바이오 연료
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1. 개요
바이오 연료는 바이오매스에서 생산되는 고체, 액체, 기체 형태의 연료를 총칭하며, 운송용 액체 또는 기체 연료만을 지칭하기도 한다. 바이오에탄올과 바이오디젤과 같은 액체 연료가 주로 사용되며, 원료에 따라 다양한 종류가 있다. 바이오 연료는 식량 작물과의 경쟁, 생산 비용, 환경 문제 등 여러 과제를 안고 있으며, 대한민국은 바이오가스 생산 시설 확대 등을 통해 에너지 자립도 향상과 폐기물 처리 문제 해결을 위해 노력하고 있다.
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혐기성 소화는 다양한 미생물이 유기물을 분해하여 바이오가스를 생성하는 과정으로, 가수분해, 산 생성, 아세트산 생성, 메탄 생성의 네 단계를 거치며 폐기물 처리, 에너지 생산, 비료 생산 등에 응용될 수 있다.
| 바이오 연료 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 정의 | 수송에 사용되는 주로 액체 또는 기체 연료 |
| 적용 분야 | 수송 바이오 에너지 |
| 다른 명칭 | 생물 연료 |
| 유형 | |
| 종류 | 바이오 에탄올 바이오 디젤 지속 가능한 항공 연료 바이오 가스 |
| 생산 | |
| 원료 | 바이오매스 |
| 환경적 지속 가능성 | |
| 지속 가능성 | 지속 가능한 바이오 연료 |
| 영향 | 탄소 중립 연료 |
| 문제점 | 사료 공급 문제 |
| 추가 정보 | |
| 상세 정보 | 바이오 에너지 참고 |
2. 용어
“바이오연료”라는 용어는 여러 의미로 사용된다. 한 가지 정의에 따르면, 바이오연료는 곡물이나 목재와 같은 천연 자원 또는 당밀이나 바가스와 같은 농업 부산물에서 생산되는 고체, 액체, 기체 형태의 바이오 기반 제품을 의미한다.[11]
다른 정의에서는 운송에 사용되는 액체 또는 기체 연료만을 바이오연료로 한정하기도 한다.[12]
IPCC 제6차 평가 보고서에서는 바이오연료를 “일반적으로 액체 형태의 바이오매스로부터 생산되는 연료”로 정의한다. 이 정의에 따르면 사탕수수, 사탕무, 옥수수 등에서 얻는 바이오에탄올과 유채(카놀라)나 콩에서 얻은 바이오디젤 등이 바이오연료에 포함된다.[13] 같은 보고서에서 바이오매스는 “화석화되었거나 지질 형성에 포함된 물질을 제외한 유기 물질”로 정의되므로, 석탄이나 다른 화석 연료는 바이오매스에 해당하지 않는다.[13]
3. 종류
“바이오연료”라는 용어는 여러 가지 의미로 사용된다. 한 가지 정의는 “바이오연료는 고체, 액체 또는 기체 형태의 바이오 기반 제품으로, 곡물이나 목재와 같은 천연 제품 또는 당밀이나 바가스와 같은 농업 잔류물에서 생산된다”는 것이다.[11] 다른 문헌에서는 운송에 사용되는 액체 또는 기체 연료만을 바이오연료로 지칭하기도 한다.[12]
IPCC 제6차 평가 보고서에서는 ''바이오연료''를 “일반적으로 액체 형태의 바이오매스로부터 생산되는 연료”로 정의한다. 여기에는 사탕수수, 사탕무 또는 옥수수에서 얻는 바이오에탄올과 카놀라 또는 대두에서 얻는 바이오디젤 등이 포함된다.[13] 이 보고서에서 ''바이오매스''는 “화석화되었거나 지질 형성에 포함된 물질을 제외한 유기 물질”을 의미하며,[13] 따라서 석탄이나 다른 화석 연료는 바이오매스로 간주하지 않는다.
한편, "바이오연료"라는 용어가 바이오매스로 만들어진 고체연료를 가리키는 경우도 있지만, 이는 상대적으로 덜 일반적인 용법이다.[12]
3. 1. 액체 바이오연료
액체 바이오연료는 주로 수송용 연료로 사용되며, 가솔린이나 경유와 같은 기존 화석 연료를 대체할 수 있는 재생 가능 에너지원이다. 주요 액체 바이오연료는 다음과 같다.3. 1. 1. 바이오에탄올
바이오에탄올은 생물학적으로 생산되는 알코올 연료의 한 종류로, 가장 일반적으로 에탄올을 지칭하며, 드물게 프로판올과 부탄올도 포함될 수 있다.[21] 이는 주로 미생물과 효소의 작용을 통해 설탕이나 전분(생산이 비교적 용이함) 또는 셀룰로오스(생산이 더 어려움)를 발효시켜 만들어진다.
=== 1세대 바이오에탄올 ===
전통적인 방식의 바이오에탄올은 주로 옥수수, 사탕수수, 사탕무, 당밀과 같이 저렴하게 구할 수 있는 곡물이나 당분이 풍부한 작물을 원료로 사용한다.[21] 감자나 과일 폐기물 등도 원료가 될 수 있다. 생산 과정은 먼저 효소를 이용해 원료 속의 전분을 설탕으로 분해(효소 소화)한 뒤, 효모를 이용해 알코올 발효를 시켜 에탄올을 얻는다. 이후 발효액을 여과하고 증류, 건조 과정을 거쳐 순도 높은 에탄올을 생산한다.[21] 증류 과정에는 상당한 에너지가 투입되어야 하는데, 브라질에서는 주로 사탕수수 찌꺼기인 바가스를 연료로 사용하며, 유럽 등지에서는 펠릿, 목재 칩, 폐열 등을 활용한다.[21] IEA는 2021년 전 세계 에탄올 생산에 설탕 공급량의 약 20%, 옥수수 공급량의 약 13%가 사용된 것으로 추정했다.[20]
그러나 1세대 바이오에탄올은 식용 작물을 원료로 사용하기 때문에, 세계적인 식량 위기 가능성을 높이고 곡물 가격 상승을 부추겨 식량 안보를 위협할 수 있다는 비판에 직면해 있다. 이는 특히 식량 자급률이 낮거나 경제적으로 취약한 국가들에게 큰 부담으로 작용할 수 있다.
=== 2세대 바이오에탄올 (셀룰로오스 에탄올) ===
이러한 식량과의 경쟁 문제를 해결하고 지속 가능한 에너지 생산을 위해, 비식용 자원을 활용하는 2세대 바이오에탄올 기술 개발이 활발히 진행되고 있다. 이는 볏짚, 옥수수 줄기와 같은 농업 부산물, 임업 폐기물, 폐목재, 풀 등을 원료로 사용한다. 식물체의 주성분인 셀룰로오스를 열이나 균류를 이용해 분해한 후, 특정 미생물(예: 코리노균)이나 효모로 발효시켜 에탄올을 생산한다. 셀룰로오스를 원료로 하기에 셀룰로오스 에탄올이라고도 불린다.
2세대 바이오에탄올은 폐자원을 에너지로 전환하여 환경 부담을 줄이고 에너지원을 다양화할 수 있다는 점에서 미래 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 셀룰로오스 분해 및 발효 공정이 1세대에 비해 복잡하여 아직 생산 단가가 높은 편이다. 경제성 확보를 위한 기술 개발이 중요한 과제로 남아 있으며, RITE와 혼다가 공동 개발한 RITE-HONDA 공정 등 비용 절감을 위한 노력이 이루어지고 있다.
=== 특징 및 과제 ===
바이오에탄올은 분자 내에 산소 원자를 하나 포함하고 있어, 탄화수소인 가솔린보다 단위 중량당 연소열이 낮다는 단점이 있다. 하지만 다양한 식물 자원을 원료로 사용할 수 있고, 특히 폐기물을 활용할 경우 원료비를 절감할 수 있다는 장점이 있다. 또한 연소 시 황산화물이나 질소산화물 배출이 매우 적고, 원료인 식물이 생장 과정에서 대기 중 이산화탄소를 흡수하므로 탄소 중립적인 연료로 간주되어 기후 변화 대응에 기여할 수 있다.
주요 과제로는 1세대 바이오에탄올의 경우 식량과의 경쟁 및 곡물 가격 상승 문제가 있으며, 2세대 바이오에탄올은 아직 높은 생산 비용 문제가 있다. 또한, 전 세계 자동차 연료 수요를 바이오에탄올로 충당하기 위해서는 막대한 양의 경작지가 필요하다는 근본적인 한계도 지적된다.
=== 활용 및 현황 ===
바이오에탄올은 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 바이오연료이며, 특히 브라질에서 활발하게 사용된다.[21] 브라질은 풍부한 사탕수수를 기반으로 에탄올을 대량 생산하며, 100% 에탄올 연료 또는 가솔린과 에탄올을 85% 혼합한 E85 연료가 자동차 연료로 널리 보급되어 있다. 바이오연료 사용이 가능한 플렉스 연료 차량도 다수 운행되고 있다.[105] E85 연료는 일반 가솔린보다 이산화탄소 배출량이 70% 적은 것으로 알려져 있다.
미국에서는 주로 옥수수를 원료로 에탄올을 생산하며, 생산된 에탄올은 대부분 가솔린에 10% 첨가하는 E10(일명 가솔홀) 형태로 소비된다.
일본은 이 분야에서 상대적으로 후발 주자로, 경제산업성 주도로 관련 사업을 추진하고 있다.[106] 2007년부터 에탄올을 소량 함유한 가솔린의 시험 판매를 시작했으며, 사탕수수나 사탕무의 찌꺼기인 바가스를 활용한 생산 기술 연구를 진행하고 있다.
=== 역사 ===
알코올 연료는 자동차 산업 초기부터 연료로 사용되었으나, 저렴하고 안정적인 석유 공급이 이루어지면서 점차 사용이 줄었다. 그러나 1970년대 석유파동을 계기로 메탄올, 에탄올 등 대체 연료로서 다시 주목받기 시작했다.
=== 관련 기술 ===
에탄올은 2-메틸프로펜과 반응시켜 옥탄가 향상제인 에틸 tert-부틸 에테르(ETBE)를 합성하는 데 사용되기도 한다. 이는 가솔린의 품질을 높이는 첨가제로 활용된다.
3. 1. 2. 바이오디젤
바이오 오일의 한 종류인 바이오디젤은 우지(소기름)와 같은 동물의 지방이나 식물성 기름을 에스터교환반응시켜 만들며, 디젤 엔진의 연료로 사용될 수 있다.
바이오디젤은 유럽에서 가장 흔하게 사용되는 바이오연료이다. 이는 기름이나 지방을 에스터교환반응을 통해 생산하며, 화학적으로는 주로 지방산 메틸 에스터(FAMEs) 또는 지방산 에틸 에스터로 구성되어 있어 일반적인 석유 기반 디젤과 유사한 액체 연료이다.[26] 바이오디젤의 원료로는 동물성 지방, 식물성 기름을 비롯하여 콩, 유채, 피마자, 마후아나무, 겨자, 아마, 해바라기, 팜유, 대마, 개갓냉이, ''Pongamia pinnata'' 및 미세조류 등이 있다. 순수 바이오디젤(B100)은 기존 디젤 연료에 비해 최대 60%까지 배출가스를 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다 (2세대 B100 기준).[27] 호주의 CSIRO 연구원들은 엔진 윤활유로서 홍화 기름을 연구해 왔으며, 미국의 몬태나 주립대학교 고급연료센터 연구원들은 대형 디젤 엔진에서 홍화 기름의 성능을 연구하여 "획기적인" 결과를 얻었다고 보고했다.[28]
바이오디젤은 일반 디젤과 혼합하여 모든 디젤 엔진이나 개조된 장비에 사용할 수 있다. 순수한 형태(B100)로도 디젤 엔진에 사용 가능하지만, 원료에 따라 낮은 온도에서 연료의 점도가 높아지는 경향이 있어 겨울철에는 유지보수나 성능 문제가 발생할 수 있다.[29]
1990년대 후반부터 도입된 전자 제어식 '커먼 레일'이나 '유닛 인젝터' 방식의 엔진들은 연료 점도에 민감한 정밀 분사 시스템을 사용하기 때문에, 기존 디젤 연료와 혼합된 바이오디젤만 사용해야 한다. 하지만 많은 최신 디젤 엔진들은 엔진 자체를 변경하지 않고도 B100으로 작동하도록 설계되기도 했으나, 이는 연료 레일 설계에 따라 달라질 수 있다.
바이오디젤은 효과적인 용매 역할을 하여, 기존 디젤 연료 사용으로 인해 연료 탱크나 파이프에 쌓인 침전물을 녹여낼 수 있다. 이 때문에 바이오디젤을 사용하기 시작하면 엔진 필터를 더 자주 교체해야 할 수도 있다. 또한 엔진 연소실 내부의 탄소 침전물을 효과적으로 제거하여 엔진 효율을 유지하는 데 도움을 준다.
바이오디젤은 분자 내에 산소를 포함하는 산소화합물 연료로, 일반 디젤보다 탄소 함량이 적고 수소와 산소 함량이 높다. 이는 바이오디젤의 연소를 개선하고, 불완전 연소로 인한 미세먼지 배출을 줄이는 효과를 가져온다. 다만, 순수 바이오디젤을 사용할 경우 질소산화물(NOx) 배출량이 증가할 수 있다는 단점도 있다.[30] 바이오디젤은 독성이 없고 생분해성이며, 인화점이 약 148°C로 높아(52°C인 석유 디젤보다 높음) 취급과 운송이 비교적 안전하다.[31]
유럽의 많은 국가에서는 5%의 바이오디젤을 혼합한 연료(B5)가 널리 사용되며, 수천 개의 주유소에서 판매되고 있다.[32][33] 프랑스에서는 모든 디젤 차량 연료에 8%의 바이오디젤(B8)을 혼합하여 사용한다.[34] 프랑스의 아브릴 그룹은 Diester라는 브랜드로 유럽 연합 전체 바이오디젤 소비량의 약 5분의 1에 해당하는 연간 1,100만 톤을 생산하며, 유럽 최대의 바이오디젤 생산업체로 자리매김하고 있다.[35][34]
3. 1. 3. 기타 액체 바이오연료
바이오부탄올은 부탄올(화학식: C4H9OH)을 바이오매스로부터 생산하는 연료이다. 아세톤-부탄올-에탄올 발효(ABE 발효)라는 과정을 통해 얻을 수 있으며, 이 과정을 개선하여 부탄올만을 효율적으로 생산하는 연구가 진행 중이다. 바이오부탄올은 기존 휘발유 엔진을 변경하지 않고도 사용할 수 있다는 큰 장점을 가진다.[23] 또한, 바이오에탄올보다 에너지 함량이 높고, 부식성이 낮으며, 물에 잘 섞이지 않아 기존 연료 유통 인프라를 통해 운반하기 용이하다. 유전자 변형된 대장균을 이용해 아미노산 대사 과정을 바꿔 부탄올을 생산하는 데 성공하기도 했다.[24] 초기에는 대장균 배양에 필요한 영양 배지의 높은 비용이 문제였으나, 최근 연구에서는 최소한의 영양만으로도 부탄올 생산이 가능함을 보여주었다.[25] 때때로 바이오가솔린이라고 불리기도 하지만, 바이오부탄올은 알코올이며 탄화수소인 가솔린과는 화학적으로 다르므로 정확한 표현은 아니다.
식물성 기름 자체를 연료로 사용하기도 한다. 일반적으로 정제되지 않은 식물성 기름(Straight vegetable oil, SVO)은 그대로 사용되지 않지만, 품질이 낮은 기름이나 폐식용유(Waste vegetable oil, WVO)는 연료 목적으로 사용되어 왔다. 사용된 식물성 기름은 점점 바이오디젤로 가공되거나, 물과 미립자를 제거한 후 연료로 사용된다. 국제 에너지 기구(IEA)는 2021년 전 세계 식물성 기름 공급량의 약 17%가 바이오디젤 생산에 사용된 것으로 추정했다.[20]
식물성 기름이나 동물성 지방에 수소를 첨가하여 만드는 수소화 처리된 식물성 오일(HVO, Hydrotreated Vegetable Oil) 또는 수소화유도 있다. 촉매(일반적으로 수산화나트륨[NaOH]) 존재 하에 기름이나 지방을 단쇄 알코올(주로 메탄올)과 반응시킨 후 수소화하여 디젤 대체 연료를 생성할 수 있다.[47] 이 연료는 세탄가가 높고 방향족 화합물과 황 함량이 낮으며 산소를 포함하지 않는 직쇄 탄화수소이다. 수소화유는 기존 경유(디젤)와 모든 비율로 혼합될 수 있으며, 저온 성능이 우수하고 저장 안정성이 높으며 미생물에 의한 변질 우려가 적다는 장점이 있다.[48]
바이오가솔린은 생물학적 방법이나 열화학적 방법으로 생산할 수 있다. 생물학적 방법으로는, 한국과학기술원(KAIST)의 이상엽 특훈교수가 이끄는 연구팀이 유전자 변형 대장균을 이용하여 포도당과 같은 당분을 섭취하고 효소를 생산하여, 이를 통해 상업용 휘발유와 화학적, 구조적으로 동일한 탄화수소를 생산하는 방법을 개발하여 국제 학술지 《네이처》에 발표했다.[49] 열화학적 바이오가솔린 생산 방법은 바이오디젤 생산에 사용되는 방법과 유사하다.[38][39][40] 바이오가솔린은 드롭인 가솔린 또는 재생 가솔린이라고도 불린다.
바이오에테르(연료 에테르 또는 산소화 연료)는 연료의 옥탄가를 높이는 첨가제로 사용되는 비용 효율적인 화합물이다. 이소부틸렌과 같은 반응성 이소-올레핀과 바이오에탄올의 반응으로 생성된다. 밀이나 사탕무, 또는 바이오디젤 생산 과정에서 나오는 폐글리세롤로부터도 생산될 수 있다. 엔진 성능을 향상시키면서 엔진 마모와 유독 배기가스를 줄이는 효과가 있으며, 지표면 오존 생성을 줄여 대기 질 개선에도 기여한다. 수송 연료에 사용되는 주요 에테르 첨가제로는 디메틸 에테르(DME), 디에틸 에테르(DEE), 메틸 tert-부틸 에테르(MTBE), 에틸 tert-부틸 에테르(ETBE), tert-아밀 메틸 에테르(TAME), tert-아밀 에틸 에테르(TAEE) 등이 있다. 유럽에서는 MTBE와 ETBE가 납 대체 첨가제로 흔히 사용된다.
2,5-디메틸푸란(DMF)은 과당이나 포도당을 원료로 하여 제조할 수 있는 액체 연료이다. 화학적으로 비교적 안정적이며, 에탄올보다 에너지 밀도가 높고 물과 쉽게 분리되어 정제가 용이하다는 장점을 가진다.
유기물 쓰레기로부터 액체 연료를 얻을 수도 있다. 유기물 쓰레기가 썩으면서 열분해(Thermal depolymerization) 과정을 통해 메탄과 기름 성분을 방출하는데, 이를 포집하여 연료로 사용할 수 있다. 쓰레기 매립지에 관정을 설치하여 메탄과 기름을 회수하는 방식이 가능하다.
3. 2. 기체 바이오연료
메탄은 유기물이 썩으면서 발생하며, 이를 포집하여 연료로 사용할 수 있다. 또한, 목탄 가스는 나무에서 추출하여 자동차 연료로 사용될 수 있다.
3. 2. 1. 바이오가스
바이오가스는 주로 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)로 구성된 혼합 가스로, 미생물이 산소가 없는 환경에서 유기물을 분해하는 혐기성 소화 과정을 통해 생성된다. 이 혼합물에는 수증기, 황화수소(H2S), 실록산, 기타 탄화수소, 암모니아(NH3), 산소(O2), 일산화탄소(CO), 질소(N2)와 같은 다른 미량 성분도 포함될 수 있다.[58][59]
바이오가스는 생분해가 가능한 폐기물을 이용하거나, 가스 생산량을 늘리기 위해 혐기성 소화조에 투입되는 에너지 작물을 사용하여 생산할 수 있다. 소화 과정에서 나오는 고체 부산물인 소화액은 바이오연료 또는 비료로 사용할 수 있다. 바이오가스에서 이산화탄소 및 기타 불순물을 제거하면 순도를 높인 바이오메탄이 된다. 또한, 메탄화 기술을 통해 이산화탄소를 수소(H2)와 반응시켜 추가적인 메탄을 생성할 수도 있다.
바이오가스는 기계적 생물학적 처리(MBT) 폐기물 처리 시스템에서 회수할 수 있다. 쓰레기 매립지에서 자연적으로 발생하는 혐기성 소화를 통해 생성되는 매립지 가스는 덜 깨끗한 형태의 바이오가스이다. 매립지 가스가 대기 중으로 유출되면 온실 효과를 일으키는 온실 가스로 작용한다.
스웨덴에서는 "폐기물 에너지화" 발전소에서 쓰레기로부터 메탄 바이오가스를 포집하여 대중교통 시스템의 동력원으로 사용한다.[60] 농부들은 혐기성 소화조를 이용하여 소의 분뇨에서 바이오가스를 생산할 수 있다.[61]
바이오다이제스터(bio-digester)는 사람의 배설물, 농업 폐기물, 하수 슬러지와 같은 유기물을 분해하여 재생 가능한 연료인 바이오가스를 생산하는 장치이다.[77][78] 바이오다이제스터는 미생물을 이용하여 산소가 없는 상태에서 유기물을 분해하는 혐기성 소화 과정을 통해 바이오가스를 생산한다.[79] 혐기성 소화 과정에는 가수분해, 산 생성(acidogenesis), 아세트산 생성(acetogenesis), 그리고 메탄 생성(methanogenesis) 단계가 포함된다.[80] 유기물이 썩으면서 발생하는 메탄은 포집하여 연료로 사용할 수 있다.
3. 2. 2. 바이오수소
(작성할 내용 없음 - 원본 소스에 '바이오수소' 관련 정보가 포함되어 있지 않음)
3. 3. 고체 바이오연료
"바이오연료"라는 용어는 바이오매스로 만든 고체연료를 가리키는 데에도 사용되지만, 이는 덜 일반적이다.[12] 고체 바이오연료의 예시는 다음과 같다.
4. 첨단 바이오연료 (2세대 및 3세대 바이오연료)
식량 대 곡물 논쟁을 피하기 위해 개발된 2세대 바이오연료 및 3세대 바이오연료는 첨단 바이오연료, 지속 가능한 바이오연료, 또는 드롭인 바이오연료라고도 불린다. 이 연료들은 식량이나 사료 작물과 직접 경쟁하지 않는 폐기물이나 에너지 작물을 원료로 사용한다.[17] 농업 및 임업 활동에서 발생하는 볏짚, 볏껍질, 나무 조각, 톱밥과 같은 다양한 재생 가능한 잔류물을 생화학적 및 열화학적 공정을 통해 첨단 바이오연료 생산에 활용할 수 있다.[15] [18]
첨단 바이오연료의 원료는 경작지에서 재배되기도 하지만, 주로 작물의 부산물이거나 비생산적인 토지에서 얻는다. 2세대 원료에는 짚, 바가스, 다년생 풀, 피마자, 폐식용유, 도시 고형 폐기물 등이 포함된다.[19]
1세대 바이오연료는 사탕수수나 옥수수 같은 식량을 원료로 바이오에탄올을 생산했지만, 이는 사료용 곡물 경작 면적 감소와 곡물 가격 급등 문제를 야기했다. 반면, 2세대 바이오연료는 식용으로 거의 사용되지 않는 조류(algae) 등의 바이오매스[112], 폐지, 헌 옷[112], 톱밥, 소똥 등 다양한 폐기물 속 유기물을 분해하여 생산한다. 기존에 활용되지 않던 유기물을 이용하므로 수요 증가가 곡물 가격에 미치는 영향은 적다. 그러나 생산 수율이 낮고, 원재료는 저렴하지만 단위 열량당 제조 비용이 높아질 수 있다는 단점이 있다[113][114][115][116][117]. 2013년 이후 여러 곳에서 관련 플랜트가 건설되었지만, 셀룰로오스 분해를 위해 초임계수 등을 사용하는 방식[118][119][120][121]은 제조 비용이 비싸고 고도의 기술이 필요하여 널리 보급되지 못했다. 게다가 2010년대 원유 가격 하락으로 인해 개발이 침체되기도 했다.
일본에서는 오카라(두부 비지)를 원료로 바이오에탄올을 정제하려는 노력이 있었으며, 시즈오카유카공업주식회사는 2008년부터 산업 폐기물로 처리되던 오카라를 재활용한 바이오연료 제조를 시작했다[122][123].
식물 세포벽의 셀룰로오스를 효율적으로 분해하는 것은 21세기 초 기술로는 어려운 과제였다. 열과 고압을 가해 초임계수를 사용하거나 특수 화학 처리가 필요했고, 셀룰라아제 효소를 이용하는 방법도 전처리 과정이 복잡했다[115]. 이러한 가운데 메릴랜드대학교의 Steve Hutcheson은 체서피크만 늪지에서 발견된 박테리아 Saccharophagus degradans|사카로파구스 데그라단스영어가 강력한 셀룰로오스 분해 능력을 가졌음을 발견했다[124][115]. Zymetis사는 유전자 재조합을 통해 이 박테리아의 분해 효율을 높여, 72시간 만에 1톤의 셀룰로오스 바이오매스를 당으로 변환할 수 있음을 증명했다[125][115]. 또한 흰개미 소화기관 내 공생균의 셀룰로오스 분해 과정 역시 바이오매스 에탄올 생산에 활용될 가능성이 있어 류큐대학교와 이화학연구소 등에서 연구가 진행 중이다[126][127][128][129][130][131][132][133].
3세대 바이오연료 연구는 주로 조류(algae)를 중심으로 이루어진다. 전 세계 연못이나 호수 등에 서식하며 스스로 기름을 만드는 보트리오코쿠스를 배양하여 바이오연료를 추출하는 연구가 진행 중이다[134]. 조류 오란시오키트리움에 대한 연구도 활발하다. 일본 기업 유글레나는 조류의 일종인 미도리무시(유글레나)에서 얻는 바이오연료를 2020년까지 실용화하는 것을 목표로 삼았다. 미도리무시는 호기성 조건에서는 다당의 일종인 파라밀론을 저장하고, 혐기성 조건에서는 이를 왁스에스터로 전환한다. 배가시간이 약 12시간으로 짧고 세포 크기가 커 단위 시간당 바이오매스 생산량이 많은 점, 40% 고농도 이산화탄소, 방사성 물질, pH 3의 산성 환경 등 극한 조건에서도 배양이 가능하다는 장점이 있다[135][136]. 미도리무시에서 생성된 왁스에스터 기반 연료는 저온에서도 잘 굳지 않아 제트 연료 규격에 적합하다[137]. 유글레나사는 요코하마시에 바이오제트연료 제조 실증 설비를 건설하여 2019년부터 상용 비행용 연료 생산을 계획했으며[138], 에어로지랩과 공동으로 오키나와현 타케토미섬과 이시가키섬 사이에서 미도리무시 유래 바이오연료를 사용한 드론 비행 실증 실험에 성공하기도 했다. 이 드론은 약 5.5km 거리를 고도 100m에서 약 15분간 비행했으며, 최대 150분 비행 및 4kg의 화물 운반이 가능하다[139].
한편, 바이오연료 제조 과정에서 하수 처리나 인(P) 등의 자원 회수를 병행하여 부가가치를 창출하고 외관상 비용을 절감하는 방안도 검토되고 있다[140].
5. 미세조류 바이오연료
미세조류는 육지의 연못이나 탱크, 그리고 바다 등 다양한 환경에서 생산될 수 있다.[63][64] 미세조류를 이용한 바이오연료는 기존 작물 기반 바이오연료에 비해 단위 면적당 생산 수율이 높고,[65] 인화점이 높아 상대적으로 안전하다는 장점이 있다.[66] 또한, 담수 자원에 대한 부담을 최소화하면서 재배할 수 있으며,[67][68][69] 염수나 폐수를 이용하여 생산할 수도 있다.[70][71] 생산된 연료는 생분해성을 가지며, 유출 시 환경에 미치는 영향이 비교적 적다.[70][71]
그러나 미세조류 바이오연료 생산에는 상당한 양의 에너지와 비료가 필요하며, 생산된 연료는 다른 바이오연료보다 빠르게 분해되는 경향이 있다. 또한 저온에서는 유동성이 떨어지는 단점도 지적된다.[63][72] 경제성 문제로 인해 2017년까지 미세조류로부터 연료를 대량 생산하려는 시도는 대부분 중단되거나 다른 용도로 전환되었다.[73]
3세대 및 4세대 바이오연료 연구에는 해조류와 시아노박테리아와 같은 생물공학적으로 조작된 미세조류를 활용하는 방안이 포함된다.[74] 이러한 미세조류는 물, 이산화탄소, 태양 에너지를 이용하여 직접 바이오연료를 생산할 수 있으며,[74] 기존 바이오연료보다 광자-연료 전환 효율이 더 높을 것으로 기대된다.[74] 미세조류 배양에는 농경지가 필요하지 않다는 장점도 있지만,[75] 아직 연구 단계에 머물러 있으며 배양 비용이 매우 높다는 단점이 있다.[75]
다양한 종류의 미세조류가 바이오연료 생산 연구에 활용되고 있다. 예를 들어, 전 세계 연못과 호수 등에 서식하며 스스로 기름을 생성하는 보트리오코쿠스(Botryococcus)를 배양하여 추출한 기름을 바이오연료로 사용하는 연구가 진행 중이다.[134] 조류의 일종인 오란시오키트리움(Aurantiochytrium)에 대한 연구도 활발하다.
일본의 유글레나 (기업)는 유글레나(Euglena)라는 미세조류에서 얻는 바이오연료의 실용화를 추진하고 있다. 유글레나는 빛과 산소가 충분한 조건에서는 파라밀론이라는 다당류를 저장하고,[135][136] 산소가 부족한 혐기성 조건에서는 파라밀론을 분해하여 왁스에스터를 생성한다. 유글레나는 약 12시간마다 분열하는 빠른 배가시간과 상대적으로 큰 세포 크기 덕분에 단위 시간당 바이오매스 생산량이 높다. 또한, 40%의 고농도 이산화탄소 조건이나 pH 3의 강한 산성 조건에서도 생존 가능하며, 방사성 물질에 대한 저항성도 높은 것으로 알려져 있다.[135][136] 유글레나에서 생성된 왁스에스터 기반 연료는 저온에서도 잘 굳지 않아 제트 연료로의 활용 가능성이 주목받고 있다.[137] 유글레나 사는 요코하마시에 바이오 제트 연료 제조 실증 설비를 건설하여 상용 비행용 연료 생산을 계획했으며,[138] 에어로지랩과 공동으로 오키나와현의 타케토미섬과 이시가키섬 사이에서 유글레나 유래 바이오연료를 사용한 드론 비행 실증 실험을 성공적으로 수행하기도 했다.[139]
한편, 미세조류 바이오연료 생산 비용을 절감하기 위해 하수 처리나 유용 자원(인 등) 회수와 같은 부가 가치를 창출하는 방안도 함께 연구되고 있다.[140]
6. 과제
바이오연료는 현존하는 생물을 이용하여 만드는 연료로서 재생 가능 에너지의 하나로 주목받고 있으며[101], 화석 연료를 대체할 수 있는 비고갈성 자원으로 여겨진다. 또한 지구 온난화 문제 해결을 위한 이산화탄소(CO₂) 감축 요구가 커지면서 탄소 중립이라는 특성[102] 역시 중요한 장점으로 부각되고 있다.
그러나 이러한 긍정적인 측면에도 불구하고, 바이오연료의 생산과 이용 확대 과정에서는 해결해야 할 여러 가지 과제들이 존재한다. 특히 환경에 미치는 영향, 식량 안보와의 충돌 가능성, 경제성 확보 문제 등 다양한 측면에서 신중한 검토와 접근이 요구된다. 이러한 문제점들은 바이오연료가 지속 가능한 에너지원으로 자리 잡기 위해 반드시 넘어야 할 장벽으로 인식되고 있다.
6. 1. 환경 문제
바이오연료가 기후변화에 미치는 영향에 대한 평가는 분석 방법이나 대상 환경에 따라 결과가 크게 달라질 수 있다.[86]
일반적으로 바이오연료는 연소 과정에서 발생하는 온실가스 배출량이 화석 연료보다 적고, 원료인 식물이 성장 과정에서 대기 중 이산화탄소(CO2)를 흡수했기 때문에 탄소 중립 연료로 여겨진다.[87] 생산 과정에 탄소 포집 기술을 결합하면 온실가스 배출량을 -127.1 gCO2eq/MJ 수준까지 낮출 수도 있지만, 원료 생산을 위한 토지 이용 변화가 클 경우 오히려 배출량이 95 gCO2eq/MJ를 초과할 수도 있다.[39][40] 바이오연료의 온실가스 배출량은 원료의 종류와 원산지, 생산 기술, 분석 범위 설정, 사용된 에너지원 등 다양한 요인에 따라 달라진다.[40] 그럼에도 불구하고 유럽 연합이나 영국 등 많은 국가에서는 바이오연료가 화석 연료 대비 온실가스 배출량을 최소 65% 이상(비생물 기원 재생 가능 연료는 70%) 감축해야 한다는 정책을 시행하고 있다.[88][89]
특히 1세대 바이오연료의 경우, 원료 재배를 위한 토지 이용 변화 과정에서 상당한 양의 온실가스가 추가로 배출될 수 있다는 수명주기 평가 결과가 있다.[86][90] 토지 이용 변화가 없다면 1세대 바이오연료가 화석 연료보다 평균적으로 배출량이 적을 수 있지만,[86] 바이오연료 생산은 식량 생산과 경쟁하는 문제를 낳는다. 예를 들어, 미국에서는 생산되는 옥수수의 최대 40%가 에탄올 생산에 사용되며,[91] 전 세계적으로는 모든 곡물 생산량의 10%가 바이오연료로 전환되고 있다.[92] 미국과 유럽에서 바이오연료용 곡물 사용량을 절반으로 줄이면 우크라이나 전쟁 등으로 부족해진 곡물 수출량 전체를 대체할 수 있다는 분석도 있다.[93] 또한 여러 연구에서는 바이오연료 사용으로 인한 온실가스 감축 효과가 해양 산성화, 부영양화, 물 발자국 증가, 생물 다양성 손실과 같은 다른 환경 문제를 대가로 얻어지는 것일 수 있음을 지적한다.[86]
2세대 바이오연료는 식물의 비식용 부분을 활용하므로 환경적 지속 가능성이 더 높을 것으로 기대된다.[94] 하지만 이는 리그노셀룰로오스계 바이오매스에 대한 수요 경쟁을 심화시켜 2세대 바이오연료의 생산 비용을 높이는 요인이 된다.[95]
이론적으로 조류를 이용하는 3세대 바이오연료는 토지 이용 변화가 적고 살충제 사용이 불필요하여 1, 2세대보다 환경 부담이 적을 것으로 예상된다.[96] 그러나 실제 데이터 분석 결과, 3세대 바이오연료 생산에 필요한 기반 시설 구축과 에너지 투입에 따른 환경 비용이 바이오연료 사용으로 얻는 이익보다 클 수 있다는 점이 지적되었다.[97]
팜유를 원료로 하는 바이오디젤 생산은 심각한 환경 문제를 야기하고 있다. 유럽 연합 집행위원회는 팜유 기반 바이오연료가 삼림 벌채와 환경 오염 등 심각한 환경 및 사회적 문제를 일으킨다는 점을 고려하여 2030년까지 단계적으로 사용을 금지하기로 결정했다.[98][99]
바이오연료 생산 공정 자체가 많은 에너지를 필요로 하며, 이 에너지가 화석 연료와 같은 재생 불가능한 자원에서 온다면 바이오연료 사용의 환경적 이점은 크게 줄어든다. 이를 해결하기 위한 방안으로, 바이오연료 생산 시설에 원자력 발전소의 잉여 에너지를 공급하여 탄소 배출이 적은 방식으로 생산 에너지를 확보하는 방법이 제안되기도 했다.[100]
또한 바이오연료 생산 및 사용 과정에서 CO2 외의 다른 온실가스 배출 문제도 고려해야 한다. 예를 들어, 일부 바이오연료는 연소 시 아산화질소(N2O)를 일반 연료보다 2배 더 많이 배출하는데, N2O는 CO2보다 약 310배 강력한 온실 효과를 지니므로 오히려 지구 온난화를 가속할 수 있다는 지적이 파울 크뤼천 박사 등에 의해 제기되었다.[149][150] 따라서 CO2 감축뿐만 아니라 다른 온실가스 배출까지 고려한 종합적인 대책 마련이 필요하다. 바이오연료 생산 플랜트 건설이나 원료 작물 재배를 위한 용지 확보 과정에서 산림 벌채 등이 발생할 경우, 생산부터 사용까지 전 과정에서 환경에 악영향을 미칠 수 있다는 비판도 존재한다.[102]
6. 2. 식량과의 경합 문제
바이오연료는 식물을 이용하며, 특히 바이오에탄올 생산 등에 사용하기 쉬운 옥수수, 사탕수수 등 전분질이 많은 곡물이 초기(1세대) 바이오연료의 주요 원료였다. 바이오연료를 대량으로 증산하려면 많은 작물이 필요하지만, 특별한 정책적 지원이 없는 한 작물 경작 면적은 급격히 늘어나기 어렵다.곡물 생산량이 정체된 상태에서 바이오연료 수요만 증가하면, 식량으로 쓰여야 할 곡물이 연료 생산에 사용되어 곡물 가격 급등과 식량 부족을 유발할 수 있다는 우려가 제기된다. 또한, 농민들이 바이오연료용 작물 재배로 전환하면서 다른 식량 작물의 생산이 줄어들고, 해당 작물의 가격 상승 및 부족으로 이어질 가능성도 있다. 이는 식량 안보에 직접적인 위협이 될 수 있으며, 특히 일본처럼 식량 자급률이 낮은 국가(약 40%, 칼로리 기준)의 경우 연료로 사용할 곡물 확보 자체가 어렵다는 지적도 나온다.
이러한 식량과의 경합 문제를 해결하기 위해, 식용 작물이 아닌 비식용 작물이나 폐기물 등을 이용하는 2세대 바이오연료 개발이 요구되고 있다.
6. 3. 경제성 문제
바이오연료 보급의 주요 과제 중 하나는 경제성 문제이다. 현재 바이오연료의 생산 비용은 가솔린과 같은 기존 화석연료에 비해 다소 높은 수준이다.[102] 일본의 경우, 세금 제도상 가솔린과 동일하게 취급되어 판매 가격이 높아지는 문제가 있으며, 2007년 4월에 시작된 시험 판매에서는 경제산업성과 석유연맹이 가솔린과의 가격 차이를 보전해주기도 했다.원료 확보 문제 역시 바이오연료의 경제성에 영향을 미치는 중요한 요인이다. 특히 옥수수나 사탕수수와 같이 전분이나 당 함량이 높아 바이오연료로 전환하기 쉬운 작물을 원료로 사용할 경우, 대량 생산은 필연적으로 해당 작물에 대한 수요 증가로 이어진다. 이는 경작지 확대 등 특별한 대책 없이 진행될 경우, 식량과의 경쟁을 유발하여 곡물 가격 급등과 식량 안보 문제를 야기할 수 있다. 식량 자급률이 낮은 국가에서는 이러한 문제가 더욱 심각하게 받아들여질 수 있으며, 식용 작물이 아닌 셀룰로오스계 바이오매스 등을 활용하는 2세대 바이오연료 개발의 필요성이 제기되는 배경이기도 하다.
생산 및 유통 과정에서도 상당한 비용이 발생한다. 바이오연료 생산 시설 건설, 원료 재배 및 수확, 발효 및 정제 공정, 그리고 최종 제품의 수송에 이르기까지 전 과정에서 에너지 소비와 비용 투입이 필요하다. 예를 들어, 2007년 당시 일본에서 판매된 바이오연료는 프랑스에서 수입되었는데, 이는 장거리 수송에 따른 추가적인 비용 부담을 의미한다. 또한, 생산 시설 건설이나 원료 작물 재배를 위해 산림을 벌채하는 경우, 환경 파괴 비용까지 고려해야 한다는 지적도 있다.
기술적인 문제 또한 경제성을 저해하는 요인으로 작용한다. 일부 바이오연료는 화학적으로 불안정하여(예: C=C 이중결합을 가진 분자) 저장이나 운송 중에 산화되거나 중합 반응을 일으켜 성질이 변할 수 있다. 이는 연료의 품질 저하로 이어질 수 있으며, 이를 방지하기 위한 특수 저장 시설이나 운송 방법이 요구된다. 자동차나 항공기 연료로 사용하기 위해서는 기존 연료 시스템과의 호환성 문제로 인해 연료 탱크 등의 개량이 필요할 수도 있으며, 이는 추가적인 비용 상승으로 이어진다. 따라서 바이오연료의 대량 생산과 보급을 위해서는 이러한 하드웨어 측면의 기술 혁신이 동시에 이루어져야 한다.
이처럼 여러 요인으로 인해 바이오연료의 미래 경제성 확보 여부는 아직 불확실하다. 실제 대량 생산 및 사용 경험이 충분히 축적되어야 정확한 비용 구조와 채산성을 평가할 수 있을 것이다.
다만, 경제성 개선을 위한 노력과 긍정적인 측면도 존재한다. 하수 슬러지나 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물을 메탄 생성균을 이용해 분해하여 메탄 가스를 생산하는 방식은, 농작물을 원료로 사용하는 방식에 비해 식량과의 경쟁 문제를 피할 수 있고 원료 확보가 용이하다는 장점이 있다. 또한 기존의 폐기물 처리 시설을 일부 개조하여 활용할 수 있어 초기 투자 비용을 상대적으로 절감할 수 있다. 일본 미야기현 도메시에서는 휴경지를 활용하여 바이오연료 생산을 목적으로 하는 다수확 벼를 시험 재배하는 등, 유휴 농지를 활용하여 비용을 절감하려는 시도도 이루어지고 있다.[147][148]
6. 4. 기타 문제
바이오연료의 보급과 증산 과정에서는 해결해야 할 여러 과제들이 존재한다.우선, 바이오연료는 주로 식물을 원료로 사용하며, 특히 녹말 함량이 높은 곡물이 원료로 사용하기 용이하다. 바이오연료 생산량을 늘리기 위해서는 많은 양의 작물이 필요하지만, 경작 면적은 쉽게 늘어나지 않는다. 곡물 생산량 증가 없이 바이오연료 수요만 늘어날 경우, 곡물 가격 급등과 식량 부족 문제가 발생할 수 있다. 이는 바이오연료로 사용되지 않는 다른 작물의 가격 상승과 부족으로 이어질 수도 있다. 특히 대한민국과 같이 식량 자급률이 낮은 국가에서는 연료용 곡물 확보에 대한 우려가 제기될 수 있다.[147] 이러한 문제를 해결하기 위해 식용 작물이 아닌 다른 원료를 사용하는 2세대 바이오연료 개발이 진행되고 있다.
경제성 문제도 있다. 현재 바이오연료의 생산 비용은 휘발유보다 다소 높으며, 세금 문제 등으로 인해 판매 가격 경쟁력을 확보하기 어렵다. 일본의 경우, 2007년 4월 시험 판매 당시 휘발유와의 가격 차이를 경제산업성과 석유연맹이 부담하기도 했다.
환경적인 측면에서도 논란이 있다. 바이오연료 사용이 이산화탄소(CO2) 배출량을 줄인다고 알려져 있지만[102], 생산 시설 건설, 제조 공정, 원료 및 제품 운송 과정에서 소비되는 화석 연료와 그로 인한 이산화탄소(CO2) 배출량을 정확히 파악하기 어렵다. 특히 원료 재배를 위한 산림 벌채 등 생산 전 과정에서 오히려 환경에 악영향을 미칠 수 있다는 지적도 있다. 반면, 일본 미야기현 도메시의 사례처럼 휴경지를 활용하여 바이오연료용 다수확 벼를 재배하는 등 긍정적인 측면도 있으며, 이 경우 비용 절감이 중요한 과제로 남아있다.[147][148]
기술적인 문제도 존재한다. 일부 바이오연료는 화학적으로 불안정하여 산화되거나 중합 반응을 일으키기 쉽다. 특히 이중결합을 가진 분자는 온도 변화에 민감하여 성질이 변할 수 있다. 이로 인해 저장 및 운송에 어려움이 따르며, 자동차나 비행기 등에 사용하기 위해서는 연료 탱크 등 기존 인프라의 개량이 필요할 수 있다. 이러한 기술적 문제들은 바이오연료의 생산 비용을 높이는 요인이 되며, 대량 생산을 위해서는 관련 기술 개발이 동시에 이루어져야 한다.
또한, 바이오연료 연소 시 일반 연료에 비해 아산화질소(N2O) 배출량이 2배에 달한다는 연구 결과도 있다. 아산화질소(N2O)는 이산화탄소(CO2)보다 약 310배 강력한 온실 효과를 가지므로, 바이오연료 사용이 오히려 지구 온난화를 가속화할 수 있다는 우려가 파울 크뤼천 박사 등에 의해 제기되었다.[149][150]
결론적으로, 지구 온난화는 이산화탄소(CO2) 외에도 다양한 온실효과가스에 의해 발생한다. 따라서 특정 연료로의 전환만으로는 근본적인 해결이 어려울 수 있다. 메탄과 같이 보다 강력한 온실가스를 연료로 활용하여 이산화탄소와 물로 변환하는 방안도 고려되고 있지만, 전기자동차나 바이오연료에만 의존하기보다는 종합적인 온실가스 감축 노력이 필요하다.
7. 대한민국의 바이오연료 정책
(내용 없음)
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