대만 폐식용유로부터 생산된 바이오디젤 연료의 분석
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 김 혁 (hk3039@reseat.re.kr)
1. 서론
○ 대만은 동남아시아 가장자리에 위치하고 제한된 천연자원을 가진 밀집 된 인구(인구밀도: 640명/km2, 총면적: 36,000km2)의 섬나라다. 2003년 에는 아열대성인 이 나라에서 에너지 수입량이 총에너지 공급량의 98%
까지 되었다. 2003년의 에너지 공급량이 총 121.22백만 KLOE(kiloliters of oil equivalent)에 이르렀다. 근래에는 지구온난화와 산성비와 같은 환경문제가 연속적으로 대중의 관심사가 되고 있다.
○ 1997년 12월에 채택된 교토의정서(Kyoto Protocol)에 의하여 대만은 1998년 5월에 국가 에너지회의를 소집하였다. 중요한 결정 중의 하나 는 2020년까지 대만 총에너지 공급량의 3%까지 재생가능 에너지로 충 당하기로 한 것이다. 이러한 이유로 대만정부는 재생가능 에너지를 촉 진하기 위하여 에너지 전략과 정책으로 환경적이고 재정적/경제적인 보상을 준비해야 했다.
○ 음식물 쓰레기나 식품가공 폐기물 등의 많은 에너지원 중에서도 특히 폐식용유는 생물자원의 지속성, 환경보전과 경제적인 관점에서 매력적 이다. 폐식용유의 에너지는 근본적으로 화석연료와는 달리 자연환경의 주요 온실가스 중의 하나인 이산화탄소를 배출하지 않는다. 음식물 쓰 레기의 극히 미량의 유황분과 질소의 함량으로 소각시설(예: 내연기관) 의 연료로 직접 사용해도 전통적인 화석연료에 비하여 환경오염과 건 강장해 물질을 적게 배출하게 된다.
○ 석유디젤 연료의 탄화수소들은 다양한 파라핀, 올레핀, 나프텐 및 방향 족을 포함하고 있다. 따라서 탄소의 수가 대부분 12~22개로 디젤엔진에
서 높은 에너지 전환과 동력을 생산하게 되므로 중장비 트럭, 시내버 스, 전기발전기, 농업장비 등의 연료로 사용된다. 한편 야채기름과 동물 지방에 함유된 식용유는 기본적으로 글리세롤 유도체와 유산 등과 같 은 높은 지방산(C12~C22)으로 조성되어 있다.
○ 바이오디젤 연료의 화학전환을 위한 방법으로 염기성촉매(예, KOH)를 사용하여 트리글리세리드(triglycerides)와 알코올을 반응시키면 바이오 디젤 연료인 글리세롤과 모노알킬에스터(mono-alkyl ester)가 생성된다.
이 생성물은 디젤엔진의 잠정적인 대체연료로 사용이 가능하다.
○ 바이오디젤 연료와 석유디젤 연료는 융합이 잘 되어 완전 혼합이 가능 하다. 화학조성과 물리적 성상으로 보아 바이오디젤 연료는 생분해성, 저 독성이어서 석유디젤 연료보다 대기오염 물질을 적게 배출한다. 그 러나 바이오디젤 연료의 사용은 석유디젤 연료에 비하여 높은 비용이 들고 출력과 회전력이 감소되므로 혼합연료 중의 바이오디젤 연료의 양이 증가되면 NOx의 배출량이 증가하는 문제가 발생한다.
○ 바이오디젤 연료는 폐식용유를 염기성촉매를 이용한 화학분해 공정에 서 생산에 성공하였고 디젤엔진과 다른 시설의 대체연료로 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 대만 중앙관서의 의욕적인 정책과 경제적이고 재정적인 보상으로 2004년 10월에는 3,000m3/년 규모의 생산 공장이 처음 시범적으로 가동되었다.
2. 총에너지 공급의 현 실태와 디젤연료 공급 및 사용량
○ 총에너지 공급에 관한 현재의 실태: 통계에 의하면 수입에너지는 1983 년의 87.6%에 비하여 2003년에는 97.9%로 심각한 증가를 나타냈고 석 유의 수입량은 정부의 에너지정책 다양화로 점차 줄어서 1983년의 69.9%에서 2003년에는 51.8%로 줄었다. 1983년 이전에는 국내의 석탄 채굴에 의한 에너지 공급이 13%를 넘었지만 점차로 줄어들었다. 2003 년에는 총에너지 공급량의 98%를 해외에 의존하게 되었다.
○ 정부의 에너지원의 다양화로 2003년에는 총에너지 공급량의 50%가 석유 이고 다음으로 33%가 석탄이었다. 다른 에너지 공급원으로서는 핵 발전
이 8%, 천연가스/액화천연가스 7%, 수력발전 1%와 재생에너지가 1%이 하였다. 2020년까지 상당양의 에너지공급이 계획되어 있으며 그 내용은 자연가스/액화 자연가스가 14%, 재생에너지가 4%의 비율로 되어있다. 청 정에너지 공급의 점진적인 증가는 대만의 경제, 에너지 및 환경(3E) 정책 에 대한 지속적인 발전의 결과로 가까운 장래에 나타나게 될 것이다.
○ 디젤연료 공급과 소비에 대한 현재의 상태: 대만의 2003년 석유디젤 연 료의 소비량이 약 5.82백만 KLOE(4.95백만 톤)이었다. 1983~2003년 사 이에 연평균 증가율이 3.6%이다. 한편 석유디젤 연료의 공급량은 2003 년에 11.49백만 KLOE(9.77백만 톤)로서 1983~2003년 사이에 연평균 6.1%의 증가율을 나타냈다. 전체로 보면 모든 석유제품에 대한 석유디 젤 연료의 비율은 대략 14%이다. 1997년 이후에 석유디젤 연료의 공급 량이 소비량보다 눈에 띄게 많은 것은 그 차이의 대부분을 중국과 동 남아시아 국가들에게 수출을 하였기 때문이다.
3. 지방종자(脂肪種子)와 식용유 공급의 실태
○ 지방종자 공급의 실태: 대만 관계기관의 자료에 의하면 지난 10년 간 지방종자의 공급은 약 2.5백만 톤/년으로서 안정된 추세를 유지하고 있다. 앞으로의 추세는 일정기간의 인구증가율, 인구조성 및 국민총생 산(GNP)의 변화에 직접 관계될 것으로 본다. 대만의 경작 토지는 대부 분 쌀, 옥수수 및 다양한 야채를 경작하였다. 땅콩을 제외한 99% 이상 은 지방종자의 수입에 의존하였다. 예를 들면 2003년 콩의 수입과 국내 생산의 비율은 각각 2455☓103톤과 0.3☓103톤이었다. 지방종자 중에서 콩의 공급비율은 전체 지방종자의 90% 가까이 되었다.
○ 식용유의 공급과 소비 실태: 지방종자 속에 들어있는 단백질과 지질(지 방 또는 기름)은 탄화수소의 함량이 높기 때문에 가공하여 주로 식용유 (채소)로 일상음식과 같이 소비된다. 기대한대로 콩기름은 대만에서 제 일 중요한 식용유다. 지난 10년 간 공급된 식용유는 700,000톤/년이며 지방종자의 수입량과 평행을 이루었다. 해바라기 기름과 평지 씨 (rapeseed)와 같은 야채기름(야채의 열매나 씨에서 얻는) 등 수입의 다 양성은 대만국민의 체중조절과 건강증진을 위한 용도로 많이 쓰여서 콩기름에 대한 의존성은 낮아졌다.
4. 폐식용유의 생산과 재생이용
○ 대만의 발표에 의하면 식용유의 지역소비량은 매년 약 700,000톤(T/M) 이다. 자료에 의하면 대략 200,000톤의 폐야채유는 매년 버려지고 70,000톤 정도의 폐식용유는 매년 대만에서 발생되었다. 폐식용유는 주 로 상업적인 서비스업이나 식료품 가공공장에서 발생된다. 식용유는 고 무성분의 제거, 중화, 표백 및 냄새제거를 포함하는 식용유의 생산 공 정에서 공업적으로 얻어진다.
○ 특히 문제가 되는 것은 이들 공정에서 탈색용으로 사용된 폐점토(clay) 중에는 20~35%의 식용유가 함유되어 있는데 이것을 그대로 하수구나 매립용 쓰레기에 버리는 일이다. 근래에는 폐기물 배출규정에 의하여 폐식용유의 재생자원과 폐점토를 재사용 가능한 상업/공업 폐기물의 한가지로 취급하게 되었다.
5. 바이오디젤 연료를 장려하는 환경규칙과 정책
○ 대기오염 관리법
– 대만의 대기오염 관리와 방지를 규제하고 촉진하는 기본법은 대기오 염 관리법(APCA)이다. 이 법은 1975년 5월에 제정되고 2002년 6월에 개정되었다. APCA에 의하면 다음의 두 가지로 요약되는 규칙이 있 다. 즉 바이오디젤 연료를 사용하는 차량의 배출과 조성/성질에 관 한 기준이다. 차량의 대기오염 물질 배출기준은 차량의 몇 가지 운전 조건 하에서 배출되는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 산화질소 (NOx), 포름알데히드(HCHO), 분진오염물질 및 매연에 대한 기준이 며 앞으로 더욱 강화될 예정이다.
– 차량의 가솔린과 석유디젤유에 대한 조성과 성질을 규제하는 기준은 2005년 1월 1일에 시행된 법규에 따른다. 이 법규에 의하면 자동차용 석유디젤 연료의 유황함량은 50ppmw 이하, 세탄인덱스는 48 이상, 방향족함량은 35vol.% 이하로 되어 있다. 세탄인덱스 48 이상의 의미 는 디젤엔진에 석유디젤 연료와 혼합 사용해야지 바이오디젤 연료만 을 쓸 수 없도록 하는 것이다.
– 대만의 수도에서 디젤엔진에 석유디젤 연료 20%와 바이오디젤 연료 80%를 혼합사용한 결과 배기가스 중에서 25%의 부유물질, 25.5%의 CO, 29%의 HC, 20%의 매연, 100%의 SO2와 8.8%의 NOx가 감소한 것으로 나타났다. 한편으로 출력과 회전력이 감소하였으나 어지러운 냄새가 획기적으로 줄었다.
○ 폐기물 배출법(WDA): 가정의 주방폐기물(폐식용유 또는 사용한 튀김/
조리 기름포함) 및 노변상점의 폐기물은 일반폐기물에서 분리하여 유 기비료, 동물사료 등으로 사용한다. 지방행정부에서는 폐음식물의 발효 시에 발생되는 바이오가스를 사용한 발전을 계획하고 있으며 폐식용유 에서 바이오디젤 연료를 생산하는 계획도 세우고 있다. 폐식용유를 많 이 함유한 폐기물을 재사용하는 목적으로 규정을 변경하였고 이러한 법규에 의한 장려와 경제적 보상정책으로 공업폐기물의 대부분은 점차 적으로 에너지원으로 재사용하게 뒬 것으로 기대된다.
○ 바이오디젤 연료생산 자금조달을 위한 경제적 규정과 정책: 바이오디젤 연료생산을 장려하기 위하여 대만의 중앙정부에서는 기업체들에게 투자 를 위한 세금감면, 감가상각의 촉진, 관세면제와 저금리 융자 등의 혜택 을 주고 있다. 이러한 정책은 공업발전을 위한 법규(SUI)에 근거를 두고 있다. 근래의 이익추구기업 수입세가 투자에 대한 세금감면이 충분하지 못하면 앞으로 5년 간 이에 대한 세금을 감면해 줄 것으로 보인다.
○ 바이오디젤 연료생산을 촉진하기 위한 에너지 규정과 정책
– 대만 에너지정책의 중요한 내용은 에너지 공급에 역점을 두어서 에 너지 관련 기업에 대한 규제를 폐지하고 환경보전을 향상시키는 것 이다. 2001년 10월에 통과된 석유관리법(PAA)은 석유공업의 안전적 인 발전에 목표를 두고 있으며 시장에서 바이오디젤 연료의 생산과 판매를 보호하는 것이다.
– 2004년 6월에 개정된 이 법에 의하면 동식물 유지 또는 폐식용유의 바이오디젤 연료의 화학전환에서 생산되는 에스터(ester)를 직접 석유 디젤 연료에 혼합 사용하도록 하였다. 또한 그 제품의 품질과 조성을 국가규격에 맞추도록 하였다. 재생에너지를 이용한 발전시설도 계획
하고 있으며 가까운 장래에 그 시설규모가 총 시설용량 6,500MW를 건설목표로 하고 있다.
6. 사례연구: 폐식용유에서 바이오디젤 연료의 생산
○ 자원재생 시설을 위하여 시 하수처리 공장의 용량을 줄여서 기초에너 지의 다양화를 촉진하는 방법을 사용하였다. 2004년 10월에 대만 남부 에 있는 Chiayi County에서 폐식용유를 원료로 하여 바이오디젤 연료 를 생산하는 3,000톤/년 규모의 첫 번째 공장이 시범적으로 가동하였 다. 공정도를 보면 공급원료 평가, 화학반응, 경사 분리(약 10분), 중화, 물 세척, 다시 경사 분리(약 30분) 및 증류로 되어있다. 이 시설은 부식 방지를 위하여 스테인리스강을 사용했으며 공급되는 원료에 대한 산가, 요오드가, 수분함량 등을 실험하도록 되어 있다.
○ 바이오디젤 연료의 화학전환 공정은 교반기와 가열장치가 달린 반응탱크 에서 폐식용유와 적당량의 메탄올과 가성소다촉매가 들어있고 반응온도 60℃로 30분간 혼합하여 이루어진다. 거의 100%의 반응이 진행되면 폐 유가 지방산 메틸 에스터(FAME)로 변환되고 제일 위층(에스터)은 아래 층(글리세롤)에서 경사 분리기(중력 침전기)로 분리된다. 중화공정과 세 척을 마친 공정상의 반제품은 두 번째 분리시설에서 원료유 중의 FAME 를 글리세롤, 메탄올과 잔유염분으로부터 실온에서 30분간 분리한다.
○ 석유디젤 연료의 규격과 유사한 고품질의 바이오디젤 연료를 생산하기 위하여 증류공정에서 상등액속에 있는 FAME를 정제한다. 증류탑 상층 에서 나오는 정제된 바이오디젤 연료 제품의 성상을 석유디젤 연료의 규격과 비교한 결과 완전히 근사한 것으로 나타났다. 멀지 않아 폐식용 유의 바이오디젤 연료는 석유디젤 연료와 혼합하여 시내버스, 쓰레기차 및 농사용 장비의 연료로 쓰일 것이다.
○ 대만에서 바이오디젤 연료생산 63,000톤/년까지는 대만에서 배출되는 대략 70,000톤/년의 폐식용유의 생산량과 맞는 계산이 된다. 폐식용유 로 바이오디젤 연료를 생산하는 에너지와 환경이익 자료를 이용하여 정량분석을 한 결과는 다음과 같다. 에너지 생산: 7.3☓104 KLOE(열량 을 근거로 일반디젤: 0.9778KLOE/kl), 폐기물 감량: 7.0☓104톤/년(일본
의 생산인자를 근거로: 10%의 식용유 소비량)이다.
7. 결론 및 전망
○ 대만에서는 지난 10년간 지속적인 발전추구와 재생에너지 생산을 위한 환경보전과 경제발전에 초점을 맞추어왔다. 앞으로는 제한된 석유저축 의 용적과 환경문제의 증가로 농업자원에서 대체에너지를 생산하는 중 요성이 높아지게 되었다. 자원재생과 에너지 활용의 관점에서 바이오디 젤 연료는 하나의 청정에너지로 생각된다. 그러나 바이오디젤 연료는 아직도 화석연료보다 비싼 것이 확대사용에 장벽이 되고 있다.
○ 대만에서 석유디젤 연료를 대체하고 바이오디젤 연료의 사용을 촉진하 기 위해서는 다음과 같은 방법들이 추천된다. 즉 디젤엔진에 바이오디 젤 연료 사용을 위한 보조금의 확대, 미국의 ASTM D6751 또는 독일 의 DIN V 51606과 같은 국가제품 사양기준의 설정, 운송비 절감을 위 하여 대만 북쪽에 대형 식품공장의 설립, 폐표백점토의 재사용에 대한 상업적 선전, 지방종자 농산물 경작의 확대, 폐식용유 재생을 위한 회 수의 제도화 등이다.
출처 : Tsai, W.-T., Lin, C.-C., and Yeh, C.-W., “An analysis of biodiesel fuel from waste edible oil in Taiwan", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 11, 2007, pp.838~857
◁전문가 제언▷
○ 대만의 2003년도 에너지 수입량이 총에너지 공급량의 98%가 되었다.
폐식용유를 이용한 바이오디젤 연료를 생산하는 것이 수입에너지를 줄 이는 방법으로 판단하게 되었다. 대만 정부의 의욕적인 정책과 경제적 이고 재정적인 보상으로 2004년 10월에는 바이오디젤 연료생산 3,000톤 /년 규모의 생산 공장이 처음 시범적으로 가동하게 되었다.
○ 바이오디젤 연료와 석유디젤 연료는 완전혼합이 가능하므로 적당한 비 율로 혼합하면 디젤엔진에 사용이 가능하다. 그러나 바이오디젤유의 혼 합비율이 높아지면 회전력과 출력이 저하되어 NOx의 배출이 증가된다.
대만의 수도에서 석유디젤 연료 20%와 바이오디젤 연료 80%를 혼합하 여 디젤엔진에 사용한 결과 배기가스 중의 오염물질이 많이 감소하는 것으로 나타났다.
○ 대만에서 바이오디젤 연료생산 63,000톤/년 까지는 대만에서 배출되는 폐식용유 대략 70,000톤/년으로 충당이 가능하다. 지난 10년간 공급된 식용유가 700,000톤/년이면 지방종자(脂肪種子)의 수입량과 비슷하다.
그 중에서 콩의 공급비율이 90%를 차지한다. 지방종자의 경작면적을 넓히는 정책과 폐식용유의 회수율을 높이는 법규의 제정은 바이오디젤 연료생산을 촉진하는데 그 목적이 있다.
○ 바이오디젤 연료는 아직도 석유디젤 연료보다 비싼 것이 확대사용에 장벽이 되고 있다. 대만은 경제, 에너지 및 환경(3E) 정책을 표방하고 있으므로 가까운 장래에 그 효과가 나타날 것으로 기대된다. 대만에서 바이오디젤 연료의 사용을 넓히기 위해서는 바이오디젤 연료 사용을 위한 보조금의 확대, 디젤엔진에 사용되는 연료에 대한 국가제품 규격 의 표준화, 폐식용유 회수의 제도화, 바이오디젤 연료 생산업체에 대한 경제지원, 세제혜택 등이라고 생각된다.
○ 우리나라의 경우도 폐식용유로부터 바이오디젤 연료를 얻는 것과 같은 재생자원 에너지의 연구개발에 박차를 가해서 재생에너지의 사용비율 을 높여야 할 것으로 생각한다.
