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[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <56>바이오에너지의 실태와 과제를 말한다

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  •  |  입력 : 2018-08-13 10:55:52
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재생에너지 가운데 바이오에너지가 차지하는 비율이 얼마나 될까?

에너지경제연구원 보고서(2018.8.5)에 따르면 2017년 말 기준 세계 재생에너지 발전설비는 2179GW 규모로 연평균 8.4% 증가한 것으로 나타났으며, 전원별 비중은 수력(52.9%), 풍력(23.6%), 태양에너지(17.9%), 바이오(5%) 순으로 구성됐다(전기신문, 2018.8.7). 바이오에너지는 재생에너지 가운데 4번째로 전체 발전설비의 5%를 차지하고 있는 것으로 꽤 비중이 높은 것으로 나타났다.

바이오에너지의 역사를 잠시 살펴보자. 공기가 없는 곳에서 생물이 썩으면 메탄가스가 발생되는데 이 때 발생된 메탄가스, 즉 바이오가스는 조리용, 난방용 등의 연료로 사용할 수 있다. 제2차 세계 대전 말기, 일본에서는 맥주공장의 모든 것을 군사용(비행기·자동차용, 알코올 연료 생산용으로 개조하는데 착수했다고 한다.

바이오디젤 이전에 바이오연료가 1900년에 압축엔진의 발명자인 루도이프 디젤(Rudoiph Diesel)에 의해 개발됐으며 땅콩기름이 디젤엔진으로 가동하는 연료로 사용됐다. 1970년대 오일쇼크 이후 석유 고갈과 지구온난화 문제에 대처하기 위해 식물유가 압축엔진의 연료로 재등장하게 됐다.

바이오부탄올은 화학합성 부탄올에 비해 더 오랜 역사를 가지고 있는데 1·2차 세계대전에 필요한 용매와 화학원료를 얻기 위해 대량의 바이오매스가 혐기성 미생물을 이용해 생산됐으며, 특히 와이즈만(Weizman) 박사가 개발한 혐기성 균주는 부탄올과 아세톤을 동시에 생산해 매우 유용하게 이용됐다. 1930년대부터는 가축분뇨, 잉여 하수슬러지, 각종 산업 유기성 폐수를 처리하며 생성된 바이오가스를 활용하는 메탄가스화 처리공정이 중국, 인도 등지의 농가에서부터 덴마크의 낙농단지, 우리나라 식품공장 등에서 다양하게 적용돼 에너지를 공급해왔다.

이처럼 바이오에너지(bioenergy)란 생물자원의 물질로 사용가능하도록 만들어진 대체에너지다. 에너지원으로 이용되는 식물, 즉 바이오매스(biomass)는 햇빛을 화학에너지의 형태로 저장한 유기물이며 이는 나무, 나무찌꺼기, 짚, 거름, 사탕수수 등과 그 외의 다양한 농업의 과정에서 나온 부산물을 연료로서 사용한다. 바이오에너지의 대상이 되는 주요 바이오매스 자원으로는 포플러·버드나무·아카시아 등의 나무, 사탕수수·고구마·강냉이 등의 초본식물 그리고 수생식물·해조류·조류(藻類)·광합성세균 등이 있다. 유기계 폐기물·농산폐기물·임산폐기물·축산폐기물·산업폐기물·도시쓰레기 등도 직접 또는 변환해 연료화할 수 있다.

   
바이오매스를 에너지원으로 이용하는 방법으로는 직접연소·메탄발효·알코올발효 등이 있다. 수분의 함량에 따라 에너지변환에 차이가 있다. 수분함량이 적은 경우는 태워서 열과 가스를 발생시키고, 수분함량이 많은 경우는 유기물을 이용한 에너지를 얻기 위해 균주를 투입하거나 특정한 화학공정을 거쳐 알코올성분이나 메탄가스 등을 얻는다.

바이오에너지는 좁은 의미로 생물자원에서 오는 바이오연료와 동의어 관계이다. 넓은 의미로는 바이오매스, 바이오연료로 사용되는 생물학적 물질뿐만 아니라 생물자원을 에너지로 사용하는 것과 관련된 사회적, 경제적, 과학적, 기술적 분야도 포함한다. 사람들은 바이오매스는 연료이고 바이오에너지는 연료 속에 포함된 에너지이기 때문에 바이오에너지를 바이오매스로부터 추출된 물질이라고 생각하는데, 이는 흔한 오해이다.

바이오에너지로는 바이오에탄올, 바이오부탄올, 바이오디젤, 바이오가스, 바이오매스, 바이오수소, 바이오코커스를 들 수 있다.

바이오에탄올은 화학적 합성이나 생물공정으로도 제조되며 주정제조공정에서 당을 함유하는 작물로부터 추출된 당을 효모나 박테리아로 발효해서 생산되고 옥수수와 같은 전분을 산이나 아밀라아제로 불리는 효소로 포도당으로 전환해 발효하게 된다. 브라질에서는 1999년 사탕수수 착즙액으로부터 생산된 95% 에탄올이 자동차연료로 바로 쓰이고 있다.

바이오부탄올은 바이오에탄올과 동일한 식물원료를 이용해 생산될 수 있으나 바이오에탄올 생산시와는 다른 균주를 혐기성 상태에서 이용하기 때문에 다른 발효기술이 필요하다. 연료로서의 바이오부탄올은 일반 휘발유에 비해 95.6%에 이르는 에너지 함유량을 가지고 있고, 67.8% 정도의 에너지 함유량을 가진 종래의 바이오에탄올보다 훨씬 높은 에너지 함유량을 가져 결과적으로 연비가 크다. 따라서 고농도로 휘발유와 혼합했을 경우에도 엔진이나 차량을 개조할 필요가 없고, 일반 휘발유에 비해 증기압이 낮아 연료로서 더 안전한 성질을 갖고 있어 차세대 바이오연료로 주목을 받고 있다. 미국 버타일퓨얼(Butylfuel)사는 100% 부탄올만으로 2005년 1만 마일, 2007년 2000마일 주행한 결과를 발표한 바 있고, 현재 상품명 ‘버타일퓨얼TM’이라는 바이오부탄올연료를 내놓고 있다.
바이오디젤연료(BDF: Bio Diesel Fuel)는 버스·대형트럭·건설기계·선박·군용차량의 경유 대체연료로 일반 동식물 유지를 그대로 메탄올 처리 또는 수소화 분해해 제조한다. 일본에서 지자체나 시민단체가 중심이 돼 추진해온 폐식용유 디젤이 1세대 BDF에 속한다. 2세대인 BHF(Bio Hydrocracking Fuel)는 신일본석유가 감압 경유에 수소화 분해장치를 사용해 동식물유를 분해하는 과정을 시험해 얻어진 고품질의 디젤연료를 가리킨다. 바이오디젤은 CO2 20% 이상 감소, NOx 59% 감소, SOx 98.5% 감소, 매연·분진 50% 감소, 방향족 화합물 40% 감소, 알데히드류 40% 감소 효과가 있다고 한다(하상안·구헌서, 2012). 바이오디젤 분야의 세계 생산량 추이는 2005년 기준으로 독일이 19억2000만 ℓ로 세계 최대 생산국이며, 프랑스, 미국, 이탈리아, 호주 순으로 생산을 하고 있다.

바이오가스는 메탄 박테리아가 유기물을 분해할 때 발생하는 하나의 대사산물로 혐기성 소화작용으로 바이오매스에서 생성되는 메탄과 이산화탄소의 혼합형태인 기체를 말한다. 하수와 음식물쓰레기 등 주로 폐기물을 원료로 하기 때문에 바이오에탄올 등의 작물을 원료로 사용하는 바이오연료보다 자원의 제약이 적고, 기존의 처리시설을 개조하는 등 비교적 적은 투자로 자원을 얻을 수 있다. 혐기성 소화공정을 이용한 바이오가스 플랜트는 1950년대 초부터 독일에서 연구·보급돼 왔으며 독일에 개별형이 약 1000기, 덴마크에 공동형 20기, 개별형 25기, 이탈리아에 개별형 50기, 스웨덴에 공동형 10기, 개별형 6기가 가동되고 있는 것으로 알려져 있다.

   
바이오매스는 밀짚, 옥수수 사료 등 농경폐기물이나 못쓰는 벌목 잔류물 등 산림폐기물, 각종 도시 쓰레기 등으로 전기발전을 위한 연료로 사용한다. 1990년대 이후 바이오매스는 이산화탄소 감축에 도움이 되는 것으로 인식되면서 각광을 받고 있으며, 전기발전 관점에서 보면 미국에서 사용하는 재생에너지 중 수력 다음으로 2위를 차지하고 있다. 미국에 설치된 전체 용량이 약 7000㎿ 이상으로 매해 370억 kwh의 전기를 생산하는 데 바이오전력의 80%가 주로 펄프와 종이와 연관된 산업분야에서 생산된다고 한다.

바이오수소는 수소생산균과 광합성 세균에 의해 생성된 바이오가스를 말한다. 흰개미의 소화기관 내에 있는 공생균 중에는 수소를 생성하는 세균이있는 것으로 확인되고 있다. 미생물의 발효작용으로 음식물쓰레기에서 직접 수소를 만드는 방법은 메탄 발효에 비해 어려운 점이 많지만 유효하게 움직이는 미생물군의 모습을 분석한 결과, 반응시간, 온도, pH 등을 적절히 조절해 ‘클러스트리듐속’이라는 혐기성 세균이 효율적으로 수소발효를 한다는 사실이 밝혀졌다. 일본 이바라키현 미호촌에는 식당 잔반에서 수소·메탄에너지를 회수실험이 이뤄지고 있다고 한다.

바이오코크스는 광합성으로 인해 모든 식물에서 형성되는 고체연료를 이르는 말이다. 기존의 바이오매스 연료로는 어려웠던, 압축강도가 높고 고온환경에서 장시간 연소가 가능하며, 또한 제조시 폐기물을 내지 않는 특성 등을 가지고 있으며, 석탄에서 만들어지는 코크스의 대체연료로 사용할 수 있는 ‘제로배출 연료’이다. 일본 긴키대학 아이다 타미오 교수에 의해 2000년경부터 바이오코커스 연구가 이뤄져, 이미 각국의 특허도 취득하고 일본 국내외에서 실증실험이 진행되고 있다고 한다.

이처럼 바이오연료는 대기오염물질이나 이산화탄소 배출저감 등 환경오염이 거의 없고, 폐식용유 등 폐자원의 활용이 가능하고, 폐기시 토양이나 지하수의 오염이 거의 없는 장점이 있지만 대량생산을 할 경우 다음과 같은 문제와 과제가 있다.

첫째, 바이오연료는 사탕수수, 밀, 옥수수 등 식물을 이용하기에 대량증산을 하려면 작물이 많이 필요한데, 정책적인 장려가 없으면 작물의 경작면적을 늘리기 힘들다. 따라서 현재의 생산량 중에서 곡물을 이용하게 되기에 전체적인 생산량이 오르지 않은 상태에서 수요만 성장해 곡물가격의 상승을 초래해 공급이 부족해지지 않을까 하는 우려가 있다. 또한 바이오연료에 사용되는 작물로 전작을 수행함으로써 바이오연료로는 적합하지 않은 작물이 갑자기 부족에 빠질 가능성도 배제할 수 없다. 식량자급률이 낮은 우리나라의 경우에 식량을 연료로 돌리기에는 어려움이 있을 것으로 보인다.

둘째, 아직까지는 바이오연료는 광범위하게 이용되지 않고 있다. 현재는 자동차용 휘발유만으로 이용가능하며 난방 등 다른 분야에서는 응용할 수 없는 경우가 많아 아직도 개발단계라 할 수 있다. 바이오연료 자체는 CO2 배출량은 줄어든다고 하지만 생산공장 건설 및 생산, 수송의 각 단계에서의 연료소비량이나 CO2 배출량은 실제로 대량생산을 시작해봐야 알 수 있다는 것이다. 플랜트 건설 또는 바이오연료의 원인이 되는 곡물을 재배하는 토지확보를 위해 산림을 벌채하는 것이 장기적으로는 환경에 악영향을 미칠 우려도 크다는 의견도 있다.

셋째, 비용절감이 과제이다. 바이오연료는 그 특성상 열에 약하고, 일정 온도 이상의 장소에 놓아두면 산화되어 버리는 성질이 있기에 자동차나 비행기 등의 연료로 사용할 경우 연료탱크의 개선이 필요할 수도 있다. 이러한 문제도 바이오연료의 생산비용을 높이는 요인이 되고 있기에 대량생산체제로 가기 위해서는 하드웨어 측면의 혁신이 동시에 이뤄져야 한다.

넷째, 바이오연료는 일반연료에 비해 질소산화물(N2O)의 방출량이 2배이다. N2O는 CO2의 약 310배의 온실효과를 갖고 있기 때문에 오히려 지구온난화를 촉진시키는 것이 아닐까 하는 파울 크뤼첸 박사의 지적도 있다. 지구온난화문제는 CO2 절감만으로만이 아닌 6대 온실가스 저감이라는 종합적인 대책이 필요하기 때문이다. 김해창 경성대 환경공학과 교수

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