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바이오메탄올
바이오메탄올(Biomethanol)은 나무, 볏짚, 폐기물과 같은 재생 가능한 원료에서 추출한 메탄올이다. 메탄올은 휘발유와 비슷한 연료로 사용할 수 있으며, 이산화탄소 배출량이 적기 때문에 친환경 연료로 주목받고 있다.
목차
개요
바이오메탄올은 재생 가능한 생물학적 자원에서 생산된 메탄올로, 전통적으로 화석 연료에서 유래하는 메탄올의 대안이다. 바이오 메탄올은 바이오매스, 폐기물, 또는 바이오가스를 원료로 하여 제조되며, 탄소 배출 저감과 지속 가능한 에너지 전환을 지원하는 친환경 연료로 주목받고 있다.
- 정의
바이오매스나 폐기물과 같은 재생 가능한 자원을 원료로 제조된 메탄올.
- 특징
- 기존 메탄올과 화학적·물리적 특성이 동일.
- 생산 과정에서 탄소 순환을 이루어 탄소 배출을 상쇄.
생산 원료
- 바이오매스: 목재, 농업 부산물, 작물 잔해 등.
- 바이오가스: 폐기물 매립지 및 분뇨 처리 과정에서 발생하는 메탄가스.
- 산업 폐기물: 플라스틱, 유기 화합물, 고형 폐기물.
생산공정
바이오매스 기반 바이오메탄올 생산
바이오매스는 농업 부산물, 목재 찌꺼기, 식물 잔해 등으로 구성되며, 고온에서 가스화(gasification)를 통해 합성가스를 생성한 뒤 메탄올을 생산한다.
- (1) 가스화 공정
- 과정: 바이오매스를 고온(800–1000°C) 및 고압 조건에서 부분 산화하여 합성가스(Syngas)를 생성.
- 주요 반응:
- C + O₂ → CO₂ (산화 반응)
- C + H₂O → CO + H₂ (수증기 개질 반응)
- 결과물: 주로 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)로 구성된 합성가스.
- 장점:
- 다양한 바이오매스를 원료로 사용 가능.
- 대규모 생산에 적합.
- (2) 정제 및 촉매 반응
- 합성가스를 정제하여 불순물(황, 질소 화합물 등)을 제거.
- 촉매(주로 구리-아연-알루미늄 기반 촉매)를 사용하여 메탄올 합성:
- 2H₂ + CO → CH₃OH (메탄올 생성 반응)
- 반응 조건: 약 200–300°C, 50–100기압.
- (3) 정제 및 수율 증가
- 생성된 메탄올은 증류 공정을 통해 순도를 높임.
- 잔여 합성가스는 재순환하여 생산 효율을 향상.
바이오가스 기반 바이오메탄올 생산
바이오가스는 주로 매립지, 축산 폐기물, 폐수 처리 과정에서 발생하며, 메탄(CH₄)과 이산화탄소(CO₂)를 포함한다.
- (1) 바이오가스 정제
- 바이오가스에서 메탄 함량을 높이기 위해 CO₂ 및 불순물을 제거.
- 정제 기술: 압력 스윙 흡착(PSA), 막 분리, 화학 흡수.
- (2) 메탄 개질 반응
- 메탄을 합성가스로 변환.
- CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (수증기 개질)
- CH₄ + ½O₂ → CO + 2H₂ (부분 산화)
- 반응 조건: 약 700–1100°C, 20–40기압.
- (3) 메탄올 합성
- 정제된 합성가스를 촉매 반응을 통해 메탄올로 전환(상세 과정은 바이오매스와 유사).
CO₂ 전환을 통한 바이오메탄올 생산
이산화탄소(CO₂)를 활용한 메탄올 생산은 탄소 배출을 줄이면서 자원을 활용하는 지속 가능한 방법이다.
- (1) CO₂ 포집
- 대기 중 또는 산업 배출가스에서 CO₂를 포집.
- 포집 기술: 화학 흡수, 막 분리, 흡착 공정.
- (2) 수소 생산
- 재생 에너지를 이용하여 물을 전기분해하여 그린 수소(H₂)를 생산:
- 2H₂O → 2H₂ + O₂ (전기분해 반응).
- (3) 메탄올 합성
- CO₂와 수소를 반응시켜 메탄올을 합성:
- CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O (촉매 반응).
- 촉매: 구리 기반 촉매(Cu/ZnO/Al₂O₃).
- 반응 조건: 약 200–250°C, 50–100기압.
활용
연료로서의 메탄올
메탄올은 어떤 다른 기술적 조정 없이 가솔린과 혼합되어 사용될 수 있어 자동차연료로 이용될 수 있다. 대부분의 메탄올을 연료로 한 자동차는 85% 메탄올과 15% 가솔린의 혼합유를 사용한다. 두 번째로는 바이오디젤 생산에 이용된다. 바이오디젤은 산 또는 염기 촉매하에서 식물성 기름이 알코올과의 에스터 교환반응(transestrification)에 의해 생성한 알킬에 스터(alkyl ester)를 말하며 이 과정에 사용되는 알코올로 메탄올이 주로 사용된다. 세 번째로는 메탄올을 가공하여 연료로 사용하는 간접적 방식으로 DME(Dimethyl Ether)를 들 수 있다. DME를 메탄올의 탈수소화 반응으로 만들어진다. 지금까지는 주로 스프레이 제품의 분사추진제로 이용되어왔으나 최근에는 연료로서의 관심이 높아지고 있다.
화학제품 원료로서의 메탄올
현재 화학제품 중 생산규모가 가장 큰 제품으로는 에틸렌과 프로필렌을 들 수 있다. 지금까지 이 두 물질은 주로 석유를 통해서 생산되었으나 최근에는 메탄올의 전환을 통한 생산이 가능해지고 있다.
수소에너지 공급원으로서의 메탄올
메탄올의 개질을 통해 환경오염을 최소화하는 방식으로 수소를 얻는 방법이 일반적으로 이용되고 있다. 수소에너지는 석유를 대체할 에너지로 손 꼽힌다. 수소는 그 자체로 무한한 에너지 자원인데다가 사용과정에서 환경오염이 발생되지 않는다.
메탄올은 천연가스, 합성가스, 바이오매스등으로부터 합성이 가능하며 저장의 용이성과 이동의 편리성으로 이동용 전원의 연료로 각광받고 있다.
메탄올의 수증기 개질 공정은 다른 탄화수소에 비해 비교적 낮은 운전온도(200~300℃)와 고순도의 수소 생성, 조작의 용이성이 있다. 수소 생성을 위한 메탄올의 개질반응은 다음과 같은 반응식으로 이루어진다.
CH₃OH + H₂O ---> CO₂ + 3H₂
기타 환경 시설에서의 사용
현재 하·폐수처리장의 생물학적 탈질에 필요한 외부탄소원으로 메탄올의 사용이 일반적이다.
메탄올은 생분해도가 높고 단일물질로 균일한 성상이라는 장점을 가지는 반면 전량 수입에 의존하며 높은 가격으로 운전비용의 상당량을 차지고 있어 친환경 대체탄소원의 개발이 시급한 실정이다.
이러한 관점에서 생물학적 메탄올 생성은 생성되는 장소가 사용처로 사용될 수 있는 좋은 조건을 갖추고 있다.
사례 연구
- 네덜란드의 BioMCN
- 세계 최초로 상업적 바이오 메탄올 생산 설비를 구축.
- 폐기물 기반 바이오 메탄올 생산.
- 덴마크 Maersk
- 선박 연료로 바이오 메탄올 사용 확대.
- 중국 바이오 메탄올 정책
- 재생 가능 에너지를 기반으로 메탄올 경제를 구축.
시장규모
QYResearch 분석 결과, 바이오 메탄올 (Bio Methanol)의 글로벌 시장규모는 2023년 89백만 달러를 기록하였고 연평균 44.5% 성장하여 2030년 16.45억 달러 규모에 도달할 것으로 전망되었다.
제품 유형에서는 바이오가스 기반 (Biogas Sourced)이 80% 이상의 점유율을 보이며, 응용 분야에서는 MTBE (Methyl Tert-Butyl Ether) 세그먼트가 약 68%의 점유율로 가장 큰 시장이다.
바이오메탄올 (Bio Methanol)의 글로벌 메이저 기업은 OCI/BioMCN, BASF, Methanex, Enerkem, Södra, Alberta-Pacific 등이며 Top3의 글로벌 합산 점유율은 89% 이상이다.
한국기업으로는 SK에코플랜트, 플라젠 등이 바이오 메탄올 사업을 진행하고 있다.
참고자료
- 환경아저씨, 〈8장 바이오메탄올 생산_바이오메탄올 이용〉, 《네이버 블로그》, 2022-10-21
- QYResearch Korea, 〈유망산업 글로벌 바이오 메탄올 (Bio Methanol) 시장조사보고서, 연 45% 성장 전망, SK에코플랜트, 플라젠 등 진출 - QYResearch(QY리서치)〉, 《네이버 블로그》, 2024-03-18
같이 보기
