 4:1, 하이브리드보다 5:1 개선된 결과를 보여준다. 사전 혼합 가솔린에 물이 흡수되어 위상 분리가 발생하는 문제, 여러 혼합 비율의 공급 문제 및 추운 날씨 시동 문제도 해결할 수 있다.[57][58]
; 증가된 열효율
2008년 연구에서 복잡한 엔진 제어 및 증가된 배기 가스 재순환은 순수 에탄올에서 E50에 이르는 연료로 19.5의 압축비를 허용했다. 이는 디젤 엔진과 거의 비슷한 열효율을 달성했다.[59] 이는 순수 에탄올 차량의 연비가 가솔린 차량과 거의 같게 될 수 있음을 의미한다.
; 에탄올 개질기로 구동되는 연료 전지
2016년 6월, 닛산은 현대 투싼 FCEV, 토요타 미라이, 혼다 FCX Clarity와 같이 연료 전지 차량을 개발하고 상용화한 다른 자동차 제조업체들이 선택한 연료인 수소 대신 에탄올로 구동되는 연료 전지 자동차를 개발할 계획을 발표했다. 이 기술적 접근 방식의 주요 장점은 각 수소 충전소 건설 비용이 100만달러에서 200만달러 달러이기 때문에 고압으로 수소를 공급하기 위해 필요한 인프라를 구축하는 것보다 연료 공급 인프라를 구축하는 것이 더 저렴하고 쉬울 것이라는 점이다.[60]
닛산은 액체 에탄올 연료를 차량 내에서 수소를 생성하는 원료로 사용하는 기술을 개발할 계획이다. 이 기술은 열을 사용하여 에탄올을 수소로 개질하여 고체 산화물 연료 전지(SOFC)라고 하는 것에 공급한다. 연료 전지는 피크 전력 수요를 처리하고 재생 에너지를 저장하는 배터리를 통해 바퀴를 구동하는 전기 모터에 전력을 공급하는 전기를 생성한다. 이 차량에는 55:45 비율의 에탄올과 물의 혼합물을 위한 탱크가 포함되며, 이 탱크는 순수한 수소와 이산화탄소로 분해하는 온보드 개질기로 공급된다. 닛산에 따르면 액체 연료는 55:45 비율의 에탄올-물 혼합물이 될 수 있다. 닛산은 2020년까지 이 기술을 상용화할 것으로 예상한다.[60]
5. 국가별 경험
2011년 기준으로 세계 최대 에탄올 연료 생산국은 미국( )이며, 브라질( )이 그 뒤를 이었다. 두 국가는 전 세계 생산량의 87.1%를 차지했다.[61] 독일, 스페인, 프랑스, 스웨덴, 중국, 태국, 캐나다, 콜롬비아, 인도, 호주 및 일부 중앙 아메리카 국가에서도 강력한 인센티브와 산업 개발 계획을 통해 에탄올 산업이 성장하고 있다.
| 국가별 연간 연료 에탄올 생산량 (2007–2011)[61][62][63][64] 상위 10개 국가/지역 블록 (연간 수백만 미국 액체 갤런) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 세계 순위 | 국가/지역 | 2011 | 2010 | 2009 | 2008 | 2007 |
| 1 | 미국 | 13,900.00 | 13,231.00 | 10,938.00 | 9,235.00 | 6,485.00 |
| 2 | 브라질 | 5,573.24 | 6,921.54 | 6,577.89 | 6,472.20 | 5,019.20 |
| 3 | EU | 1,199.31 | 1,176.88 | 1,039.52 | 733.60 | 570.30 |
| 4 | 중국 | 554.76 | 541.55 | 541.55 | 501.90 | 486.00 |
| 5 | 태국 | 435.20 | 435.20 | 435.20 | 89.80 | 79.20 |
| 6 | 캐나다 | 462.30 | 356.63 | 290.59 | 237.70 | 211.30 |
| 7 | 인도 | 91.67 | 91.67 | 91.67 | 66.00 | 52.80 |
| 8 | 콜롬비아 | 83.21 | 83.21 | 83.21 | 79.30 | 74.90 |
| 9 | 호주 | 87.20 | 66.04 | 56.80 | 26.40 | 26.40 |
| 10 | Other | 247.27 | 247.27 | 247.27 | 247.27 | 247.27 |
| 세계 총계 | 22,356.09 | 22,946.87 | 19,534.99 | 17,335.20 | 13,101.70 |
일본에서는 "바이오매스·일본 종합 전략"을 통해 수송용 연료에서 바이오매스 유래 연료 보급을 목표로 하고 있다. ETBE(바이오매스 유래 가솔린 첨가제), E3 등의 도입이 추진되고 있으며, 2010년에는 원유 환산 50만 kL 상당의 바이오 연료를 수송용 연료로 도입하는 목표를 세웠다. 석유 연맹은 ETBE 공급 체제 정비를 시작했고, 2007년 4월에는 수도권 50개 주유소에서 ETBE 혼합 가솔린 공급이 시작되었다.[150] 오키나와현 미야코지마시에서는 E3 실증 실험이 반대로 실패했으며, 국토교통성은 E10 대응 차량의 안전 및 환경 성능에 대한 기술 지침을 정비하고 있다. 현재 법률에서는 가솔린에 대한 에탄올 혼합 허용치가 3% 또는 10%로 제한되어 있어 보급을 위해서는 법 개정이 필요하다.
미국에서는 2005년 에너지 정책법에 따라 2012년까지 생물 자원 유래 연료 사용량을 까지 늘리는 것이 정해졌다. 메틸 터셔리 부틸 에테르(MTBE)의 환경 문제로 인해 대체 개질재로서 에탄올 이용이 확대되고 있으며, 코네티컷주와 미네소타주에서는 E10 판매가 의무화되어 있다. 중서부 주에서는 E85(에탄올 70~85%)를 판매하는 주유소도 있다.
중국은 2011년 이전에는 곡물 유래 바이오 에탄올에 보조금을 지급했으나, 최근 단계적으로 삭감하고 있다.[152] 실험적인 셀룰로스 유래 에탄올 사업에는 1톤당 800~1,000위안의 보조금이 지급된다.[152]
5. 1. 브라질의 에탄올 연료 프로그램
1970년대부터 브라질은 에탄올 연료 프로그램을 운영해 왔으며, 이를 통해 세계에서 두 번째로 큰 에탄올 생산국이자 세계 최대 수출국이 되었다.[65] 브라질의 에탄올 연료 프로그램은 현대적인 장비와 저렴한 사탕수수를 원료로 사용하며, 남은 사탕수수 찌꺼기(바가스)는 열과 전력을 생산하는 데 사용된다.[66] 브라질에는 순수 가솔린으로 운행되는 경차는 더 이상 없다.[67]1970년대 초 석유 파동 시기에 브라질에서는 사탕수수 재배가 활발하여 바이오매스 에탄올을 국내에서 공급할 수 있었기 때문에 프로알코올(국가 알코올) 정책(1975년 - )이 수립되어 자동차에 에탄올 연료 보급이 진행되었다.[151] 한때는 국내에서 운행하는 자동차의 대부분이 순수 에탄올 연료를 사용했다. 그러나 1990년대 원유 가격 하락과 에탄올 공급 혼란으로 브라질 국내에서는 순수 가솔린 연료를 이용하는 자동차가 주류가 되었다. 2000년대에 들어 원유 가격이 다시 상승하자 에탄올의 자동차 연료 혼합이 다시 의무화되었다. 현재는 다양한 에탄올과 가솔린 혼합 비율에 대응 가능한 flexible-fuel vehicles가 인기를 끌게 되었지만, 에탄올 공급이 증가하는 수요에 따라가지 못해 에탄올 혼합 의무가 25%에서 20%로 인하되는 아이러니한 결과를 초래하고 있다.
5. 2. 한국의 바이오 에탄올 정책
주어진 자료에는 한국의 바이오 에탄올 정책에 대한 내용이 없다.6. 환경
에탄올 연료는 환경적인 측면에서 다양한 장점과 단점을 가지고 있다.
장점:
- 탄소 중립: 바이오매스 에탄올은 사탕수수나 옥수수 같은 식물을 발효시켜 만들기 때문에, 연소 시 발생하는 이산화 탄소(CO₂)는 식물이 성장하면서 흡수한 양과 같아 이론적으로 탄소 배출량을 늘리지 않는다. 이를 탄소 중립이라고 한다.[68]
- 재생 가능 에너지: 바이오매스 에탄올은 재생 가능한 식물 자원을 사용하므로 지속 가능한 에너지원이다.
- 온실 가스 감축: 볏짚과 같이 일반적으로 버려지는 식물 자원을 활용하면, 부패 과정에서 발생하는 메탄을 줄여 온실 가스 감축에 기여할 수 있다.
단점:
- 생산 과정의 탄소 배출: 바이오매스 에탄올 생산 과정에서 화석 연료가 사용될 수 있고, 원료 작물 재배에 비료나 농약이 사용될 수 있어, 전체적으로는 탄소 중립이 아닐 수 있다.
- 대기 오염: 에탄올 연소 시 질소 산화물(NOx) 등 인체에 유해한 물질이 발생할 수 있으며, 포름알데히드, 아세트알데히드 등의 농도가 높아질 수 있다.[77]
- 토지 이용 변화: 에탄올 생산을 위해 대규모 경작지가 필요하며, 이는 산림 벌채 등으로 이어져 토양의 질을 저하시키고, 물 부족 및 수질 오염, 살충제 및 비료 사용 증가 등의 문제를 야기할 수 있다.[86]
- 식량과의 경쟁: 바이오 연료 생산을 위한 곡물 수요 증가는 식량 가격 상승을 유발하여 저소득 국가에 식량난을 야기할 수 있다.[156]
기타 고려 사항:
- 증기압 및 부식성: 에탄올은 물과 섞이기 쉽고 부식성이 있어, 연료 저장 및 수송에 주의가 필요하다.
- 환경 파괴 가능성: 바이오매스 에탄올 원료 작물 증산을 위한 무분별한 개간, 농약 및 비료 과잉 투입, 공장 폐기물 문제 등은 생태계 파괴와 환경 문제를 야기할 수 있다.
6. 1. 에너지 균형
모든 바이오매스는 재배, 수확, 건조, 발효, 증류, 연소와 같은 단계를 거친다. 이러한 모든 단계에는 자원과 기반 시설이 필요하다. 에탄올 연료를 연소하여 방출되는 에너지와 비교하여 공정에 투입되는 총 에너지량을 '''에너지 균형'''(에너지 투자 회수율)이라고 한다.| 국가 | 유형 | 에너지 균형 |
|---|---|---|
| 미국 | 옥수수 에탄올 | 1.3 |
| 독일 | 바이오디젤 | 2.5 |
| 브라질 | 사탕수수 에탄올 | 8 |
| 미국 | 섬유소 에탄올† | 2–36†† |
| † 실험적이며, 상업적으로 생산되지 않음 | ||
| †† 생산 방법에 따라 다름 | ||
2007년 ''내셔널 지오그래픽''[68] 보고서에 따르면, 미국에서 생산된 옥수수 에탄올은 화석 연료 에너지 1단위로 1.3 에너지 단위를 에탄올로부터 얻는다. 브라질에서 생산된 사탕수수 에탄올의 에너지 균형은 더 유리하여, 화석 연료 에너지 1단위로 에탄올에서 8단위를 얻는다.
에너지 균형 추정은 쉽게 산출되지 않으므로, 이와 관련된 수많은 보고서가 서로 상반된 결과를 제시한다. 예를 들어, 다른 연구에서는 열대 기후가 필요한 사탕수수에서 에탄올을 생산하는 경우, 투입된 에너지 1단위당 8~9단위의 에너지를 회수하는 반면, 옥수수는 투입된 에너지 1단위당 약 1.34단위의 연료 에너지만을 회수한다고 보고한다.[69] 2006년 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 연구에서는 6개의 서로 다른 연구를 분석한 후, 옥수수에서 에탄올을 생산하는 데 가솔린을 생산하는 것보다 훨씬 적은 석유가 사용된다고 결론 내렸다.[70]
바이오매스 에탄올을 생산하는 과정에서 투입되는 에너지와 바이오매스 에탄올을 연소하여 얻을 수 있는 에너지를 비교하여, 생산에 합리성이 있는지를 고려할 필요가 있다. 투입 에너지와 얻을 수 있는 에너지의 비를 수치화하여 나타내는 데에는, '''EPR'''(Energy profit ratio, 에너지 이익률)이라는 개념이 사용된다.
: EPR = 출력 에너지 / 입력 에너지
예를 들어, 원유의 경우, 초기 유전에서는 자분(自噴)하는 등으로 쉽게 채굴할 수 있으므로 EPR은 100 정도가 되지만, 고갈되기 시작한 유전에서는 10 정도로 저하된다. 오일 샌드는 유동성이 없는 무거운 모래에서 중질유를 분리 처리해야 하므로, 1.5 정도가 되어 극히 효율이 낮은 에너지 자원임을 알 수 있다.[153] 바이오매스 에탄올은 상당히 낮은 수치라고 알려져 있지만, 작물이나 제법에 따라서도 다르기[154] 때문에, 신뢰할 수 있는 정보는 얻어지지 않고 있다.
6. 2. 대기 오염
전통적인 무연 휘발유에 비해 에탄올은 산소와 연소하여 이산화탄소, 일산화탄소, 물 및 알데히드를 생성하는 입자 없는 연소 연료이다. 청정 대기법은 미국에서 일산화탄소 배출량을 줄이기 위해 산소화제의 첨가를 요구한다. MTBE 첨가제는 지하수 오염으로 인해 점차적으로 폐지되고 있으며, 이에 따라 에탄올은 매력적인 대체 첨가제가 되었다. 현재 생산 방식에는 암모니아와 같은 다량 영양소 비료 제조업체의 대기 오염이 포함된다.스탠퍼드 대학교 대기 과학자들의 연구에 따르면 E85 연료는 최악의 시나리오인 대규모 도시형 자동차 중심의 대도시인 미국 로스앤젤레스에서 휘발유에 비해 대기 오염으로 인한 사망 위험을 9% 증가시킬 것이라고 한다.[74] 오존 수준이 크게 증가하여 광화학 스모그가 증가하고 천식과 같은 의학적 문제가 악화된다.[75][76]
브라질은 상당한 양의 에탄올 바이오 연료를 연소한다. 브라질 상파울루의 주변 공기에 대한 가스 크로마토그래피 연구가 수행되었으며, 에탄올 연료를 사용하지 않는 일본 오사카와 비교했다. 대기 중 포름알데히드는 브라질에서 160% 더 높았고, 아세트알데히드는 260% 더 높았다.[77]
바이오매스 에탄올은 완전히 연소시키면 이산화 탄소와 물이 되므로, 이론적으로는 청정 에너지라고 할 수 있다. 그러나 내연 기관에서 연소했을 때의 유해 물질 발생에 관해서는 NOx 등이 가솔린 연소보다 많이 배출된다는 등의 데이터가 있어, 앞으로의 과제로 여겨지고 있다.
6. 3. 이산화탄소
정확한 바이오에탄올 제조 과정에서 배출되는 이산화탄소의 양을 계산하는 것은 복잡하고 불확실한 과정이며, 에탄올 생산 방식과 계산에 사용된 가정에 따라 크게 달라진다. 계산에는 다음 사항이 포함되어야 한다.[78]- 원료 작물 재배 비용
- 공장으로 원료 작물 운송 비용
- 원료 작물을 바이오에탄올로 가공하는 비용
이러한 계산은 다음의 영향도 고려할 수 있다.[78]
- 연료 원료 작물이 재배되는 지역의 토지 사용 변경 비용
- 공장에서 사용 지점까지 바이오에탄올 운송 비용
- 표준 가솔린에 비해 바이오에탄올의 효율성
- 배기 가스에서 배출되는 이산화탄소량
- 가축 사료 또는 전력과 같은 유용한 부산물 생산으로 인한 이점
2006년 1월 UC 버클리 ERG의 과학 기사에서는 여러 연구를 검토한 후 옥수수 에탄올의 온실 가스 감소를 13%로 추정했다. 출판 직후 발표된 해당 기사의 수정 사항에서 추정 값을 7.4%로 줄였다. ''내셔널 지오그래픽'' 개요 기사(2007년)[68]는 옥수수 에탄올의 생산 및 사용 시 가솔린에 비해 이산화탄소 배출량이 22% 감소하고 사탕수수 에탄올의 경우 56% 감소한다고 밝혔다. 자동차 제조사 포드는 자사의 유연 연료 차량 중 하나에서 바이오에탄올이 휘발유에 비해 이산화탄소 배출량을 70% 줄인다고 보고했다.[79]
생산에 새로운 토지 경작[80]이 필요하다는 점은 추가적인 복잡성을 야기한다. 이는 온실 가스 배출량의 일회성 방출을 유발하여 온실 가스 배출량 감소가 균등해지기까지 수십 년 또는 수 세기가 걸릴 수 있기 때문이다.[81] 예를 들어, 에탄올 생산을 위해 초원을 옥수수 생산으로 전환하는 데는 초기 경작에서 방출되는 온실 가스를 보상하기 위해 연간 절감 효과가 약 100년이 걸린다.[80]
바이오매스 에탄올은 재생 가능한 자연 에너지이며, 그 연소에 의해 대기 중의 이산화 탄소(CO₂)량을 증가시키지 않는다는 점에서 에너지원으로서의 장래성이 기대되고 있다. 한편, 생산 과정 전체를 고려했을 때의 CO₂ 삭감 효과, 에너지 생산 수단으로서의 효율성, 식량과의 경합 등의 문제점도 지적되고 있다.
최근 바이오매스 에탄올이 내연 기관의 연료로 주목받는 배경으로는 지구 온난화 대책의 일환으로 온실 가스 중 하나인 이산화탄소()의 배출 삭감에 대한 관심이 높아지고 있다는 점을 지적할 수 있다. 바이오매스 에탄올에 포함된 탄소는 식물의 광합성에 의해 고정된 대기 중의 이산화탄소()에 유래하기 때문에, 에탄올의 연소로 이산화탄소()가 대기 중에 방출되어도 지표에 존재하는 탄소의 총량은 변하지 않는다고 생각된다. 탄소가 순환할 뿐이라는 의미에서 이러한 생각을 탄소 중립이라고 한다. 단, 생산 과정에서 에너지원으로 화석 연료가 사용되고, 석유나 석탄으로부터 합성되는 비료나 농약이 원료가 되는 식물의 재배에 사용될 가능성이 있으므로 생산 과정까지 포함하면 완전히 탄소 중립이 아닐 가능성이 높다.
또한, 온실 가스 삭감이라는 면에서는 볏짚 등, 통상적으로는 폐기되어 결국 부패하는 식물성 자원이 에탄올의 원료로 실용적으로 이용될 수 있게 된다면, 부패하는 식물에서 방출되는 메탄의 삭감을 통한 온실 가스 삭감도 기대할 수 있다.
6. 4. 토지 이용 변화
대규모 농업은 농업용 알코올 생산에 필수적이며, 이는 상당한 경작지를 필요로 한다. 미네소타 대학교 연구원들은 미국의 모든 옥수수를 에탄올 생산에 사용한다면 현재 미국의 휘발유 소비량의 12%를 대체할 수 있다고 보고했다.[82] 에탄올 생산을 위한 토지가 산림 벌채를 통해 확보된다는 주장도 있는 반면, 현재 숲을 유지하고 있는 지역은 일반적으로 작물 재배에 적합하지 않다는 관찰도 있다.[83][84] 어떤 경우든, 농업은 유기물 감소로 인한 토양 비옥도 감소,[85] 물 가용성 및 수질 저하, 살충제 및 비료 사용 증가, 그리고 지역 사회의 잠재적 이탈을 야기할 수 있다.[86]셀룰로오스 에탄올 생산은 토지 이용 및 관련 우려를 완화할 수 있는 새로운 접근 방식이다. 셀룰로오스 에탄올은 모든 식물 재료에서 생산될 수 있으며, 잠재적으로 수확량을 두 배로 늘려 식량 수요 대 연료 수요 간의 갈등을 최소화하려는 노력을 기울이고 있다. 셀룰로오스 에탄올 생산 기술은 현재 셀룰로오스 에탄올 상업화 단계에 있다.[87][22]
2000년대 이후 각국에서 곡물 경작지에서 바이오 연료용 곡물 재배가 증가하면서, 지금까지 사료용이었던 곡물 시세가 폭등하고 있다.[155] 이 원인 중 하나는 미국이나 브라질 등 곡물 생산국에서 바이오 에탄올용 옥수수 수요가 급증한 것을 들 수 있다.[156] 그 때문에 선진국이 소비하는 연료용 곡물 가격이 급등하고, 그에 반해 식량용 곡물 생산이 감소하여 소득 수준이 낮은 나라에서 조달이 어려워지고 있다.[156]
2007년 1월, 옥수수 가격이 1부셸(약 21kg)당 4USD를 돌파했는데, 이는 2004년부터 2006년까지의 평균 가격의 거의 2배 수준이다.
7. 일반 작물의 효율성
에탄올 수율이 향상되거나 다른 원료가 도입됨에 따라 미국에서 에탄올 생산이 경제적으로 더 타당해질 수 있다. 현재, 생명 공학을 사용하여 각 옥수수 단위에서 에탄올 수율을 개선하는 연구가 진행 중이다. 또한, 유가가 높은 수준을 유지하는 한 셀룰로스와 같은 다른 원료의 경제적인 사용이 가능해진다. 짚이나 나무 조각과 같은 부산물은 에탄올로 전환될 수 있다. 스위치그래스와 같이 빠르게 성장하는 종은 다른 현금 작물에 적합하지 않은 토지에서 재배할 수 있으며 단위 면적당 높은 수준의 에탄올을 생산한다.[68]
| 작물 | 연간 수율(리터/헥타르) | 온실 가스 절감 (가솔린 대비) | 내한성 한계 구역 | 내열성 한계 구역 | 비고 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 사탕수수 | 6800~8000[36][91][92][93] | 87%–96% | 9 | 13[94][95] | 장기 생육 연간 풀. 브라질에서 생산되는 대부분의 바이오에탄올의 원료로 사용된다. 최신 가공 공장은 에탄올에 사용되지 않은 잔류물을 태워 전기를 생산한다. 열대 및 아열대 기후에서만 자란다. | |
| 억새 | 7300 | 37%–73% | 5 | 9[96] | 저투입 다년생 풀. 에탄올 생산은 셀룰로스 기술 개발에 달려 있다. | |
| 스위치그래스 | 3100~7600 | 37%–73% | 5 | 9[97] | 저투입 다년생 풀. 에탄올 생산은 셀룰로스 기술 개발에 달려 있다. 수율을 높이기 위한 육종 노력이 진행 중이다. 혼합 종의 다년생 풀을 사용하면 더 높은 바이오매스 생산이 가능하다. | |
| 포플러 | 3700~6000 | 51%–100% | 3 | 9[98] | 빠르게 성장하는 나무. 에탄올 생산은 셀룰로스 기술 개발에 달려 있다. 유전체 시퀀싱 프로젝트의 완료는 수율을 높이기 위한 육종 노력을 지원할 것이다. | |
| 수수 | 2500~7000 | 자료 없음 | 9 | 12[99] | 저투입 연간 풀. 기존 기술을 사용하여 에탄올 생산이 가능하다. 열대 및 온대 기후에서 자라지만, 가장 높은 에탄올 수율 추정치는 연간 여러 작물을 가정한다(열대 기후에서만 가능). 보관이 잘 안 된다.[100][101][102][103] | |
| 옥수수 | 3100~4000[36][91][92][93] | 10%–20% | 4 | 8[104] | 고투입 연간 풀. 미국에서 생산되는 대부분의 바이오에탄올의 원료로 사용된다. 사용 가능한 기술을 사용하여 커널만 처리할 수 있다. 상업용 셀룰로스 기술 개발을 통해 스토버를 사용하여 에탄올 수율을 1100~2000 증가시킬 수 있다. | |
| 사탕무 | 6678~8419[105][106] | 자료 없음 | 2 | 10 | 프랑스에서 에탄올 작물로 재배된다. | |
| 카사바 | 3835[105] | 자료 없음 | 10 | 13 | 나이지리아에서 에탄올 작물로 재배된다. | |
| 밀 | 2591[105] | 자료 없음 | 3[107] | 12[108] | 프랑스에서 에탄올 작물로 재배된다. | |
| 출처 (표시되지 않은 경우): 네이처 444 (2006년 12월 7일): 673–676. [a] – 온실 가스 배출량 절감은 토지 이용 변화가 없다고 가정(기존 작물 토지 사용). | ||||||
8. 석유 수입 및 비용 절감
미국에서 에탄올 대량 생산의 한 가지 이유는 일부 외국산 석유의 필요성을 국내 생산 에너지원으로 전환함으로써 에너지 안보에 기여한다는 것이다.[109][110] 에탄올 생산에는 상당한 에너지가 필요하지만, 현재 미국의 생산은 석유보다는 석탄, 천연 가스 및 기타 자원에서 대부분의 에너지를 얻는다.[111] 미국에서 소비되는 석유의 66%가 수입되는 반면, 석탄은 순수 잉여이고 천연 가스는 16%만 수입되기 때문에(2006년 자료),[112] 석유 기반 연료를 에탄올로 대체하면 외국에서 미국 국내 에너지원으로의 순 이동을 가져온다.
아이오와 주립 대학교의 2008년 분석에 따르면, 미국 에탄올 생산의 증가는 소매 휘발유 가격을 그렇지 않은 경우보다 갤런당 0.29USD에서 0.4달러 낮추는 결과를 가져왔다.[113]
9. 모터스포츠
레온 듀레이는 에탄올 연료를 사용하는 차량으로 1927년 인디애나폴리스 500 자동차 경주에서 3위를 차지했다.[114] 인디카 시리즈는 2006 시즌에 10% 에탄올 혼합 연료를 채택했고, 2007년에는 98% 혼합 연료를 채택했다.
아메리카 르망 시리즈 스포츠카 챔피언십은 2007 시즌에 순수 가솔린을 대체하기 위해 E10을 도입했다. 2008 시즌에는 GT 클래스에서 E85가 허용되었고, 팀들은 이를 사용하기 시작했다.[115]
2011년, NASCAR의 세 개 전국 스톡 자동차 시리즈는 가솔린에서 E15로의 전환을 의무화했는데, 이는 Sunoco GTX 무연 레이싱 연료와 15% 에탄올의 혼합물이다.[116]
호주의 V8 슈퍼카 챔피언십은 레이싱 연료로 쉘 E85를 사용한다.
스톡 카 브라질 챔피언십은 순수 에탄올, E100을 사용한다.
10. 대체 취사 연료
가이아 프로젝트는 미국의 비정부 기구이자 비영리 단체로, 에티오피아 등 개발 도상국에서 알코올 기반 연료의 상업적으로 실행 가능한 가구 시장을 창출하는 데 관여하고 있다. 이 프로젝트는 알코올 연료를 개발 도상국의 전통적인 취사 방식으로 인해 발생하는 연료 부족, 환경 피해, 공중 보건 문제를 해결하는 방안으로 간주한다. 오염 물질을 배출하는 불을 사용하여 요리함으로써 건강 문제를 겪는 가난하고 소외된 지역 사회를 대상으로 하는 가이아는 현재 에티오피아, 나이지리아, 브라질, 아이티, 마다가스카르에서 활동하고 있으며, 다른 여러 국가에서도 프로젝트를 계획하고 있다.[118]
11. 연구
에탄올 연구는 대체 원료, 새로운 촉매 및 생산 공정에 중점을 두고 있다. INEOS는 식물성 물질과 목재 폐기물로부터 에탄올을 생산했다.[119] 세균 대장균은 소 반추위 유전자와 효소를 유전자 조작하면 옥수수 속대로부터 에탄올을 생산할 수 있다.[120] 다른 잠재적 공급 원료로는 도시 폐기물, 재활용 제품, 왕겨, 사탕수수 바가스, 나무 조각, 스위치그래스 및 이산화 탄소가 있다.[121][122]
셀룰로오스 에탄올은 바이오매스에서 셀룰로스를 분리하여, 셀룰로오스를 효소를 사용하여 당분으로 분해하고, 미생물에 의해 알코올로 변환하는 방법이며, 2세대 바이오 연료로 기대된다. 셀룰로오스계 바이오매스로부터 에탄올 생산과 관련하여, 지구환경산업기술연구기구와 혼다 기술 연구소가 핵심 제조 기술을 발표하였고,[129] 독립행정법인 산업기술종합연구소가 실증 실험[130]을 실시하고 있다. 미국에서도 부시 대통령이 스위치그래스라는 풀을 이용한 바이오 에탄올 생산에 대해 일반 교서 연설 등에서 여러 번 언급하며 예산을 배정했다. 에탄올 연료를 대규모로 도입하기 위해서는, 셀룰로오스로부터의 에탄올 제조가 필요하다는 것이 거의 확실하다고 사이언스 지에도 기사가 게재되었다.[131] 셀룰로오스의 가수 분해에 의한 당화 처리가 필요하며, 지금까지는 셀룰라아제나 초임계수를 사용하여 셀룰로오스를 가수 분해해 왔지만, 메릴랜드 대학교 칼리지 파크의 Steve Hutcheson은 체서피크 만의 늪지에서 발견된 박테리아 (Saccharophagus degradans|사카로파거스 데그라단스영어)가 강력한 셀룰로오스 세포벽 분해능을 가지고 있다는 것을 밝혀냈다.[132][133][134] Zymetis사에서는 더 효율적으로 당으로 변환하기 위해 유전자를 재조합하여, 72시간 만에 1톤의 셀룰로오스 바이오매스를 당으로 변환할 수 있음을 실증했다.[135][133]
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