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바이오매스(Biomass) 에너지는 동식물 추출 유기물을 에너지원으로 이용하며 저장 및 운반이 가능하고 원료 종류가 다양해 다른 산업과의 관련성이 높다는 것이 큰 특징으로 나타나고 있다.
또 지역분산형 자원이기 때문에 에너지 자체소비율을 높이고 지역사회 활성화 및 고용 창출에도 도움이 될 것으로 기대되고 있다.
바이오매스 에너지의 이용은 크게 발전과 연료 제조로 구분되고 있다.
일본은 발전 분야에서 고정가격 매입제도(FIT)를 실시하고 있으며 열병합발전용 소형발전의 종류를 확대해 도입기술이 다양화되고 있다.
연료 제조분야에서는 셀룰로오스(Cellulose) 계열 바이오매스로 제조한 2세대 바이오에탄올(Ethanol), 3세대 바이오연료로 분류되는 조류 바이오연료 등에 대한 연구개발(R&D)을 적극적으로 추진하고 있다.
바이오매스 확산에 잉여목재 사용도 확대
국제에너지기구(IEA)는 2012년 세계 전체 발전량이 약 22.8PWh에 달했으나 바이오매스 및 폐기물 연료는 1.9%를 차지하는데 그친 것으로 파악하고 있다.
반면, 일본은 2012년 총 발전량 약 1.0PWh 중 바이오매스 및 폐기물이 3.7%를 점유했다.
일본은 주로 펄프 공장에서 배출되는 흑액(Black Liquor)과 폐목재를 원료로 바이오매스 발전을 추진하고 있지만 최근에는 삼림에 방치해온 간벌목재 혹은 질이 나쁜 목재 등 잉여목재 사용비율을 확대하고 있다.
바이오매스는 일본 정부가 2002년 「신재생에너지 이용 등 촉진에 대한 특별조치법(신재생에너지법)」을 개정하며 「동식물에서 유래한 유기물로 에너지원으로 이용 가능한 것」으로 정의내리며 일반에 인지되기 시작했다.
2003년 「전기사업자 등에 의한 신재생에너지 이용에 대한 특별조치법(RPS법)」으로 전력기업들에게 일정비율 이상의 신재생에너지 사용을 의무화시키며 바이오매스 발전소 건설이 적극 추진돼 연료인 폐목재 부족현상이 발생하기도 했다.
잉여목재는 RPS법 시행 이후 사용되기 시작했는데 수집·운반코스트가 높아 사업화에 가속도가 붙지는 못했다.
2012년 시행된 「전기사업자 등에 의한 신재생에너지 발전 전기 조달에 대한 특별조치법(FIT)」은 잉여목재로 발전한 전력의 매입가격을 높게 설정하는 등 잉여목재 사용을 장려하고 있다.
잉여목재는 복수의 5000kW급 바이오매스 발전소에서 다량으로 사용되고 있으며 바이오매스 발전은 태양전지, 풍력발전 등과는 달리 전력 출력이 안정적이기 때문에 베이스 전력으로서 호평을 얻고 있다.
석탄혼합연소에 이어 소형 가스화 발전도
석탄과 바이오매스의 혼합연소발전은 목재칩과 목재칩을 건조·압축·성형한 목재 팰릿(Pellet)을 석탄의 1-3% 가량 첨가하는 발전방식으로 바이오매스 혼합률은 낮지만 발전규모가 크기 때문에 발전소 1기당 수만톤에 달하는 바이오매스를 소비하고 있다.
현재 수입 바이오매스를 주로 사용하지만 일본산 바이오매스 사용이 점차 확대되고 있다.
50만kW 석탄화력발전소에서 발열량 환산으로 1%의 바이오매스 혼합연소를 실시하면 바이오매스 발전출력이 바이오매스 발전소 1기와 같은 수준인 5000kW가 된다.
바이오매스 발전효율이 20% 정도인 반면 석탄혼합연소의 발전효율은 40% 이상이어서 석탄혼합연소 발전은 이산화탄소(CO2)를 감축하는 효과적인 방법으로 주목받고 있다.
최근에는 대규모 발전 뿐만 아니라 지역의 실제 상황 및 사업자의 사업형태에 적합한 맞춤형 소형 바이오매스 발전도 확대되고 있다.
일본은 삼림 유지와 임업 활성화를 위해 2015년 FIT 제도를 시행하며 잉여목재를 2000kW 미만만 사용해도 인상된 매입가격을 적용하도록 지정한 바 있다.
소형 바이오매스 발전은 직접연소 대신 바이오매스를 열분해함으로써 일산화탄소와 수소 등으로 이루어진 가스를 발생시켜 증기터빈을 가동시키는 가스화 발전 방식을 채용하고 있다.
현재 일본은 최소 수kW에서 최대 2000kW에 달하는 가스화 발전소가 가동되고 있으며 독일은 50-200kW급 발전설비의 보급을 확대하며 일본에도 수출하고 있다.
가스화 발전은 배기가스가 고온이기 때문에 열병합 발전 이용도 기대되고 있다.
100도 이하로 비교적 낮은 온도의 유기매체를 사용하는 증기사이클 ORC(Organic Rankine Cycle)와 스크류형 발전기도 소형 바이오매스 발전에 공헌하고 있다.
특히, 스크류형 발전기는 증기터빈과 달리 수십kW급 소형 발전소에서도 비교적 높은 효율로 발전이 가능하며 제재소 등에서 목재를 건조시키는 용도로 사용이 확산되고 있다.
소형 바이오매스 발전 사업은 축산 폐기물 연료 이용이 급부상하며 기존 방식인 메탄(Methane) 발효가 확대되고 있으며 직접 연소시키는 사례도 등장하고 있다.
가축의 분뇨는 사료를 생산하는 농지의 비료로 사용하는 것이 가장 이상적이지만 일본은 사료 자급률이 낮고 대량으로 수입하기 때문에 비료가 남아돌고 있으며 식량생산농지에서도 사용을 촉진하고 있으나 충분하지 않은 상황이다.
따라서 최근에는 가축의 분뇨를 퇴비로 만들어 수분을 빼내 연료로 이용하고, 연료 이용 후 남은 재를 비료로 사용하고 있으며 가금분의 열을 활용하는 방안도 보급되고 있다.
바이오연료 고도화에 자동차도 변화
목질 바이오매스는 본래 장작과 숯을 원료로 사용해 왔으며 최근 들어 목재칩과 목재 팰릿의 이용이 확대되고 있다.
목재칩과 목재 팰릿은 장작보다 취급이 간편하고 난로와 보일러 등에서 연료로 널리 사용되고 있다.
셀룰로스계 바이오매스는 산소가 적은 환경에서 가열하면 열분해돼 일산화탄소와 수소를 포함한 가스를 배출하며 열분해 가스는 내열기관의 연료로 사용되고 있다.
열분해 가스는 특정 조건에서 화학적으로 반응시키면 메탄올(Methanol)과 DME(Dimethyl Ether) 등의 액체연료로 합성할 수 있는 것이 특징이다.
바이오매스를 수초 동안 가열·냉각하는 급속 열분해를 통해 생성된 가연성 바이오오일은 주로 보일러 연료로 사용되고 있다.
바이오오일은 산성을 나타내며 수분을 함유하고 있어 엔진 연료로는 적합하지 않으나 개질을 거쳐 엔진 연료로 사용할 수 있도록 하는 방법을 현재 개발하고 있다.
셀룰로스계 연료에서 에탄올을 제조하는 2세대 바이오에탄올 연구도 활발하게 진행되고 있다.
미국은 옥수수를 베이스로 에탄올을 생산하는 방식이 한계점에 도달했다고 판단하고 2세대 바이오에탄올 연구에 막대한 투자를 실시하고 있다.
미국은 2007년 신재생연료 기준 「RFS2(Renewable Fuel Standard)」를 통해 2013년부터 2세대 바이오에탄올의 제조가 본격화될 것이라 예측했지만 아직 실현되지 않고 있다.
일본은 농림수산성이 볏짚으로 에탄올을 생산하는 방법에 대한 실증연구를 추진하고 있으나 사업화까지는 상당한 시일이 걸릴 것으로 예상되고 있다.
볏짚은 생산량이 많아 원료 수집·운반·보관 코스트가 많이 발생하고 있으며 전처리 공정의 효율화, 당화 효소 코스트 절감, 폐기물 처리법 등에 대해서도 연구가 더 필요한 것으로 알려졌다.
전분과 당을 이용해 생산하는 1세대 바이오에탄올은 식량산업을 저해할 것이라는 우려가 제기되며 경쟁이 심화돼 대폭 확대는 어려울 것으로 판단되고 있다.
2014년 브라질이 사탕수수를 원료로 2340만kl의 에탄올을 생산하고 미국도 옥수수로 5410만kl를 생산했으나 해당 1세대 바이오에탄올들은 온실가스 감축 효과가 적고 환경보전보다는 농업보호 목적이 더 컸던 것으로 파악된다.
에탄올은 95%까지 저류 농축해 탈수한 후 가솔린에 직접 혼합하고 또는 ETBE(Ethyl Tertiary Butyl Ether)로 교환해 가솔린에 혼합 사용한다.
에탄올을 그대로 자동차 연료로 사용하는 사례도 등장하고 있다.
동물 및 식물의 유지는 Methyl Ester화해서 경유 대신 디젤엔진에 사용되고 있다. 현재 분자량이 작은 식물유가 주류를 이루고 있으나 동물유를 이용하는 연구도 진행되고 있다.
일본은 주로 폐식용유를 사용하고 있으며 Methyl Ester화는 알칼리 촉매와 메탄올을 첨가하는 일반적인 방식 대신 촉매를 첨가하지 않고 열을 가하는 과열 메탄올 증기법 등도 추진되고 있다.
또 식물유를 Methyl Ester화하지 않고 검과 산을 제거해서 바로 연료로 사용하는 사례도 등장했다.
그동안 디젤엔진에 적합한 바이오연료를 만들기 위한 연구를 주로 추진했으나 앞으로는 각종 연료에 적합한 엔진을 개발하는 방식을 확대할 것으로 예상된다.
3세대 바이오연료 등장에도 생산량 부족
바이오가스는 음식물 쓰레기, 가축의 분뇨, 하수오니 등의 폐기물을 메탄 발효시켜 생산하고 있다.
바이오가스의 주성분은 메탄과 CO2로 농축·정제한 메탄의 농도를 높여 도시가스 파이프에 주입하는 실증실험과 수송용 연료로 사용하는 방안도 시도되고 있다.
Fukuoka와 Kyushu University는 2015년부터 바이오가스를 개질함으로써 수소를 제조하는 공동 실증실험을 진행하고 있으며 앞으로 바이오매스를 베이스로 취하는 수소 연구는 더 가속화될 것으로 예상된다.
최근에는 수생 바이오매스가 3세대 바이오연료라 불리며 새로운 바이오매스 에너지 자원으로 주목받고 있다.
특히, 미세 조류는 육상 바이오매스에 비해 단위면적당 생산성이 높고 배양액에 발전소 등에서 배출된 CO2를 주입해 고정할 수 있어 큰 기대를 모으고 있다.
생물체에서 생성되는 유지는 중성지방이 주성분이지만 미세 조류 중에는 탄화수소를 생성하는 종류도 있는 것으로 알려졌다.
탄화수소는 석유에 가까운 성분으로 구성돼 유지와는 달리 산소 원자가 포함돼 있지 않아 발열량이 높기 때문에 차세대 제트 연료로 각광받고 있다.
2014년 글로벌 바이오에탄올 생산량은 총 9500만kl로 발전량 환산으로는 약 6200만kl의 가솔린에 해당하며 일본이 소비한 가솔린 약 5800만kl를 소폭 상회하는 수준으로 나타나고 있다.
경유, 제트연료, 가스 소비량까지 감안하면 바이오연료는 아직 한 국가의 수송용 연료 소비량조차 완벽하게 커버할 수 없는 상태이다.
표, 그래프 : <일본의 바이오매스 발전설비 도입현황(FIT 시행-2015년 6월)><주요 바이오연료 생산공정>
<화학저널 2016년 5월 2일>
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