바이오에너지 (bioenergy)

과학기술

개념

정의

농림 부산물, 산업체 부산물, 유기성 폐기물 등 바이오매스로부터 생산 가능한 에너지.

개설

바이오에너지의 원료가 되는 바이오매스는 목재의 직접 연소·목판·톱밥 압축 성형한 것 등 고체 바이오매스, 에너지 작물 등 당류의 발효에 의해서 생산된 액체 바이오매스, 메탄가스(유기물의 혐기성 소화 등)·열분해가스·조류에 의한 수소 발생 등 기체 바이오매스로 나눌 수 있다.

현재 국내시장에 보급된 바이오에너지는 2012년 기준 약 133만 4724toe(ton of oil equivalent)로 전체 신·재생에너지 보급량의 약 15%를 차지한다. 바이오매스는 계속 자라거나 생성될 수 있으므로 바이오에너지는 화석에너지와는 달리 재생성을 가지고 있으며, 지구온난화 절감을 위한 탄소중립에너지로 관심을 모으고 있다.

열 또는 전기로만 사용 가능한 다른 재생에너지와 달리 수송용 에너지로도 활용이 가능하다는 특징을 갖는데, IPCC(Intergovernment Panel on Climate Change, 기후변화에 관한 정부 간 협의체)에서 바이오디젤이 경유를 대체할 경우 CO₂2.59ton/㎘을 감축한다고 인정하여 바이오에너지는 탄소 중립에너지로 인식하게 되었다.

내용

바이오에너지는 크게 열·전기에너지와 수송용 연료로 나눌 수 있다. 열·전기에너지로 사용되는 바이오매스로는 먼저 고형 바이오연료가 있다. 우리나라에서는 신탄 또는 왕겨탄 등 고형 바이오연료가 가정, 식당 등 개별 소비처에서 주로 활용되었다.

고형 바이오연료는 과거에는 생산된 목재를 장작으로 사용하였으나 보일러 기술이 발전함에 따라 칩(chip)에서 펠렛(pellet) 또는 성형탄 형태로 가공해서 보일러 연료로 활용하는 방향의 기술개발이 이루어지고 있다.

고형 연료로 만들어 연소하여 열을 생산하는 방법은 생산된 에너지의 형태가 부가가치가 가장 낮기 때문에 보다 유용한 형태의 에너지로 활용하려는 시도도 이루어졌다.

대표적인 예로는 고형 연료를 공기(산소)가 희박한 조건에서 열분해, 가스화하여 가스 연료(메탄, CO, H₂등)를 생산하는 기술이다. 생산된 가스는 열과 전기를 동시에 생산하는 열병합 발전에 사용되거나 응축하여 액상 연료로도 사용 가능하다.

또 다른 형태로는 유기성 폐기물을 이용한 바이오가스가 있다. 유기성 폐기물은 공기가 없는 혐기조건에서 미생물에 의해 분해되어 메탄이 주성분인 바이오가스를 생성한다. 이러한 혐기소화 공정은 에너지를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 유기성 폐기물의 감량화 효과가 높아 우리나라와 같이 폐기물 처리 부지의 확보가 어려운 지역에서 특히 유용한 기술이다.

유기성 폐기물의 혐기소화 공정은 불순물 제거를 위한 전처리, 사전 조정 단계(조정조), 메탄으로 전환되는 소화조 등 3단계로 구성된다. 메탄을 생산하고 남은 잔류물은 퇴비로 활용되거나 매립, 소각 처리된다.

바이오매스로부터 만들어지는 수송용 연료는 차량 연료로 주로 사용되며, 크게 바이오알코올, 바이오디젤, 해양 바이오연료로 나눌 수 있다.

바이오알코올에는 바이오에탄올과 바이오부탄올 등이 있으며, 당을 포함하는 바이오매스로부터 생산 가능하다. 현재 사용되는 바이오알코올 연료로는 바이오에탄올이 유일하다. 사탕수수 또는 옥수수 등 당질계 바이오연료는 직접 당액을 추출하여 바로 효모를 이용하여 에탄올로 전환한 후 무수에탄올로 농축하여 사용한다.

옥수수, 쌀 등 전분질계 원료는 1차 증자 및 당화를 통해 전분질을 당으로 변환한 후 당질계 원료와 동일한 과정을 거쳐 원료용 에탄올을 생산하게 된다. 목질계 원료로부터 에탄올을 생산할 때는 목질계 바이오매스로부터 당의 고분자인 셀룰로스와 헤미셀룰로스를 먼저 분리하고 효소에 의해 당으로 분해한 다음 효모에 의해 에탄올을 만들게 된다.

바이오디젤은 경유와 달리 약 10%의 산소를 포함하고 있는 함산소 연료로서 연소시 바이오디젤에 포함된 산소로 인해 보다 완전 연소가 일어나 경유에 비해 대기오염물질이 40∼60% 이상 적게 배출된다.

바이오디젤은 유지(동·식물성 기름)에 촉매를 넣고 알코올과 반응시키면 세 분자의 알킬에스터(Alkyl Ester)와 글리세린(Glycerin)으로 분해되는데, 이때 생산되는 알킬에스터를 바이오디젤이라고 한다. 반응에 의해 생산된 바이오디젤은 글리세린 분리와 정제 과정을 거친 후 정유사에 보내져 경유와 혼합되어 차량 연료로 사용한다.

그러나 경유와 물성이 다소 달라 함량이 높을 경우에는 차량에 문제를 일으킬 수 있으므로 현재 디젤 차량 제작사들은 5% 이하의 바이오디젤이 혼합된 경유를 사용하는 경우에 대해서만 차량 고장시 A/S 보증을 제공하고 있다.

해양 바이오연료는 식물성 플랑크톤인 미세조류를 활용하는 기술과 홍조류, 다시마 등 해조류를 활용하는 기술로 분류 가능하다. 이러한 해양 바이오매스로부터는 바이오알코올과 바이오디젤의 생산이 가능하다.

현황

우리나라에 보급 중인 바이오에너지는 바이오가스 및 LFG에 의한 열·발전, 고형 바이오연료(성형탄, 우드칩)의 연소에 의한 열·발전, 수송용 연료(바이오디젤) 등이 주류를 이루고 있다.

2012년 기준으로 약 133만 4724toe가 보급되었는데, 바이오가스가 10만 7430toe, 매립지가스가 11만 6073toe, 바이오디젤이 35만 9916toe, 우드칩이 16만 4542toe, 성형탄이 2만 3857toe, 임산연료가 5만 6481toe, 목재펠릿이 12만 55toe, 폐목재가 14만 874toe, 흑액이 22만 8337toe, 하수슬러지 고형연료가 1만 7159toe를 차지한다.

현재는 약 15% 수준이지만 제3차 신·재생에너지 보급 기본 계획에서는 바이오에너지의 보급량을 2030년까지 전체 신·재생에너지 보급량 중 31.4% 수준으로 증가시킬 계획을 세우고 있다.

국내 바이오에너지 분야의 기업 수는 2007년 19개에서 2011년 48개까지 성장하였다가, 2012년에는 46개로 집계되었다. 이 중 바이오디젤 분야가 8개사, 바이오가스 분야가 10개사, 바이오펠릿 분야가 27개사, 그리고 바이오에탄올 분야가 1개사로 나타났으며, 전통적인 화학기업 및 플랜트 기업이 사업에 참여하면서 바이오디젤과 바이오가스가 사업을 주도·견인하고 있는 상황이다.

국내 바이오에너지 분야의 매출액은 2007년 1360억 원에서 2012년 8130억 원으로 약 5.9배 증가하였다. 이 중 바이오디젤이 정부 정책에 의한 정유사들의 바이오연료 혼소 사용에 따라 가장 큰 비중으로 매출을 올려 전체 매출의 87%를 차지하고 있으며, 바이오가스가 9%, 바이오펠릿이 4%를 차지하고 있다.

참고문헌

『국내 신·재생에너지 산업현황』(에너지관리공단, 2014)

『2012 신재생에너지백서』(에너지관리공단, 2013)

『제2차 바이오디젤 중장기 보급 계획』(지식경제부, 2010)

환경산업무역포털 환경용어사전(export.ecotrade.or.kr)

집필자

허은녕