생물연료

동물, 식물 등의 생물을 원료로 사용하여 가공이나 발효과정을 통해 생성되는 연료로 바이오에너지(bioenergy)라고 불리기도 한다. 사탕무우, 사탕수수 등과 같은 식물체나 조류를 원료로 사용하는 경우가 흔하며, 주로 발효과정이 수반되어 바이오에탄올(bioethanol)이나 메탄(methane) 가스 등을 생성한다.

특히, 메탄 가스는 쓰레기처리장에 버려진 탄수화물, 단백질, 지방, 섬유질 등의 음식물 폐기물이나 분변또는 하수처리장 슬러지 등을 이용하여 생산할 수 있다는 점에서 환경보호 측면에서도 다양한 장점을 가지고 있다. 일반적으로 메탄생성과정은 액화과정 단계, 수소와 아세트산염 생성 단계, 그리고 메탄 생성 등 3단계로 이루어진다.

발효를 통해 생물연료인 메탄이 생성되는 과정 (제작: 강형일/순천대)

목차

생물을 이용하여 생산하는 에너지의 대부분은 생물원료를 발효하여 얻어지며 생성물로는 에탄올, 프로판올, 메탄올, 부탄올, 디젤 등 대부분 액체이지만, 메탄과 같은 기체도 있다. 이들 연료들이 생물을 이용하여 생산되었을 때 연료 이름 앞에 접두어로 바이오를 붙여서 사용한다. 바이오에너지의 생성 단계는 일반적으로 원 재료인 생물의 선별, 발효에 관계하는 효모나, 세균 등 미생물의 분리, 그리고 식물 재료를 단당류로 전환하는 적당한 과정이 필요하다.

바이오에탄올은 가장 대표적인 생물연료로 휘발유에 비해 에너지 효율이 떨어지지만 휘발유보다 더 깨끗하게 타고 적은 양의 일산화탄소를 생산한다. 그렇지만, 에탄올은 연소 중 휘발유보다 더 많은 오존을 생산하여 스모그를 유발한다. 또한 에탄올을 사용하기 위해서는 엔진을 개조해야 한다.

바이오디젤(Biodiesel)은 일반 디젤보다 에너지로서의 가치가 떨어질 뿐만 아니라 표준 디젤보다 엔진 부품에 부식성이 더 강하다. 따라서 바이오디젤용 엔진은 별도로 고안되어야만 한다. 그러나 디젤보다 더 깨끗하게 연소되고 적은 양의 화합물을 배출한다. 바이오메탄올(Biomethanol)은 메탄보다 약 1/3에서 1/2 정도의 에너지를 갖고 있으며, 액체로서 운반하기 쉽다. 바이오부탄올(Biobuthanol)은 휘발유보다는 에너지로서의 가치가 떨어지지만 휘발유를 사용하는 모든 차의 엔진을 교체할 필요 없이 사용가능하다. 메탄은 가스로서 운반할 때 압축해야만 한다.

생물 원료를 이용한 발효 과정의 모식도(제작: 강형일/순천대)

식물 등 생물을 원료로 사용하여 바이오에너지를 생산할 때 발효는 필수적이다. 식물은 셀룰로스(cellulose), 리그닌(lignin), 녹말(starch) 등 분해가 잘 이루어지지 않는 성분들로 구성되어 있는데, 특히 리그닌(ligini)의 10~25%는 산소가 없는 혐기성 조건에서 분해가 일어나지 않는다. 발효는 혐기적 조건에서만 일어나기 때문에 에탄올 생산 시 분해가 되지 않은 리그닌은 전처리에 의해 제거해야만 한다. 생물연료의 생산에 관계된 미생물에는 클로스트리듐(Clostridium), 아스퍼질러스(Aspergillus), 트리코더마(Trichoderma)에 속하는 종들을 포함하여  발효에 사용된 다수의 곰팡이와 세균 등이 있다. 곰팡이 종인 페니실리움 캡슐레이텀(Penicillum capsulatum)과 탈라로마이세스 에머소니(Talaromyces emersonii), 고온 방선균인 더모모노스포르 푸스카(Thermomonospor fusca), 초고온 세균인 칼디셀룰로시룹터 사카로라이티쿠스(Caldicellulosiruptor saccharolyticus), 효모인 사카로마이세스 세레비지에(Saccharomyces cerevisiae)와 같은 미생물 종들이 알려져 있다. 

생물을 이용하여 생산하는 생물연료의 대부분은 재생가능 에너지이다. 재생가능에너지는 그린에너지(green energy)와는 다른 개념으로 사용된다. 그린에너지는 태양에너지와 같이 지구 생태계에 해가 없는 에너지로 산성비를 유발하거나 지구온난화를 악화시키지 않는다. 모든 그린에너지는 재생 가능한 것으로 여겨지지만 모든 재생에너지가 그린에너지는 아니다. 생물연료는 이산화탄소와 질소산화물과 같은 온실가스를 생성하기 때문에 그린에너지가 아닌 재생가능 에너지원의 예로서 여겨진다.

바이오에너지의 장점으로는 기존에 사용되는 화석 연료 에너지에 비해 이산화탄소(CO₂), 매연과 분진, 질소산화물(NOx), 방향족 화합물, 그리고 알데히드류 등의 오염 물질의 배출량을 감소시킬 수 있는 장점을 들 수 있으며, 특히 황산화물(SOx)은 크게 감소시킬 수 있다. 바이오에너지의 단점으로는 휘발유, 디젤 등에 비해 에너지 효율이 떨어진다는 점이다.

생물연료를 미래의 대체 연료로서 사용하기 위해서 나타나는 문제점 중의 하나는 사탕무우나 사탕수수와 같은 1~2종의 고부가 가치 식물의 생산량을 늘려야 한다. 따라서 생물연료의 대량 생산 과정에서 생물다양성이 크게 줄어들 뿐만 아니라 식량생산이 줄어드는 문제를 야기시킬 수도 있다.

1세대 생물연료는 원 재료로 농작물을 활용하여 발효시킨 후 에탄올을 생성하는데 사용하였고, 2세대 생물연료로는 경작이 필요없는 특정 토착 다년생 식물이나 대초원의 식물상을, 그리고 3세대 생물연료로는 광합성 조류를 이용하여 바이오디젤을 사용하여 왔다.

바이오디젤(Biodiesel), 바이오메탄올(Biomethanol), 리그닌(lignin), 셀룰로스(cellulose), 클로스트리디아(Clostridia), 아스퍼질러스(Aspergillus), 트리코더마(Trichoderma), 페니실리움 캡슐레이텀(Penicillum capsulatum), 탈라로마이세스 에머소니(Talaromyces emersonii), 악티노박테리아 문(phylum Actinobacteria), 초고온균(hyperthermophile), 효모(Yeast), 사카로미세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae), 그린에너지(green energy)

강형일/순천대학교 

송홍규/강원대학교