옥수수 에탄올

1. 개요

옥수수 에탄올은 옥수수를 발효하여 생산하는 에탄올 연료를 의미한다. 옥수수 에탄올은 주로 건식 제분과 습식 제분 방식을 통해 생산되며, 건식 제분 방식이 약 90%를 차지한다. 옥수수 에탄올은 가솔린과 혼합되어 사용되며, E10, E15, E85와 같은 혼합 연료를 만들 수 있다. 옥수수 에탄올은 온실 가스 배출량 감소 효과가 있지만, 토지 이용 문제와 식량 가격 상승, 에너지 투입량 대비 회수율 등 환경적, 경제적 논쟁이 있다. 옥수수대와 같은 바이오매스를 이용한 에탄올 생산은 대안으로 제시된다.

2. 생산 방식

옥수수 에탄올 생산에는 건식 제분과 습식 제분 두 가지 방식이 있으며, 이들은 곡물 처리 방식과 부산물 생산에서 차이를 보인다. 건식 제분은 옥수수 낟알 전체를 가루로 만들어 에탄올을 생산하며, 습식 제분은 옥수수 곡물을 여러 성분으로 분리하는 복잡한 과정을 거친다.

2.1. 건식 제분 (Dry Milling)

옥수수 에탄올 생산에는 크게 건식 제분과 습식 제분 두 가지 방식이 있으며, 이들은 곡물 처리 방식과 부산물 생산에서 차이를 보인다. 미국 내 옥수수 에탄올의 약 90%는 건식 제분 방식으로 생산된다. 건식 제분 과정에서는 이산화 탄소가 방출되는데, 이는 탄산 음료를 만들거나 드라이아이스를 제조하는 데 사용된다.

2.1.1. 공정 과정

건식 제분 과정에서는 전체 옥수수 낟알을 가루("매쉬(mash)")로 갈아 물을 첨가하여 슬러리 상태로 만든다. 매쉬에 효소를 첨가하여 전분을 단당류로 가수분해한다. 암모니아는 pH 조절 및 나중에 첨가될 효모의 영양분으로 첨가된다. 혼합물은 박테리아 수준을 낮추기 위해 고온에서 처리된다. 매쉬는 발효조로 옮겨져 냉각되고, 효모를 첨가하여 당분을 에탄올과 이산화 탄소로 발효시킨다. 전체 과정은 40~50시간이 소요되며, 이 시간 동안 매쉬는 효모의 활동을 촉진하기 위해 시원하게 유지되고 교반된다. 그런 다음 매쉬는 증류탑으로 옮겨져 사료에서 에탄올을 제거한다. 에탄올은 분자체 시스템을 사용하여 약 200 프루프(proof)까지 탈수된다. 변성제인 가솔린을 첨가하여 제품을 마실 수 없게 만든다. 그런 다음 제품은 휘발유 소매업체 또는 터미널로 배송할 준비가 된다. 남은 사료는 증류 건조 곡물 및 가용성 물질(DDGS)이라고 하는 영양가가 높은 가축 사료로 가공된다.

2.2. 습식 제분 (Wet Milling)

옥수수 에탄올 생산에는 크게 건식 제분과 습식 제분 두 가지 방식이 있으며, 이들은 곡물 처리 방식과 부산물 생산에서 차이를 보인다. 습식 제분은 옥수수 곡물을 여러 성분으로 분리하는 복잡한 과정을 거친다.

2.2.1. 공정 과정

습식 제분에서는 옥수수 곡물을 희석된 아황산에 24~48시간 동안 담가 성분별로 분리한다. 이후 슬러리 혼합물을 일련의 분쇄기를 통과시켜 옥수수 배아를 분리한다. 섬유, 글루텐, 전분 등의 나머지 성분은 스크린, 수력 원심분리기, 원심분리기를 사용하여 분리한다. 옥수수 전분과 남은 물은 건식 제분 및 곡물 분획과 유사한 과정을 거쳐 에탄올로 발효시키거나, 건조하여 변성 옥수수 전분으로 판매하거나, 옥수수 시럽으로 만들 수 있다. 글루텐 단백질과 침지액은 건조하여 가축 사료로 사용되는 옥수수 글루텐 사료를 만든다. 무거운 침지수는 사료 성분으로 판매되거나 겨울철 소금 대체제로 사용된다. 옥수수 기름 또한 추출되어 판매된다.

3. 이용

2001년 이후 옥수수 에탄올 생산량은 수 배 이상 증가했다. 미국 에너지부에 따르면, 2001년에는 95억 부셸의 옥수수 중 0.71억 부셸이 옥수수 에탄올 생산에 사용되었지만, 2018년에는 146억 2천만 부셸 중 56억 부셸이 사용되었다. 미국 내 에탄올의 94%가 옥수수에서 생산된다.

3.1. 에탄올 혼합 연료

현재 옥수수 에탄올은 주로 가솔린과 혼합되어 E10, E15, E85와 같은 혼합물을 만드는 데 사용된다. 에탄올은 대기 오염을 줄이기 위해 미국 가솔린의 98% 이상에 혼합된다. 옥수수 에탄올은 가솔린과 혼합될 때 산소 첨가제로 사용된다. E10 및 E15는 개조 없이 모든 엔진에서 사용할 수 있다. 그러나 에탄올 함량이 훨씬 높은 E85와 같은 혼합물은 엔진을 손상시키지 않으면서 혼합물로 작동할 수 있도록 상당한 개조가 필요하다. 현재 E85 연료를 사용하는 일부 차량으로는 포드 포커스, 닷지 듀랑고, 토요타 툰드라 등이 있다.

옥수수 에탄올이 가솔린의 주요 대체재로 사용될 수 있을지는 아직 미지수이다. 옥수수 에탄올은 가솔린에 비해 생산 비용이 훨씬 더 많이 들기 때문에 아직 가솔린만큼 비용 효율적이지 않다. 옥수수 에탄올은 연료원으로 사용되기 전에 광범위한 분쇄 과정을 거쳐야 한다. 옥수수 에탄올의 주요 단점 중 하나는 투입 에너지 회수율(EROI)인데, 이는 해당 에너지를 출력하는 데 필요한 에너지와 비교하여 출력되는 에너지를 의미한다. 석유의 EROI는 11:1인 반면, 옥수수 에탄올은 1.5:1로 훨씬 낮으며, 이는 가솔린에 비해 갤런당 주행 거리가 더 짧다는 것을 의미한다. 미래에 기술이 발전하고 석유가 덜 풍부해짐에 따라, 분쇄 과정에서 더 적은 에너지가 필요하게 되어 EROI가 석유와 더 가까워질 수 있다.

가솔린의 대체재로서 옥수수 에탄올의 또 다른 심각한 문제는 일반 차량의 엔진 손상이다. E10은 10%의 에탄올을 함유하고 있으며, 오늘날 도로에서 운행되는 대부분의 차량에 허용되는 반면, E15는 15%의 에탄올을 함유하고 있으며, 일반적으로 2001년 이전에 제작된 자동차에는 금지된다. 그러나 미래에 가솔린을 대체하려는 경우, 85%의 에탄올을 함유한 E85는 엔진이 장기간 동안 많은 양의 에탄올을 처리할 수 있도록 엔진 개조가 필요하다. 따라서 대부분의 구형 및 현대 차량은 높은 양의 에탄올로 인한 부식 증가를 처리하기 위한 적절한 엔진 개조 없이는 사용할 수 없게 된다. 또한, 대부분의 주유소에서는 E85 차량의 재급유를 제공하지 않는다. 미국 에너지부에 따르면 미국 전역의 168,000개 주유소 중 3,355개 주유소만이 E85 차량용 에탄올 재급유를 제공한다.

3.2. 기타 용도

현재 옥수수 에탄올은 주로 가솔린과 혼합되어 E10, E15, E85와 같은 혼합물을 만드는 데 사용된다. 에탄올은 대기 오염을 줄이기 위해 미국 가솔린의 98% 이상에 혼합되며, 가솔린과 혼합될 때 산소 첨가제로 사용된다. E10 및 E15는 개조 없이 모든 엔진에서 사용할 수 있지만, 에탄올 함량이 훨씬 높은 E85와 같은 혼합물은 엔진을 손상시키지 않으려면 상당한 개조가 필요하다. E85 연료를 사용하는 가변 연료 차량에는 포드 포커스, 닷지 듀랑고, 토요타 툰드라 등이 있다.

옥수수 에탄올을 가솔린의 주요 대체재로 사용할 수 있을지는 아직 알 수 없다. 옥수수 에탄올은 가솔린에 비해 생산 비용이 훨씬 더 많이 들기 때문에 아직 가솔린만큼 비용 효율적이라는 것이 입증되지 않았다. 연료원으로 사용되기 전에 광범위한 분쇄 과정을 거쳐야 하며, 투입 에너지 회수율(EROI)이 낮다는 단점이 있다. 옥수수 에탄올의 EROI은 1.5:1로, 11:1인 석유보다 훨씬 낮으며, 이는 갤런당 주행 거리가 더 짧다는 것을 의미한다. 미래에 기술 발전으로 분쇄 과정에서 더 적은 에너지가 필요하게 되면 EROI가 석유와 더 가까워질 수 있다.

가솔린 대체재로서 옥수수 에탄올의 또 다른 문제는 일반 차량의 엔진 손상이다. E10은 10%의 에탄올을 함유하여 오늘날 대부분의 차량에 허용되지만, E15는 15%의 에탄올을 함유하여 2001년 이전에 제작된 자동차에는 일반적으로 금지된다. E85는 85%의 에탄올을 함유하므로 엔진 개조가 필요하며, 대부분의 구형 및 현대 차량은 높은 에탄올 함량으로 인한 부식 증가를 처리하기 위한 엔진 개조 없이는 사용할 수 없다. 또한, 대부분의 주유소에서는 E85 차량의 재급유를 제공하지 않는다. 미국 에너지부에 따르면 미국 전역 168,000개 주유소 중 3,355개 주유소만이 E85 차량용 에탄올 재급유를 제공한다.

4. 환경 문제

에탄올 연료의 환경 및 사회적 영향도 참고하십시오.

옥수수 에탄올은 휘발유보다 온실 가스 배출량이 적고, 생분해성이 있다는 장점이 있지만, 연료 첨가제인 MTBE와는 다르다. 그러나, 미국의 많은 옥수수 에탄올 증류소는 주로 석탄 발전소에서 에너지를 얻기 때문에, 옥수수 에탄올이 화석 연료를 대체하는 것이 지속 가능성이 있는지에 대한 논쟁이 있다. 또한, 옥수수 재배에 필요한 넓은 경작지가 곡물 공급과 직간접적인 토지 이용 변화 영향에 미치는 영향, 오염, 관개 및 가공에 사용되는 물, 에너지 균형, 에탄올 생산 과정 전체의 배출 집약도 등에 대한 문제도 제기되고 있다.

4.1. 온실 가스 배출량

옥수수 에탄올은 휘발유보다 온실 가스 배출량이 적고, 생분해성이 있으며, 연료 첨가제인 MTBE와는 다르다. 하지만, 많은 미국 증류소의 운영 에너지가 주로 석탄 발전소에서 나오기 때문에, 옥수수 에탄올이 화석 연료를 대체하는 데에 대한 지속 가능성에 대한 상당한 논쟁이 있어왔다. 추가적인 논란은 작물에 필요한 많은 경작지와 그것이 곡물 공급 및 직간접적인 토지 이용 변화 영향에 미치는 영향과 관련이 있다. 다른 문제로는 오염, 관개 및 가공에 사용되는 물, 에너지 균형, 그리고 에탄올 생산의 전체 수명 주기에 대한 배출 집약도가 있다.

몇몇 전과정 평가 연구에 따르면 옥수수 에탄올은 가솔린에 비해 유정에서 바퀴까지 온실 가스 배출량을 최대 50%까지 감소시킨다. 그러나, 미국의 재생 연료 표준 시행 첫 8년간의 데이터를 분석한 최근 연구에 따르면, 비료 사용과 토지 이용 변화를 고려할 때 옥수수 에탄올은 가솔린보다 에너지 단위당 더 많은 탄소 배출량을 발생시킨다.

현재 시장에 출시된 에탄올 혼합 연료(E10 또는 E85)는 엄격한 배기 가스 배출 기준을 충족한다.

4.2. 토지 이용

옥수수 에탄올 생산과 관련된 주요 논쟁 중 하나는 에탄올 생산을 위해 옥수수를 재배하는 데 필요한 경작지이며, 이는 식량 대 연료 문제로 이어진다. 즉, 사람이나 동물의 소비를 위한 옥수수 재배에 사용될 토지가 줄어든다는 것이다. 미국에서는 옥수수 곡물 생산에 사용되는 토지의 40%가 옥수수 에탄올 생산에 사용되며, 부산물을 제외하고 25%가 에탄올로 전환되어 수확량의 60%만 사람이나 동물의 소비에 사용된다.

내연 기관 차량의 연료를 위해 옥수수를 재배하는 것은 매우 비효율적인 토지 사용이다. 동일한 면적에서 재배된 옥수수 에탄올보다 태양광 발전소가 전기 자동차에 전력을 공급하는 것이 약 85배 더 먼 거리를 이동시킬 수 있다.

4.3. 기타 환경 문제

옥수수 에탄올은 휘발유보다 온실 가스 배출량이 적고, 생분해성이 있으며, 연료 첨가제인 MTBE와는 다르다. 하지만, 많은 미국 증류소의 운영 에너지가 주로 석탄 발전소에서 나오기 때문에, 옥수수 에탄올이 화석 연료를 대체하는 데 대한 지속 가능성에 대한 상당한 논쟁이 있어왔다. 추가적인 논란은 작물에 필요한 많은 경작지와 그것이 곡물 공급 및 직간접적인 토지 이용 변화 영향에 미치는 영향과 관련이 있다. 다른 문제로는 오염, 관개 및 가공에 사용되는 물, 에너지 균형, 그리고 에탄올 생산의 전체 수명 주기에 대한 배출 집약도가 있다.

5. 경제적 영향

재생 연료 협회(RFA)는 에탄올 산업의 로비 단체로, 에탄올 생산이 옥수수 수요를 증가시켜 가격을 상승시킨다고 주장한다. RFA는 에탄올 생산이 미국 농부들에게 긍정적인 경제적 효과를 가져온다고는 하지만, 밭 옥수수가 주식의 일부인 다른 인구 집단에 미치는 영향에 대해서는 자세히 설명하지 않는다.

2007년 1월, 미국 농무부 수석 경제학자는 옥수수 1부셸의 가치 상승으로 인해 농업 프로그램 지불금이 약 6 감소할 것으로 예상된다고 밝혔다. 2009년 옥수수 생산량은 132억 부셸을 넘어섰고, 에이커당 수확량은 165부셸 이상으로 급증했다. 한편, 1987년과 2018년 사이에 미국 옥수수 생산량은 대략 두 배로 증가했다.

5.1. 식량 vs 연료 논쟁

옥수수 에탄올 생산과 관련된 주요 논쟁 중 하나는 에탄올 생산을 위해 옥수수를 재배하는 데 필요한 경작지 문제이다. 이는 식량 대 연료 문제로 이어져, 사람이나 동물의 소비를 위한 옥수수 재배에 사용될 토지가 줄어든다는 것이다. 미국에서는 옥수수 곡물 생산에 지정된 토지의 40%가 옥수수 에탄올 생산에 사용되며, 부산물을 제외하면 25%가 에탄올로 전환된다. 따라서 수확량의 60%만 사람이나 동물의 소비에 사용된다.

내연 기관 차량의 연료를 위해 옥수수를 재배하는 것은 매우 비효율적인 토지 사용이다. 태양광 발전소가 전기 자동차에 전력을 공급하기 위해 생산하는 전력은 동일한 면적에서 재배된 옥수수 에탄올보다 약 85배 더 먼 거리를 이동시킬 수 있다.

5.2. 농업 경제에 미치는 영향

재생 연료 협회(RFA)는 에탄올 산업의 로비 단체로, 에탄올 생산이 옥수수 수요를 증가시켜 가격을 상승시킨다고 주장한다. RFA는 에탄올 생산이 미국 농부들에게 긍정적인 경제적 효과를 가져온다고 주장하지만, 밭 옥수수가 주식의 일부인 다른 인구 집단에 미치는 영향에 대해서는 자세히 설명하지 않는다. RFA 로비 문서에 따르면, 2007년 1월 미국 농무부 수석 경제학자는 옥수수 1부셸의 가치 상승으로 인해 농업 프로그램 지불금이 약 6 감소할 것으로 예상된다고 밝혔다. 2009년 옥수수 생산량은 132억 부셸을 넘어섰고, 에이커당 수확량은 165부셸 이상으로 급증했다.

미국 농무부(USDA) 자료에 따르면, 2020년 미국에서 에탄올 생산에 사용된 옥수수는 생산된 149억 9천만 부셸 중 50억 5천만 부셸에 달했다. 미국 에너지부 대체 연료 데이터 센터는 "에탄올 [생산] 증가의 원인은 옥수수 총 생산량 증가와 가축 사료 및 기타 잔여 용도로 사용되는 옥수수 감소에 있는 것으로 보인다. 인간 소비를 포함한 기타 용도로 사용되는 옥수수 양은 해마다 거의 일정하게 유지되고 있다."라고 밝혔다.

이는 식량 공급에 영향이 없다는 것을 증명하지 않는다. 1987년과 2018년 사이에 미국 옥수수 생산량이 (대략) 두 배로 증가했기 때문에, 이전에 다른 식량 작물을 재배하는 데 사용되었던 일부 농지가 현재 옥수수 재배에 사용될 가능성이 있다. 또한 일부 한계 토지가 농업용으로 전환되거나 다시 사용되었을 가능성 또는 개연성이 있으며, 이는 부정적인 환경적 영향을 미칠 수 있다.

6. 대안 바이오매스

옥수수대와 같이 식량 생산 과정에서 발생하는 잔재물을 사용하여 에탄올을 생산할 수 있다. 유럽에서 사용되는 사탕무나 브라질의 사탕수수에서 추출한 에탄올은 생산-소비 전 과정에서 발생하는 이산화 탄소를 최대 80%까지 줄인다. 섬유소 에탄올을 사용하는 것은 2세대 바이오 연료로 간주되며, 일부에서는 식량 대 연료 논쟁에 대한 해결책으로 여겨지기도 한다. 섬유소 에탄올은 가솔린 대비 생애 주기 온실 가스 배출량을 최대 86%까지 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다.