바이오매스

생태학적 의미의 바이오매스란 특정 시간에 특정 지역에 존재하는 식물, 동물, 미생물 등 모든 생물체의 질량을 의미한다. 재생 에너지와 관련된 산업적 의미의 바이오매스는 연소나 화학적 생화학적 전환을 통해 에너지를 얻을 수 있는 식물 유래 산물을 주로 의미하며 광합성을 하는 조류, 미세조류 등도 이에 포함된다. 광합성 생물의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소는 다시 광합성을 통한 바이오매스 생성에 사용되므로, 바이오매스는 전통적인 연료인 석유나 석탄 보다 이산화탄소 배출을 절감할 수 있고 친환경적인 에너지원으로 여겨지고 있다. 바이오매스는 전환과정을 통해 바이오가스, 바이오디젤, 에탄올, 메탄올 등의 연료나 다양한 화학물질 생산에 활용될 수 있다.

바이오매스를 활용한 바이오연료와 화학물질의 생산 (출처: 한지숙 / 서울대학교)

목차

바이오에너지 및 화학물질을 생산하기 위해 사용할 수 있는 바이오매스는 크게 1세대 바이오매스와 2세대 바이오매스로 구분된다. 1세대 바이오매스는 옥수수, 타피오카 등에 포함되어 있는 전분계 바이오매스와 사탕수수에서 얻어지는 당분계 바이오매스를 포함한다. 전분은 효소 반응을 통해 포도당으로 분해되고, 당분은 미생물의 탄소 및 에너지원으로 사용되어 에탄올을 비롯한 발효 산물 및 다양한 화학물질 생산을 가능하게 한다. 1세대 바이오매스를 활용하는 공정은 이미 산업화 단계이지만 이러한 식용작물 대신 2세대 바이오매스로 불리는 풀, 나무 등 목질계 바이오매스나 미세조류 등 비식용 바이오매스를 활용하려는 노력이 진행되고 있다. 이들 2세대 바이오매스는 1세대 바이오매스에 비해 미생물이 이용할 수 있는 형태로의 전환이 복잡하고 구성성분이 다양하여 전환 효율 증대와 비용감소를 위한 기술개발을 필요로 하고 있다.

바이오매스를 이용한 에탄올 생산 (출처: GettyimagesKorea)

바이오매스는 다양한 전환 방법을 통해 다른 형태의 에너지로 전환된다. 먼저 열적 전환은 기본적으로 연소를 이용한 방식으로 연소 이외에도 열분해(pyrolysis), 반탄화(torrefaction)의 방법이 있다. 이런 열적 방식에 의한 에너지 전환을 사용하는 것은 식물의 성장이 빠른 열대지방의 국가에서 적합한 방법이다.

바이오매스의 화학적인 전환은 석탄 기반의 방식과 유사하게 바이오매스를 다른 형태의 에너지로 전환하는 데 있어 화학적인 반응이 포함된다. 대표적으로 에스터교환은 오일로부터 얻을 수 있는 지방산을 알코올에 결합시키는 방식으로 이 과정에서 지방산의 점성을 감소시켜 가연성으로 만든다. 화학적 전환의 최종산물은 대부분 바이오 디젤인데, 거의 모든 생물 유래 오일은 바이오디젤로 전환이 가능하다.

바이오매스 생화학적 전환은 효소, 세균 또는 효모 등 다른 미생물을 이용하여 바이오매스를 액체 연료로 전환하는 방식으로 혐기성 소화(anaerobic digestion)나 발효(fermentation)를 포함하는 방식이다.

산소가 없는 조건에서 미생물의 혐기성 소화를 이용하여 유기물을 분해할 수 있는데, 이 방법은사용 후 남은 작물, 음식물 쓰레기 그리고 거름 등을 이용하여 메탄이나 탄소가 풍부한 바이오 가스의 생산에 많이 사용되는 방식이다. 한편 미생물의 발효를 이용하여 탄수화물을 에탄올을 포함한 다양한 대사산물로 전환할 수 있다.

바이오매스를 가스연료나 화학물질로 전환할 때 첫 단계에서 바이오매스를 가스화하여 두번째 단계에서 오일로 응축시키고 마지막으로 합성 가스(syngas)를 생산하는 방식이다..

바이오매스 활용 에너지는 식물, 산업 부산물 등 풍부한 자원을 기반으로 생산되기 때문에 환경친화적이며, 그 공정 또한 석유나 석탄 연료에 비해 환경친화적이다. 또한 총 탄소량이 적은 저탄소 에너지이기 때문에 이산화탄소의 배출량을 감소와, 온실가스 등의 환경오염 저감 효과를 가져올 수 있다. 또한 전환할 수 있는 에너지의 형태가 바이오가스, 바이오디젤, 바이오에탄올 등 매우 다양하다. 그러나 자원이 흩어져있기 때문에 원료를 모아오는 수거 비용이나, 처리 비용이 과다 발생할 수 있고, 원료가 다양하기 때문에 그 원료에 적합한 기술을 개발해야 하며 그에 따른 시설 마련에 대규모설비에 대한 투자가 필요하므로 초기 비용이 크다는 단점이 있다.

우리나라는 재생 가능한 에너지(renewable energy)의 점유율을 2030년까지 전체 에너지의 11%까지 증가시키는 것을 목표로 하였고 그 중 바이오매스가 차지하는 비율은 3.4%정도이다. 현재 전세계적으로 많은 기업에서 바이오매스 기반 에너지 사용 증대 및 개발을 위해 노력하고 있다.

한지숙/서울대학교

최형태/강원대학교