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초본계·목질계 에탄올 1조원 생산 가능
바이오가스, 수송연료화기술 개발 필요
신재생에너지의무혼합제도(RFS, Renewable Fuel Standard) 시행이 내년으로 다가왔다. 정부는 2014년 경유에 일정비율 바이오에너지를 섞어 쓰도록 의무화하고 2017년 휘발유에까지 확대적용할 예정이다.
여기서 말하는 바이오에너지는 바이오에탄올, 바이오가스, 바이오디젤을 포괄하는 개념이다. 우리 곁에 성큼 다가온 바이오에너지 어디까지 왔는가?
▶바이오에탄올 원료 곡물에서 섬유계로 확대
바이오에너지 중 가장 먼저 연구개발에 착수된 것이 바이오에탄올이다. 바이오에탄올은 바이오매스로부터 생산되는 재생에너지다.
처음에는 사탕수수, 옥수수, 밀 등에서 추출했으나 곡물가격 상승 등 윤리적 문제에 봉착했다. 따라서 목질계 바이오매스로 분류되는 나무, 잡초, 농임업 부산물이 대안이 됐다. 전자를 1세대 바이오연료라 칭하고 후자를 2세대 바이오연료라 칭한다. 최근에는 바이오연료 원료가 초본계 바이오매스까지 확대되고 있다.
그렇다고 곡물로 만든 바이오에탄올이 사라지는 것이 아니다. 2009년 기준 전 세계 바이오에탄올 생산량은 739억 리터로 옥수수 기반의 미국과 사탕수수 기반의 브라질이 각각 400억 리터, 249억 리터로 전체 생산량의 87.7%를 차지한다. IEA에 따르면 2022년 곡물계 바이오에탄올 생산량은 1460억 리터가 될 전망이다. 2.5조 리터에 달하는 수송용 에너지의 5%를 대체할 량이다. 곡물계 바이오에탄올이 큰 비중을 차지하는 이유는 브라질과 미국이 각각 사탕수수와 옥수수를 주요 원료로 삼기 때문이다.
미국은 2007년 1억2400만 헥타르의 28%에 달하는 3500만 헥타르의 농경지에서 3억3000만톤의 옥수수를 생산했다. 생산 옥수수의 25%를 바이오에탄올 생산에 썼다. 주요 기업으로 2007년 기준 연 64억 리터를 생산하는 ADM과 연 45억 리터의 POET, 연 23억 리터의 Verasun Energy가 있다. 2009년 현재 미국의 에탄올 생산 공장수는 200개로 콘 벨트로 불리는 중서부지역에 밀집돼 있다. 브라질은 바이오에탄올 세계 최대 수출국이자 미국에 이은 2대 생산국이다. 바이오에탄올 산업을 통해 100만명의 고용창출 효과를 얻고 있다.
바이오에탄올 원료로 사탕수수를 사용하고 있는데 알맞은 기후조건과 값싼 노동력 외에도 에탄올 연료의 조기 상용화가 성공요인이다. 2007년 브라질의 바이오에탄올 생산 공장은 357개로 2009년 현재 전 세계 에탄올 생산량의 33%를 차지하고 있다. 참고로 사탕수수 바이오에탄올은 생산단가가 리터당 21 미국달러로 0.6달러에 달하는 옥수수 바이오에탄올보다 가격경쟁력이 있다. 우리나라는 창해에탄올을 비롯한 10개 주정 회사에서 연간 30만 킬로리터를 공급하고 있다. 주로 쌀, 보리, 카사바 등 전분질 원료가 기반이다.
절반은 국내외 원료로 직접 발효 공정을 거쳐 생산되고 있으며 나머지 절반은 브라질에서 조주정(crude ethanol)로 수입돼 정제 후 생산된다. 그러나 국내 생산 대부분의 바이오메탄올은 음료용으로 사용되며 7~8% 내외만이 산업용으로 사용되고 있다. 하지만 분명 곡물계 바이오에탄올의 증가는 식량파동을 야기하기 때문에 대안으로 비식량 자원인 초본계와 목질계 바이오에탄올이 떠오르고 있다. 초본계와 목질계 바이오에탄올은 1조원 정도 생산가능하다고 예측되고 있다.
미국은 스위치글라스, 억새, 갈대 등 비식용 섬유소계 바이오매스를 활용한 당화와 바이오에탄올 생산 기술개발과 실증 플랜트 설치를 추진하고 있다. 일본은 셀룰로즈계 바이오매스에서 바이오 연료를 효율적으로 생산하기 위해 ‘바이오연료 기술혁신계획’을 수립했다. 폐기물계 바이오매스, 미이용 바이오 매스와 신규 섬유소계 작물활용을 통해 바이오에탄올 생산목표를 10만∼20만 킬로리터, 단가 리타당 40엔으로 설정했다. 미이용 자원인 볏집, 밀집, 삼나무 외에 참억새, 버드나무, 포플러, 유칼립투스에서 바이오에탄올을 추출을 시도하고 있다.
EU는 최근 옥수수와 사탕무우를 이용한 바이오에탄올 생산기술개발에 박차를 가하고 있고 중국도 바이오매스 자원을 활용한 에너지 생산기술이 다다른 것으로 알려졌다. 주로 옥수수에 의존해왔으나 사탕 수수대와 볏집, 산림 바이오매스까지 대상을 확대하고 있다. 섬유계원료를 이용한 바이오에탄올 생산기술의 파일롯 플랜트를 건설하기 위해 연구개발에 착수했다. 이미 2010년에 팜오일 산업부산물을 활용해 바이오에너지 생산기술 개발에 착수한 바 있다.
▶바이오가스 고질화 통해 수송용으로 확대
산업부는 RFS를 천연가스에도 적용할 예정이다. 따라서 바이오연료인 바이오가스의 수송연료화기술 개발 필요성이 대두됐다. 바이오가스는 유기성폐자원을 에너지화하기 때문에 원료수급이 매우 안정적으로 평가받고 있다. 메탄이 주성분으로 지구온난화지수가 이산화탄소에 비해 21배인 메탄 배출 억제효과가 있어 바이오디젤과 바이오에탄올보다 온실가스 저감효과가 크다. 그간 국내에서는 열병합발전용으로 많이 사용됐지만 2011년부터는 수송연료용 사용이 연구되고 있다. 바이오메탄은 바이오가스의 또다른 이름이다.
2011년 현재 바이오가스 국내 시장규모는 4700억원 수준으로 2020년에는 6300억원이 될 것으로 예상된다. 또 RFS가 도입되면 시장규모는 더욱 증가될 것으로 예상돼 2025년에는 1만5700억원 2030년에는 3만9600억원 수준이 될 것으로 예상됐다. 또 바이오가스 플랜트 시장규모는 2006년 20억 유로에서 2020년 250억 유로로 매년 30% 정도 고속 성장할 것으로 예측됐다. 바이오가스는 혐기성소화조와 매립지에서 발생하는데 활성화된 것은 주로 유럽이다.
유럽의 바이오가스 플랜트는 2006년 기준 독일에 3677개소, 스웨덴 159개, 덴마크 147개, 영국 96개, 프랑스 198개에 이른다. 주로 열병합발전기와 보일러에서 소비됐는데 최근에는 고질화해 수송연료화하는 추세다. 바이오가스 고질화는 2000년부터 활발히 사업화가 추진되고 있으며 2010년 기준 전세계에 105개 플랜트가 운전 중이다. 스웨덴을 중심으로 바이오가스 고질화 기술이 개발됐으며 사업화가 진행되고 있다.
대표적인 업체로 스웨덴의 Malmberg, Purac, Flotehch, 미국의 프로메테우스 에너지, 아크리온 테크놀러지, 독일의 슈마크, 카보테크, 캐나다의 퀘벡이 있다. 이중 프로메테우스 에너지와 아크리온 테크놀로지는 바이오가스를 액화시켜 액화바이메탄(LBM)을 만들고 있다. 우리나라는 2007년에 정부합동으로 ‘폐자원과 바이오매스 에너지와 실행계획’을 발표했다.
2013년까지 음식물쓰레기 가스화 시설, 음식물, 가축분뇨, 하수슬러지 등을 통합 처리하는 병합가스화시설 17개소 등 총 21개소 연료화 시설을 확충할 계획이며 2020년까지 바이오가스화 시설 28개소를 추가 설치할 계획이다. 국내에서 하루에 발생하는 유기성폐자원 총량 16만8138톤을 전량 바이오가스 에너지화할 경우 연간 75만6807TOE 의 원유 대체효과와 연간 8500억원의 경제적 효과를 보는 것으로 나타났다. 또 플랜트 시공의 경우 정부계획안만을 고려했을 때 2020년까지 총 2조600억원의 시장이 열릴 것으로 기대됐다.
따라서 2020년까지 연간 2000억원 규모의 바이오가스화 플랜트시장이 생성될 것으로 전망된다. 국내의 바이오가스 정제와 고질화를 통한 수송연료화기술은 한솔이엠이, 한국가스공사, 한국화학연구원, 진명환경산업이 개발하고 있으며 에코에너지홀딩스, 한라산업개발에서는 해외기술을 개발해 시범사업을 추진 중이다. 한솔이엠이는 초저온 액화공정을 통한 액화바이오메탄(LBM)을 생산하는 기술을 개발해 플랜트를 운전하고 있으며 한국가스공사는 흡착공정을 통해 이산화탄소를 분리해 차량용 연료로 활용하는 기술을 개발 중이다.
한국화학연구원은 멤브레인을 이용한 이산화탄소 분리공정을 개발하고 있으며 파일롯 플랜트를 설치 중이다. 진명환경산업은 고압으로 바이오가스를 압출해 흡수법으로 이산화탄소를 분리하는 흡수공정을 개발했다. 에코에너지홀딩스는 스웨덴 Flotech의 Water scrubbing 공정을 도입해 이산화탄소를 분리해 차량용연료로 공급하는 시범플랜트를 설치해 운영 중이다. 한라산업개발은 바이오가슬르 정제해 차량용 연료를 사용하기 위해 加퀘벡의 흡착공정인 PSA 공정을 도입해 플랜트를 건설 중이다.
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▶바이오디젤, 미활용 폐유지 활용으로 기지개
바이오디젤은 2001년 100만톤이 공급됐으나 2011년 2045만톤, 약 30조원이 공급돼 20배이상 폭발적으로 증가됐다. 2019년에는 2640만톤이 공급될 것으로 예측돼 향후 10년간 CAGR이 8% 상회하는 거대시장으로 성장하고 있는 신재생에너지이다. 세계 각국은 바이오디젤 사용량의 급속한 증가로 식용원료의 가격이 폭등하고 버려지는 자국의 비활용 원료 사용을 극대화하기 위해 비식용, 비활용 원료사용 강화정책을 적극적으로 추진하고 있다.
미국은 2015년 이후 바이오에너지의 사용증가부분은 비식용원료를 사용하도록 규정할 예정이며 유럽은 2017년 이후 온실가스 저감효율이 50% 이상인 바이오디젤만 신재생에너지원으로 인정하며, 2018년부터는 신규 바이오디젤 생산공장이 이산화탄소 저감 효율이 60% 이상일 경우만 허가해주는 제도를 도입했다. 식용 대두유의 온실가스저감 효율은 28%, 유채유는 36%인 반면 폐식용유는 75%이므로 비활용 원료의 사용은 필수불가결인 것으로 판단되고 있다.
또 세계 각지에 풍부하게 존재하는 저급 팜유, 동물성 유지, 산화유 등 비활용, 비식용 원료를 이용한 수송용 바이오디젤의 생산기술 개발이 시급히 요청되고 있다. 현재 대부분의 바이오디벨 상용공정들은 강염기 균질 촉매를 이용해 지방산 알킬 에스테르와 글리세린을 생산하는 공정이다. 1990년대 중반 프랑스의 IFP, 헨켈 등에서 염기 촉매를 이용한 연속 공정이 개발돼 Diester Industrie에서 적용된 이래 바이오디젤의 양산 개념은 지금까지 큰 변동없이 유지됐다.
Sodium methoxide(NaOMe) 촉매를 이용한 바이오디젤 생산플랜트는 러지, 벨라스트라, 베스트팔렌, 노방스 등 유럽 엔지니어링 전문업체를 통해 전세계에 보급됐다. 그러나 각사의 공정은 기술적 차별성이 없고 사용되는 식용유가 순수해야 대량으로 바이오디젤이 생산가능한 단점을 가졌다. 또 비균질 고체 촉매로 산화아연, 산화망간, 산화칼슘 등을 이용해 바이오디젤을 합성하는 기술이 개발됐으나 촉매성분이 금속 비누를 생성하는 등 단점으로 상용화에는 이르지 못했다.
프랑스의 IFP는 촉매의 안정화를 위해 스피넬 구조를 갖는 촉매를 개발해 연산 15만톤 규머의 상용화 공정을 건설했지만 지방산이 0.3% 이상, 수분이 0.1% 이상 원료는 사용할 수 없다. 따라서 지방산이 다량 포함돼 있는 비식용원료가 전혀 사용될 수 없어 비활용 원료를 활용하기 위한 상용화 기술의 완성에는 많은 시간이 소요될 것으로 예측되고 있다. 우리나라도 바이오디젤의 보급확대에 따라 2002년 이후 기술개발이 추진되고 있다.
2000년대는 주로 식용유지를 이용한 바이오디젤 생산 공정기술이 개발됐으며 일부 기업에서는 유럽의 생산플랜트를 도입해 개선하는 방식을 채택했다. 그러나 해외에서 대량의 식용유를 구매해 바이오디젤을 생산해 바이오디젤 보급 확대에 부정적인 인식이 대두되기도 했다. 초기 비식용 원료로부터 35% 이상의 바이오디젤이 만들어졌으나 2011년 이후 25% 이하로 떨어졌다. 따라서 정부는 국내 바이오디젤 보급정책을 단순 물량 공급정책에서 탈피해 국내에서 발생되는 폐식용유, 동물성 유지 등 사용을 극대화하는 정책을 도입하고 있다.
현재 미활용, 비식용 유지를 활용한 바이오디젤 생산기술은 우리 기업이 원천기술을 갖고 있다. 특히 고농도 FFA를 함유한 원료를 높은 수율을 유지하면서 바이오디젤로 전환하는 원천기술은 선진국보다 앞서있다고 평가받는다. 국내에서 대학, 연구소와 기업 등에서 고산가 폐유지를 효율적으로 바이오디젤로 전환할 수 있는 고체 촉매 개발 연구가 수행된 바 있다. 고체촉매를 이용한 전처리 기술개발, 초임계에 의한 바이오디젤 생산기술개발, 생물학적 반응을 이용한 바이오디젤 생산기술 개발 등이 연구됐다.
하지만 바이오디젤 수출산업화를 위해서는 세계적으로 고산가 비식용 원료를 이용한 요소기술 개발과 함께 개발된 요소기술이 상용화기술로 연계되는 복합적인 상용화 기술개발에 대한 지원이 집중적으로 이뤄져야한다는 주장이 힘을 얻고 있다. 산업부와 에기평은 올해 2월부터 ‘미활용 폐유지의 바이오디젤 전환 핵심 기술개발과 상용화 연구’에 착수했다.
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