바이오에너지

바이오에너지(bioenergy)는 바이오매스를 연료로 하여 얻어지는 에너지로 생물자원의 물질로 사용 가능하도록 만들어진 대체에너지이다. 바이오매스로부터 얻어지는 바이오에너지는 그 용도나 형태에 따라 바이오가스, 바이오에탄올, 바이오디젤, 메탄올, 수소 등이 있으며 이는 난방의 원료나 자동차의 연료 등으로 사용된다. 바이오매스 에너지(Biomass energy)라고도 한다. 바이오매스로부터 얻은 연료는 바이오연료(biofuel)라고 한다.

개요

바이오에너지 원료는 유기성 폐기물, 농임산 부산물과 에너지 생산 목적으로 경작된 에너지 작물 등으로 매우 다양하다. 목질계 바이오매스나 농산물계 바이오매스 등은 수분이 적은 상태의 것이 많으며 연소나 가스화 등 열화학적 변환이 적합한 에너지자원이다. 축산폐기물, 산업폐수, 슬러지 등은 수분이 많아서 연소열 회수는 곤란하며, 메탄발효 등의 생물화학적 변환이 적합하다. 바이오매스 중 지속적인 공급 가능한 생산 원료는 에너지작물이다. 에너지작물이란 에너지 생산을 목적으로 재배하는 작물로 수목 등 삼림 바이오매스나 사탕수수, 팜 등이다. 이러한 바이오매스는 각각 다른 물리화학적 특성을 가지므로 원료 특성에 맞는 에너지 전환 기술이 적용되어야만 에너지 효율을 높일 수 있다. 동일한 원료라 하더라도 각각 다른 전환 기술을 적용하면 다른 형태의 에너지를 생산하게 되며, 다른 신재생 에너지원이 생산하지 못하는 수송용 연료를 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다. 바이오에너지는 생물 자원을 발효, 가스화 혹은 광합성함으로써 알코올, 메탄, 수소 등을 채취하여 이용하는 에너지이며 목재 등의 건조 바이오매스에서는 가스화 혹은 열분해에 의하여 가연 가스를 채취한다. 또 폐기액, 오물, 해조류 등에서는 혐기성 발효에 의하여 메탄가스를 얻어 내고, 고구마 등에서는 알코올을 만들어 낸다. 에너지원으로 이용되는 바이오매스는 햇빛을 화학에너지의 형태로 저장한 유기물이며 이는 나무, 나무 찌꺼기, 짚, 거름, 사탕수수 등과 그 외의 다양한 농업의 과정에서 나온 부산물을 연료로 사용한다.

인류는 주요 에너지자원으로 석유를 사용하고 있다. 그러나 미래에 고갈될 것으로 예상됨에 따라 이를 대신할 에너지원의 필요성이 절실하게 되었다. 석유 외에도 천연가스나 원자력이 급증하는 에너지 수요를 충족하기는 했으나 안정성과 비용 문제를 가지고 있어 완벽하게 대체할 수 없었다. 이에 친환경 에너지 자원인 바이오에너지가 등장했다. 바이오에너지는 1970년대 석유파동을 계기로 연구가 주목받기 시작했다. 1990년대에 들어와 리우환경회의 등으로 대기오염, 지구온난화 등 범 지구적 환경문제가 화석 연료 및 석유 자원의 과다 사용이 문제 원인으로 밝혀지면서 그에 대한 대안으로 바이오에너지를 활용하는 기술에 대한 개발이 활발해졌다. 화석 연료는 한 번 사용하면 고갈되어버리지만 바이오매스는 재생과 재활용이 모두 가능하며 친환경적이고 언제 어느 곳에서나 쉽게 얻을 수 있으며 화석 연료와 달리 연소할 때 오염물질을 배출시키지 않는다.

전 세계적으로 바이오매스를 활용하기 위해 힘쓰고 있으며 그중에서 핀란드가 선두주자이다. 핀란드는 국토의 87%를 차지하는 풍부한 산림자원을 바탕으로 다가오는 2020년까지 국가 전체 전력 생산량의 35% 이상을 바이오매스 전력으로 확보한다는 계획을 세우고 추진 중이다. 우리나라도 바이오매스를 활용한 대규모 발전소를 운영하고 있다. 충남 당진 부곡산업단지 내에 있는 바이오매스 발전소는 주로 야자열매껍질(PKS)을 연료로 활용하며 105MW 규모로 아시아 최대 크기다. 바이오매스 에너지는 생산할 때 넓은 면적의 토지가 필요하고 원료가 매우 다양해서 각 원료에 맞는 적합한 기술을 개발해야 하며 그에 따른 시설 마련에 대규모 설비에 대한 투자가 필요하므로 초기 비용이 크다는 단점이 있다. 또한 지속적으로 한 종류의 생물체만을 이용하여 에너지를 생산할 경우 생물의 다양성을 파괴할 수 있다. 우리나라는 재생 가능한 에너지 점유율을 2030년까지 전체 에너지의 11% 증가시키는 것을 목표로 하고 있으며, 그중 바이오매스가 차지하는 비율이 3.4% 정도이다.

바이오에너지 전환기술

바이오매스를 에너지로 전환하는 기술은 직접 연소법, 열화학적 변환법 및 생물화학적 변환법으로 구별할 있고, 식물유를 에스테르화하여 얻어지는 바이오디젤 제조기술 등이 있다.

직접 연소법

직접 연소법은 바이오매스를 직접 연소시켜 열을 직접 얻는 것은 물론 전력으로 변환시키는 기술을 포함한다. 이 방법은 바이오매스 변환이 가장 쉬워 널리 이용되는 방법이다. 목재가 난방 등의 열원으로 널리 사용되는 것 외에 폐목재, 나무 부스러기, 나무껍질, 톱밥 등의 목재폐기물을 열원으로 사용하게 된다. 또한 왕겨, 콩깍지 등의 농업부산물, 도시폐기물 등도 열원으로 이용할 수 있다. 화석연료에 비하여 발열량이 낮은 것이 단점이나, 바이오매스를 효과적으로 연소 시키기 위한 연소 방법 및 장치의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 바이오매스는 운반, 이용 등을 용이하게 하기 위해 여러 가지 가공을 하고 있다. 팰리트화 연료는 바이오매스를 분쇄, 건조, 압축한 후 펠리트 상으로 제조하는 것으로 바이오매스의 종류에 상관없이 연료화하는 것이 가능하다. 최근에는 생활 쓰레기 등의 생활폐기물을 연료화하기 위한 효율적인 장치도 개발되었고, 목질 바이오매스 외의 폐기물을 혼합, 정형화하여 열량이 높은 연료로도 제조되고 있다. 현재 연소는 스토커형, 선회류형, 유동상식 연소로 등으로 다양한 방법이 있으며 서유럽에서는 열병합 발전에 의한 지역냉난방, 태국 등 자원이 풍부한 개발도상국에서는 바이오매스 발전, 미국, 일본 등에서는 석탄 발전소 혹은 도시 쓰레기 소각로에서의 혼합 연소 발전 등에 다양하게 활용되고 있다.

열화학적 변환법

열화학적 변환기술에는 직접 연소를 포함 열분해, 고압 액화, 가스화, 저온 가스화, 간접 액화 등 있다. 열분해 및 액화는 바이오매스를 상압 혹은 고압에서 산소가 결핍한 상태에서 가열하여 탄화(Carbonization) 및 액화(Liquefaction)를 유도하는 것이다. 한편, 가스화는 바이오매스를 공기, 산소, 수소, 수증기, 일산화탄소 혹은 이산화탄소 존재 하에서 가열하여 반응시켜 가스 상태로 변환하는 것을 말한다. 열분해는 목재를 가열하면 200℃까지는 목재 중의 수분이 증발하고, 250℃ 전후부터 열분해가 시작되어 700℃ 이상에서 가스화 반응으로 진행된다. 열분해는 상압, 400~600℃에서 행해지고 기체(가연성 가스), 액체(타르), 고체(탄화물)가 생성된다. 이들의 생성 비율은 열분해 온도, 가열 속도, 목재의 입경 등에 의존한다. 한편 목재를 수천℃/초 정도의 고속으로 가열, 냉각하면(반응기내 체류 시간 1초 이내) 열분해 생성물의 2차 반응(분해, 중합)이 억제되어 높은 수율(70% 이상)의 타르가 얻어진다. 대부분의 열분해(저속 가열)의 경우 타르의 수율이 20~30%이기 때문에 최근의 연구 개발은 급속 열분해가 주류로 되고 있다. 급속 열분해의 경우, 타르의 수율을 향상시킬 뿐만 아니라 타르의 점도도 낮게 되어 경질인 타르가 얻어진다. 또한 반응기내 체류시간이 매우 짧아서 원료의 대량 처리도 가능하다. 직접 가스화의 분류는 바이오매스의 가스화에 이용되는 가스화로의 형식에 따라 고정상형로, 유동상형로, 부유상형로로 분류할 수 있다. 가스화제로서 공기나 산소, 수증기를 이용하며 850℃부근에서 실행한다. 합성 가스(수소, 일산화탄소), 저 칼로리 가스의 제조에는 고온인 것이 유리하다. 한편, 메탄 등을 포함하고 칼로리 가스의 제조에서는 저온 쪽이 유리하지만 속도론적 또는 중합, 탄화 등 부반응의 제약 때문에 650℃정도에서 실행한다. 가스화 반응에 의하여 수소, 일산화탄소, 저급탄화 수소 가스를 포함하는 합성가스를 생성하는 기술이다. 간접가스화는 메탄올 등의 액체 연료생산시 사용되는 기술로 천연가스를 수증기 개질 또는 나프타를 부분 산화하여 얻은 합성가스로부터 합성한다. 이론적으로는 원료를 목재 등의 바이오매스로 치환하는 것이 가능하지만 H2/CO비율이 다른 것과 유황 문제는 없으나 타르 등의 문제가 발생하는 등 별도의 해결과제를 안고 있다.

생물학적 변환법

생물화학적 변환기술은 바이오매스의 수분 함량에 따라 전처리 과정을 달리한다. 목질계 바이오매스는 비교적 함수율이 낮기 때문에 자연 건조 후에 연소하여 에너지를 얻는 것이 가능하다. 그러나 조류, 식품 폐기물, 축산 폐기물 등은 수분을 많이 함유하고 있어 이들로부터 에너지를 얻기 위해서는 필수적으로 건조 공정이 필요함으로 효율적인 에너지 변환 기술이라 할 수 없다. 또한 저온에서의 연소는 에너지 효율이 나쁘고 유독 물질이 생성되는 문제가 있다. 생물을 사용하는 에너지 변환 기술인 메탄 발효나 알코올 발효는 건조 공정을 필요로 하지 않으므로 수분이 많이 함유된 바이오매스의 에너지 변환에 유효한 방법이다. 단, 알코올 발효의 기질은 당이기 때문에 당질계 이외의 바이오매스를 이용할 경우는 당으로의 변환 전처리가 필요하다.

바이오에너지 종류

바이오 알코올

알코올 발효는 기본적으로 글루코오스 등의 당으로부터 미생물의 발효 능력을 이용하여 생산하는 기술이다. 전분질계나 목질계 바이오매스를 이용하는 경우에는 알코올 발효 전에 당화 공정이 필요하다. 발효의 원료가 맥아당이나 수크로오스 등의 당질인 경우, 이들은 효모에 의해 알코올로 변환된다. 또한 각종의 전분 원료는 아밀라아제 등, 전분 분해 효소를 생산하는 사상균 등의 미생물을 이용하는 것에 의해 당화하여 글루코오스나 맥아당으로 변환한 후, 알코올 발효를 한다. 목질이나 볏짚 등 셀룰로오스를 함유한 원료로부터도 알코올 생산이 가능하다. 현재 브라질, 미국 등에서는 자국의 풍부한 바이오매스인 사탕수수 또는 옥수수를 원료로 바이오에탄올을 생산하는 기술을 개발하였다. 사탕수수로부터 추출한 사탕액(juice)은 효모에 의해 직접 에탄올로 전환된다. 이후 에탄올을 농축하여 연료용 알코올(함량:99.27%)로 만들어 가솔린과 혼합 또는 에탄올 자체만으로 휘발유 대체 연료로 사용 가능하다. 옥수수, 고구마 등과 같은 전분질계 바이오매스로부터 바이오에탄올 생산은 전분질계 바이오매스는 녹말을 효모가 발효할 수 있는 당으로 전환하기 위한 증자 단계가 추가되며 이후 과정은 당질계에서 에탄올생산 방법과 같다.

바이오 디젤

바이오디젤은 바이오매스의 한 종류인 식물성 기름으로부터 만들어진다. 즉 식물성 기름은 차량 연료로 사용하기에 충분한 열량을 가지고 있지만 고분자 물질이어서 점도가 너무 높아 현대의 디젤 엔진에 직접 적용이 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 화학반응에 의해 식물성 기름을 분해하여 저분자화함으로써 점도를 디젤유와 비슷한 점도 수준으로 낮출 수 있다. 즉 식물성 기름을 촉매를 넣고 알코올과 반응시키면 알킬에스터와 글리세린으로 전환된다. 반응에 의해 생산된 알킬에스터를 바이오디젤이라고 한다. 모든 종류의 알코올이 사용 가능하지만 가장 가격이 저렴한 메탄올을 주로 사용하고 따라서 생산된 알킬에스터도 메틸에스터라고 한다. 촉매도 마찬가지로 산 또는 염기 촉매가 사용 가능하지만 반응 활성이 우수한 염기 촉매를 주로 사용하고 있다. 에탄올의 경우와 마찬가지로 현재 바이오디젤 생산에 원료로 사용되는 기름은 식용유로도 사용 가능하다. 따라서 바이오디젤의 보급이 전 세계적으로 활성화될 경우 원료의 가격 상승과 수급 불안 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 식용으로 사용이 어려운 원료를 활용하려는 기술 개발 연구가 진행되고 있다. 이러한 원료의 대표적인 예로서는 폐식용유와 독성이 있어 식용으로 사용이 불가능한 유지 식물의 기름 등이 있다. 폐식용유는 현재 상용 공정에서 원료로 사용하는 깨끗한 식물성 기름과는 달리 많은 불순물이 있어 여러 단계의 전처리 기술이 필요하다. 또한 독성이 있어 식용으로 활용이 어려운 다양한 유지식물들 중에서 바이오디젤 생산 목적에 적합한 식물 종을 찾기 위한 연구가 미국 등에서 진행되고 있다. 경유 대체 친환경연료로 주목받고 있는 바이오디젤은 약 10%의 산소를 포함하고 있는 연료로써 연소 시 보다 완전 연소가 일어나 경유에 비해 대기 오염물질이 40~60% 이상 적게 배출된다. 또한 바이오디젤 사용에 따른 전주기 분석(Life cycle analysis)에 의 하면 바이오디젤 1kg 사용 시 경유에 비해 3.2kg의 이산화탄소 배출 절감 효과가 있는 것으로 밝혀졌다.

바이오 수소

수소는 연소할 때 이산화탄소를 발생하지 않기 때문에 가장 이상적인 가스 연료라 할 수 있다. 수소는 일반적으로 물의 전기분해에 의해 만들지만 생물화학적으로도 생산할 수 있다. 생물학적 수소 변환 기술은 홍조, 녹조, 남조 등 조류 및 광합성 세균 등의 광합성 생물을 이용하는 경우와 혐기성 세균이나 질소고정 세균 등의 비 광합성 세균을 이용하는 경우로 대별된다. 식물이나 미세 조류에서는 광화학 반응계에 의해 촉매로 되는 물의 광분해에 의해 수소가 발생된다. 광합성 세균은 광 조사 하에서 저분자 유기산이나 글루코오스를 분해하여 수소 가스를 발생시킨다. 따라서 바이오매스에서 이와 같은 전구체를 생산할 수 있으면 수소의 생산이 가능하다. 현재에는 단일 균에 의한 생산보다도 도시 하수의 처리 과정에서 수종의 미생물을 조합한 미생물 군을 이용하여 유기물을 분해하는 동시에 발생하는 수소를 포집하는 공정기술이 개발 중이다. 바이오 수소 생산의 핵심기술에는 유기성 폐자원을 원료로 하여 바이오 수소 및 매탄을 동시에 생산하는 혐기성 미생물의 바이오가스 생산능력을 최대화할 수 있는 반응 조건을 확립하여 바이오가스 생산 공정 시스템을 개발하는 것이 있다. 또한 생산된 바이오가스를 전력 및 열로 전환하는 설비 또는 바이오가스를 수소용 연료로 활용할 수 있도록 액화 저장하는 설비를 개발해야 한다. 바이오가스 생산과 이용 공정이 유기적으로 연계된 통합형 바이오가스 생산 시스템을 개발하여 보급체계를 확립하고 이용을 확대할 수 있는 방안을 구축하는 기술이 개발되어야 할 것이다.

장점

• 화석연료 대신 바이오매스로 에너지를 생산하면 대기 중 탄소 배출량의 증가를 막을 수 있다. 바이오매스도 연료로 사용될 때 이산화탄소를 배출하지만 배출되는 이산화탄소는 바이오매스 원료인 식물이 광합성을 통해 흡수 및 저장했던 것을 연소 시 다시 대기로 방출한 것일 뿐 새로 만들어진 것이 아니다. 따라서 대기 중 이산화탄소의 양에 변화가 없어 이산화탄소 증가로 인한 추가적인 오염이 생기지 않는다.
• 바이오매스를 이용하면 수요에 맞춰 전기를 생산하는 것이 가능하여 일정한 생산이 어려운 태양에너지나 풍력 에너지를 보완해 줄 수 있다.
• 수송용 연료로 사용되는 바이오디젤은 석유계 디젤과 매우 유사하여 기존 디젤 엔진에 그대로 사용할 수 있다.
• 환경문제를 일으킬 수 있는 쓰레기나 배설물 같은 폐기물을 활용해 유익한 에너지로 사용할 수 있다.
• 바이오 매스를 연료로 사용하고 남은 폐기물은 비료 등으로 재활용할 수 있다.

단점

• 바이오매스 원료인 식물을 재배, 수확 후 처리하여 바이오매스 에너지로 변화하기까지 엄청나게 많은 에너지가 소모된다.
• 바이오에너지로 사용되기 위해서는 지속적이고 안정적으로 공급이 가능한 원료여야 한다. 일년생 작물보다 다년생 작물이 재배에서 수확까지 더 적은 자원과 에너지를 소모하고 수확량도 더 안정적으로 얻을 수 있다.
• 바이오매스 원료인 작물을 재배할 때 화석 연료 기반의 화학 비료를 사용하며 식물을 바이오 연료로 변환하는 과정에서도 전기를 이용하거나 간접 연료를 사용하는 방식으로 화석 연료가 소모된다.
• 인간과 동물의 식량을 바이오에너지 생산에 사용하게 된다.
• 바이오매스를 연료로 사용할 경우 이물질이나 부식으로 인한 내연기관 수명이 짧아질 것이라는 우려가 있다.

참고자료

• 〈바이오에너지〉, 《위키백과》
• 〈바이오매스 에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 한국환경산업기술원, 〈바이오매스, 그것이 알고 싶다〉, 《네이버 블로그》, 2017-11-29
• 한국에너지공단, 〈쓰레기가 에너지로! 차세대 에너지원 '바이오매스'〉, 《네이버 블로그》, 2020-05-08
• 이진원&박창훈, 〈바이오에너지의 종류와 생산방법〉, 《화학공학소재연구정보센터(CHERIC)》
• 초록발자국, 〈바이오 에너지 사례, 장단점 5가지 알아보기!〉, Green News 360, 2020-12-23

같이 보기

• 바이오매스
• 바이오연료
• 바이오가스
• 바이오에탄올
• 바이오디젤

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