[연재] 신재생에너지, 어디까지 왔나-바이오에너지

개요 식물로 대표되는 바이오매스로부터 생산 가능한 바이오에너지는 열, 전기뿐만 아니라 석유가 직접적으로 소비되는 수송용 연료도 생산할 수 있다는 장점이 있어 고유가에 대한 대처 효과가 높다고 할 수 있다. 바이오에너지를 사용함에 의해 발생한 이산화탄소는 바이오에너지 생산 원료인 식물이 자라면서 광합성에 의해 흡수하므로 대기 중으로 이산화탄소 배출 효과는 크지 않아 국제사회에서는 지구 온난화 대처에 도움이 되는 에너지로 인정하고 있다. 바이오에너지 사용에 의한 대기중 이산화탄소 양 증가 효과는 다른 신재생에너지원에 비해 오히려 낮은 것으로 분석되었다. 또한 바이오매스(식물)는 계속 자라거나 생성되므로 석유나 석탄과 같이 한 번 사용하면 없어지는 화석에너지와는 달리 재생성을 가져 자원의 고갈 문제가 없다. 이외에도 현재 국내외에서 바이오에너지 생산 원료로 사용되는 바이오매스는 농업 작물(예: 유채, 옥수수, 콩 등)이거나 농임산 부산물(간벌목, 볏짚, 왕겨 등) 또는 유기성 폐기물(음식쓰레기, 축산 분뇨) 등이어서 바이오에너지는 농업과 매우 밀접한 관계가 있다. 하지만 환경오염에 따른 사회 간접비용 증가 및 에너지 안보 등을 고려할 때 바이오에너지의 보급 필요성이 부각되고 이를 충분히 인식한 미국, EU, 일본 등 선진국에서는 바이오에너지 보급을 늘리기 위해 적극적인 지원 정책을 마련 시행하고 있다. 그 결과 전 세계적으로 바이오에너지 보급은 매우 활성화되고 있으며 앞으로도 지속적으로 증가할 전망이다.

바이오에너지 기술의 종류 및 기술개발 현황 앞에서 언급한 바와 같이 바이오매스는 썩을 수 있는 모든 물질을 지칭하며 따라서 그 종류가 매우 다양하지만 바이오매스의 근원은 식물이다. 이러한 식물은 성상에 따라 크게 두 가지로 분류된다. 즉 사람이 식량으로 사용할 수 있는 당질계, 전분질(녹말)계 바이오매스(예 : 사탕수수, 고구마, 옥수수, 콩 등)와 식량으로 사용할 수 없는 셀룰로스계 바이오매스(나무, 볏짚, 기타 농임산 폐기물 등)다. 따라서 바이오매스 에너지 기술은 원료 바이오매스의 성상에 따라 각각 다른 활용 기술이 적용되고 있다. 1. 열 또는 전기 생산 기술 (1) 고형 연료화 기술 사람들은 오래 전부터 나무 등의 셀룰로스계 바이오매스를 땔감으로 사용하였다. 이러한 단순 활용 기술은 사람들의 필요성에 의해 다양한 형태로 발전하게 된다. 우리나라에서는 신탄 또는 왕겨탄 등으로 가정, 식당 등 개별 소비처에서 주로 활용된 바 있다. 하지만 임산 자원이 풍부한 북구의 여러 국가들(예 : 핀란드, 스웨덴 등)에서는 조림에 의해 생산된 목재를 칩(chip) 또는 펠렛으로 가공하여 지역난방 등 대규모 소비에 주로 사용하고 있다. 특히 스웨덴에서는 바이오매스의 연료로 사용을 촉진하기 위해 화석 연료를 열 생산 목적으로 사용하는 경우 탄소세를 부과하여 바이오매스 연료의 가격 경쟁성 확보를 돕고 있다. 또한 미국, 독일 등 여러 선진국에서는 미활용 임산 폐기물뿐만 아니라 도시에서 배출되는 폐목재 등을 펠렛화하여 석탄 화력 발전소에서 석탄과 함께 사용하는 혼소 기술도 개발하여 적용하고 있다. 혼소 기술을 적용할 경우 석탄의 사용량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 공해 물질 및 온난화의 저감 효과도 기대할 수 있어 일석이조의 효과가 가능하다. (2) 열분해 기술 고형 연료로 만들어 연소하여 열을 생산하는 방법은 상대적으로 적용이 용이하지만 생산된 에너지의 형태가 부가가치가 가장 낮은 형태이어서 보다 유용한 형태의 에너지로 활용하려는 시도도 이루어졌다.이러한 시도의 대표적인 예로는 고형 연료를 공기(산소)가 희박한 조건에서 열분해, 가스화하여 가스 연료(CO, CH4, H2 등)를 생산하는 기술이다. 생산된 가스는 열과 전기를 동시에 생산하는 열병합 발전에 사용되거나 응축하여 액상 연료로도 사용 가능하다. 열병합 발전 기술의 경우 상용화되었으나 액상 연료로 활용하는 기술은 현재 파일롯 연구를 완료하고 실용화 시작 단계에 있다.

(3) 메탄 생산 기술 산업 또는 생활하수로부터 메탄을 생산하는 기술은 이미 하수 처리장 또는 산업체에서 실용화하여 사용하고 있다. 또 다른 중요한 적용처는 음식 쓰레기다. 현재 음식 쓰레기는 사료 또는 퇴비화에 의해 일부 재활용되고 있지만 그 수요처가 제한되어 있어 감량화 기술이 국내 실정에서는 더 필요하다. 감량화에는 소각 또는 메탄으로 전환하는 기술이 효과적이다. 국내 음식 쓰레기는 수분 함량이 약 90%로 매우 높아 소각 기술은 적용이 어려워 메탄으로 전환하는 기술이 적합한 것으로 판단된다. 음식물 쓰레기를 메탄으로 전환하여 연료로 활용할 경우 에너지 생산뿐만 아니라 유기물의 감량도 90% 가능하여 매우 높다. 국내 기술진에 의해 우리 실정에 맞는 음식 쓰레기로부터 메탄 생산 기술이 개발되었으며 현재 상용화 공장이 설치되어 가동 중이다. 이 기술은 앞에 언급한 사료화나 퇴비화에 비해 시설 설치비가 높아 보급이 부진하지만 2005년부터 음식 쓰레기의 매립이 금지되면서 유망한 처리 기술로 각광 받을 것으로 전망된다. 2. 수송용 연료(바이오에탄올, 바이오디젤) 생산 기술 다른 신재생에너지원이 갖지 못하는 바이오에너지의 고유 특성이 바로 수송용 연료로 전환 가능하다는 점이다. 즉 바이오매스는 휘발유 대체 연료인 바이오에탄올과 경유 대체연료인 바이오디젤 생산 원료로 활용 가능하다. (1) 바이오에탄올 가솔린의 대체연료로 사용되는 바이오에탄올은 재생성이 있는 바이오매스를 원료로 생산 가능할 뿐만 아니라 환경오염 물질의 배출도 적어 미국, 브라질 및 EU의 여러 국가들에서 보급량이 증가하고 있다. 현재 브라질, 미국 등에서는 자국의 풍부한 바이오매스인 사탕수수 또는 옥수수를 원료로 바이오에탄올을 생산하는 기술을 개발하였다. 사탕수수로부터 추출한 사탕액(juice)은 효모에 의해 직접 에탄올로 전환된다. 이후 에탄올을 농축하여 연료용 알콜(함량 : 99.27%)로 만들어 가솔린과 혼합 또는 에탄올 자체만으로 휘발유 대체 연료로 사용 가능하다. 옥수수, 고구마 등과 같은 전분질계 바이오매스로부터 바이오에탄올 생산은 전분질계 바이오매스는 녹말을 효모가 발효할 수 있는 당으로 전환하기 위한 증자 단계가 추가되며 이후 과정은 당질계에서 에탄올 생산 방법과 같다. 현재 상용화된 바이오에탄올 생산 기술은 모두 사람이 식량으로 사용할수 있는 당질계 또는 전분질계 바이오매스를 원료로 사용하므로 식량을 에너지로 사용한다는 데 대한 도덕적 문제(굶어 죽는 사람이 많은 현실에서 식량을 에너지로 사용하는 것은 문제임)뿐만 아니라 앞으로 식량 수요가 늘어날 경우 원료 수급에 문제가 발생할 수 있다는 우려가 증가하고있다. 이러한 피상적 이유 외에도 현재 생산하고 있는 바이오에탄올은 원료비용이 높아 원가 측면에서 비교하면 휘발유에 비해 가격이 높은 문제점이 있어 해당국 정부에서는 세금 감면 등의 지원정책을 실시하고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 보다 값싸고 원료 수급에 문제가 적은 셀룰로스계 바이오매스를 원료로 사용하는 기술을 개발하고 있다. 하지만 셀룰로스계 바이오매스는 앞에 언급한 당질계, 전분질계 바이오매스에 비해 매우 견고한 구조를 가지고 있어 이를 분해하여 에탄올을 생산하는 데는 여러 단계의 공정을 거쳐야 한다. 목질계 바이오매스로부터 당의 고분자인 셀룰로스를 먼저 분리하고 효소에 의해 당으로 분해한 다음 앞에 기술한 대로 효모에 의해 에탄올을 만들게 된다. 이러한 기술은 현재 미국, 스웨덴 등에서 파일롯 공정의 연구 단계이며 실용화에는 약 5∼10년이 더 걸릴 것으로 예상된다. (2) 바이오디젤 요즘 경유 대체 친 환경연료로 주목받고 있는 바이오디젤도 바이오매스로부터 생산 가능하다. 즉 바이오디젤은 약 10%의 산소를 포함하고 있는 함산소 연료로서 연소시 보다 완전 연소가 일어나 경유에 비해 대기 오염 물질이 40∼60% 이상 적게 배출된다. 또한 바이오디젤 사용에 따른 전 주기 분석(Life Cycle Analysis)에 의하면 바이오디젤 1kg 사용시 경유에 비해 2.2kg의 이산화탄소 배출 절감 효과가 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 바이오디젤은 바이오매스의 한 종류인 식물성 기름으로부터 만들어진다. 즉 식물성 기름은 차량 연료로 사용하기에 충분한 열량을 가지고 있지만 고분자 물질이어서 점도가 너무 높아 현대의 디젤 엔진에 직접 적용이 어렵다는 문제점이 있다. 따라서 화학반응에 의해 식물성 기름을 분해하여 저분자화함으로써 점도를 디젤유와 비슷한 점도 수준으로 낮출수 있다. 식물성 기름을 촉매를 넣고 알콜과 반응시키면 알킬에스터와 글리세린으로 전환된다. 반응에 의해 생산된 알킬에스터를 바이오디젤이라고 한다. 모든 종류의 알콜이 사용 가능하지만 가장 가격이 저렴한 메탄올을 주로 사용하고 따라서 생산된 알킬에스터도 메틸에스터라고 한다. 촉매도 마찬가지로 산 또는 염기 촉매가 사용 가능하지만 반응 활성이 우수한 염기 촉매를 주로 사용하고 있다. 에탄올의 경우와 마찬가지로 현재 바이오디젤 생산에 원료로 사용되는 기름은 식용유로도 사용 가능하다. 따라서 바이오디젤의 보급이 전 세계적으로 활성화될 경우 원료의 가격 상승과 수급 불안 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 식용으로 사용이 어려운 원료를 활용하려는 기술 개발 연구가 진행되고 있다. 이러한 원료의 대표적인 예로서는 폐식용유와 독성이 있어 식용으로 사용이 불가능한 유지 식물의 기름 등이 있다. 폐식용유는 현재 상용공정에서 원료로 사용하는 깨끗한 식물성 기름과는 달리 많은 불순물이 있어 여러 단계의 전처리 기술이 필요하다. 또한 독성이 있어 식용으로 활용이 어려운 다양한 유지식물들 중에서 바이오디젤 생산 목적에 적합한 식물 종을 찾기 위한 연구가 미국 등에서 진행되고 있다. 국내외 시장동향 2001년 기준 전 세계(IEA 통계 국가)의 바이오에너지 보급 양은 약 1억 5천만 toe로 에너지 총 소비량의 3%이며 전체 신재생에너지 보급 양 기준으로 55%에 해당하여 신재생에너지 보급 중 가장 높은 비율을 차지한다. 이러한 바이오에너지 보급량은 1980년 기준 신재생에너지중 바이오에너지 비율이 48.5%이었다는 사실을 고려하면 과거 20년 동안 바이오에너지 비중이 꾸준히 높아졌다는 사실을 보여준다. 현재 시장에 공급되고 있는 바이오에너지는 고형물 바이오매스를 연료로 하여 전기 또는 열을 생산하거나 유기성 폐기물을 메탄으로 만들어 발전하는 시장 그리고 수송용 바이오연료 시장 등으로 크게 구분할 수 있다. 각 바이오에너지별 시장에 대해 분석하면 다음과 같다. 1. 고형물 바이오매스로부터 전기를 생산하는 시장 2004년도 IEA 통계 자료에 따르면 2001년도 IEA 국가에서 고형물 바이오매스를 사용하여 생산한 전기는 84TWh로 총 발전량과 신재생에너지에 의한 발전량의 각각 1%와 6.1%에 해당하였다. 1990년 기준 고형물 바이오매스에 의한 발전양이 60.5TWh이었다는 사실을 고려하면 고형물 바이오매스에 의한 발전시장은 1990년 이후 2001년까지 연평균 3% 증가하였다. 2001년의 바이오매스를 이용하는 발전 시설 용량은 12GWh이다. 다음 그림은 1990년 이후 IEA 국가들에서의 바이오매스 이용 발전 용량의 증가 추세를 나타냈다. 바이오매스에 의한 발전비율이 가장 높은 나라는 핀란드로 전체 발전양의 11%를 공급하고 있고, 가장 높은 발전 용량을 설치한 미국의 경우 전체 발전양의 1.1%를 바이오매스 발전으로 보급하고 있다. 스웨덴, 오스트리아, 포르투갈 등은 바이오매스 이용 발전 비율이 다른 나라에 비해 상대적으로 높아 약 2% 이상이었다. 핀란드에서 바이오매스에 의한 발전 비율이 다른 나라에 비해 상대적으로 높은 이유는 바이오매스 이용 발전 기술 개발에 대한 정부의 적극적인 지원뿐만 아니라 고형물 바이오매스 이용 발전에 대한 차액 보전(0.042 유로/kWh)이 동시에 이루어졌기 때문이다. 스웨덴은 고형물 바이오매스 이용 발전 시설 용량이 1990년 1200MW에서 2001년 1800MW로 증가하였다. 이러한 증가는 정부의 바이오매스 연료 사용에 대한 세금 지원이 이루어졌기 때문이며 세금 혜택이 바이오매스 에너지 보급 증가에 유용한 수단으로 계속 역할을 할 것이라는 사실을 보여준다. 오스트리아는 2001년 기준 바이오매스 발전 비율이 총 발전양의 2.4%이었다. 1990년 이후 발전시장에서의 바이오매스 발전 비율은 계속 증가하였으며 이러한 증가는 오스트리아 재무부와 발전사 협회 간에 바이오매스 수송비용의 20%를 정부가 보조한다는 자발적 협약이 이루어진데 힘입은 바 크다. 이외에도 1996년 도입한 화석연료 사용 발전에 대한 세금 추가 도입과 1997년 신재생에너지 발전 보급 지원을 위한 시설 투자 인센티브 및 의무 비율 설정 등도 기여하였다. 포르투갈은 재생에너지 프로젝트에 대한 투자 인센티브를 규정한 ENERGIA 프로그램이 확립되면서 고형물 바이오매스 이용 발전 보급이 증가하였다.

2. 바이오매스에 의한 열에너지 활용 시장 2001년 기준 IEA 국가에서 바이오매스 사용 열에너지 생산 시장 규모는 148,332TJ이며 전체 재생에너지에 의한 열 생산량의 38%를 점유한다. IEA 국가중 가장 많은 열 에너지를 생산, 보급한 국가는 스웨덴으로 총 열에너지생산량은 82,640TJ로서 IEA 국가들 총 열에너지 생산량의 50% 이상을 생산하였다. 다른 주요 국가들로는 핀란드, 미국, 덴마크 순이다. 스웨덴은 지역난방에 공급되는 에너지의 50% 이상을 바이오매스를 연료로 보급하고 있다. 이러한 비율은 1990년 이후 5배 이상 증가한 것이다. 핀란드는 고형물 바이오매스를 연료로 한 열에너지 시장 규모가 1995년 6,118TJ에서 2001년 16,642TJ로 년 18% 이상 증가세를 보였다. 이러한 폭발적인 증가는 바이오매스 사용에 의한 열에너지 생산 경우에는 세금을 부과하지 않아 화석에너지에 대비하여 가격 경쟁력을 가질 수 있었기 때문이다. 3.바이오가스 생산에 의한 발전 시장 2001년 기준 바이오가스를 연료로 사용한 발전 양은 13.6TWh로 1990년 대비 270% 증가하였다. 1990년대 초반에는 거의 모든 바이오가스 발전이 미국에서 이루어졌지만 최근 수년간의 바이오가스에 의한 발전양 증가는 EU에서 발생하였다. EU에서 바이오가스 발전이 가장 활발한 국가는 영국으로 2001년기준 2.9TWh를 생산하였으며 그 다음으로 독일이 2TWh를 생산하였고 미국은 IEA 국가 중 가장 많은 4.9TWh를 생산하였다. 미국은 매립지 바이오가스 발전이 특히 활성화되었으며 이는 기존 발전원이 아닌 경우 적용되는 연방세 감면 지원법(PURPA) 제정과 매립지에서 발생하는 메탄의 대기로의 배출을 억제토록 한 환경 규제 등에 의해 힘입은 바 크다. 매립지 가스 발전에 대한 연방세 감면은 1980년에는 1백만Btu당 $0.52였으며 이후 인플레이션의 영향으로 $1.0까지 높아졌으나 1998년 일몰제에 의해 세금 감면 혜택은 소멸되었다. 그 결과 신규 매립지에서의 발전 시설 설치는 둔화되고 있다. 4. 수송용 바이오연료 시장 IEA 국가에서 수송용 바이오연료 생산은 1995년 430만톤에서 2001년 580만톤으로 증가하였으며 2004년에는 최대 바이오에탄올 생산국가인 브라질 포함시 약 2,000여만톤이 생산된 것으로 보고되었다. 이러한 바이오 연료 생산량의 90% 이상을 브라질과 미국이 생산하고 있으며, 연료의 대부분은 바이오에탄올이다. 바이오디젤은 유럽에서 주로 생산되고 있으며 독일과 프랑스 등이 대부분을 생산하고 있다. 장기적으로는 고유가와 교토 의정서의 발효에 따른 CO2 배출 강화에 대한 적극적인 대응 방안으로 수송용 바이오연료의 보급이 꾸준하게 늘어날 것으로 전망된다.