IEA 기준 시나리오(business-as-usual scenario)에 의하면 세계 수송용 에너지 사용과 온실가스 배출 은 2030년까지 50% 이상 증가하고, 2050년까지는 적어도 2배가 될 것으로 예측하고 있다. 또한 IEA의 전망에 따르면 세계 석유수요에 있어서 계획된 전체 증가의 75%는 수송부문이 차지 할 것으로 전망하고 있는 현실이다. 따라서, 전 세계적으로 수송부문은 현재 화석연료에 의해 96% 이상 의존하여 사용되고 있으며, 세계의 전체 온실가스 중 27%를 차지하고 있는 실정이다. 최악의 지구 기후변화를 대응하기 위 해서는 2050년 지구의 온실가스를 2005년 대비 적어도 50%까지 감축해야하는 실정에 있다. 한편, 자동 차 기술은 화석연료 기반에서 저탄소연료(low carbon fuel) 정책에 따른 바이오연료 사용과 전기자동차 로의 기술개발로 인해 날로 진보하고 있다. 이러한 측면에서 세계 각국은 수송부문에서 바이오연료를 도 입하고 있다.
바이오연료는 식물이나 미생물과 같은 바이오매스를 원료로 하여 얻어지는 연료이며, 직접 또는 생화학
온실감축 수단으로서 바이오연료의 현황과 전망
김재곤 한국석유관리원 석유기술연구소 [email protected]
적, 물리적 변환과정을 통해 액체, 가스, 고체연료나 전기 열에너지 형태로 이용하고 있다. 바이오매스로부 터 생산되는 바이오연료는 타 신·재생에너지의 적용이 불가능한 수송부문에서 직접 적용 가능하여 석유 에너지의 직접 대체 효과가 높다는 장점이 있다. 이러한 석유대체 가능한 바이오연료에는 바이오디젤, 바 이오에탄올, 바이오가스 등이 현재 전 세계적으로 상용화되어 사용하고 있다. 바이오연료는 자원이 풍부 하고 파급효과가 크며, 환경 친화적으로 생산이 가능하고 최근 지구 온난화의 주범인 화석연료에 의한 온 실가스의 양을 감소할 수 있고 생성된 에너지의 형태(연료, 전력, 천연화합물 등)가 다양하다는 특성을 갖 고 있다. 한편 단점으로는 에너지활용 자원이 산재되어 있어 수집 및 수송이 불편하고 다양한 자원에 따른 이용기술의 다양성과 개발의 어려움 및 단위공정이 대규모 설비투자를 필요로 하고 과다 이용시 식량과 의 경합과 환경파괴를 유발할 수 있다는 점을 들 수 있다. 바이오연료는 주로 유럽, 미국, 브라질 등을 중 심으로 생산 및 보급이 이루어지고 있으며, 최근에는 상대적으로 보급이 뒤쳐진 한국을 비롯한 아시아 각 국들도 자국이 가진 식물 원료를 기반으로 한 바이오연료의 생산 및 보급을 시작하고 있다.
본 특별기획에서는 국내 수송부분의 온실가스 감축 수단으로서 활용 가능한 바이오연료(바이오디젤, 바이오알코올, 바이오가스 및 급속열분해)의 보급정책, 기술현황 및 산업현황 등을 통해 지속가능한 바 이오연료의 발전방향을 모색하고자 한다.
1. 머리말
세계 각국이 현재 경제성 관점이 아닌 에너지 안 보, 에너지원 다양화 및 온실가스 감축 등의 목적으 로 신재생에너지를 확대하거나 추진하고 있으며, 최 근 국내 정부도 국가에너지기본계획을 통해 2035년 까지 확대를 계획하고 있다. 한편, IEA 기준 시나리 오(business-as-usual scenario)에 의하면 세계 수송용 에너지 사용과 온실가스 배출은 2030년까지 50% 이 상 증가하고, 2050년까지는 적어도 2배가 될 것으로 예측하고 있다 [1]. 또한 IEA의 전망에 따르면 세계 석유수요에 있어서 계획된 전체 증가의 75%는 수송 부문이 차지 할 것으로 전망하고 있는 현실이다. 따 라서, 전 세계적으로 수송부문은 현재 화석연료에
의해 96% 이상 의존하여 사용되고 있으며, 세계의 전체 온실가스 중 27%를 차지하고 있는 실정이다.
최악의 지구 기후변화를 대응하기 위해서는 2050년 지구의 온실가스를 2005년 대비 적어도 50%까지 감 축해야하는 실정에 있다. 이러한 추세에서 바이오연 료는 에너지 안보의 중요성, 환경오염에 대한 인식 및 화석 연료 대체의 필요성으로 인해 더욱 중요시 되고 있다 [2].
본고에서는 바이오연료 중 바이오디젤의 보급과 정책 동향, 바이오디젤의 원료현황 및 바이오디젤의 특징과 전환기술 현황을 살펴보고자 한다.
2. 바이오연료의 보급과 정책동향
바이오디젤의 전환기술과 현황
김재곤
한국석유관리원 석유기술연구소수 송 용 재 생 에 너 지 의 보 급 활 성 화 는 R F S (Renewable Fuel Standard) 등 규제 조치와 재정적 인 센티브를 혼합하는 정책으로 이루어지고 있다 [3, 4].
재생에너지와 연계를 통한 전기차 활성화는 제한적 이지만, 전기차에 대한 관심은 갈수록 늘고 있다. 최 근 몇 년간 수송관련 정책의 대부분은 바이오연료와 도로수송 부분의 발전에 초점을 맞추었다. RFS 규정 은 이제 33개국에서 시행중인데, 이중 31개는 국가의 의무규정이고 26개는 주/지방에서도 의무규정이다.
이런 정책구조 내에서 44개국이 바이오에탄올의 의 무규정을 두고 있고, 27개국은 RFS 규정을 두고 있 다. 많은 나라들이 두 연료 모두에 대해 의무규정을 시행하고 있었다 (그림 2).
세계 바이오연료 생산량의 80%는 주로 미국, 브라 질 및 유럽연합 등에서 생산하고 있다. 2017년은 2016 년 대비 2.5%가 증가해 총 1,430억 리터에 달했고, 각 바이오연료 종류마다 최고치를 기록했다. 바이오에 탄올은 총 생산량 중 65%를 차치했고, 바이오디젤 (주로 지방산메틸에스터)은 29%, 수소첨가 바이오디 젤(HVO, Hydrotreated vegetable oil)과 바이오항공유 (HEFA, Hydrotreated esters and fatty acid) 제한적이지 만 규모가 늘어났다. 또한 수송용 바이오메탄은 1%
이하이다. 바이오연료 주요 최대 생산국은 미국, 브 라질, 독일, 아르헨티나, 중국, 인도네시아이다 [5].
세계 각국에서는 자동차용 휘발유와 경유에 바 이오에탄올과 바이오디젤을 각각 일정비율로 혼합 하여 사용하고 있다. 2017년, 전 세계적으로 바이오 에탄올은 북미주과 남미주 등을 위주로 E2~E25 수 준으로 혼합하여 보급하고 있다. 북미의 미국은 주 별로 차이는 있으나 최대 E10까지 혼합하고 있으며, 캐나다는 일부 주에서만 E5 수준에서 혼합하고 있 다. 남미는 브라질이 E18~E27.5, 아르헨티나 E5, 콜 롬비아 E8, 코스타리카 E7 등으로 혼합하여 보급하 고 있다. 또한, 유럽 중에서 독일 최소 E2.8, 프랑스
[그림 1] 세계 에너지 소비현황 (EIA, 2017) [1].
[그림 2] 세계 RFS 도입 현황 (REN 21, 2018) [5].
E7 등의 수준으로 혼합하는 것을 의무화하고 있으 며, 아시아는 중국(9성), 인도 및 필리핀이 E10 수준 이고 인도네시아 E3 수준으로 혼합하여 보급하고 있 다 [5].
또한, 2017년 전 세계적으로 바이오디젤은 주로 유럽을 위주로 B2~B15 수준으로 혼합하여 보급 중 에 있다. 북미의 미국은 주별로 차이는 있으나, B2에 서 최대 B10까지 혼합하고 있으며, 캐나다도 일부 주 에서 최대 B4까지 혼합의무 중에 있다. 남미의 브라 질 B10, 아르헨티나 B10와 콜롬비아 B10 등의 수준 으로 의무적으로 혼합하여 보급하고 있다. 또한, 유 럽은 독일이 최소 B4.4, 프랑스 B7 등의 수준으로 혼
합의무 중이며, 아시아는 인도네시나아 B5, 태국 B7, 필리핀 B5, 중국 하이난성 B5 등의 수준으로 혼합하 여 보급하고 있다 [5, 6].
3. 바이오디젤의 원료 현황
경유 대체연료인 바이오디젤은 다양한 원료를 이 용하여 생산할 수 있으며 지역적, 환경적, 사회적 여 건에 따라 알맞은 원료를 선택하여 생산 단가를 낮 추고 있다. 일반적으로 바이오디젤 원료를 다음의 4 가지 그룹으로 분류하고 있다. 대두(soybean), 유채 (rapeseed), 팜(palm), 코코넛(coconut)유와 같은 식 용 가능한 식물성 오일, 자트로파(jatropha), 카스토
[그림 3] 세계 바이오연료 생산현황 (REN 21, 2018) [5].
바이오에탄올 바이오디젤
[그림 4] 전 세계 바이오연료 혼합비율 (Stratas Advisors, 2018).
로(castor), 님(neem)유 등의 비식용 식물성 오일, 소 (tallow), 닭(chicken), 생선(fish) 기름 등에서 나오 는 동물성 유지 등으로 분류가 가능하다. 식물성 오 일과 동물성 유지 등은 경유 연료의 에너지와 유사 한 에너지를 갖고 있으며 무한한 신재생에너지원으 로 여겨지고 있다. 최근에는 환경적 측면에서 더욱 관심도가 상승하고 있다. 350 여종 이상의 바이오디 젤 원료가 연구되어 졌으며 대두유, 팜유, 해바라기 (sunflower)유, 면실(cottonseed)유, 카놀라(canola)유 등이 가장 경제성이 있는 원료로 보고되고 있다. 최 근에는 비식용 원료와 폐식용유 등도 경제성이 높은 것으로 알려져 있다. 표 1은 비식용, 식용, 동물성, 바이오매스 등의 바이오디젤 원료에 대해 나타내었 다. 대두유는 주로 미국에서 사용되고 있으며, 말레 이시아, 인도네시아의 팜유는 중요한 바이오디젤 원 료로 사용되고 있다. 유럽과 EU는 유채유와 해바라 기씨유를 주로 사용하고 있다 [7, 8].
4. 바이오디젤의 특징과 전환기술
바이오디젤은 경유를 대체할 수 있는 깨끗하고 새로운 연료로 여겨지고 있다. 연료적으로 바이오
디젤은 장점과 단점을 가지고 있다. 장점은 비독성 이며 환경친화적이고 신재생에너지라는 점이다. 바 이오디젤은 일반 경유에서 배출되는 CO2, SO2, CO, HC, PM 등의 온실가스 배출을 저감할 수 있다. 또 한, 바이오디젤은 경유를 생산하는 것보다 쉽고 새 로운 일자리 기회를 제공하고 지역경제에 도움을 준 다. 국가의 에너지 안보를 증가시키고 화석연료의 사용을 줄일 수 있다. 바이오디젤은 지역적으로 생 산되기 때문에 생산비용을 더 효과적으로 줄일 수 있고 바이오디젤의 높은 인화점은 연료의 안전성을 보장한다. 또한, B20까지는 엔진을 개조하지 않고 사 용이 가능한 장점이 있다. 반면에 단점으로는 일반 경유에 비해 NOx 배출이 높고 유동점 및 운점이 높 아 겨울철에 저온 특성에 문제를 일으킬 수 있다. 또 한, 구리나 황동을 부식시킬 수 있다. 일반 경유에 비 해 높은 점도와 낮은 휘발성을 갖고 있다.
바이오디젤의 합성에 메탄올과 에탄올은 가장 일반적인 알코올로 에스테르 교환 반응에 사용되고 있다. 특히, 메탄올은 물리·화학적인 이점과 싼 가 격 때문에 주로 사용된다. 또한, 촉매는 반응을 촉진 시키는 작용을 하여 전환율을 증가시키고 염기성 촉
[그림 5] 전 세계 바이오연료의 원료 사용비중 (Stratas Advisors, 2017).
매, 산성 촉매, 생 촉매 등의 3가지 종류가 사용된다.
일반적인 전이에스테르 교환 반응과 생산공정을 그 림 6과 그림 7에 나타내었다.
바이오디젤을 생산하는 여러 방법들이 개발되 어왔고 이러한 에스테르 교환 반응은 촉매가 있는 상태에서 이루어진다. 촉매는 반응을 촉진시키고 높 은 품질의 바이오디젤을 생산하기 위해 사용되고 산, 염기, 생 촉매 등이 원료 물질에 따라 선택되어 사용된다 [9, 10]. 각각의 촉매들은 장·단점을 갖고 있으며 염기 촉매는 산 촉매에 비해 낮은 온도에서 도 반응이 일어나고 짧은 반응기간에 높은 전환율을 나타낸다. 그러나, 산 촉매는 1% 이상의 FFA를 갖 는 식물성 오일에 대해 더 좋은 반응성을 보인다. 에 스테르 교환 반응은 생 촉매를 사용하기도 한다. 생 촉매를 이용하면 생성물과 반응물을 더 쉽게 분리할
수 있고 세척 및 중화하기가 쉬워 FAME 순도를 높 이기 쉽다. FFA 함량이 높은 원료에 대해서 적용이 가능하지만 높은 촉매 비용 및 반응 시간이 긴 단점 을 갖고 있다. 이러한 에스테르 교환 반응 공정은 일 반적인 가열 방법을 택하고 열에너지는 반응기 표면 에서 대류, 전도, 복사에 의해 반응물로 전달된다. 따 라서, 일반적인 가열 방법은 많은 열에너지가 필요 하고 반응시간이 길어진다. 다른 방법으로는 초임계 와 초음파를 이용한 방법이 있으며 초임계 방법은 알코올이 용매와 산 촉매로 작용한다. 초임계를 이 용한 식물성 유지에서 바이오디젤을 생산하는 방법 은 많은 연구가 진행되었다. 바이오디젤은 환경 친 화적인 바이오 연료로 시장에서 받아들여지고 있으 나 몇몇 요소들은 개선될 필요가 있다. 저비용 원료 를 사용하여 생산 공정의 효율성을 높이고 공정 개
[표 1] 바이오디젤 생산 원료 분류 [7-8]
Edible oils Non-edible oils Animal fats Other resources
Soybeans Almond Lard Bacteria
Rapeseed Abutilon uticum Tallow Algae
Canola Andiroba Poultry fat Fungi
Safflower Babassu Fish oil Micro algae
Barely Brassica carinata Tarpenes
Coconut B. napus Latexes
Copra Camelina Cooking oil
Cotton seed Cumaru
Groundnut Cynara
Oat cardunculus
Rice Jatropha Curcus
Sorghum Jatropha nana
Wheat Jojoba oil
Palm Pongamia glabra
[그림 6] 유지로부터 바이오디젤 전이에스테르화 반응식.
선을 통한 비용 절감 등과 같은 효율적인 바이오디 젤 공정을 설계할 필요가 있다.
한편, 현재의 바이오디젤은 자동차용 경유의 엔 진구조 및 메커니즘에 적용가능하다는 장점을 가 지고 있는 반면, 분자구조상 이중결합과 산소를 포 함하고 있어 원천적인 문제점이 지적되고 있다. 즉, 장기 저장하는 동안 경유보다 비교적 쉽게 산화되 어 생성된 산화물에 의해 연료필터 막힘, 인젝터 불
량 그리고 연료분사노즐 부식 등의 여러 가지 문제 가 야기되는 것이 확인되고 있다. 따라서 1세대 바 이오디젤(FAME)이 가지고 있는 산소와 이중결합 이 제거되어야 이러한 문제점을 극복할 수 있는 것 이다. 최근 이러한 문제점을 극복할 수 있는 연료 로 2세대 바이오디젤로 분류되고 있는 수소첨가 바이오디젤(HVO)이 개발되고 있다 [10-14]. 수첨 (hydrotreating) 반응 공정을 이용하기 때문에 산소
[그림 7] 바이오디젤 생산공정.
[표 2] 바이오디젤 합성용 현황 [9, 10]
Homogeneous catalyst Heterogeneous catalyst
Bio-catalystBio-catalyst
Base Acid Base Acid
NaOH H2SO4 CaO SO3H-SBA-15 Novozym-435
NaOCH3 HCl MgO Amberlyst-36 Thermomyces lanuginosus
KOH AlCl3 SrO SiO2-tosic acid candida antarctica
TMAH CH3SO3H K3PO4 Sulfated zirconia IITSARKZYME
BTAH H3PO4 LI/CaO HZSM-5 Aspergillus niger
TMG C2HF3O2 Ca/Al2O3 Fe(HSO4)3
DEA PTSA K/Al2O3 sulfonated carbon
BSA Na2ZrO3
Sr3Al2O6
를 전혀 포함하지 않은 탄화수소이므로 1세대 바이 오디젤에서 발생되는 문제를 극복할 수 있는 것으 로 평가받고 있다(그림 8). 이러한 수소첨가 바이오 디젤은 자동차용 경유의 성분과 유사하여 ‘그린디젤 (green diesel)’이라고 하며, 자동차용 경유에 주로 파 란핀으로 구성하고 있어 높은 세탄가를 가지고 있 어 자동차용 경유로서의 품질이 우수할 뿐만 아니 라 이산화탄소 배출량도 상대적으로 낮으며, 방향 족과 황 성분이 거의 없으며, 저장안정성도 우수한 것으로 보고 있다(그림 9). 이러한 장점을 갖는 수 소첨가 바이오디젤은 이미 여러 나라에서 자동차용 경유에 혼합사용하여 상업 생산하고 있다. 가장 앞 서서 활발하게 진행하고 있는 곳이 핀란드의 Neste Oil사이며, 이 회사는 이미 수 년 전부터 NExBTL 이란 brand를 사용하여, 수첨바이오디젤을 생산해 서 보급해 오고 있는데, 핀란드의 Porvoo에 연산 19
만 톤 규모의 생산공정 2기를 가동 중에 있으며, 싱 가포르와 네델란드에 각각 연산 80만 톤 규모의 생 산공장을 건설하여, 유럽 등, 10여 개국에 한 해 약 240만 톤 이상을 판매해 오고 있다 [14]. 국내에서는 SK이노베이션이 원천기술을 확보한 상태이나 상업 생산은 하지 않고 있는 실정이다.
5. 국내 바이오디젤의 전망
국제사회는 온실가스 감축을 위한 수단으로 수송 부문에서 규제적 정책인 바이오연료 혼합의무제도 인 RFS를 도입하여 바이오연료 사용을 확대하고 있 는 추세에 있다. 물론 수송부문의 연료정책은 온실 가스 저감수단으로 세계 자동차업계에서 개발하고 있는 전기자동차가 크게 기여할 수 있을 것으로 전 망되지만 본격적인 상용화까지는 다소 시간이 필요 할 것으로 판단된다.
[그림 9] 자동차용 경유와 수소첨가 바이오디젤의 GC 크로마토그램 비교[13].
[그림 8] 유지로부터 수소첨가 바이오디젤의 전환 메카니즘[13].
최근 유럽연합이 신재생에너지 지침(Renewable energy directive(RED) II를 2021년부터 시행하면서 2030년까지 신재생에너지 소비 중을 27%까지 늘리 면서 식량기반의 바이오연료는 ‘21년 7.0%에서 ‘30년 3.8%로 줄이고, 대신 HVO 등과 같은 차세대 바이오 연료는 ‘21년 0.5서 ‘30년 3.6로 확대하기로 결정하였 다. 또한, 바이오디젤의 원료가 되고 있는 폐식용유, 동물성 유지 등의 비중은 ‘21년 1.0%에서 ‘30년 1.7%
까지 확대하기로 하였다.
국내 RFS 제도는 「신에너지 및 재생에너지 개발·
이용·보급 촉진법(이하 신재생에너지법)」에 근거 하 에 ‘15년 7월 31일부터 전면 도입되었다. RFS 제도 도 입초기에 바이오디젤만이 의무이행수단으로 되어있 고, 바이오디젤 중장기 보급 혼합비율은 ‘15년 7월 31 일부터 2.5%로 상향되어 ‘17년까지 유지하다가, ‘18년 부터 3.0%로 다시 0.5% 상향되어 ‘20년까지 보급하고 있다. 이러한 RFS 제도의 안정적 시행을 위해서는 바 이오디젤의 원료수급 방안과 보급 활성화 정책방안 이 절대적으로 필요한 실정이다. 유럽연합의 RED II 시행 결정에서 보듯이, 국내 바이오디젤 혼합비율 확 대를 위해서는 국내에서 원료수급이 가능한 폐식용 유, 동물성유지, 음폐유, 탕기름 등의 미활용 폐자원 등의 사용 제고가 절실히 필요한 실정이다.
끝으로 바이오알코올 같은 신규 수송용 바이오연 료의 기술개발에 대해 중장기적 로드맵을 수립하여 상용화에 근접한 기술에 대해서는 집중적으로 투자 하여 조기에 상용화가 될 수 있는 인프라 구축에 대 한 여건을 조성하는데 정부의 정책적인 지원이 필요 하다.
6. 참고문헌
[1] IEA. 2017, “World Energy Outlook”, International Energy Agency. OECD/Paris.
[2] J. -K. Kim, E. S. Yim, C-. S. Jung, 2013, “Study on review sustainability criteria and key approaches for biofuels”, New & Renewable Energy, 9(1), 25-36.
[3] J. -K. Kim, E. S. Yim, C-. S. Jung, 2011, “Study on comparison of global biofuels mandates policy in transport sector”, New & Renewable Energy, 7(4), 18-29.
[4] IEA. 2011, “Technology Roadmap, Biofuels for Transport”, International Energy Agency, OECD/Paris.
[5] REN 21. 2018, “Renewables 2018, Global Status Report”. Paris.
[6] Stratas Advisors, 2017, “Global Biofuels Status”, https://stratasadvisors.com/(acess year 2018).
[7] Murugesan. A, Umarani. C, Chinnusamy. T. R, Krishnan. M, 2009, Subramanian. R, Neduzchezhain.
N, “Production and Analysis of Biodiesel from Non- Edible Oils—A Review”, Renew Sustain Energy Rev, 13, 2009, pp. 825-834.
[8] Knothe. G, 2002, “Current Perspectives on Biodiesel”, Inform., 13, 900-903.
[9] Keera. S. T, ElSabagh. S. M, Taman. A. R, 2011,
“Transesterification of vegetable oil to biodiesel fuel using alkaline catalyst”, Fuel, 90, 42-47.
[10] Uzun. B. B, Kılıç. M, Özbay. N, Pütün. E, Pütün.
E, 2012, “Biodiesel Production from Waste Frying Oils: Optimization of Reaction Parameters and Determination of Fuel Properties”, Energy, 44, 347- 351.
[11] Kanokthip. P, Worapon. K, Kunlanan. K, Navadol. L, Kajornsak. F, Sushil. A, Suttichai. A, 2017, “Alternative Hydrocarbon Biofuel Production via Hydrotreating undera Synthesis Gas Atmosphere”, Energy Fuels, 31, 12256-12262.
[12] Shaofeng. G, Akira. S, Mingliang. S, Eika. W.Q, 2012,
“Hydrotreating of Jatropha Oil over Alumina Based Catalysts”, Energy Fuels, 26, 2394−2399.
[13] J.-K. Kim, C.-H. Jeon. E.-S. Yim, C.-S. Jung, “A Study on the Fuel Characteristics of Hydrotreated Biodiesel(HBD) for Alternative Diesel Fuel”, 2011, J.
of the Korean Oil Chemists’ Soc., 28(4), 508~516.
[14] Neste Oil, Neste Oil (2018), http://www.nesteoil.com/
(acess year 2018).