미세조류 바이오정유 공정의 에너지 수지 분석
이시훈†⋅국진우⋅나정걸*⋅오유관*
전북대학교 자원에너지공학과, *한국에너지기술연구원 청정연료연구단 (2013년 2월 1일 접수, 2013년 3월 9일 심사, 2013년 3월 11일 채택)
Net Energy Analysis of the Microalgae Biorefinery
See Hoon Lee
†, Jin Woo Kook, Jeong Gal Na
*, and You-Kwan Oh
*Department of Resources and Energy Engineering, Chonbuk National University, Jeonju 561-756, Korea
*
Clean Fuel Department, Korea Institute of Energy Research, Daejeon 305-343, Korea (Received February 1, 2013; Revised March 9, 2013; Accepted March 11, 2013)
최근 비식용 바이오매스 자원인 미세조류를 이용하여 배가스 내의 이산화탄소를 저감함과 동시에 바이오연료를 생산 하는 공정이 개발되고 있다. 미세조류 바이오연료 전환 공정은 미세조류 경작, 수확, 추출, 전환 등의 다양한 공정들이 연속적으로 이용된다. 이에 따라 실제 에너지 생산 효과에 대한 우려가 여전히 존재한다. 본 연구는 석탄 발전소에서 배출되는 배가스를 이용하여 파일럿 광생물 반응기에서 생산되는 미세조류를 대상으로 바이오연료 전환에 따른 실에 너지 효율을 계산하였다. 에너지 전환 공정은 전이에스터화, 열분해 공정을 선정하였으며 미세조류의 지질 함량에 따른 영향을 검토하였다. 미세조류 바이오연료 전환 공정들은 경작, 수확, 추출, 전환 등에 소요되는 에너지보다 많은 양의 에너지를 가지는 바이오연료를 생산할 수 있으며 지질 함량이 높은 미세조류는 열분해보다 전이 에스터화 반응 이 효과적이었다.
Recently a novel bio refinery process with using nonedible biomass, especially microalgae, has been developed in order to directly reduce CO
2concentration from flue gas and simultaneously produce renewable bio fuel. Micro algae-to-biofuel processes are composed of microalgae cultivation, harvesting, lipid extraction, and bio fuel conversion. So, there are concerns about the energy efficiencies of bio refinery processes. In this study, the net energy ratio of microalgae processes were calcu- lated for the microalgae produced from a pilot photobioreacto using CO
2released from coal combustion. In this study, trans-esterification and pyrolysis processes were used to analyze the net energy efficiencies. Micro algae-to-biofuel processes might produce bio fuels with the higher energy than that of the total consumed energy for cultivation, harvesting, extraction and conversion. If the lipid content of microalgae was higher, the trans-esterification conversion process was more effective than that of pyrolysis process.
Keywords: microalgae, biorefinery, biofuel, net energy ratio
1. 서 론
1)
지구온난화와 화석연료 고갈을 해결할 수 있는 에너지 자원으로 최근 바이오매스가 각광을 받고 있다. 특히 바이오매스 자원들로 생산되는 바이오연료는 석유에 대한 높은 의존도를 저감시키는 하나의 방법으로 인식되어 세계 각국이 경쟁적으로 개발하고 있다. 이에 미국, 브라질을 중심으로 1세대 바이오연료인 바이오 에탄올과 바이오 디젤을 곡물 자원들로부터 대량 생산 및 이용함에 따라서 바이오연료들에 대한 우 려도 존재한다. 이에 따라 식용 바이오매스 자원이 아닌 목재칩, 왕겨
† Corresponding Author: Chonbuk National University Department of Resources and Energy Engineering
567 Baekje-daero, Deokjin-gu, Jeonju-si, Jeonbuk 561-756, Korea Tel: +82-63-270-2362 e-mail: [email protected]
pISSN: 1225-0112 @ 2013 The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry.
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등의 농임산 폐기물, 미세조류, 도시생활 폐기물 등의 자원들을 바이 오연료 생산을 위한 원료물질로서 이용하려는 시도가 활발하게 진행 되고 있다[1-5].
최근 검토되는 비식용 바이오매스 자원들 중에서 미세조류가 보다 더 높은 관심을 받고 있다. 미세조류는 특정 조건 하에 상당한 양의 지질성분(건조 무게비로 50% 이상)을 축적할 수 있어 높은 에너지 밀 도의 연료로 바로 전환할 수 있다. 더불어 조류 전구체들을 이용하여 다양한 바이오연료들과 제품들이 생산될 수도 있다. 미세조류가 가지 고 있는 장점들은 1) 높은 단위 면적당 생산량, 2) 비식용 기반의 원료 물질, 3) 비생산적이며 이용되지 않는 토지의 이용, 4) 다양한 수자원 이용(담수, 반담수, 염수, 폐수 등), 5) 바이오연료들과 고부가가치의 부산물들의 동시 생산, 6) 이산화탄소와 기타 폐영양분들의 재순환 등 이다[1,5].
미세조류는 크게 open pond와 광생물반응기(Photobioreactor)를 통해
서 경작되고 수확된다. 수확된 미세조류에서 바이오연료로 이용되는
Figure 1. Microalgae and oil productivity.
Table 1. Productivity Scenarios for the Biofuel Conversion of Chlorella sp. KR-1
Biomass productivity Lipid content Productivity 1 0.97 g cell/L 0.285 g FAME/g cell Productivity 2 0.97 g cell/L 0.461 g FAME/g cell Productivity 3 1.43 g cell/L 0.285 g FAME/g cell Productivity 4 1.43 g cell/L 0.461 g FAME/g cell 지질 성분이 추출되고 전이에스터화 반응을 거쳐 지방산 메틸 에스테르
(Fatty acid methyl ester, FAME) 형태의 바이오 디젤로 생산되는 공정 이 일반적이다. 그러나 이용할 토지가 상대적으로 적고 대량으로 이 산화탄소가 배출되는 배출원 인접 지역들에서 미세조류를 이용하여 이산화탄소를 포집 및 이용하기 위해서는 광생물 반응기의 이용이 반 드시 요구되나 아직까지 최적화된 반응 시스템에 대한 연구는 기초 단계이다. 또한 많은 에너지가 소비되는 탈수, 건조, 지질 추출 등의 전처리 공정과 추출된 지질을 바이오연료로 전환하는 공정들을 포함 하여 많은 단위 공정들이 제안되었고 최적의 조합을 찾고 있다.
많은 단위공정들이 필요한 미세조류의 바이오연료 전환이 실제로 에너지를 생산 또는 소비하는 가에 대한 의문점을 야기시킨다. 이에 따라 많은 연구자들이 다양한 미세조류 종들을 이용하여 탈수, 건조, 추출, 전환 등의 주요 단위 공정들을 적용하여 전체 공정의 에너지 수 지를 검토하고 있다[6-12]. 그러나 기존의 연구들이 이용한 미세조류 경작은 실험실에서 최적화된 경작 조건에서 얻어진 자료이다. 그러나 대량으로 이산화탄소를 배출하는 배가스를 이용한 실제 미세조류 경 작에서 얻어진 자료를 이용하지 않아 바이오연료 생산의 실제 에너지 효율 계산의 정확성을 떨어뜨리는 요인이 된다.
본 연구에서는 준상용 석탄 화력 발전 플랜트에서 배출되는 배가스를 이용하여 데모 광생물 반응기에서 경작되는 미세조류에 기초한 바이오 연료 생산 공정의 실에너지 효율을 계산하였다. 미세조류 경작, 수확, 탈수, 지질 추출, 지질 전환 등의 핵심 공정들의 에너지 소비 및 생산을 계산하였으며, 100 ha의 데모 설비와 3000 ha의 준상용 설비를 대상 으로 하였다. 이를 통해 미세조류 바이오연료 전환 공정의 가능성을 검토하였다.
2. 미세조류 바이오연료 전환 공정
미세조류 바이오연료 전환 공정의 질량 수지와 이를 기초로 한 기초 에너지 수지식을 세우고 이를 통해 NER (Net energy ratio, 전체 생산 된 에너지/플랜트 운전에 필요한 모든 에너지량)을 분석하기 위하여, 본 연구에서는 4 m × 17 m 면적의 옥외 배양시설에 설치된 35 L 평판 형 광생물반응기에서 15%의 이산화탄소, 6%의 산소, 최대 200 ppm의 CO, 250 ppm의 황산화물, 250 ppm의 질소산화물 조건의 배가스를 이용하여 배양되고 있는 Chlorella sp. KR-1의 배양 결과를 이용하였다.
더불어 최소 생산규모는 100 ha로 하였으며 최대 생산 규모는 3000 ha 로 하여 데모 규모부터 준상업적 규모에서의 NER의 변화와 이에 영 향을 미치는 인자를 분석하였다.
광생물 반응기는 1년 중에 90%는 조류 생산에 이용되고 10%는 수리를 위해 정지한다고 가정하여 미세조류의 년간 생산량을 계산하 였다. Chlorella sp. KR-1은 평균 4.93 L/m
2/y 의 생산성을 가지고 있으 나 최대의 바이오매스 생산(1.43 g cell/L)와 최소의 바이오매스 생산 (0.97 g cell/L)와 최대의 지질 함유량(0.461 g FAME/g cell)과 최소의 지질 함유량(0.285 g FAME/g cell)을 이용하여 최대 및 최소 생산량을 계산하였다. Figure 1에는 단위 면적당 최저와 최대의 바이오매스 생 산량 및 지질 생산량을 나타내었다. 현재 한국에너지기술연구원에서 생산하고 있는 KR-1은 0.12∼0.18 g cell/l/d의 생산성을 보이고 있으며 이를 토대로 검토한 100∼3000 ha에서의 미세조류 생산량은 10000∼
410000 ton/y 로 나타났다. 또한 처리해야 되는 지질량은 2600∼188000 ton/y 의 사이로 나타났다. 최대 및 최소 생산에 따른 지질 생산량 차이는 대략 4000∼110000 ton/y로서 미세조류 경작에서의 생산성이 이용 가 능한 지질량에 큰 차이를 줄 수 있음을 확인하였다. 따라서 미세조류
바이오연료 전환 공정의 실에너지 효율을 비교 검토하기 위하여 본 연구 에서는 미세조류 생산성과 관련하여 네 가지 시나리오를 가정하였으 며 이를 Table 1에 나타내었다.
미세조류 바이오연료 전환 공정의 에너지 생산량과 소비량을 계산 하기 위하여 본 연구에서는 기존에 발표된 미세조류 공정 LCA 연구 에서 사용된 수치들을 이용하였다. 미세조류가 가지는 에너지량은 건조 미세조류를 기준으로 건조 미세조류의 발열량 : 16∼24 MJ/kg[6-10], 바이오 디젤 : 37∼41 MJ/kg[6-9], 미세조류 잔류물 : 20 MJ/kg[10]로 발표되었고 본 연구에서는 미세조류 발열량을 24 MJ/kg, 바이오디젤은 41 MJ/kg, 미세조류 잔류물은 20 MJ/kg을 가지는 것으로 가정하였다.
이를 기준으로 계산하면 100 ha의 면적에서 생산되는 에너지량은 220
∼325 GJ/y이며 3000 ha에서는 6626∼9768 GJ/y이다. 그러나 바이오 디젤의 에너지량은 각각 107∼256 GJ/y, 3227∼7699 GJ/y로 건조 바이오매스가 가지는 에너지량의 48%에서 78%로 나타나 지질 함량 에 따라서 바이오 디젤이 회수하는 에너지량이 큰 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한 지질 추출 후의 잔류물들이 매우 많은 에너 지를 함유하고 있어 미세조류 잔류물 이용이 미세조류의 바이오연료 전환 공정의 에너지 효율을 향상에 중요함을 확인하였다.
3. 결과 및 토의
3.1. 경작과 수확
바이오연료로 전환될 미세조류인 Chlorella sp. KR-1은 토지 이용의
극대화, 배가스 내의 이산화탄소 이용 등을 위하여 광생물 반응기에서
Figure 2. Energy required for microalgae cultivation in a photo- bioreactor.
Figure 3. Energy required for microalgae harvesting.
경작된다. 지금까지 개발된 광생물 반응기들은 평판형, 원통형 등이 있으며 이들의 에너지 소비량 조사가 Luis와 Tan[8], Jorquera 등[11]에 의해서 이루어졌다. 기존 연구 결과들을 보면 원통형 광생물 반응기가 미세 조류 경작을 위하여 2000 W/m
3의 에너지를 소비하고 편판형 광 생물 반응기와 공기양수(Airlift) 광생물 반응기의 필요 에너지량은 50
∼70W/m
3의 에너지가 필요하다. Khoo 등[9]은 광생물 반응기에서의 필요 에너지량은 0.0222 kWh/kg CO
2로 가정하여 1 kg의 미세조류를 생산하기 위하여 3210 kJ의 에너지가 소비된다고 하였다. 미세조류 생산량을 기준으로 한 Khoo 등[9]의 에너지 소비량을 KR-1에 적용하 여 계산한 에너지 소비량을 Figure 2에 나타내었다. 단위 면적당 필요 에너지량을 기준으로 Chlorella sp. KR-1의 생산량에 따른 광생물 반 응기의 에너지 요구량은 100 ha 경우에 318.6 GJ/y, 3000 ha의 경우에 9558 GJ/y 로 비교적 높게 나타났다. 그러나 이와 같은 높은 값들은 생 산된 미세조류의 에너지량보다 높게 나타나 본 연구에서는 Khoo 등 [9] 이 제시한 광생물 반응기 필요에너지값을 이용하였다.
광생물 반응기에서의 미세조류 농도는 대략 1∼6 g/L로 보고되고 있으며 데모 설비에서 경작되는 미세조류의 농도는 대략 1∼1.5 g/L로 나타나있다. 따라서 미세조류를 수확하는 공정에서 에너지량을 저감 하는 것이 미세조류의 에너지 효율을 향상시키는 핵심적인 과제가 되어 있어 많은 연구자들이 수확 방법에 따른 에너지 비용을 검토하였다.
Lam 등[7]은 미세조류 수확 공정에서 에너지 소비량을 비교하여 원심 분리 > 필터 프레스 > 마이크로 필터 > 응집 > 응고 순으로 에너지가 적게 든다고 하였다. Suali와 Sarbatly[6]는 응집 공정의 분리 효율이 최대 95%이며 103 kg의 건조량에 대해 0.893 kWh의 에너지가 필요 하다고 하였다. 전기 응집의 경우는 0.3 kWh/m
3이 든다고 하였다. 더 불어 원심 분리와 직접 필터는 응집보다 매우 많은 에너지가 소비된 다고 하였다. 열을 이용하는 건조 공정을 이용하면 30%의 건조 미세 조류를 생산하기 위하여 1 MJ/kg의 에너지가 소비된다고 하였다.
Khoo 등[9]은 조류 수확을 위하여 응집제(FeCl
3⋅6H
2O)를 이용하는 공정을 제안하여 1차로 3 wt%까지 미세조류 농도를 향상시킨 후에
15 wt% 까지 원심분리를 하는 공정을 제안하였으며 이때의 에너지 소 비량을 총 0.3767 MJ/kg dry biomass를 제시하였다. Xu 등[12]은 응집 (2 wt%), 원심분리(16 wt%), 기계적 탈수(30∼50 wt%), 건조(85 wt%
이상) 등의 공정을 통해서 지질 추출 전까지의 수확 및 탈수를 완료하 는 공정을 제안하였다. 전체 공정에 사용되는 에너지는 1톤의 건조 미 세조류를 기준으로 각각 응집(163 MJ), 원심분리(95.3 MJ), 기계적 탈수(216 MJ), 건조(1647 MJ)로 제시하였다. 따라서 수확 공정에서 이용되는 총 에너지량은 2121.3 MJ/ton으로 가정할 수 있으며 이를 KR-1 의 생산성에 적용한 수확 공정의 필요 에너지량을 계산하여 Figure 3 에 나타내었다.
3.2. 추출
건조된 미세조류 물질들로부터 바이오연료들을 생산하기 위하여 미세조류 내에 풍부하게 포함된 지질 성분을 추출해야 한다. 특히 전이 에스터화 반응을 통하여 바이오 디젤을 생산하기 위하여 지질 성분이 최대한 높은 수율로 추출되어야 한다. 따라서 많은 추출 공정들이 제안 되었으나 여전히 헥산 등을 이용한 화학 추출이 낮은 에너지 손실로 인하여 널리 이용될 것으로 보인다.
Xu 등[12]은 85%까지 건조된 미세조류에서 지질 추출 공정이 콩기름 에서의 시설과 비슷하며 수율도 비슷할 것으로 예측하였다. 이는 미세 조류 지질의 95%가 추출되며 추출에 필요한 에너지는 전기 소비량으로 0.24 MJ, 열소비로 0.76 MJ이라고 하였다. 따라서 1톤의 건조 미세조 류를 기준으로 총 1000 MJ의 에너지가 추출에 사용된다고 하였다.
Razon 과 Tan[8]은 헥산을 이용한 콩기름의 추출 공정이 96%의 효율
에서 조업이 이루어진다고 하였다. Khoo 등[9]은 미세조류에서 100%의
지질이 추출된다고 하였으며 추출된 지질의 90%가 바이오 디젤로 전환
된다고 가정하여 1 kg의 바이오 디젤 당 3.8 MJ의 에너지가 필요하다고
하였다. Figure 4는 Xu 등[12]이 제안한 미세조류 지질 추출 공정에서의
에너지 소비량을 기준으로 본 과제 대상 규모에 적용하여 추출 공정
에서 필요한 에너지량을 계산하여 나타낸 것이다.
Figure 4. Energy required for lipid extraction from microalgae. Figure 5. Energy required for bio diesel conversion processes.
3.3. 바이오 디젤 전환
추출된 미세조류를 이용하여 최종 바이오 디젤을 생산하는 공정은 대부분 전이 에스터화 반응을 대상으로 한다. 1몰의 지질 당 6.5몰의 메탄올을 사용하는 것으로 일반적으로 검토되고 있다. Razon과 Tan[8]은 미세조류의 바이오연료 전환 공정이 1 kg의 지질에 0.1 kg의 메탄올 이 사용되고 열병합 발전으로부터 공정 운전을 위하여 열과 전기가 총 2.167 MJ이 사용되고 1 kg의 메틸 에스테르와 0.47 kg의 글리세린이 생산된다고 하였다. 이에 비해 Khoo 등[9]은 바이오 디젤 전환에서 전기 사용량과 필요한 메탄올을 생산하기에 드는 에너지량을 포함하여 1 kg 의 바이오 디젤을 생산하기 위하여 3.2 MJ의 에너지가 소비된다고 하 였다. Xu 등[12]은 추출된 미세조류를 바이오연료로 전환하기 위하여 전이 에스터화 반응을 적용하여 1 kg의 미세조류 지질을 처리하기 위하여 총 2.1 MJ의 에너지가 소비되며 따라서 1톤의 건조 미세조류 (43 wt% 의 지질 함량)를 기준으로 856 MJ의 에너지가 소비된다고 하 였다. Xu 등[12]은 더불어 지질이 추출된 후의 건조 미세조류 부산물 을 열분해에 이용하여 최대 95%의 효율로서 열분해되며 이를 통해서 70 wt% 의 열분해유, 15 wt%의 바이오 가스, 15 wt%의 바이오 촤가 만들어지며 열분해 공정 조업을 위한 에너지 공급에 1톤의 건조 미세 조류를 기준으로 총 2092 MJ의 에너지가 필요하다고 하였다. 본 연구 에서는 많은 기존 연구들이 수행하고 있는 전이 에스터화 반응과 열 분해 반응을 통한 바이오연료 생산을 고려하였다. 전이 에스터화 반 응에서의 필요한 에너지 소비량은 Figure 5와 같다. 그림에서 보면 열 분해 반응에서 보다 많은 에너지가 소비되고 있음을 확인할 수 있으 며 건조 미세조류를 기준으로 공정 에너지 소비량을 정하였기 때문에 필요한 에너지량이 Product 1, 2와 Product 3, 4가 동일하게 나타났으 나 미세조류의 생산량 및 지질 함량에 따른 질량 변화를 고려하면 총 에너지량에서 큰 차이를 나타낼 것으로 보인다.
3.4. 물질 수지
미세조류 공정에서의 NER을 계산하기 위하여 본 연구에서는 4단 계의 핵심 공정인 경작, 수확, 추출, 전환을 검토하였다. 에너지 수지의
기초가 되는 물질 수지는 4가지 핵심 공정에서 100%로 전환되는 경 우를 기준으로 정해서 물질 수지를 검토하였다. 더불어 실제 공정은 지금까지 문헌에 보고된 4가지 핵심 공정의 최고 수율을 대상으로 하여 바이오 디젤 전환을 전이 에스터화 반응과 열분해 및 탈산소 반응을 통한 바이오 디젤 생산으로 나눈 2가지 시나리오를 검토하였다. 미세 조류 경작은 평판형 광생물 반응기로 한정하였으며 생산 수율은 Figure 1 에서 보듯이 0.12∼0.18 g/L/d으로 하였으며 지질 생산량은 0.04∼0.08 g FAME/L/d 로 하였다. 모든 시나리오들에서 경작 과정은 동일한 것 으로 하였으나 미세조류 생산성과 지질 생산성을 기준으로 4가지 생 산 결과를 고려하였다.
수확 공정은 가장 적게 에너지가 드는 응집, 원심 분리, 기계적 탈수, 건조를 통해서 미세조류를 수확하고 건조까지 완료하는 것으로 가정 하였다. 각각의 단위 공정에서의 전체 수율은 시나리오 1의 경우에 모든 세부 공정들이 100%의 수율을 가지는 것으로 고려하여 전체 수율이 100%로 가정하였다. 시나리오 2와 시나리오 3에서는 단위 공정들의 수율을 포함시켜 전체 수율을 선정하였다. 응집 단계의 수율은 95%
(3, 8) 로 하였으며 원심 분리, 기계적 탈수, 건조의 최대 수율에 대해 보고된 논문들이 거의 없기 때문에 대부분의 미세조류가 회수된다고 가정(최대 수율 99%)하여 전체 수율이 92%로 가정하였다.
미세조류로부터 추출하는 공정에 대하여 본 연구에서는 헥산 등의 화학제를 이용한 추출만을 고려하였다. 그러나 시나리오 3에서는 헥 산으로 지질을 추출하지 않고 바로 열분해를 통하여 바이오 오일과 바이오 가스가 추출되는 것으로 가정하였다. 시나리오 1과 2에 이용 된 헥산 추출의 수율은 기존의 연구자들이 많이 발표하였으며, 일반 적으로 지질 성분의 95∼96% 추출을 고려하고 있다. 따라서 본 연구 에서는 96%의 지질 성분이 추출되는 것으로 하였다. 그리고 열분해 공정이 적용되는 시나리오 3에서는 100%의 공정 효율을 통해서 최대 70% 의 열분해 오일이 생산되는 것으로 하였다. 각각의 시나리오들의 전환율을 정리하여 Table 2에 나타내었다.
추출된 지질로부터 바이오연료를 생산하는 공정은 전이 에스터화
반응과 잔류물의 열분해 공정이 일어나는 시나리오 1, 2와 열분해를
Table 2. Conversion Efficiencies with Scenarios
Cultivation Harvesting Extraction Conversion
S 1 100% 100% 100% 100%
S 2 100% 92% 96% 90%
S 3 100% 92% 70% (Oil yield) 38.8%
Figure 6. Bio diesel yield with scenarios.
Table 3. Energy Required for Unit Processes
Unit Basis
Cultivation Flat photobioreactor : 3210 kJ/kg dry micro algae Harvesting 2121.3 MJ/ton dry micro algae
Extraction 1000 MJ/ton dry micro algae
Conversion Esterification : 856 MJ/ton dry micro algae Pyrolysis : 2092 MJ/ton dry micro algae
통해 생산된 바이오 오일의 탈산소 반응을 통해 바이오 디젤을 생산 하는 시나리오 3으로 구분하였다. 시나리오 2의 수율은 Khoo 등[9]이 제안한 90%를 적용하였으며 미반응 지질은 열분해 공정에 들어가 바 이오 오일의 생산에 이용되는 것으로 하였다. 시나리오 3에서 바이오 디젤에 적용될 수 있는 경질 분율의 수율은 KR-1을 이용한 열분해 실험 결과[1]를 적용하여 건조 미세조류당 38.8 wt%의 바이오 디젤 성분이 추출되는 것으로 가정하였다. Lee 등[1]의 연구 결과를 보면, 열분해 공정의 바이오 오일 수율은 대략 60%이며 열분해 가스와 열 분해 촤가 40%를 차지한다고 하였다. 그러나 본 연구에서는 급속 열 분해 공정을 가정하여 Xu 등[12]이 제안한 열분해 수율인 바이오 오일 (70%), 열분해 가스(15%), 바이오 촤(15%)를 이용하나 지질 성분이 주로 추출되는 열분해 오일 중의 경질 분율은 Lee 등[1]이 제안한 38.8 wt% 를 이용하였다.
시나리오에 따른 생산성 1∼4의 질량 수지를 계산하여 생산성 1∼4 의 최종 바이오연료 생산량을 계산하여 Figure 6에 나타내었다. 시나 리오 2∼3에서 수확 과정에서 수확되지 않은 미세조류는 모두 손실로 계산하였다. 전이 에스터화 반응의 물질수지는 1 kg의 조류 기름에 0.1 kg 의 메탄올, 0.011 kg의 NaOH, 0.0275 kg의 NaOCH
3, 0.0156 kg 의 HCl이 반응하여 1 kg의 바이오 디젤과 0.47 kg의 글리세린이 만들 어진다는 Razon과 Tan[8]의 물질 수지를 이용하여 계산하였다. 더불어 100, 3000 ha 는 단위 면적당 생산량에서만 차이가 나기 때문에 물질 수지와 에너지 수지 계산에서는 100 ha만을 기준으로 하여 계산하였다.
그림에서 보면 100%의 전환율을 가정한 시나리오 1의 수율이 가장 높았으며 최대 6260 ton/y를 100 ha의 미세조류 경작 설비를 이용하여
생산할 수 있다. 그러나 각 단위 공정들의 전환율을 검토한 시나리오 2 와 3을 보면, 최대 바이오 디젤 생산이 5000 ton/y였다. 더불어 지질 함량의 비가 최대인 생산성 2, 4에서는 전이 에스터화 반응을 이용하 는 경우에 더 많은 바이오 디젤을 생산할 수 있으나 지질 함량이 낮은 경우에는 열분해 공정을 이용하는 것이 보다 많은 바이오 디젤을 생산 한다. 생산성 1, 3의 결과를 비교하면 전이 에스터화 반응에서 열분해 반응으로 전환하는 경우에 바이오 디젤 생산이 150% 가량 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이는 미세조류의 지질 성분만을 이용하는 전이 에스터화 반응에 비해 미세조류 전체를 대상으로 하는 열분해 공정의 경질 부분 수율이 높기 때문으로 보인다. 그러나 미세조류의 지질 함 량에 따른 경질분의 수율에 대한 자료가 없기 때문에 시나리오 3에서 바이오디젤 수율이 큰 차이를 나타내지 못했다.
3.5. 에너지 수지 및 NER
미세조류 전환 공정의 에너지 수지와 NER을 계산하기 위하여 본 연구에서는 물질 수지 계산에 이용한 시나리오들을 그대로 이용하였다.
각 세부 공정에서의 에너지 수지는 Figures 2∼5의 계산에 적용한 가 정을 그대로 이용하였으며(세부 공정에서 사용한 필요 에너지 계산 기준을 Table 3에 나타냄) 총 에너지 요구량은 각 세부공정에 필요한 에너지양의 합으로 계산하였으며 이를 식 (1)에 나타내었다.
×
×
×
×
(1)
여기서 M
1∼M
4는 세부 공정별 주입되는 건조 미세조류의 양이며 Ec 는 전환 단계에 필요한 에너지양으로 Table 3에 전이 에스터화 반 응과 열분해 반응에 대해서 정리하였다. 더불어 시나리오 3에서는 추 출 공정을 이용하지 않기 때문에 추출에 필요한 에너지양을 제외하고 계산하였다.
Figure 7 에 시나리오에 따른 필요한 총 에너지양을 계산하여 나타 내었다. 조류 경작과 수확에서는 미세조류의 손실이 없기 때문에 동 일하나 추출과 전환 과정에서 대상이 되는 미세조류의 양이 달라지기 때문에 시나리오 1의 필요 에너지양보다 시나리오 2의 필요 에너지양이 작다. 시나리오 2와 3을 비교하면, 지질 추출 후에 전이 에스터화 반 응을 거치는 공정과 열분해 공정의 에너지 요구량이 다르며 열분해 공정이 보다 많은 에너지를 사용하게 됨을 확인할 수 있다.
NER 을 계산하기 위하여 본 연구에서는 최종 바이오디젤 생산량에
바이오 디젤의 열량(41 MJ/kg의 바이오 디젤)을 이용하여 생산된 바
이오디젤의 열량을 계산하였다. 대부분의 미세조류 LCA 분석에서 보
면 생산된 바이오디젤과 부산물로 나오는 글리세린, 바이오촤, 바이오
가스 등이 가지는 에너지양을 계산하여 NER을 계산하였으나 본 연구
에서는 바이오디젤만을 고려하여 실제 에너지 수율을 검토하였으며
이를 Figure 8에 나타내었다. 그림에서 보면 모든 경우에 NER이 1 이상
으로 나타났다. 이는 미세조류의 경작이 1년 중 90% 동안 지속적으로
Figure 7. Total energy required with scenarios. Figure 8. NER with scenarios.
발생하며 지질 생산에 사용되는 원료 물질들을 전혀 고려하지 않고 공정 운전에 필요한 전기 및 열 에너지량만을 계산한 것이다. 더불어 열분해 공정에서 지질 함유량에 따른 경질 분율의 차이를 고려하지 않았기 때문에 대략 3.5의 NER 값을 가지는 것으로 나타났으나 사용 되는 화학제품들이 가지는 에너지 자원, 주입되는 태양에너지 등을 모두 고려하면 NER 값이 작아질 것으로 보이며 이는 Xu 등[12]이 제 안한 공정에서 NER이 1.82∼2.38임을 통해 예상할 수 있다. 또한 Jorquera 등[11]은 광생물 반응기에서 경작 및 수확에 많은 에너지가 소비되어 NER이 1보다 작을 것으로 예측하였다. 미세조류 바이오 정 유 공정의 정확한 NER은 아직까지 실험실 규모에 멈추어있는 광생물 반응기의 경작, 추출 공정이 확립되어야 보다 정확한 값을 얻을 수 있 으나 효율적인 공정들의 조합으로 사용한 에너지보다 많은 에너지를 가지는 바이오연료를 생산할 수 있을 것으로 보인다.
4. 결 론
0.97∼1.43g cell/L의 생산성과 0.285∼0.461 g FAME/g cell의 지질 함량을 가지는 미세조류를 100∼3000 ha의 면적의 광생물 반응기에서 경작하는 바이오연료 전환 공정의 실에너지 효율을 조사하였다. 미세 조류 바이오연료 전환 공정은 경작, 탈수, 추출, 전환 등의 4가지 주요 단계를 거치며 각각 100, 92, 96, 90%의 효율로 운전되고 있으며 각 공정들의 주요 필요에너지량은 기존 문헌들의 값을 이용하였고 생산 되는 바이오 연료의 열량은 41 MJ/l로 하여 에너지 수지를 계산하였다.
미세조류 바이오연료 전환 공정을 통해서 생산된 에너지는 전체 공정의 필요 에너지보다 높았다. 시나리오들에 따른 실에너지 효율은 2∼5 이하로 나타나 미세조류의 바이오 연료 전환이 이용가능함을 보여준다.
많은 지질 성분을 함유하는 미세조류를 이용하면 보다 높은 실에너지 효율 값을 얻을 수 있다. 또한 열분해 공정을 이용하면 보다 많은 에 너지를 사용하나, 바이오 디젤 생산량이 증가하여 지질 함량이 낮은 경우에는 우수한 것으로 나타났다. 그러나 미세조류의 지질 함량이
높은 경우에 지질 추출 후의 전이 에스터화 반응을 연계시키는 전통 적인 바이오연료 전환 공정이 보다 우수한 것으로 나타났다.
참 고 문 헌
