바이오연료 개발기술 동향 분석
유럽에서 가장 큰 정유기업들은 차세대 바이오연료 (biofuel)와 관련된 연구개발을 축소하고 있다. 이는 원활 한 식량공급을 방해하지 않는 가솔린(gasoline) 대체재를 창출하고자 하는 노력이 퇴보되기 때문에 발생한 것이다.
BP Plc社와 Royal Dutch Shell Group Plc 社는 네 개 의 구별된 벤처(venture) 사업을 위한 투자를 철회하였다.
왜냐하면, 목재공장에서 그리고 폐기물에서 연료를 생산하 는 기술 자체가 2020년까지 또는 넘어서도 경제성이 떨어 지기 때문이라고 이들 기업 최고경영자들은 인터뷰 (interview)를 통해 말하였다.
좀 더 구체적으로 BP社 바이오연료 프로그램 Phil New 사장은“바이오연료 프로그램 자체가 자본집약적인 특성 을 가지고 있다. 공학적 어려움도 많이 존재한다. 규모를 키 우기 위해서는 많은 시간이 필요할 것”이라고 말했다. 이러 한 결정은 바이오연료 생산에 관한 글로벌 투자가 2007년
4분기 76억 달러에서 1분기 5천7백만 달러로 삭감되는 데
도움을 주었다. 이는 2006년 이래 가장 낮은 수치이다.
국제에너지기구 최고경영자인 Maria van der Hoeven 회장은 이에 대해“이러한 기술을 배치하는 과정은 기대하 였던 것보다는 꽤 더디게 진행되어왔다. 그리고 예상된 속 도를 유지하기 위해 필요한 것은 우리들의 강렬한 열망이 다. 수많은 잠재적 생산업체들이 그들이 필요로 하는 자본 을 확보하는 것이 매우 어렵다는 사실을 발견하였다”고 말 했다.
오염 목표
바이오연료는 미국과 유럽이 지구온난화의 원인으로 취 급되는 온실가스 배출을 감소시키고자 하는 지속적 노력을 측정할 수 있는 기준 중 하나이다. 국제에너지기구는 바이
오연료가 기후변화 목표를 충족시키기 위해서 2050년 전 세계 운송수단 연료의 27%를 공급해야만 한다고 평가하고 있다. 지난해, 바이오연료가 차지한 비율은 3% 수준이다.
사탕수수를 원료로 하는 에탄올(Ethanol)은 지난해 생 산된 바이오연료들 중 거의 190만 배럴(barrel)을 하루에 만들어내는 바이오연료로 간주되었다. 생산량은 2011년
이후 10% 정도 성장하였으며, 그 결과 옥수수 가격이 촉진
되고 유엔의 관심을 증가시키는 데 일조하게 되었다. 유엔 의 관심은 부유한 선진국에서의 연료 생산이 가난한 국가 에 제공되는 식량공급량을 감소시키는지에 있다.
차세대 연료를 만드는 것은 플랜트 월(plant walls)에서 발견된 셀룰로오스(cellulose)을 분리하기 위해 더 많은 정제작업을 필요로 한다. 이는 식량과 경쟁을 하지 않는, 즉 식량의 원료로 사용되지 않은 바이오연료 원료를 공급할 수 있는 산업을 개방시켜주게 되었다. 여기에는 스위치 그 라 스 (switch grass: 잡 초 ), 옥 수 수 줄 기 , 자 트 로 파 (jatropha: 산호유동), 그리고 목재산업과 종이산업 등에 서 발생되는 폐기물뿐만 아니라 쓰레기 더미들도 포함되어 있다. 과학자들 역시 연료로 사용될 수 있는 미세박테리아 와 조류를 사용하는 실험을 하고 있다.
‘도울 수 있는...’
BP社와 Shell社는 거대한 정유기업에서 바이오연료를
취 급 하 는 에 너 지 기 업 으 로 탈 바 꿈 하 고 있 다 고 Novozymes A/S社(바이오연료를 만들기 위해서 사용되 는 효소를 생산하는 세계에세 가장 큰 효소생산 제조업체) 최고경영자인 Peder Holk Nielsen 회장은 말하였다. “그 들은 셀롤로오스계 바이오연료 생산에 대한 투자를 촉진하 는 데 도움을 줄 것이다. 하지만, 그것은 지금 당장 일어날 일은 아니다”라고 Peder Holk Nielsen 회장은 덧붙였다.
BP社와 Shell社 모두가 실험실 연구결과를 상업화시키
*
본 내용은 KISTI와 GTB(Global Trends Briefing 글로벌동향브리핑) 해외 과학기술동향 정보 이용협약을 통해 기사를 발췌하여 작성되었 습니다.는 데 어려움을 지니고 있다. 10월, BP社는 플로리다
(Florida)에 셀룰로오스계 에탄올 정제소 관련 3억 달러의
자금을 투입할 4년간의 프로젝트를 철회하였다. 이것은 2009년 바이오연료의 공급원료로서 자트로파를 사용하려 는 작업 역시 끝이 났음을 의미한다.
BP社는 DuPont & Co.社와 함께 일을 하고 있으며, 이 기업들은 영국에 3억5천만 파운드(5억2천만 달러) 규모의 밀-에탄올 생산공장을 설립하였다. 그들의 계획은 이 공장 에서 바이오부탄올(biobutanol)을 생산하는 것이다. 그리 고 만약 그들의 계획이 성공하게 된다면, 다음 투자의 문도 열리게 될 것이다. 왜냐하면, 바이오부탄올은 에탄올보다 더 효율적이며, 기존 자동차의 구조를 변경할 필요가 없기 때문이다. 하지만, 바이오부탄올 역시 2016년 이전에 연 료로서 상업화될 것으로 기대되지는 않는다.
4월, Shell社는 Iogen Corp.社와의 계획들을 철회하였 다. 사실 그들은 캐나다(Canada) 마니토바(Manitoba) 에 상업용 규모의 발전소를 건설하고자 하였다. 그리고 이 곳을 통해 밀짚에서 에탄올을 생산할 계획을 가지고 있었 다. 2012 년 8월, Codexis Inc.社에서 바이오연료를 위한 효소생산공정에 자금 투자하는 것을 그만두었다. 그 이전 에는 HR BioPetroleum Inc.社와 조류 바이오연료 벤처 자금이 존재하였다.
비용 문제
Shell社의 대체에너지 사업부 Matthew Tipper 사장은 이에 대해“이러한 기술 모두가 기술적으로 활동을 할 수 있는 능력을 가지고 있다. 하지만, 이러한 기술이 앞으로 나 아갈 수 없게 만들어버리는 비용이 문제이다. 연료들은 연 소시키기에 충분히 저렴해야만 한다. 다른 경우, 그것들을 판매할 곳도 존재하지 않는다”고 말했다.
미국에서 Exxon Mobil Corp.社와 Chevron Corp.社 가 이 미 바 이 오 연 료 에 대 한 지 출 을 삭 감 하 여 왔 다.
Chevron Corp.社는 최고경영진들이 갈망하였던 수익을 제공할 수 없었던 100개 공급원료를 결정한 이후 2010년 대부분의 대상물을 삭감의 대상으로 선정하였다. Exxon 社는 가시적인 연료를 찾는 것 없이 조류와 관련된 바이오 연료 분야에 1억 달러의 자금을 투입하였다.
BP社와 Shell社 모두가 브라질(Brazil)에 그들의 전통 적인 바이오연료 사업을 확장하고 있다. 브라질은 그들이 사탕수수에서 연료를 변경할 수 있는 매우 좋은 장소이다.
Shell社는 23개의 정제소를 가지고 있다. BP社는 12월 브
라질에 Tropical 에탄올 프로젝트의 용량을 두 배로 하기
위해 3억5천만 달러의 자금을 투입하였다고 발표하였다.
이처럼 1세대 바이오연료에 대한 관심과 투자의 정도는
서서히 사라지고 있지만, 차세대 바이오연료 기술에 대한 관심이 여전히 남아있으며, 차세대 바이오연료 생산기술에 대한 투자뿐만 아니라 실제 성공을 하여 상업화가 될 날도 그리 머지 않았다.
(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2013년 7월 16일)
석유 수요가 최고수준에 도달할 것으로 예상 되는 2014년
국 제 에 너 지 기 구 (International Energy Agency,
IEA)는 2014년 전세계 석유 시장 전망과 관련하여 개발도
상국의 경우 성장으로 인해 석유 수요가 최고치에 도달할 것으로 예상하였다.
IEA의 최근 보고서에 따르면 올해 예상하지 못했던 추운 날씨의 지속으로 석유 수요가 증가하였으며, 2014년에는 개발도상국의 부상으로 석유 수요가 92 백만 배럴/일에 도 달할 것으로 보고 있다. IEA는 선진국들이 지속적으로 에 너지 효율을 개선하고 있음에도 불구하고, 전세계 경제성 장의 긍정적인 예측들이 수요를 증가시키는 원인이 될 것 으로 예측하였다.
그러나 IEA의 이번 보고서의 전체적인 톤은 석유 시장이
불확실성의 바다로 빠져들고 있다는 것이다. 이는 부분적
으로 미국의 석유 생산이 크게 성장할 것으로 예상하기 때 문이다. 그리고 브라질, 카자흐스탄, 수단과 같은 비- OPEC(Organization of Petroleum Exporting Countries) 국가들의 석유 공급도 증가할 것으로 보았다.
IEA는 신흥시장과 개발도상국이 2014년 석유 수요 증
가의 주된 원인일 것으로 보았다. 이와 같은 수요 증가는
OECD 지역의 34개국에 의한 지속적인 수요 감소를 상쇄
할 것이며, 중국은 2014년에도 수요 증가의 주요 원인이 될 것으로 예상되었다. 그리고 2013년 전망과 관련하여 2 분기에 북반구 난방용 석유의 큰 수요 증가로 인해 전세계 석유 수요가 약 215,000 배럴/일 증가할 것으로 예측하였 다. 이러한 증가는 연간 석유 소비 증가량을 930,000 배럴
/일까지 높여 전세계 총 소비량이 90.8 백만 배럴/일에 도
달할 것으로 예상되었다. 이러한 석유 총수요 예상은 최대 규모이며, 2014년에는 1.2 백만 배럴/일의 추가적인 수요 가 발생할 것으로 예상하였다.
IEA는 이집트의 정치, 사회적 불안이 수에즈만(Gulf of Suez)에서 지중해까지 석유를 운반하는 수에즈 운하 (Suez Canal)와 수메드(SUMED) 수송관에 영향을 주어 최근 석유가격이 상승하게 만들었다고 밝혔다. IEA는“시 리아 내전 처럼 이집트의 정치적 대립은 오랫동안 지속되 어 상황을 악화시킬 수 있으며, 불안정성은 석유 생산 및 수 에즈 운하를 통한 석유 공급에 위협요소가 될 수 있다”고 설명하였다. 그리고 리비아, 나이지리아, 이라크 등과 같은 국가들은 사회적 불안으로 석유 공급에 방해를 받고 있다 고 밝혔다. 또 다른 원인으로는 미국 내 일부 공급 경로에서 있었던 일시적 중단도 있었다.
지난 6월 사우디아라비아의 석유 생산은 100,000 배럴/
일이 증가하여 9.7 백만배럴/일에 도달하였으며, 이는 지
난 7개월간 가장 높은 생산량이다. 서부 텍사스 중질유
(West Texas Intermediate)의 가격은 27센트 증가하여
배럴당 106.79달러를 기록하였다.
(KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 , 2013년 7월 15일)
탄소 나노튜브의 효율적 발광 메커니즘 발견
현격한 차이로 효율적으로 발광시키는 새로운 메커니즘 을 세계 최초로 발견했다. 본 연구 성과는 2013년 7월 7일
(영국 시간)에 영국 과학 잡지“Nature Photonics” 에 게 재되었다.
[개요]
탄소 나노튜브는 탄소 원자의 시트 1개 층(그래핀)으로 이루어진, 직경이 불과 1나노미터 정도(머리카락의 10만분
의 1)의 원통형으로 구부러진 가느다란 선 모양의 나노 재료
이다. 극한적으로 가다란 양자 세선인 탄소 나노튜브는 빛 을 맞추거나 전류를 통과시킴으로써 에너지를 가하면 근적 외선의 빛을 발하는(발광하는) 것이 알려져 있어, 향후 나노 크기의 광섬유 통신용 에너지 광원 및 고감도 광검출기 등에 서의 응용이 기대되고 있다. 하지만 일반적으로 탄소 나노 튜브가 발광하는 효율은 매우 낮아(약 1% 정도) 실용화를 위해서는 그 효율을 크게 높이는 것이 요구되고 있었다.
이번 연구 그룹은 길이 수백 나노미터인 탄소 나노튜브
“양자 세선”위에 약 1개의 매우 희박한 비율로 전자를 국 소적으로 가두는 역할을 담당하는“특이점” (양자점)을 만 드는 데 성공했으며, 그 발광 효율을 조사했다. 그 결과, 상 온에서 특이점(양자점) 부분은 탄소 나노튜브 고유의 세선
부분(약 1% 정도)에 비해 약 20배 이상의 매우 높은 효율
로 발광(약 18% 정도)하는 것을 알아냈다. 이것은 탄소 나 노튜브 양자 세선 상에 양자점의 도입으로 탄소 나노튜브 고유의 성질을 뛰어 넘는 매우 높은 발광 효율을 달성할 수 있음을 나타낸 것이며, 기존의 낮은 효율의 벽을 깬 획기적 인 기술이 될 것으로 기대된다.
탄소 나노튜브는 환경 부하가 작고 매우 흔한 원소인 탄
소로 되어 있기 때문에, 본 성과에 의해 향후 그동안 필수였
던 레어 메탈, 희토류 등의 희귀 원소를 전혀 사용하지 않고
광섬유 통신용 고효율 광원 등을 만들 수 있게 될 것으로 기
대된다. 또한, 극한적으로 가느다란 탄소 나노튜브 양자 세
선 위에 포함된 밝은 특이점(양자점)의 독특한 성질을 이용 함으로써, 그동안 액체 헬륨 온도(-269도) 같은 극저온의 세계에서만 이루어진 전자의 파동 성질을 이용한 새로운 양자등 기능 및 소자에 대해 에너지를 대량으로 소비하는 냉각 장치를 사용하지 않고 상온에서 실현할 수 있을 것으 로 기대된다.
[배경]
탄소 나노튜브는 광섬유 통신에 사용되고 있는 근적외광 영역(통신 대역)의 파장에서 전극을 연결해 발광할 수 있다 는 점에서 향후 나노 미터 크기의 미소한 양자등 기능 소자 의 응용이 기대되고 있다. 그러나, 탄소 나노튜브의 발광 효 율은 그 매우 길고 가느다란 선 모양의 형태(1차원성) 고유 의 원인에 의해 낮게 제한되며(일반적으로 약 1% 정도) 응 용을 위해 효율의 대폭적인 향상이 강하게 요구되고 있었다.
[연구 방법·성과]
탄소 나노튜브가 빛을 흡수하면, 빛의 에너지가 전자의 에너지로 변환되어 2나노미터 정도로 공간적으로 확대되 어 들뜬 상태(이것을 여기자라 한다)가 형성되는 것으로 알 려져 있다. 여기자는 그대로 놔두면 어느 일정 비율(확률) 로 발광하고 소멸된다. 그러나, 최근의 연구에 의해 대부분 의 여기자는 양자 세선인 탄소 나노튜브에서 빠르게 움직 이면서 주변부 끝이나 결함 등“불완전한 점”에 충돌해 발 광하지 않고, 사라져 버린다는 것이 밝혀지고 있었다. 이러 한 상황에서는 응용에 요구되는 높은 발광 효율을 실현하 는 것은 이론적으로 어렵다.
그래서, 이번 연구 그룹은 탄소 나노튜브 양자 세선 위에 여기자와 결함 등의 불완전한 점과 충돌을 막는“피난소”
가 되는 특이점(양자점)을 준비하고 거기에 여기자를 가두 고(움직이지 않도록) 발광시키는 것을 고안했다. 그림 1에 그런 대피소가 된 양자점이 포함된 탄소 나노튜브의 개념 도를 나타냈다. 이동하는 청색 점이 탄소 나노튜브에서 움 직이는 고유의 여기자를, 붉은 장소는 탄소 나노튜브의 고 유 부분과는 전혀 성질이 다른 0차원적인 양자점 상태를 나 타낸다.
이번 연구에서는 여기자가 탄소 나노튜브 양자 세선 위
에 만들어진 양자점에 갇히면 매우 밝게 빛난다는 것을 알 게 되었다. 발광하는 양자점은 탄소 나노튜브의 벽에 오존
(O
3) 분자를 작용시키는 방법으로 산소 원자를 인위적으로
삽입하여 제작하였다. 이 방법은 오래 전부터 알려져 있었 지만, 본 연구에서는 탄소 나노튜브 1개당 불과 1개 정도의 매우 희박한 비율로 제어해 양자점을 만드는 것에 처음으 로 성공했다.
그림 2(a)는 양자점 도입 전후에, 탄소 나노튜브에서 발
광 스펙트럼의 변화를 보여준다. 푸른 화살표로 표현한 부 분이 탄소 나노튜브 고유의 세선 위의 여기자에 의한 발광 피크, 오렌지 색 화살표로 표현한 부분이 양자점에 갇힌 여 기자의 발광 피크를 나타낸다.
그림 2(b)는 양자점의 수를 늘려 간 경우의 발광 스펙트
럼의 변화를 보여준다.
그림 3은 탄소 나노튜브의 양자점 수의 증가에 따라 양자
점의 발광 강도 증가량(세로축)과 세선 부분에서 발광 강도 의 감소량(가로 축)의 관계를 표시하고 있다. 그림 3과 같 이 두 개의 양에는 명확한 상관 관계가 밝혀졌다. 자세한 해 그림 2
그림 3
미생물이 만든 산화철에서 친환경적 기능 재 료인 실리카 튜브 개발
오카야마대학 대학원 자연과학연구과 연구팀은 약 6년 에 걸쳐 미생물이 만든 산화철로부터 다공질 실리카를 만 석에 의해 그림3의 비례 관계에 있어서 직선의 기울기는 세
선 위 고유의 여기자와 점에 갇힌 여기자의 발광 효율의 비 율에 비례하는 것으로 나타났다. 이 상관 관계에서, 양자점 의 여기자의 발광 효율은 세선 위 여기자의 최소 18배(약 18%) 임이 밝혀졌다.
연구 그룹은 또한 이 현격히 높은 발광 효율의 원인을 자 세히 살피기 위해 시간 분해 발광 측정과 온도 의존성 발광 측정을 실시했다. 그 결과, 양자점의 약 18배의 발광 증강
은 1) 여기자가 양자점에 잡혀, 충돌하지 않도록 함으로써
발광 없이 사라져 버리는 확률이 약 1/6로 감소, 2) 양자점 속에서 여기자가 빛으로 변환될 확률이 약 3배 늘어난 시너 지 효과에서 유래하는 것으로 나타났다. 특히 후자는 여기 자가 양자점에 갇힘으로써 그“차원성” (운동의 자유도)과
“공간적 확산”그 자체가 변화하여 1차원 양자 세선의 탄소 나노튜브 고유의 한계를 뛰어 넘는 발광 효율이 증가된 것 을 나타내는 획기적인 발견이라 할 수 있다.
[파급 효과]
본 연구를 통해 양자 세선인 탄소 나노튜브에 매우 작은 특이점(양자점)을 도입하여, 탄소 나노튜브 고유의 한계를 뛰어넘는 높은 발광 효율을 실현할 수 있음이 밝혀졌다. 이 번 연구 성과는 탄소 나노튜브의 광 응용을 위한 큰 과제인 낮은 발광 효율의 벽을 깬 획기적인 돌파구가 될 것으로 기 대된다.
따라서, 향후에는 광섬유 통신을 위한 광기능 소자를 만 들기 위해 필요한 희토류 원소나 레어 메탈 같은 희귀 원소 를 전혀 사용하지 않고, 환경 부하가 적고 어디에나 있는 원 소인 탄소를 사용하여 나노 크기의 에너지 절약, 고효율의 근적외선 광원 등 새로운 광 기능 소자를 만들 수 있게 될 것 으로 기대된다. 또한, 상온에서 안정된 탄소 나노튜브의 양
자점 상태는 1차원의 탄소 나노튜브 양자 세선 그 고유의 성질과 달리 0차원적(양자점적)인 새로운 광 기능을 제공 할 것으로 예상된다.
미래에 이러한 기능을 이용하여 에너지 소비가 큰 냉각 장치의 필요 없이 상온에서 작동시킬 수가 있는 양자 암호 통신용 통신 대역의 단일 광자 발생 소자 등 새로운 양자 등 기능 소자의 실현에도 연결될 것으로 보인다.
[향후 예정]
