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대체 에너지원으로 급부상중인 식물 연료 (중소기업테크타임 2007-01-18)
화석연료 사용으로 인한 다양한 문제점들이 제기되면서 최근 미국, 유럽 등을 중심으로 식물 연료에 대한 관심이 높아지고 있다. 바이오 에탄올과 바이오 디젤로 대표되는 식물 연료는 최근 연료로서의 안정성과 환경친화성, 경제성 등이 입증되면서 상용화의 속도가 더욱 빨라지고 있다.
옥수수, 사탕수수, 해바라기, 유채의 공통점은?
초등학교 저학년 학생이라면"식물"이라고 대답하면 그만이다. 고학년쯤 되면 "키가 큰 식물"정도의 수준 높은 대답도 기대해볼 수 있다. 하지만, 산업의 역군을 자처하는 우리가 이런 대답을 내놓을 수는 없는 노릇이다. 환경문제에 조금이라도 관심이 있는 사람이라면 이쯤 해서 정답이 "식물 연료"혹은"바이오 연료"의 재료라는 것쯤은 눈치챘을 것이다.
유가가 하늘 높은 줄 모르고 고공행진을 지속하고 있고, 또 전 세계적으로 온실효과로 인해 기온이 상승하면서 대기오염에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 우리가 사용하고 있는 에너지원은 대부분 석탄, 석유 등의 화석연로로서 에너지 수급, 환경오염 등 많은 문제점을 노출하고 있다.
이를 해결하기 위한 다양한 형태의 노력이 이어지고 있는 가운데 최근 자연계에 "풍부히 존재"하고 '지속적 공급'이 가능한 식물 연료에 대한 관심이 전 세계적으로 높아지고 있다. OECD 국가 중 대기오염이 가장 심하다는 우리나라도 예외일 수는 없어서 최근 환경단체를 중심으로 식물 연료의 보급을 뒷받침하는 법 제정에 대한 요구가 높아지고 있다.
남미,유럽 중심으로 상용화 확산
식물 연료로 대표되는 바이오 연료는 식용유, 동물성 지방 등의 생물을 원료로 하는 연료를 총칭하는 것으로, 기존 연료를 완전히 대체하거나 기존 연료와 섞어서 사용할 수 있다. 현재는 휘발유와 섞어서 쓰는 바이오 에탄올과 디젤과 섞어서 쓰는 바이오 디젤이 가장 보편적이다.
식물 연료가 개발된 지는 비교적 오래됐다. 처음 디젤 기관차가 개발될 때 이미 식용유를 이용한 모델이 개발되기도 했다. 포드자동차의 초기 모델 가운데서도 휘발유 대신 바이오 에탄올을 사용하는 모델이 있었을 만큼 식물 연료의 역사는 오래 전에 시작됐다. 그럼에도 불구하고 경제성이 떨어진다는 이유로 개발되지 않던 식물 연료는 1970년대 석유 파동이 몇 차례 지나간 후 에너지 문제와 화석 연료의 사용에 따른 환경 문제가 두드러지면서 전세계적으로 개발이 재개됐다.
식물 연료는 유럽을 중심으로 생산과 개발이 확산되었으나 오히려 후발주자인 미국과 남미가 풍부한 사탕수수와 곡물자원을 토대로 현재는 가장 높은 성장세를 유지하고 있다. 이미 대부분의 유럽 국가와 미국, 캐나다, 호주 등지에서 식물 연료가 상용화되고 있다.
최근 가장 주목을 받고 있는 대체 연료는 사탕수수와 옥수수를 원료로 만드는 바이오 에탄올이다. 특히 바이오 에탄올의 원료인 사탕수수를 대량으로 재배할 수 있는 환경을 갖춘 브라질이 식물 연료의 상용화에 가장 성공한 나라로 꼽힌다. 브라질 정부가 휘발유에 20% 이상 바이오 에탄올을 혼합하도록 법제화한 것도 바이오 에탄올의 상용화를 더욱 가속화시켰다. 이미 브라질은 연간 300억 리터의 바이오 연료를 생산하면서 세계 1위의 바이오 연료 생산국으로 자리매김하고 있다.
브라질 외에도 풍부한 자연환경을 바탕으로 남미지역에서 이른바 '녹색 황금'으로 불리는 바이오 연료 개발붐이 일고 있다. 콜롬비아는 이미 종려유에서 에틸 알코올을 추출하는 데 성공했으며, 생산량이 연간 100만 리터에 달한다. 콜롬비아 정부는 2020년 커피 대신 종려유를 자국의 가장 주요한 경제작물로 만들겠다는 야심찬 계획을 세우고 있다. 도미니크공화국은 잣에서 추출한 식물성 기름을 연료로 사용할 계획이고, 사탕수수 생산대국 쿠바 역시 사탕수수 알코올을 생산하기 위해 노력을 집중하고 있다.
꽃향기를 맡으면 힘이 솟는 자동차
세계적인 자동차 회사를 보유하고 있는 독일에서도 식물 연료에 대한 연구가 빠르게 진행되고 있다. 2050년 화석연료 고갈에 대비해 독일 연방정부는 각 주정부와 공동으로 관련 산업 분야 개발을 통한 에너지 확보에 역량을 집중하고 있다. 현재 독일 전체 농가 중 12%가 식량용 재배농가가 아닌 에너지 자원 농가인 바이오 농가다. 특히 헤센 지방에서는 독일 현지에서 환경적으로 가장 잘 재배되고 있는 유채를 이용한 바이오 디젤 개발에 초점을 맞추고 있다. 이외에도 참깨, 콩 등도 유용한 식물 연료의 재료로 연구 리스트에 이름을 올리고 있다.
최근에는 사탕수수나 옥수수, 콩 등의 일반적인 재료가 아닌 새로운 재료에 대한 연구도 활발하다. 환경문제에 유독 관심을 보이고 있는 뉴질랜드에서는 2008년부터 주유소에서 바이오 연료가 본격 판매될 전망인 가운데 독특하게 유가공 후 남는 유청으로 바이오 메탄올을 만들고 있다.
네덜란드의 달리전트사는 식물 씨앗에서 자동차 연료인 바이오 디젤을 추출했으며, 당밀이나 바나나 껍질을 이용해 바이오 에탄올을 만드는 데에도 성공했다. 이 회사는 탄자니아에서 재배되는 자트로파 커라스라는 관목에서 채취한 3~4kg의 씨앗에서 1리터 정도의 디젤을 생산해내고 있다. 또한, 중남미의 콜롬비아에서 당밀과 바나나 껍질, 커피 과육 등을 발효시켜 바이오 에탄올을 생산하고 있다. 딜리전트는 현재 이 에탄올을 콜롬비아의 택시 16대에 넣어 시험 가동 중이다.
아예 연료용 나무를 생산하는 업체도 있다. 스웨덴의 아그로브랜슬레사에서는 빠르게 자라는 연료용 버드나무를 개발했다. 이 나무는 3년이면 연료용으로 쓸 수 있는 6~7m 높이로 자랄 뿐 아니라 이 나무를 베어내면 그 자리에 다시 버드나무가 자라나 3년 뒤면 또 베어내 팔 수 있다고 한다. 현재 이 나무는 스웨덴과 영국, 폴란드 등에서 재배되고 있다.
식물 연료의 재료 무궁무진
이에 질세라 아시아 여러 나라도 유럽이나 남미 등에 비해서는 늦었지만 최근 식물 연료 개발에 열을 올리고 있다.
특히 급격한 산업화를 경험하고 있는 중국이 식물 연료 개발에 가장 적극성을 보이고 있다. 현재 중국에서 발견한 유료(油料) 식물은 151과 697류 1,554종에 이른다. 이런 많은 종들 가운데 중국에서는 황련나무와 같은 목본 식물에 주목하고 있다. 황련나무의 목재, 잎과 나무껍질은 다양한 용도에 사용되고 있으며, 종의 함유량은 42.5%, 씨앗의 함유량은 56.7%로 식용유뿐 아니라 좋은 생물 에너지 원료로 사용할 수 있다. 현재 중국이 갖고 있는 황련나무는 200만 묘로, 매묘 당 평균 500kg의 종자를 생산한다고 계산하면, 200만 묘의 종자는 10억kg의 종자를 생산할 수 있고, 2,500kg이 1톤의 생물에너지를 생산한다고 계산하면 40만 톤의 식물 연료를 생산할 수 있다. 역시 숫자의 힘을 실감케 하는 부분이다.
일본에서는 식물성 혼합연료와 차세대 연료차 개발에 의욕을 보이고 있다. 일본 경제산업성은 온실효과 가스를 줄이기 위해 식물에서 추출한 알코올을 혼합한 가솔린을 2008년 자동차 연료로 유통시킬 방침이다.
2006년 7월, 국내서도 바이오 디젤 상용화 첫발
국내 바이오 에너지 기술개발은 1988년 대체에너지 기술개발 사업이 시작되면서 본격화되었다. 왕겨탄 및 연소기 개발 부문에서 연구개발이 수행되어 왔으며 대체탄(왕겨탄 등)은 상업화되어 연간 5만 톤 이상이 소규모 업자들에 의해 현재까지 꾸준히 공급되고 있다. 1988년 이후에는 전분 및 목질계 에탄올 생산기술 개발과 고율 메탄발효 공정 개발에 치중되고 있는데 전분계 에탄올 기술개발은 하루 1kℓ의 에탄올 생산규모의 연속발효 파일럿 플랜트가 성공리에 운전되며 기술개발 축적이 완료되어 삼성엔지니어링 등이 현재는 해외 플랜트 건설 등에 활용하고 있으며, 목질계 에탄올 생산기술 개발은 1993년 이후 체계를 갖추어 하루 20ℓ에탄올 생산규모의 실증플랜트가 운전 연구되고 있다.
미래의 바이오 에너지 기술로서 바이오 디젤 생산 및 이용, 바이오 수소 생산, 미세조류에 의한 CO2 고정화 기술 등이 실용화를 목표로 응용연구 단계에 도달해 있으며 향후 유망한 바이오 에너지 기술로서 개발이 기대되고 있다.
특히 올 7월은 국내 바이오 에너지 산업에 있어 큰 전환점이 될 전망이다. 정부에서 주유소에서 넣은 경유에 콩기름이나 유채기름 같은 식물 연료를 섞도록 함에 따라 대체 연료인 바이오 디젤이 상용화의 첫 발을 내딛게 된 것. 이에 따라 예전에는 거들떠보지도 않았던 대체 에너지원들에 대한 관심이 높아지고 있다.
국내에서 처음 선보이게 될 바이오 디젤은 식물연료가 5% 함유된 BD05로, 식물연료의 함유량이 적어 논란의 여지를 남기고 있다. 환경연합의 설명에 따르면 식물연료 함유량이 20%인 BD20쯤 되어야 서울의 심각한 대기오염원인 미세먼지를 12~18% 저감할 수 있다고 한다. 또한, BD100은 이산화탄소, 벤젠 등 독성물질을 대폭 저감할 수 있고, 10~12%의 산소를 포함하고 있어 완전연소가 되기 때문에 매연, 미세먼지, 아황산가스 등 공해물질을 기존 경유보다 절반 이상 적게 배출한다.
우리나라의 식물연료 연간 생산 가능량인 28톤이 모두 보급되면 연간 이산화탄소 61.6만톤을 줄일 수 있다. 금액으로는 약 370억원에 해당하는 가치다. 전세계적으로 환경 저감을 위해 식물 연료의 법제화를 추진하고 있는 이때, 우리도 더 이상 식물 연료의 사용을 늦출 수만은 없는 시기에 와 있는 것이다.
▶ 유채기름 가능할까?
국내에서 바이오 디젤로서 가장 많이 쓰이는 대두유는 대부분 수입 제품이어서 식용만으로도 턱없이 부족하다. 현재 (주)우리정유 등이 국내에서 수거되는 폐식용유를 모아서 바이오디젤을 생산하고 있지만, 폐식용유 수거 체제도 제대로 갖춰지지 않은데다 음식점마다 식용유를 올리브유로 전환하고 있기 때문에 수거량도 줄어들고 있다.
이런 가운데 독일처럼 우리나라에서도 유채를 바이오 디젤 유지작물로 대규모 재배하는 작업이 가시화되고 있다. 유채는 열 안정성도 좋고 겨울철에 BD100도 쓸 수 있으며, 생산 체계를 갖추고 관리만 잘하면 유채 씨앗 당 수확량을 크게 늘려 충분히 바이오 디젤 작물로서 경제성이 있다.
그러나 현재 제주도 유채꽃은 여기저기 뿌려놓은 관상용일 뿐이고, 바이오 디젤 원료로 사용하려면 수확량이 많은 에너지 작물 용도로 품종을 새로 개발해야 한다. 대부분의 전문가들은 국가에서 정책적으로 나선다면 충분히 유채꽃을 바이오디젤 원료로 크게 산업화할 수 있다고 분석하고 있다.
이에 따라 농림부도 유채 재배 검토에 들어갔다. 농림부 쪽은 경남과 전남 해안에 올해 벼 추수 후에 겨울 유채를 심어 경제성을 따져보기로 했다고 밝히고 있다.
바이오매스 자원 상업화, 어디까지 왔나 (LG경제연구원 2006-08-28)
에너지 및 환경 문제가 심화되면서 재생가능한 자원의 일종인 바이오매스가 급부상하고 있다. 기존 화석연료 자원을 대체할 수 있는 바이오매스 자원의 상업화에 대한 면밀하고 적극적인 대응이 필요한 때이다.
화석연료의 고갈과 지역적 편재로 인한 에너지 체계의 위협 문제는 어제오늘의 이야기가 아니다. 다소 논란이 있긴 하지만 최근의 고유가 체제가 장기적으로 고착화할 것이라는 견해가 더욱 힘을 얻고 있다. 석유 생산이 집중된 중동의 불안 요인이 사그러들기는 커녕 오히려 커지고 있다. 반면, 지난 세기 말 2차례의 석유 위기 이후 재생가능한 자원에 대한 관심이 높아졌지만, 아직까지 석유를 대체할 만한 뚜렷한 후보는 등장하지 않고 있다.
교토의정서가 발효되면서 온실가스 감축을 위해 각국 정부 및 기업들은 대체 기술 및 자원 확보에 더욱 발빠른 행보를 보이고 있다. 이러한 가운데 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 쓰레기나 곡물, 농업 부산물 등과 같은 ‘바이오매스(Biomass)’ 자원이 에너지 및 환경 문제를 해결할 현실적 대안으로 부각되고 있다. 이하에서는 이러한 바이오매스 자원의 가치, 상업화 현황 및 이슈, 시사점 등을 간략히 살펴보겠다.
바이오매스, 화석연료 대체 자원으로 급부상
바이오매스는 자연계에 존재하는 생물이 가진 유기 물질을 총칭한다. 바이오매스는 인류가 오랫동안 식량이나 에너지, 건축 자재, 생활 용품 등으로 사용해 온 대표적인 자원이다. 하지만 이용이 편리하고 값싸게 각종 제품이나 서비스를 만들 수 있는 석유와 같은 화석연료에 가려 그 가치를 제대로 평가받지 못해 왔다. 그러나 최근 몇 년 동안 상황이 빠르게 바뀌기 시작하였다. 이미 시장에서는 옥수수나 사탕수수에서 만든 연료용 에탄올의 공급이 부족해지기 시작했고, 곡물의 씨앗이나 폐식용유를 가공하여 얻는 바이오디젤이 유럽을 중심으로 빠르게 성장하고 있다. 또한 바이오매스 유래 플라스틱은 환경과 지속가능성에 대한 소비자 인식이 높아지는 가운데 기술 발달로 가격 경쟁력을 얻기 시작하면서 시장 저변을 넓히고 있다. 바이오매스가 재생가능한 에너지로서 뿐 아니라 각종 석유화학 기반의 제품을 대체할 수 있는 잠재력을 가진 것으로 평가되고 있다. 일부에서는 석유나 석탄과 같은 ‘지하 자원’을 대체할 수 있는 거의 유일한 ‘지상 자원’으로 바이오매스 자원을 꼽을 정도이다.
바이오매스의 종류로는 미생물에서 동식물, 각종 인간 활동의 부산물 혹은 쓰레기 등 매우 다양하다. 바이오매스는 다양한 처리 및 가공 공정(Biorefinery: 석유 정제와 비교되는 개념)을 거쳐 에너지는 물론 산업 전반의 유용한 제품으로 탈바꿈할 수 있다(그림 참조). 바이오매스에서 유래한 제품들은 그 수명이 다하면 다시 지구 상의 물질 순환 고리를 타고 새로운 탄생을 준비하게 된다. 이렇게 볼 때 바이오매스가 화석연료 기반의 일방적 물질 순환 체계에서 발생하는 에너지, 환경 등의 문제를 해소하기 위한 효과적인 대안이라는 데에는 의문의 여지가 없다.
바이오연료 부문이 상업화에 가장 앞서
그러나 바이오매스는 높은 성장 잠재력에도 불구하고 상업화에 있어서는 아직 시장 진입 단계라 할 수 있다. 바이오연료, 특히 빠르게 성장하고 있는 에탄올과 바이오디젤은 바이오매스 상업화의 첨병 노릇을 톡톡히 해내고 있다. 에탄올과 바이오디젤 시장은 지난 5년 동안 연 20% 이상의 고성장을 구가해 왔고, 적어도 향후 5년 이상 동안은 과거와 같은 양호한 성장을 지속할 것이라는 예측이다. 고유가와 함께 환경 규제 프로그램의 강화가 강한 모멘텀을 유지할 수 있을 것이며, 기업들의 참여로 기술 발전도 가속되고 있다는 점 등을 많은 전문가들이 낙관적인 전망의 근거로 꼽고 있다.
최근 전세계 에탄올 수요 증가세는 가히 폭발적이다. 세계 연료용 에탄올 시장은 1980년대 중반 이후 2000년까지 연간 200억 리터 내외를 유지하며 거의 정체 상태를 보였다. 그러나 2001년을 시작으로 상황은 달라져, 2005년 현재 390억 리터 규모에 이르렀고, 향후 양호한 성장을 거듭해 2012년이면 현재의 1.7배 수준인 650억 리터 규모에 달할 전망이다(주간경제 877호 참조). 에탄올 시장의 잠재력을 간파한 다양한 기술 기업들은 물론, Archer Daniels Midland 등과 같은 거대 곡물 가공 및 유통 기업의 가세로 상업화가 더욱 가속될 것으로 보인다.
한편, 유럽을 중심으로 지속적인 성장을 해 온 바이오디젤은 2005년만 해도 전년대비 60% 이상의 높은 성장을 기록하였다. 유럽의 경우 2004년 190만 톤을 약간 상회하던 것이 2005년에는 320만 톤에 육박하였다. 이 중 50% 이상을 차지하는 독일의 바이오디젤 소비량은 2004년 100만 톤 가량에서 2005년은 이보다 50% 이상 증가한 것으로 나타났다. 바이오디젤에 미온적이던 미국의 경우, 생산량이 2001년 500만 갤런(1만 6,000 톤)에서 2005년 7,500만 갤런으로 급증하는 등 적극적인 모습이다. 생산능력도 올해 3억 9,500만 갤런에서, 2007년에는 2배 가량 증가한 7억 1,300만 갤런 규모(232만 톤)에 이를 전망이다. 정부의 정책적 지원과 기업들의 생산 및 인프라 참여가 증가하면서 바이오디젤 시장은 향후에도 견조한 성장세를 지속하리라는 예측이다.
바이오매스를 산소가 없는 상태에서 발효를 시키면 메탄이 주성분인 바이오가스가 만들어진다. 바이오가스를 연소시켜 곧바로 전기로 바꿀 수 있을 뿐 아니라, 적절히 처리하면 천연가스처럼 활용할 수 있어 향후 그 성장이 주목된다. 독일에서는 음식물 쓰레기나 가축의 분뇨, 농업 부산물 등을 활용한 바이오가스 발전에서 발생한 전기를 전력회사에 파는 농가들이 급속하게 늘고 있다. 15년 전 전국에 400여 가구에 불과하던 바이오가스 발전 농가는 작년 말 7,000 가구를 넘어섰고, 올해에는 1만 가구에 이를 전망이다. 바이오가스 발전의 규모도 소규모 자립형에서 대규모 기업형까지 다양하게 분포하고 있다. 이러한 바이오가스의 부산물로 나오는 액체 비료는 다시 발전의 원료를 생산하는 농지에 뿌려지게 되어 자원의 이용을 극대화하고 있다.
한편, 스웨덴에서는 유가가 오르자 바이오가스에 대한 관심이 높아졌다. 바이오가스로 가는 자동차의 판매가 2005년에는 전년대비 49% 급증하였고, 지난 3월 말에는 세계 최초로 바이오가스만으로 가는 여객 열차를 운행하기 시작했다. 스웨덴의 Lackeby Water는 Goteborg시와 조인트벤처 형태로 도시의 폐수 처리 플랜트에서 나오는 바이오가스를 정제하는 대규모 플랜트를 오는 12월 완성할 계획이다. 향후 5년 내 적어도 5개의 이러한 신규 플랜트가 스웨덴에 설립될 전망이다.
플라스틱 부문도 빠른 성장세
바이오매스로부터 만들어진 플라스틱을 그린플라스틱이라고 하는데, 기존 석유화학 기반의 플라스틱을 대체할 수 있는 현실적 대안으로 급부상하고 있다(주간경제 897호 참조). 불과 4~5년 전만 해도 그린플라스틱은 재생이 어려운 석유화학 유래 제품에 비해 35~100배 가량 비쌌다. 그러나 관련 생명과학 기술의 발달로, 성능이 기존 플라스틱 제품과 동등 수준으로 접근하였다. 또한 가격 격차도 꾸준히 줄어들어 최근에는 동종 석유화학 제품의 2.5~7.5배 수준까지 좁혀졌다. 일부 냉장/냉동 포장재로 쓰이는 폴리유산 제품은 가격은 물론, 성능에서도 기존 제품 이상의 수준으로 성장하였다.
전세계 플라스틱 시장이 연간 1억 6천만 톤을 훨씬 상회한다는 점을 감안할 때, 그린플라스틱의 잠재 시장은 매우 크다. 반면, 그 생산능력은 약 35만 톤 가량으로 아직까지는 성장 초기의 시장이라 할 수 있다. 향후 5년간 적어도 연평균 20% 이상 높은 성장률을 기록하리라는 게 전문가들의 공통된 견해이다. 시장 조사 기관인 Frost & Sullivan에 따르면, 그린플라스틱은 2015년경 전체 플라스틱의 1.5~4.8%까지 차지하면서 연간 400만~1,250만 톤의 규모에 이를 것으로 내다보고 있다. 고유가 체제의 심화, 기술 발전 속도, 정부의 지원 정책 변화 등에 따라 더욱 가파르게 성장할 가능성도 배제할 수 없다.
앞서 상업화가 진전된 부문 이외에도 바이오매스의 원료 조달에서 가공, 다양한 용도로의 제품 개발 및 생산에 이르기까지 다양한 상업화 기회가 움트고 있다. 특히 Biorefinery를 통해 만들어질 수 있는 제품군 중 향후 가장 주목을 끌 만한 분야가 수소를 비롯한 기초 화학 원료를 생산하는 것이다. 그러나 여기에는 관련 인프라의 구축과 기술적 난제들이 산적해 있어 현실화에는 상당 기간이 소요될 전망이다. 일부 전문가들은 지금의 제반 여건을 고려할 때 적어도 25년 이상은 되어야 실질적인 변화가 나타날 수 있으리라고 지적한다.
저렴하고 안정적인 원료 조달이 관건
바이오매스 자원이 상업화되기 위해서는 무엇보다 가격 경쟁력이 필요하다. 대부분 기존 제품이나 서비스를 대체하는 성격이 강하기 때문이다. 에탄올이나 바이오디젤의 예에서 보듯이, 값싼 대량의 원료를 얼마나 안정적으로 조달하느냐 여부가 상업화의 최대 관건이다(<표> 참조). 바이오매스 자원은 전세계적으로 엷고 넓게 분포되어 있어 현재의 대규모 중앙 집중형 사업 형태만으로는 경제성을 확보하기 어려운 점이 많다. 실제 많은 기업들이 곡물이나 작물, 삼림 등 바이오매스 원료가 풍부한 지역에 진출하여 현지 생산 내지는 가공을 하고 있다. 기업들로서는 이를 통해 규모의 경제를 확보함과 동시에 탄소 배출권까지 노릴 수 있어 일거양득이다. 우리나라와 자원 여건이 비슷한 일본이 사탕수수 기반 에탄올을 확보하기 위해 브라질 국영 기업과 제휴한다거나, 또 다른 바이오매스 원료를 얻기 위하여 인도네시아 등 동남아시아에 진출하는 것이 좋은 예이다.
무엇보다 중요한 것은 지속적으로 바이오매스를 공급받을 수 있어야 한다는 것이다. 삼림이 풍부하여 꾸준하게 화석연료를 바이오매스로 전환시켜 온 스웨덴은 지역 열 공급의 50%를 목질계 바이오매스로 공급하고 있다. 그러나 장기적으로 안정적인 바이오매스의 공급이 이루어지지 않는다면 지속되기 어려운 구조라는 관측이다. 최근 기술 개발을 통해 이를 극복하려는 움직임이 있어 눈길을 끌고 있다. 스웨덴의 Agrobransle라는 기업은 속성으로 자라는 에너지 작물인 ‘SRC(Short Rotation Coppice) 버드나무’를 개발하였다. SRC 버드나무는 심은 지 3년이면 베어 내다 팔 수 있을 정도로 자라는 나무로 그 경제성을 높게 평가받고 있다. 이 제품은 최근 유럽을 중심으로 목재를 연료로 하는 바이오에너지에 대한 수요가 급증하면서 각광을 받고 있다. 현재 자매사인 영국의 Renewable Fuels를 통해 유럽 국가들을 대상으로 대대적인 마케팅을 벌이는 중이다.
또한 Biorefinery 관련 기술로 가격 경쟁력을 확보하려는 움직임 또한 활발하다. 대표적인 것이 효소를 활용한 기술이다. 캐나다의 Iogen은 셀룰로오스 분해 효소를 기반으로 하는 대표적인 생명과학 기술 기업이다. Iogen은 지구 상에 가장 풍부한 바이오매스라 할 수 있는 셀룰로오스를 고효율로 분해할 수 있는 효소를 만들어내는 곰팡이균을 개발하였다. 볏짚이나 밀짚과 곰팡이균을 혼합, 발효하여 셀룰로오스를 분해, 에탄올을 생산할 수 있다. Iogen은 내년 첫 상업용 플랜트를 가동할 예정이다. 효소 전문 기업인 Novozymes은 다양한 전분의 원료에 따라 최적의 효소를 개발하고 있는데, 이미 2005년에는 기존의 5달러에 이르던 에탄올 갤런당 효소 비용을 10~18 센트까지 낮출 수 있는 옥수수 전분 분해 효소 시스템을 개발하였다고 한다. 올 들어서는 곡식의 전분에서 여러 단계의 공정을 거치지 않고 곧바로 에탄올을 만들어낼 수 있는 효소 시스템을 개발하는 등 바이오연료 관련 효소 시장의 주도권을 빼앗기지 않으려 하고 있다.
통합적인 관점에서 접근 필요
바이오매스 상업화는 원료의 확보에서 제품의 응용에 이르기까지 광범위한 영역에 걸쳐 이루어지고 있다. 바이오매스 상업화는 지역 경제 활성화 및 환경 개선, 에너지 문제 완화 등을 해결할 수 있는 사업으로 그 가치를 인정받고 있다. 게다가 중앙 집중형이 아닌 지역 분산형의 특성을 지니고 있기 때문에 정부나 자치 단체, 지역 커뮤니티 등과의 긴밀한 협력 관계가 요구된다. 미국의 옥수수 기반 에탄올 산업은 Archer Daniels Midland나 Verasun과 같은 소수 대형 기업을 제외하고는 각 지역에 산재된 수많은 협동조합을 통해 원료의 수집과 가공, 생산이 이루어지고 있다. 바이오디젤의 선두인 독일은 1990년대 초반부터 독일 택시 연합과 공동으로 정책적인 연료 보급 운동을 벌였다. 동시에 아우디, 메르세데스-벤츠, 볼보, 폴크스바겐 등 주요 자동차 메이커들이 바이오디젤의 연료 사용 인증에 앞장섰으며, 인프라 구축도 활발해졌다. 현재는 1,800 개 이상의 충전소에서 바이오디젤을 공급받을 수 있게 되었다.
생활 폐기물 유래 바이오매스의 경우 해당 지역의 수집 정책 및 인프라를 활용하지 않고서는 상업화를 기대하기 어렵다. 미국 캘리포니아의 Agromin사는 정원 관리에서 나오는 각종 부산물을 수집, 가공하여 파워 플랜트, 원예업자나 묘목상 등에 팔아 매출을 올리고 있다. Agromin의 2005년 1,000만 달러의 매출 중 60%는 녹색 폐기물을 처리해주는 대가로 해당 시에서 받은 수익금에서 나왔다. 시정부 입장에서는 폐기물 처리 비용 절감은 물론 각종 쓰레기 총량의 50%만을 매립할 수 있는 주정부 규정을 지킬 수 있어 양자 모두 유익하다.
기업의 육성 및 상업화 가속이라는 차원에서 보면 정부 혹은 자치단체의 정책과 함께 활성화를 꾀할 수 있는 다양한 인프라의 구축까지도 면밀히 고려해야 한다. 미국 시카고에 자리를 둔 Shorebank는 1997년 비영리 환경 기업인 Ecotrust와 제휴하여 최초의 환경은행인 ShoreBank Pacific을 설립하였다.
ShoreBank Pacific은 현재 1억 1,000만 달러 이상의 자산을 운용, 이를 에너지 효율, 폐기물 처리 등과 관련한 기업들에게 자금을 대여해주고 있다. 1999년에는 비영리 자매사인 ShoreBank Enterprise Pacific을 통해 기술 자문, 마케팅 서비스를 제공하고 있다. 이렇듯 Upstream에서 Downstream, 관련 인프라에까지 시장을 활성화시킬 수 있는 다면적이고 통합적인 접근 방식이 필요한 것으로 보인다.
우리나라는 에너지의 해외 의존도는 높지만 이를 흡수할 여력은 부족한 게 현실이다. 대규모로 에너지 작물을 생산할 수 있는 여건이 부족한데다, 버려지는 바이오매스 자원량을 정확히 추정하기도 어렵다. 수요 잠재력은 충분하지만, 지금까지는 이를 적극적으로 활용하는 노력이 부족했던 게 사실이다.
우리나라에서 발생하는 가축 분뇨의 경우 연간 3,200만 톤을 훨씬 상회하나, 이 중 10% 가량이 해양으로 배출되거나 정화 처리된다. 나머지 90% 가량이 퇴비나 액체 비료로 작물 생산에 사용된다. 다른 나라에 비해 과다한 영양이 농지에 투입되고 있는 현실을 감안한다면, 바이오매스 자원의 흐름을 에너지원으로 돌린다면 보다 효율적일 것이다.
우리나라의 자원과 기술 현실을 고려할 때 장기적인 관점에서 목표를 정하고 일관되고 지속적인 상업화 노력이 요구될 것으로 보인다. 아울러 효율적인 추진을 위해 바이오매스 상업화에 대한 우선 순위를 정할 필요가 있을 것이다. 도심 폐기물의 활용 극대화, 바이오매스 유래 플라스틱 생산 기술이나 Biorefinery 관련 기술의 확보, 해외 자원 확보 등을 우선적으로 고려해볼 수 있을 것이다. 더 나아가 바이오매스의 상업화가 자원 독립의 한 축으로 자리잡기를 기대해 본다.
바이오 에탄올이여, 구원하소서 (한겨레21 2006-03-21)
식물 섬유조직인 셀룰로오스에서 이산화탄소 배출량 적은 연료를 추출
흰개미 소화기관에 서식하는 미생물을 이용하는 방법 등에 관심 집중
요즘 에너지 문제의 아찔한 공포감에 시달리지 않는 사람은 드물다. 노벨 물리학상 수상자(1997) 스티븐 추 로렌스버클리국립연구소 소장도 예외는 아니다. 그는 ‘마이크로켈빈 온도’(절대영도에서 100만분의 1이 될 때의 온도)까지 원자를 냉각시키는 장치로 내부 구조를 해명하는 데 이바지했다.
그가 관심을 기울이는 대상은 놀랍게도 흰개미에서 에너지를 얻는 방안이다. 그가 흰개미를 주목하는 까닭은 소화기관에 서식하는 미생물이 단단한 식물섬유 조직인 셀룰로오스를 에탄올로 전환시키기 때문이다. 만일 흰개미 미생물을 대량생산한다면 바이오 에탄올이 에너지 문제의 해결사 구실을 하게 될 것이다.
이미 옥수수 에탄올 공장 가동중
지금은 흰개미 미생물의 유전자 서열조차 밝혀내지 못했다. 미생물이 셀룰로오스를 분해할 때 어떤 일이 발생하는지를 파악하면 에너지와 환경 문제를 극복하게 되는 꿈같은 해법이다. 미생물에 의한 셀룰로오스 에탄올은 아이디어에 머물지 않을 것으로 보인다. 지난 3월1일 미국 에너지부는 앞으로 3년 동안 바이오 에너지 개발에 1억6천만달러를 투자하겠다고 발표했다. 이 프로젝트에서 셀룰로오스 에탄올 연구는 핵심 과제로 꼽힌다. 머지않아 흰개미 미생물이 에탄올 생산의 주역으로 떠오를 가능성을 예견케 하는 대목이다. 미생물이 농수산물의 부산물이나 나무·낙엽·잡초 등을 삼켜 에탄올을 생산할 날이 다가오는 셈이다.
사실 에탄올이 화석연료를 대체하는 에너지원으로 떠오른 것은 오래전의 일이다. 현재 미국에는 옥수수로 에탄올을 만드는 100여 개의 공장이 가동 중이다. 이 가운데 최대 규모를 자랑하는 사우스다코타주의 베라선 공장은 연간 1억2천만 갤런의 에탄올을 생산하고 있다. 지난해 미국에서 40억 갤런(182억ℓ)의 에탄올이 휘발유 첨가제로 쓰였다. 이는 전체 휘발유 소비량의 2%, 에너지 용량의 1.3%에 해당한다. 문제는 옥수수로 에탄올을 생산하는 방식으로는 휘발유 소비량의 10%도 충당하기 어렵다는 데 있다. 게다가 옥수수를 생산하고 에탄올로 바꾸는 과정에서 엄청난 에너지를 소모해 대체 에너지로서의 의미도 퇴색될 수밖에 없다.
이처럼 옥수수 유래 바이오 에탄올은 환경과 비용 측면에서 효용성이 떨어졌다. 하지만 에탄올은 옥탄가가 높고 일산화탄소와 탄화수소 배출을 줄이는 등 이산화탄소 저감 효과가 뛰어나다. 일본 자원에너지청 연료정책소위원회에 따르면 에탄올은 TOE(석유환산톤·1TOE는 원유 1t의 발열량 107kcal)당 1.8~2.9t의 이산화탄소 저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 이는 경제적 효과로 이어진다. SK주식회사 석유연구소 신동현 연구원은 “기존 휘발유에 에탄올 5%를 배합하면 연간 50만t의 이산화탄소를 줄일 수 있다. 이를 유럽연합이 정한 탄소배출권 구매 비용에 적용하면 연간 150억원을 절약할 수 있다”고 밝혔다.
이런 까닭에 연구자들은 친환경적 에탄올 개발에 매달리고 있다. 무엇보다 에탄올 유래 식물의 범위를 넓히려는 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 미국 뉴욕주립대학 연구진은 나무에서 에너지가 풍부한 당분을 얻으려고 한다. 연구진은 나무의 주요 성분이면서도 크게 주목받지 못한 셀룰로오스를 이용하려고 한다. 셀룰로오스는 나무를 자를 때 남는 조각에서 추출하면 된다. 이들을 물과 혼합해 고온에서 장시간 처리한 뒤 필터를 통해 에탄올을 얻는다는 것이다. 지금까지의 연구에 따르면 재질이 상대적으로 단단한 은행나무나 버드나무 등에서 다량의 에탄올을 얻을 수 있다고 한다.
생산과정의 부산물을 에너지로
최근 독일 프랑크푸르트 생명공학연구소 연구팀은 식물 폐기물에서 값싼 바이오 에탄올을 얻는 기술을 개발하기도 했다. 식물성 폐기물을 알코올로 변환시킬 수 있는 효모 타입을 선보인 것이다. 연구팀은 곡물이나 사탕무·사탕수수 등에서 나오는 잔류물을 연구하면서 짚·나무 찌꺼기 같은 식물성 폐기물을 연료로 변환시키는 공정을 알아냈다. 식물의 구성물질을 에탄올로 바꾸는 효모는 자연에서 얻을 수 없는 것으로 기존 효모 유전물질에 새로운 유전자를 주입해서 만들었다. 이 효모를 통해 식물성 물질이 에너지원으로 거듭나는 셈이지만, 에탄올 산출량을 높이고 발효 시간을 줄여야 대량생산에 이를 수 있다.
이처럼 효모를 이용해 식물성 폐기물을 에탄올로 바꾸는 것은 술 빚는 과정을 그대로 따른다. 다만 곡물을 이용해 술을 빚는 것보다 훨씬 규모가 크다는 차이가 있을 뿐이다. 이미 캐나다 오타와에 있는 아이오젠사는 섬유상 곰팡이를 이용해 에탄올을 생산하는 기술을 확립했다.
이 회사는 날마다 밀짚이나 옥수수 여물 등 농업 폐기물 40t을 미생물로 처리해 셀룰로오스 에탄올을 생산한다. 밀짚을 섭씨 50도로 환기되는 환경에서 일주일 동안 발효시킨 뒤 1400(LNH-ST)이라는 특수 효소를 첨가하고 여과와 증류를 통해 정제된 에탄올을 얻는다. 이 에탄올은 완전한 재생 바이오 연료로 모자람이 없다.
더욱이 아이오젠사처럼 에탄올을 생산할 때 나오는 부산물을 에너지로 활용할 수 있다는 장점도 있다. 농업 폐기물이 에탄올로 바뀌는 과정에서 나오는 주요 부산물이 리그닌(lignin)이다. 이 물질은 산소가 함유된 복합유기물로 셀룰로오스와 함께 목재를 이루는 주성분이다. 아이오젠사는 밀짚 같은 에탄올 원료에서 나오는 리그닌을 공장에서 태워 시설 전체의 가동에 필요한 에너지를 충당하고 있다. 그야말로 일거양득의 에너지원인 셈이다. 이런 에탄올을 만드는 데도 환경비용이 생길 수밖에 없다. 농업 생산물 재배에 쓰이는 비료를 만들고, 트랙터를 돌리는 데 에너지가 소요되고, 특수 효소를 첨가하는 데도 별도의 비용이 들어가 경제성을 장담하기 어렵다.
그렇다면 에탄올이 에너지 효율과 환경비용이라는 두 마리의 토끼를 잡으려면 어떻게 해야 할까. 가장 이상적인 방법은 나무나 풀, 농작물 등 재생 가능한 식물들을 그대로 이용해 에탄올을 얻는 것이다. 식물의 목질 부분에 있는 질긴 섬유질을 분해하는 새로운 셀룰로오스 기술을 확보하면 된다. 그것이 말처럼 쉽지는 않지만 먼 미래의 일도 아니다. 영국 런던임페리얼컬리지와 미국 오크리지국립연구소 등이 저렴한 비용으로 섬유질을 분해하는 셀룰로오스 설비를 개발하기 시작했다. 이 설비는 바이오매스를 이용해 연료는 물론 화학물질·동물 사료·전력 등까지 생산할 것으로 기대된다.
기존 에탄올은 국내 연료로 쓰이기 힘들어
여기에다 흰개미의 미생물을 다량 확보하면 에탄올의 시대가 열릴 수 있다. 지금까지 흰개미 소화기관에서 200여 종의 미생물을 발견한 것으로 알려졌다. 이 미생물이 에탄올의 미래를 결정지을 가능성이 크다. 현재 미국은 에탄올의 시대에 성큼 다가서고 있다. 지난 1월 부시 대통령이 대안 에너지로 에탄올을 제시한 뒤, 수요가 폭발적으로 늘고 있다. 물론 이들은 옥수수에 전적으로 의존하고 있다. 기존 에탄올이 국내의 자동차 연료로 쓰이긴 힘들 것으로 보인다. 이산화탄소 배출 저감으로 인한 경제적 효과를 웃도는 인프라 변경 비용이 들어가기 때문이다. 다만 셀룰로오스 기술에 기반한 에탄올이 우리를 휘발유에서 자유롭게 할 것만은 기대해도 좋을 듯하다.
Termites feed on materials that contain cellulose, primarily dead wood. The actual digestion of wood is carried out by bacteria living in the gut of termites, which are passed on from adults to young termites from generation to generation. Efforts are under way in the U.S. Department of Energy's Joint Genome Institute to identify the bacterial enzymes involved in wood digestion to turn agricultural plant waste, such as corn husks, to ethanol for the production of environmentally friendly biofuel.
To this end, researchers are undertaking genome sequencing initiatives of whole bacterial populations, rather than single individuals, to uncover suitable enzymes for several industrial processes. Sequencing outputs are then sorted according to biological activity or function, rather to the specific organism they belong to. Information obtained from this initiative can be used to improve biofuel production processes and for engineering specific traits in energy crops.
Read more at http://www.nature.com/news/2006/060220/full/060220-2.html
바이오연료 소비증가는 세계적 추세 ! 한국과학기술정보연구원 2006.02.21
옥수수 등의 식물에서 추출되는 알코올의 일종인 에탄올이 에너지 효율적이며, 화석연료의 대체연료로 개발될 수 있다는 주장이 세계곳곳에서 본격적으로 제기되고 있는 가운데 최근에 유가가 지속적으로 상승하면서 바이오에탄올과 바이오디젤로 대표되는 바이오연료의 사용량의 증가 전망이 심심찮게 발표되고 있다.
현재까지는 에탄올이 중요한 에너지원은 아니지만, 미국의 경우 일부 주에서 휘발유와 함께 사용되었는데, 2004년에는 에탄올 155억 ℓ가 휘발유와 함께 사용되었으며, 이는 판매된 전체 휘발유량의 2 %, 에너지 용량의 1.3 %에 해당하는 수치라고 한다.
캘리포니아 버클리대학에서는 차량의 연료로서 에탄올을 넣어 주행할 수 있지만 현재의 에탄올 생산기술로는 비용이 많이 들고, 대기오염과 온실가스를 유발하며, 비료 생산, 농장 트랙터 가동, 바이오정제 기술 등의 이유로 환경비용이 과도하게 발생한다고 지적하였다.
**바이오정제 기술(Biorefinery)
식물을 원료로 바이오연료유를 만드는 기술
* *바이오매스(Biomass)
나무, 풀, 농작물 등과 같은 재생가능한 식물들과 생물 원료의 총체
▶ 셀룰로오스 기술의 상업화로 환경비용 삭감 계기 마련
현재 환경비용을 줄이기 위해 연구되고 있는 식물의 질긴 섬유질을 분해하는 셀룰로오스 기술로 에탄올을 만들 경우, 정말 질좋은 연료원이 될 수 있지만, 비용이 너무 많이 드는 단점이 있다. 만약에 기술이 급격히 발달해 이런 현실이 바뀐다면 셀룰로오스 기술은 5년
내에 상업적으로 이용될 수 있을 것으로 전망되었다.
런던 임페리얼칼리지, 조지아공대, 테네시주 오크리지 국립연구소의 과학자들은 바이오매스를 이용해 연료, 음식, 화학 물질, 동물 사료, 열, 전력 등을 생산하는 셀룰로오스 기술을 위한 설비 제작을 공동으로 연구했다고 밝혔다
1974년에 캐나다 오타와에서 설립되어 30년간 효소를 이용한 섬유 처리기술에 많이 투자해 온 벤처기업 아이오젠(Iogen)은 밀짚에서 셀룰로오스 에탄올을 생산하는 신기술을 개발하였다
아이오젠의 공장은 매일 밀짚을 40 톤까지 처리할 수 있으며, 인접한 발효시설에서 생산된 효소를 사용한다.
변환공정의 주요부산물 중 하나가 목질 섬유에 스며들어 늘어나지 않고, 빳빳하게 방수로 만들어주는 리그닌인데, 아이오젠에서는 리그닌을 공장 내부에서 소각해 전체 시설의 가동에 필요한 에너지를 충당하고있다
▶ 일본, 폐식용유를 활용한 바이오디젤 개발
한편 일본에서는 가정과 음식점 등에서 배출되는 식물성 오일(식물성 폐식용유)을 이용해 바이오디젤을 생산하는 방법이 연구되었는데, 이는 폐식용유를 배수로에 흘려보내는 대신 정제해서 점성이나 인화점을 낮게 한 후 디젤 엔진의 연료(바이오디젤)로 이용하는 방법이다.
바이오디젤에서 발생하는 이산화탄소는 원래 대기중에서 광합성으로 식물에 의해 흡수된 것으로 화석 연료와 같이 해로운 이산화탄소를 발생시키지 않기 때문에 바이오디젤의 보급은 지구온난화 대책의 하나로서 주목받고 있다
일본은 지방자치단체를 중심으로 식물기름을 이용한 바이오디젤 연료의 생산에 고심하고 있으며, 보급의 증대를 위한 연료생성비용의 삭감에 노력하고있다
바이오디젤 연료의 일반적인 생성법은 식물성 오일과 메탄올을 반응시키는 것이며, 반응을 촉진시키는 촉매로는 수산화칼륨이나 수산화나트륨과 같은 강알칼리가 사용되고 있다.
연료 생성의 과정에서 발생하는 폐액은 강알칼리이므로 염산 등과 같은 강산성 물질을 이용하여 중화 처리하는 과정이 요구되어 비용이 늘어나게 된다.
비용을 감축할 수 있는 새로운 제조 방법은 식물성 오일을 메탄올과 염기성 고체촉매인 산화칼슘이 들어있는 용기에 부어 1 시간 정도 60 ℃에서 가열하여, 바이오디젤 연료를 얻는 방법이다.
이러한 방법은 기존 방법과는 달리 강알칼리 폐액을 배출하지 않으며, 산화칼슘을 촉매로 사용하여 탄산칼슘을 이산화탄소가 없는 조건 하에서 가열(900 ℃, 1.5 시간)함으로써 이산화탄소의 흡착과 흡수를 방지하여 제조된다.
그리고 이 촉매는 기존 방법의 수산화알칼리 촉매와 거의 동등한 성능을 가지는 것으로 확인되었다. 신기술을 이용한 바이오디젤 연료의 제조방법은 기존 방법에서 필요한 강알칼리 폐액 처리 공정 등이 필요없기 때문에, 20~30 %의 비용을 절감시킬 수 있을것으로 보인다.
현재 각국에서 진행중인 화석 연료를 대체할만한 바이오 연료의 개발은 환경문제를 어떻게 해결하고 비용을 감축시킬 것인지가 관건이지만, 전세계적으로 지속적인 노력이 뒤따르르고 있어 향후 바이오연료의 부단한 성장을 예측할 수 있게 한다
유생명공학 기술을 이용한 에너지 작물 biosafety 23호 2005-10-11
금호생명환경과학연구소 전임연구원 김경문 박사
1. 서언
21세기에 우리 인류가 해결해야 할 당면과제는 식량부족(사료포함), 에너지부족, 환경오염 등으로 볼 수 있다. 1950년 25억명이었던 세계 인구는 1999년에 60억명으로 증가하였으며, 이러한 추세로 간다면 2020년에는 80억명, 2050년에는 100억명으로 증가할 것으로 예측되고 있다. 인구증가는 주로 아프리카와 아시아의 개발도상국가들에 지속적으로 나타나고 있다.
이러한 인구증가 추세에 반하여 세계의 경작면적과 식량생산의 증가율은 오히려 둔화되고 있는 추세이다. 특히 산업화의 영향으로 주요 농업생산 국가들의 경작면적은 오히려 감소 추세에 있으며, 1980년 중반 이후에는 식량생산 증가율이 인구증가율에 미치지 못하고 있는 실정이다. 1인당 경작면적은 1966년 0.45 헥타르에서 1998년 0.25 헥타르, 그리고 2050년에는 0.15 헥타르로 감소할 것이 예상된다. 또한 농업생산성 증가는 1980년 2.1%에서 1990년 1.0% 이하로 증가율이 점차 줄어들고 있는 추세이다. 세계인구의 약 8억 4천만명이 기아상태에 있으며, 매년 13억 이상이 기아로 고통받고 있다. 따라서 지속적으로 증가하고 있는 인구를 부양하기 위해서는 2050년에 현 수준의 경작지에서 최소한 2배 이상의 농업생산성을 증대시켜야 한다.
한편, 우리가 사용하는 에너지의 대부분은 화석연료로부터 얻는다. 에너지 수요는 지속적으로 증대되고 있다. 대부분 화석연료에 의존하고 있는 현재의 에너지 수급체계는 에너지 수급의 불안과 화석연료 사용에 따른 온실가스 방출로 인한 환경문제를 안고 있다. 우리나라는 전적으로 수입에너지에 의존하고 있는 실정이다. 원유수입액은 우리나라 총 수입액의 20%를 차지하고 있다. 최근 전 세계적 에너지원의 다양화는 에너지의 안정적 확보차원에서 뿐만 아니라 국가안보 측면에서도 매우 중요하다. 에너지원의 다각화는 원유 가격의 급등에 따른 경제 불안정을 최소화하기 위해서도 필요하다.
또한 21세기에 우리가 직면하고 있는 환경변화와 에너지 안보는 밀접하게 관련이 있다. 지구에너지 시스템은 석유, 석탄, 천연가스와 같은 화석연료에 대한 의존도가 매우 높다. 화석연료의 사용으로 지구온실가스인 이산화탄소의 배출 증가로 지구온난화가 가속화되고 있다. 따라서 대기 중으로 방출되는 이산화탄소의 양이 Zero(0)가 되지 않으면 대기 중에 이산화탄소의 축적량은 계속 증가하여 지구온난화 문제는 해결되기 힘들 것이다. 환경적 측면 이외에도 화석연료의 매장량은 한정되어 있고, 또한 제한된 지역에 매장되어 있으며, 이들 지역은 정치적으로 매우 불안정하다. 따라서 이러한 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원의 개발은 미래에 좀더 안정적인 에너지 확보(안보)와 이산화탄소 방출에 따른 환경오염을 줄이기 위해 매우 필요하다.
이러한 인구증가에 따른 식량자원의 부족과 화석연료의 과다 사용에 따른 자원고갈 및 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라 자연과 공존하며 안정적으로 개발할 수 있는 새로운 개념의 대체에너지원으로써 바이오에너지 개발이 화두가 되고 있다. 식물로 대표되는 바이오매스로부터 생산되는 바이오에너지는 여타의 재생에너지와는 다른 특성을 갖는다. 즉, 바이오에너지는 무형의 에너지(예, 열 , 전기 등 )를 생산하는 다른 재생에너지 (풍력, 태양광, 태양열 등 )와는 달리 형태를 갖는 에너지(기체, 액체, 고체 연료 등)이며, 그 결과 에너지 저장성이 우수하다는 장점이 있다.
2. 화석연료의 대안
우리 인간은 제한된 화석연료로부터 제공되는 탄화수소에 상당부분 의존하고 있다. 특히, 오일은 주요 수송에너지, 난방, 발전, 중합체, 플라스틱, 페인트, 화학제품 그리고 기타 소비제의 중요한 원료가 되고 있다. 화석연료는 다양한 분야에서 의존도가 높으나 지속적이지 못하다.
원유(crude oil)의 매장량에 대한 이견은 분분하지만 대략 세계의 원유 매장량은 1조 100억 배럴로 추정하고 있으며, 새로운 원유 매장지의 발견 또는 시추기술의 발달과 추출기술 발달 등을 감안하더라도 최대 2조 배럴 정도로 추정하고 있다. 원유는 매년 300억 배럴이 소비되고 있으며, 이러한 추세로 소비될 경우 원유는 앞으로 35년~70년 정도면 고갈될 것으로 추정되고 있다. 더욱이, 중국과 인도의 급격한 경제성장으로 원유 수요가 급격히 증가되고 있다. 따라서 원유의 공급과 수요의 불균형으로 원유 가격은 급등하고 있으며, 현재 원유의 현물시세는 배럴당 60달러에 육박하고 있다. 현재의 추세라면 배럴당 100달러 이상으로 급등할 것으로 추정된다. 수학적으로 계산하는 시간보다 훨씬 더 빠른 속도로 화석연료가 고갈될 수 있다.
공급과 수요 상황에 관계없이, 화석연료의 계속적인 이용으로 탄소 방출을 초래한다. 온실가스의 방출에 따른 지구온난화 문제가 세계적인 이슈가 되고 있으며, 온실가스의 방출을 감소하고 지구온난화를 예방하기 위한 국제협약이 제정되어 각국은 온실가스의 방출을 감소하기 위한 대책을 마련하고 있다.
화석연료의 대안으로 핵에너지(원자력), 풍력, 조력, 태양에너지, 지력 등 다양한 형태의 바이오매스, 그리고 다른 형태의 화석연료의 이용 또는 개발 등을 들 수 있다. 또한 많은 사람들이 미래에 수소(H2)를 대안으로 제시하고 있다. 그러나 수소는 에너지 운반자(energy carrier)이지 에너지원(energy source)이 아니다. 더욱이, 가능한 대안의 대부분은 상용화에 앞서 연구개발, 투자에 상당한 시간을 필요로 한다.
가능한 대안 중에, 바이오 자원이 주목을 받아 왔다. 그중 식물체는 태양에너지와 대기 중의 이산화탄소를 이용하여 광합성 산물을 생성하여 바이오매스를 형성한다. 바이오매스는 인류에게 식량으로서 또는 연료로서 제공되어 왔다. 태양에너지는 과거와 현재에 그랬듯이 미래에도 비교적 일정한 고에너지원(high energy resource)일 것이다. 특히 화석연료를 통한 에너지와 달리 바이오 에너지는 사용 시 발생되는 이산화탄소가 식물 생장과정에서 재흡수되므로 대기 중 이산화탄소 농도 증가에 영향을 미치지 않기 때문에 지구온난화에 기여하지 않는 청정에너지로서의 장점을 지니고 있다.
3. 형질전환기술을 이용한 작물의 개발 : 제초제저항성, 내병성, 내재해성,
많은 경우 식물 바이오자원의 단점은 태양에너지의 이용 효율이 낮으며, 병해충 또는 환경에 의한 손실이 야기된다는 것이다. 그러나 이러한 단점은 생명공학기술을 통한 유용유전자 도입을 통해 개선될 수 있다.
2004년 세계 GM 작물 재배면적은 2003년에 비해 15% 증가한 8,100만 헥타르에 달하였고, 이는 1996년 170만 헥타르에 비해 47배나 증가하였다. 이중 미국과 캐나다가 약 65%를 차지하고 있으며, 나머지는 브라질, 중국 등 개발도상국이 차지하고 있다. 대두의 경우 GM 대두가 전체 대두 재배면적의 56%를 차지하고 있으며 증가추세이다. GM 작물은 대두, 옥수수, 면화, 캐놀라 등에서 상업화 되었으며 이들 작물은 대부분 제초제저항성, 해충저항성 GM 작물로 작물의 생산성 증대에 중요한 역할을 하고 있다.
1994년 유전공학방법으로 과실의 저장성을 개선한 토마토가 상업화된 이래 1990년대 들어서 본격적으로 작물의 형질전환 연구가 본격화되었으며, 상업화 연구는 작물의 생산성을 높이기 위한 방향으로 주로 수행되어졌다. 작물의 생산성을 개선하기 위한 연구는 주로 제초제저항성 작물 개발, 내병성 작물 개발, 내재해성 작물 개발 등에 집중되고 있다.
제초제내성 형질전환 작물은 잡초로 인한 작물의 수확량 감소와 과다한 제초제 살포로 인한 환경오염을 줄이기 위하여 개발되었다. 제초제저항성 작물의 개발로 경작자들은 잡초를 훨씬 더 효과적으로 방제할 수 있게 되었고, 제초제의 살포로 작물에는 피해를 주지 않고 효과적으로 잡초를 방제함으로써 제초제의 사용량, 사용횟수, 제초제 살포에 따른 작업시간, 연료비 등을 크게 줄일 수 있게 되었으며, 제초제 살포에 따른 경작자의 제초제에 대한 노출을 줄일 수 있게 되었다. 또한 제초제 사용량의 감소는 농약으로 인한 토양 및 환경오염을 크게 줄이는 등 농업 분야의 발전에 크게 기여하고 있다.
형질전환기술을 통해 개발한 제초제저항성 작물은 제초제 글라이포세이트(glyphosate) 성분에 저항성을 갖는 RoundUp Ready 또는 글루포시네이트(glufosinate) 저항성인 Liberty Link 작물 품종이다. 따라서 제초제에 저항성을 갖는 대두, 면화, 옥수수, 유채 등이 개발되었다. 특히 제초제 RoundUp과 Liberty는 인간과 동물(人畜)에 해가 적고, 광범위한 살초 효과(비선택성 제초제)를 보인다. 또 쉽게 생분해되어 토양이나 지하수에 잔류 문제를 야기하지 않고 경운에 따른 토양침식 등을 예방하는 등 환경에 대한 영향이 적어 지속적인 농업을 가능하게 한다는 장점을 지니고 있다.
제초제저항성 작물 품종의 재배는 좀더 효율적으로 제초작업을 가능하게 한다. 미국 식품 및 농업정책센터에 따르면 2000년 미국 콩 경작자들은 제초제저항성 작물의 개발로 인해 제초제 사용량을 20%나 줄일 수 있었다고 한다. 미국의 경우 2004년 RoundUp Ready 콩이 전체 콩 경작면적의 55% 이상을 차지하고 있다. 이에 세계적인 다국적 생명공학 기업들은 제초제저항성 작물을 개발하는데 노력을 집중하고 있다.
1980년대 초기에 토양세균인 Bacillus thuringiensis(Bt)에서 European corn borer(ECB)를 죽이는 단백질인 Bt toxin이 발견되었다. 살충제를 살포하면 해충뿐만 아니라 익충도 죽이는데 반해 Bt toxin은 목표로 하는 특정 곤충(ECB)에만 작용하고, 다른 곤충에는 안전하다. 또한 자외선에 의해 빠르게 변성되어 토양이나 물을 오염시키지 않으며 먹이사슬로 전달되는 위험이 없다. Bt 옥수수의 경우 전 세계적으로 2004년 재배면적 1,100만 헥타르의 경작지에 Bt 옥수수가 재배되었으며, 앞으로 4,000~4,500만 헥타르까지 늘어날 전망이다. 또한 Bt 작물의 재배는 농약사용량을 감소시켜 환경오염을 감소시키는 결과를 가져왔다. Bt toxin 유전자는 이미 옥수수를 비롯하여 토마토, 담배, 옥수수, 면화, 감자 등에 도입되어 해충저항성 작물이 개발되어 있다. 또한 제초제저항성과 해충저항성 유전자가 동시에 도입된 옥수수와 면화가 개발되어 2004년 각각 380만, 300만 헥타르의 경작지에서 재배되었다. 또한 바이러스에 의한 병해 역시 작물의 수량 저하의 주된 원인 중의 하나인데, 바이러스저항성 작물은 담배, 토마토, 스쿼시, 수박 등에서 개발되었다.
생물학적 피해 이외에도 환경 재해에 의한 작물의 수량성 감소도 심각한 수준이다. 기후변화와 토양침식 등으로 경작지의 감소가 예상되고 또한 작물의 생산성 또한 저하될 것으로 예상된다. 2025년에는 경작지의 사막화, 염분 농도의 증가 등에 경작지의 30%가 황폐화될 것으로 추정되며, 2050년경에는 전 세계 경작지의 50%까지 황폐화될 것으로 예상되고 있다. 또한 작물 생산 손실의 최대 70%까지가 환경스트레스에 기인한다고 한다. 작물의 환경스트레스에 의한 손실액은 매년 100억 달러를 상회하고 있다. 일반적으로 작물은 가뭄, 염분, 저온과 같은 외부 환경스트레스에 민감하여 이로 인한 피해는 곧바로 작물의 생산성 감소로 이어지게 된다. 작물의 내재해성을 증대시키기 위하여 육종학자들은 전통육종기술을 이용하여 외부 환경스트레스에 적응할 수 있는 작물을 개발하려고 노력해 왔고, 이러한 분자육종기술을 토대로 스트레스저항성 유전자의 조절을 통한 저항성 작물을 개발하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이상에서 본 바와 같이 생물학적 또는 환경적 스트레스에 저항성인 작물을 개발함으로써 작물의 수량성 증대가 이루어져 왔다.
또한 바이오에너지의 재료인 바이오매스는 직간접적으로 에너지로서 화석연료로부터 생산되는 석유화학제품을 대체할 수 있다. 특히 식물체를 근간으로 하는 시스템은 태양 에너지를 이용하여 재생 가능한 수단으로 생산된다. 그러나 수확부위는 에너지 전이를 효과적으로 활용하지 못하고 있으며 경제적이고 지속적인 바이오매스 에너지 시스템을 개발하는데 제한요인이 되고 있다.
이러한 식물체를 이용한 바이오에너지 개발의 문제점은 생명공학기술을 통한 유용유전자의 도입을 통해 새로운 형질을 가진 식물 바이오매스를 제공함으로써 개선될 수 있다. 따라서 본 고에서는 생명공학기술을 이용한 유용작물의 개발과 에너지작물의 현황과 개발 가능성 등을 소개하고자 한다.
4. 생명공학과 에너지작물 생산
바이오테크놀로지 자체는 에너지원이 아니다. 바이오테크놀로지는 원하는 유전자형을 과학적으로 정확히 개발하기 위한 방법을 제공한다. 따라서 생명공학기술의 발달로 원하는 표현형을 획득하기 위하여 유전자 발현 조절을 통해 이상적인 표현형을 디자인하고 개발할 수 있게 된다.
지속적으로 에너지 자원(바이오매스)을 획득하기 위해서 첫째, 태양에너지 이용 효율이 증대된 식물체를 개발하여 바이오매스를 증대시켜야 하고 둘째, 생산된 바이오매스로부터 원료물질을 가공하기 위한 미생물 효소의 개발을 포함한 공정기술이 개선되어야 한다.
인류는 수천 년 전부터 작물의 표현형적 선발을 통해 유전자조작을 해왔으며, 이는 식량의 관점에서 개선해 왔다. 바이오테크놀로지는 많은 분야에 적용되어 인류에게 많은 이득을 제공하고 있다. 농업 분야에서는 옥수수가 좋은 예이다. 오늘날 전 세계적으로 재배되고 있는 옥수수는 야생옥수수인 테오신테(Zea mays ssp. parviglumis)로부터 발달되었으며, 이는 수 세대에 걸쳐 중요한 형질이 표현형으로 나타나도록 선발을 해왔다. 당시에는 옥수수의 유전에 대하여 이해하지 못한 부분이 많았으나, 수 세대에 걸친 표현형 선발의 결과는 우리 인류에게 식량을 공급하는 데 있어서 중요한 역할을 하였다.
식물육종기술의 발달로 지속적으로 작물의 생산성을 개선해 왔으나 작물의 생산성 증가율은 정체상태에 머물고 있다. 육종기술의 발달과 화학비료, 농약의 적용으로 70년대 이후 작물의 수량은 상당히 증가하였으나, 사용할 수 있는 유전자원의 제한으로 작물의 수량 증대는 미미하다. 옥수수의 경우도 지난 40년간 괄목할만한 수량증대를 이루었으나, 그 후 7~8년 동안부터 옥수수의 수량성은 완만하게 증가되었다. 그러나 20세기 후반 생명공학기술을 농업에 적용하면서 1990년 중반 이후 옥수수의 단위면적당 수량 증대는 새로운 경향을 보이고 있다.
전통적인 육종접근을 통한 작물이 수량성 증대는 주로 멘델식의 유전과 교잡에 의한 유전자의 재조합 그리고 지속적인 선발로 유전자원(germplasm)을 개선함으로써 성취하였으나, 생명공학기술을 이용하여 옥수수에 해를 끼치는 곤충에만 특이적으로 작용하는 유전자(Bt toxin)를 옥수수에 도입함으로써 바이오텍 옥수수 품종이 개발되었다. USDA 보고에 따르면, 바이오텍 옥수수는 전통육종으로 개발한 옥수수 품종에 비해 35% 이상 수량성이 높은 것으로 나타났다. 이와 같이 바이오텍 옥수수의 수량성 증대는 European corn borer(ECB)와 같은 병충해에 의한 작물의 피해를 감소시킴으로서 가능하게 되었다. 대부분의 바이오텍 옥수수 품종은 BT 유전자를 내포하고 있으며 작물체 내에서 이 유전자가 발현되어 독소 단백질을 생산하여 ECB와 같은 해충의 공격으로부터 작물을 보호한다. 또한 바이오텍 옥수수의 재배로 해충을 구제하는데 드는 비용과 농약 사용량을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.
오늘날 옥수수 수량 증대의 중요한 관점은 에탄올 생산에 비추어 생각해 볼 수 있다. 미국에서는 바이오텍 옥수수(Bt 저항성 옥수수)를 재배하여 해충에 의한 피해를 줄임으로써 종실 수량이 증대되었으며, 증수된 옥수수의 종실의 약 11%가 바이오연료, 즉 에탄올을 생산하는 데 이용되고 있다. 2004년 미국에서 생산된 약 120억 리터의 에탄올이 옥수수 전분을 이용하여 생산되었다. 생명공학기술을 적용하여 증대된 옥수수 수량을 에탄올 생산으로 환산할 경우 약 57억 리터, 즉 총 바이오 에탄올 생산의 50%를 차지한다. 더욱이, 하나의 유전자의 도입으로 이와 같이 놀라운 결과를 도출하였다. 고전분, 낮은 섬유소(리그닌, 셀루로오즈, 헤미셀루로오즈), 아밀로스(아밀로펙틴 함량을 조절할 수 있는 유전자)를 옥수수에 도입하여 바이오 연료생산을 위한 품종을 개발한다면 매년 300~400억 리터의 바이오 에탄올을 생산할 수 있을 것이다. 생명공학기술을 이용하여 작물의 생산성을 증대시킬 수 있으며, 따라서 바이오 에너지를 생산하는 원료를 지속적으로 공급할 수 있도록 할 수 있을 것으로 기대된다.
바이오 알코올은 다양한 작물의 바이오매스로부터 생산될 수 있다(표 1). 옥수수, 수수, 밀, 보리 등의 전분 작물과, 사탕수수와 사탕무와 같은 당분 작물, 그리고 스위치그라스 같은 섬유소 작물 등이 대표적인 알코올 생산을 위한 작물이다.
스위치그라스, 포플러 또는 볏짚 등은 섬유소가 풍부한 바이오매스이지만 아직 상업적으로 바이오 연료로 이용되지 못하고 있다. 섬유소 바이오매스 작물로부터 바이오 에너지를 생산하여 상업화 하기 위해서는 몇 가지 해결할 문제가 있다. 이들 작물의 연구개발 분야는 리그닌 생합성과 관련된 유전자의 발현을 녹아웃(knock-out)시켜 섬유소 바이오매스에 포함된 리그닌 함량을 줄이는 방향으로 진행되고 있다. 섬유소가 작물에서 리그닌 문제가 해결된다면 섬유소 바이오매스 역시 바이오 에탄올을 생산하는데 중요한 원료물질이 될 것이다. 또한 에탄올 이외에도, 생명공학기술은 유류작물의 생산성 증대, 오일조성 변화, 또는 바이오 디젤 성분의 개발 등에 적용되고 있다. 바이오 연료 이외에도 작물 전분은 발효과정을 거쳐 현재 석유화학제품을 대체하는 원료가 되고 있다. 예를 들면, 생분해성 바이오 플라스틱, 바이오 폴리에스테르 등이다.
5. 에너지 작물로서 고구마와 카사바
가장 효율적인 바이오매스 에탄올 생산 원료는 곡물류다. 그러나 곡물은 식량 및 가축의 사료로 사용되므로 적절한 식물 원료라 할 수 없다. 따라서 대체 식물의 개발이 필요한데 최근의 한 연구에 의하면 고구마, 감자, 돼지감자(뚱딴지), 사탕무, 사탕수수 등이 특히 우수하고, 그 중 고구마는 매우 우수한 특성들을 가진다고 밝혀졌다(표 2).
금호생명환경과학연구소는 석유 대체에너지의 원료로 카사바와 고구마를 유전공학적인 방법을 이용하여 그 생산성을 증가시키고자 하는 목표로 연구를 진행하고 있다. 카사바와 고구마는 알코올 생산의 주된 원료 식물 중의 하나인데, 그 건조 중량의 80%가 전분으로 이루어져 있다. 이들 작물은 척박한 토양에서도 잘 자라고 특별한 관리가 필요 없으며 가뭄에도 아주 강하다. 고구마의 경우 헥타르 당 생산량이 40톤 이상으로 단위 생산량이 높으며 현재의 발효공정기술로도 헥타르 당 약 5,000 리터 이상의 알코올을 생산할 수 있고 그 생산량을 더욱 향상시킬 수 있다(표 2).
카사바와 고구마는 상대적으로 다른 작물에 비해 생산성 증대 가능성이 높은 작물이다. 카사바와 고구마는 전통육종 방식에 의해 생물학적 또는 환경스트레스에 대한 저항성을 개선하였으나, 생명공학의 접근을 통한 작물의 개량은 최근에야 시도되고 있다. 따라서 최근 급격히 발달되고 있는 유전공학기술을 적용하여 이들 작물의 생산성을 개선하고자 하는 연구가 금호석유화학(주)과 농촌진흥청 바이오그린21 사업단의 지원으로 금호생명환경과학연구소에서 수행되고 있다.
(아)열대 작물인 카사바와 고구마의 수량성 증대를 위해 광활성이 높은 돌연변이 파이토크롬 A 유전자를 카사바와 고구마에 도입하여 작물의 음지 회피성을 억제하여 식물체 내 또는 식물체간의 광 경합을 줄일 수 있게 되어 작물은 강건하게 생장할 수 있고 광합성 산물은 수량으로 연결될 것으로 기대한다. 또한 노화현상 억제, 내병성, 내건성, 내냉성. 내염성 유전자들이 모델식물인 애기장대와 벼 등에서 검증되었으며, 이들 경제성 있는 유전자를 고구마와 카사바에 도입하고 있다. 향후 조만간 다양한 종류의 고생산성 형질전환 고구마와 카사바의 개발이 가능해질 것이다.
6. 결론
에너지 소비는 지속적으로 증대되고 있다. 대부분 화석연료에 의존하고 있는 현재로서는 에너지 수급체계의 불안과 화석연료 사용에 따른 온실가스 방출로 인한 지구온난화와 같은 환경문제 등을 피할 수 없다. 최근 전 세계적인 관심사인 에너지원의 다양화는 에너지의 안정적 확보 차원에서 뿐만 아니라 국가안보 측면에서도 매우 중요하다. 에너지원의 다각화는 원유가격 등급에 따른 쇼크의 최소화 및 안정적 경제성장을 위해서도 필요하다. 이러한 환경에서 식물체의 광합성으로부터 얻어진 바이오매스를 원료로 하여 생산되어지는 바이오 에너지는 직간접적으로 에너지로 전환되며 석유화학제품을 대체하고 있다. 가까운 미래에 지속적인 자원으로서 바이오매스를 이용하기 위해서는 작물의 수량성이 전제가 되어야 하는데, 생명공학 기술을 이용하여 좀더 가까이 접근할 수 있게 되었다. 유전자의 발현과 기능, 단백질 상호작용과 대사조절 기작 등에 대한 이해와 이를 바탕으로 한 생명공학기술의 이용은 작물의 생산성을 증대하는데 크게 기여할 것이며, 이러한 기술을 우리가 당면하고 있는 식량, 에너지 고갈, 또한 환경문제를 해결하는데 적절하게 적용시킬 때 보다 효과적으로 해결책을 찾을 수 있을 것이다.
사사. 금호생명환경과학연구소의 바이오 에너지 작물개발 연구는 금호석유화학(주) 및 바이오그린21사업 프로그램의 지원으로 수행되고 있습니다.
참고문헌
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프랑스, 바이오연료 활성화, 여전히 오리무중 2005.09.26 ⓒScience Times
테크노 리더스 다이제스트(TLD)
프랑스 정부가 석유의 대체 에너지원으로 장려하고 있는 바이오연료는 조세 혜택에도 불구하고 기존의 연료에 비해 생산단가가 여전히 비싸고, 소비자의 반응이 좋지 않은 것으로 나타났다.
유럽연합의 농업정책에 의해 부과된 식량용 재배지의 동결에서 벗어나기 위한 수단으로 프랑스에서 1992년에 개발되기 시작된 바이오연료는 식물을 원료로 생산되는데, 에탄올(바이오에센스)과 바이오디젤(디에스테르)로 대별된다.
바이오디젤은 채유식물(유채, 해바라기)로부터 제조되고, 반면에 에탄올은 프랑스에서는 밀과 사탕무우로부터 (옥수수는 개발중), 브라질에서는 사탕수수, 미국에서는 옥수수로부터 만들어진다. 바이오연료는 기존의 연료를 최대 5 % 비율로 섞어 사용하는데, 에탄올은 휘발유, 바이오디젤은 경유와 섞는다.
바이오연료는 온실가스 배출에서 기존의 연료보다 유리한데, 순수 에탄올을 연소시킬 때 약 60 %, 순수 바이오디젤을 연소시킬 때 약 70 %의 CO2 배출감소 효과를 본다고 한다. 하지만 바이오연료를 만들기 위해서 비료와 제초제가 많이 사용되는 집약농업을 하는 것이 일반적이기 때문에 환경에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 생산비가 너무 비싸기 때문에 배럴당 원유가가 70달러일 때에도 휘발유나 디젤에 비해 수익성이 없다.
유럽연합의 강령에 따라 2010년까지 바이오연료의 비중을 총에너지량의 7 %까지 끌어올려야 하는 프랑스는 2004년 현재 바이오연료의 생산량이 천만톤의 브라질과 8백만 톤의 미국에 비해서 51만 톤으로 아주 미미한 실정이다. 이는 석유업자들이 기득권을 고수하기 위해서 바이오연료의 도입을 미루고 있기 때문이다.
이미 바이오연료 생산용 경작지를 통해서 2007년부터 약 8만톤의 바이오에탄올을 사탕수수와 곡물을 이용해 생산할 계획이 있다고 발표했지만, 실행에 옮기지 못하고 흐지부지했던 프랑스 총리는 최근에「지구의 거동」이라는 농민행사에 참가해 2010년의 바이오연료의 목표를 달성하기 위해서는 지금부터 12개 이상의 바이오연료 공장을 설립해야 하고, 2만명의 일자리를 창출해야 할것이라고 또 한번 강력한 의지를 표명하였다.
그러나 농업 관계자들은 프랑스가 스웨덴을 본따서 브라질로부터 저렴한 가격의 에탄올을 수입하고 있고 만일유럽연합이 2005년에 홍콩으로부터 수입되는 유전자 변형 곡물의 관세를 낮추는 협정에 서명한다면 미래가 밝지못하다고 주장하고 있다.
콩·유채꽃 추출물로 연료 제조 (중앙일보 2005-05-19)
환경 문제에 대한 관심이 높아지면서 친환경 에너지인 바이오디젤이 각광받고 있다. 바이오디젤은 콩.유채꽃 등에서 뽑아낸 식물성 기름을 정제해 만든 연료다.
바이오디젤 연료 선두 업체는 가야에너지로 지난해 7000t(50억원어치)의 바이오디젤을 생산했다. 국내 소비량의 70%를 만든다.
이 회사 유정우 사장은 "바이오디젤이 내년 전국적으로 보급되면 시장이 커질 것으로 예상된다"고 말했다. 경유 80%에 바이오디젤 20%를 섞은 혼합연료 'BD20'은 이미 2002년부터 수도권과 전북지역 일부 주유소에서 판매되고 있다. 'BD20'은 정부가 추진하고 있는 친환경 에너지의 하나다.
가야에너지는 'BD20'의 판매 주유소를 70여 개에서 200여 개로 확대하고 생산 규모를 내년까지 20만t으로 늘릴 방침이다. 이를 위해 전열을 정비했다. 최근 '신한에너지'란 회사명을 지금의 이름으로 바꾸고, 경영총괄 사장으로 가야건설 김영호(43) 사장을 영입했다. 유 사장은 연구개발 분야만 담당한다.
유 사장은 프랑스 국립과학원(INPT)에서 화학박사 학위를 따냈고 5년간 현지에서 대학 교수로 일하다 2002년 귀국했다.
그는 바이오디젤을 손쉽게 대량으로 만들 수 있는 생산기술을 세계에서 세 번째로 개발했다. 유 사장은 "우리 농민이 노는 땅에 유채. 해바라기 등 유지(油脂) 식물을 심는다면 바이오 디젤 원료 확보가 쉬워진다"며 "경유 수요의 5%만 대체해도 연간 5억 달러(5000억원)의 외화를 아끼는 것은 물론 농민의 소득 증대에도 도움이 될 것"이라고 말했다.
이철재 기자 seajay@joongang.co.kr
경유보다 20% 싼 '콩기름 자동차' (조선일보 2005.04.26)
▲ 25일 서울 도봉구 쌍문동의 한 주유소에서 바이오디젤이 경유차에 주입되고 있다. /김창종 기자 cjkim@chosun.com
콩·유채 등 식물에서 추출하는 경유 대체연료 ‘바이오디젤’이 상용화되고 있다.
바이오디젤 생산업체들은 일명 ‘콩기름 연료’가 일반 경유보다 가격을 최대 20%까지 낮출 수 있다고 밝혀, 기존 석유시장에 판도 변화가 예상된다.
㈜바이오대체에너지는 25일 식물성 연료 ‘바이오디젤’을 생산, 버스회사를 대상으로 시험판매에 들어갔다고 밝혔다. 바이오디젤은 콩기름(대두유)이나 유채기름, 폐식용유 등 식물성 기름에 화학물질과 석유제품을 첨가, 경유(디젤)와 비슷한 특성을 갖도록 만든 대체연료다. 싼타페·쏘렌토 등 경유 자동차에 넣어 운행이 가능하다.
이날 자신의 자동차 ‘쏘렌토’에 바이오디젤을 넣고 시험주행을 해 본 김정호씨(30·기아자동차 근무)는 “일반 경유를 넣었을 때보다 엔진소음이 줄었고, 가속할 때 페달을 밟는 느낌도 부드러운 편”이라고 말했다. 배기가스도 매캐한 냄새가 나는 일반 경유와는 달리, 콩기름 냄새가 났다.
㈜바이오대체에너지의 한상준 이사는 “현재 하루 20t인 생산량을 오는 8월까지 200t으로 확대해 일반 주유소에 공급할 계획”이라며 “기존 경유보다 10~20%(ℓ당 100~200원) 낮은 가격에 공급할 수 있다”고 말했다. 가격을 낮출 수 있는 것은 정부가 바이오디젤의 배기가스 저감효과를 인정, 면세혜텍을 주고 있기 때문이다. 기존 경유에 비해 일산화탄소(CO)·미세먼지(PM) 등 유해가스의 배출량이 적은 편이다.
㈜신한에너지도 지난 3월부터 수도권 지역 30개 주유소에 하루 평균 10t 규모의 바이오디젤을 시험 공급하고 있다.
한국에너지기술연구원 이진석 박사는 “유럽 국가들은 90년대부터 바이오디젤을 개발해 보급하고 있다”며 “고유가 상황을 극복하려면 국내에서도 대체연료 개발이 필수적”이라고 말했다. 김종호기자 tellme@chosun.com
유채꽃이 자동차 연료라고요? (주간동아 2005-04-18)
꽃씨 추출 식물성기름 ‘바이오디젤’ 원료 … 의약품부터 환경 정화까지 ‘식물 전성시대’
아마존 밀림과 해바라기. 식물자원은 인류가 개발해야 할 마지막 자원의 보고(寶庫)이다.
해마다 이맘때 제주도는 유채꽃이 절정을 이룬다. 유채꽃밭에서 신혼의 단꿈을 사진에 담는 데 여념이 없는 신혼부부들은 유채꽃이 자동차 연료로도 쓰일 수 있다는 사실을 알까.
유채꽃씨에서 추출한 식물성기름은 친환경 연료인 ‘바이오디젤’의 원료다. 바이오디젤은 휘발유나 경유보다 배기가스를 훨씬 덜 배출한다. 경유보다 산소를 많이 포함하고 있어 산화력이 좋기 때문이다. 또한 대기오염 물질의 주성분인 황이 들어 있지 않아 환경오염을 덜 일으킨다.
유채꽃뿐만 아니라 콩, 해바라기씨, 코코넛 등도 대표적인 바이오디젤의 원료다. 우리나라의 경우 콩, 특히 대두가 가장 많이 사용되고 있다. 유채꽃보다 콩의 생산량이 훨씬 많아서다. ‘밭에서 나는 쇠고기’인 콩이 이제 ‘밭에서 나는 연료’로 탈바꿈하고 있는 셈.
유럽연합(EU)은 2012년까지 경유의 약 6%를 바이오디젤로 대체할 계획이라고 한다. 우리나라에도 바이오디젤을 판매하는 주유소가 수도권 지역에만 30군데나 있다.
최근 많은 과학자들이 식물을 연료뿐만 아니라 다양한 측면으로 활용하는 연구를 진행하고 있다. 바야흐로 ‘식물 전성시대’다.
숲은 이산화탄소 먹는 하마
강원 평창군 도암면 능경봉 신갈나무 숲 속에는 서울대 기후물리연구실과 충남대 식물생태연구실이 공동 운영하는 대관령 생태기후관측소가 있다. 이곳 산 중턱에 사람 키의 15배가 넘는 관측탑을 세워놓고 이산화탄소의 농도를 실시간으로 측정한다. 지금까지의 관측 결과 이 숲이 세계 어느 나라의 숲보다 이산화탄소를 많이 흡수하고 적게 내뿜는 것으로 나타났다.
녹색식물로 가득한 숲이 기특하게도 ‘이산화탄소 먹는 하마’ 구실을 톡톡히 하고 있는 것. 올해 2월 지구 온난화를 일으키는 온실가스인 이산화탄소 배출량을 2012년까지 일정 수준 이하로 줄여야 한다는 기후협약이 발효된 데다, 2000년 우리나라의 이산화탄소 배출량이 세계 9위인 점을 상기해보면 우리 숲의 이 같은 ‘능력’이 그저 고마울 따름이다.
식물은 이산화탄소뿐만 아니라 중금속도 먹는다. 박달나무, 해바라기, 클로버 등이 그 주인공. 이런 식물은 몸 안에 들어온 중금속 같은 오염 물질들을 자체적으로 분해해 영양성분으로 바꾸는 탁월한 능력을 갖고 있다. 식물에 들어 있는 어떤 단백질은 놀랍게도 중금속의 독성을 완화하기도 한다. 국내외에서 공장이나 광산으로 인해 황폐해진 땅에 이런 식물들을 심어 환경을 정화하려는 연구가 한창이다.
과학자들은 심지어 우주에서도 식물을 재배하고 있다. 세계 15개국이 우주개발을 위해 공동 운영하고 있는 국제우주정거장(ISS)에도 ‘우주정원’이 있다. 이곳의 우주 식물들은 무중력과 태양복사에너지로 인해 ‘개성 있게’ 자란다. 예를 들어 우주에서 자란 장미는 지구에서 자란 장미와 색깔 및 향기가 다르다. 일본의 유명 화장품 회사 시세이도는 이 같은 우주 장미의 향기를 정밀 분석해 새로운 향수를 만들기도 했다.
식물에서 추출한 성분을 의약품 개발에 이용한 예는 역사가 꽤 길다. 제약사상 최대의 매출을 올린 항암제 ‘탁솔’도 주목 껍질에서 추출한 성분으로 개발한 것. 한국생명공학연구원에서는 요즘 감자 연구가 한창이다. B형 간염을 일으키는 바이러스의 단백질을 감자에 넣어 쥐에게 먹였더니 항체가 생긴 것이다. B형 간염 예방주사를 맞는 대신 ‘감자백신’을 ‘먹게’ 될 날도 얼마 남지 않은 듯하다.
몇 달 전 기자는 갈라파고스제도 취재차 남아메리카 에콰도르를 방문했다. 에콰도르의 수도 키토는 안데스산맥 해발 2850m의 고지대에 위치하고 있다. 반면 에콰도르 제2의 대도시 과야킬은 동태평양과 맞닿아 있는 항구도시다. 그래서 에콰도르에서는 저지대부터 고지대까지의 식물 분포 양상을 한번에 볼 수 있다. 고산지대 특유의 건조하고 산소가 부족한 환경에서 쑥쑥 잘 자라는 식물도 많으니, 식물학자들에게는 이곳이 매력적인 연구대상이 아닐 수 없다.
미국과 유럽 남아메리카 밀림에 ‘눈독’
최근 에콰도르에는 세계 굴지의 다국적 제약회사들이 속속 입성하고 있다. 왜일까. 이곳은 예부터 민간요법이 매우 발달해 있다. 주민들이 고도에 따라 다양하게 서식하는 식물들을 약초로 이용해왔기 때문. 따라서 화학합성법만으로는 신약을 개발하는 데 한계를 느낀 제약회사들이 자국에서 구할 수 없는 새로운 자원을 찾아 이곳으로 눈길을 돌린 것이다.
“안타깝게도 우리나라에는 에콰도르의 풍부한 식물자원이 잘 알려져 있지 않아요. 이곳 과학계는 이 같은 식물자원을 체계적으로 연구할 수 있는 여건이 아직 갖춰져 있지 않습니다. 지금이 절호의 기회죠. 우리나라 연구자들이 에콰도르를 많이 방문해 다른 나라들보다 앞서 이곳의 식물자원 활용 방법을 개발하는 게 제 바람입니다.”
키토에서 만난 심국웅 에콰도르 대사의 간절한 소망이다.
에콰도르뿐만 아니라 남아메리카의 브라질, 페루도 식물자원의 보고로 알려져 있다. 아마존의 열대우림에는 약 10만종의 식물이 살고 있다고 한다. 이는 세계적으로 서식하는 식물 종의 자그마치 3분의 1에 해당한다. 페루의 토종식물 중 하나는 얼마 전 미국에서 에이즈 환자의 설사를 멎게 하는 치료제 개발에 사용되기도 했다.
미국과 유럽의 식물학자들과 제약회사들은 이미 남아메리카에 ‘눈독’을 들이기 시작한 지 오래다. 최근 우리나라도 페루와 국제협력 연구로 ‘유용 식물소재 추출물 연구사업’을 추진하고 있다. 세계 과학자들이 알게 모르게 치열한 ‘식물자원 확보 전쟁’을 벌이고 있는 것이다.
식물자원의 ‘옥의 티’라면 자라는 데 시간이 많이 걸린다는 점이다. 작은 풀은 성장 기간이 수일에서 수개월이지만, 큰 나무는 수년이 걸리기도 하기 때문이다. 그래서 식물의 성장을 빠르게 하거나 기존 식물의 능력을 키우기 위해 식물 유전자를 조작하는 연구도 아울러 이뤄지고 있다. 물론 유전자가 조작된 식물이 생태계를 파괴하지 않게 한다는 전제 아래서 말이다.
앞으로 첨단 식물 연구가 세상을 어떻게 바꿀지 주목된다. 그래서 하필 식목일 바로 전날 발생한 강원도 고성과 양양 지역의 산불이 더욱 안타깝게 느껴진다.
식물에서 연료 뽑는다 (과학동아 2005년 4월호)
효율 100% 태양전지도 가능해
따사로운 봄 햇살을 만끽하며 나들이 길에 나선 차세대씨. 자동차에 연료를 넣기 위해 주유소에 들렀다. 차세대씨는 휘발유, 경유 주유기 앞을 모두 지나치더니 어느 주유기 앞에 차를 세웠다. “콩 가득요~.”
최근 국내 주유소에서 ‘콩’을 찾는 사람들이 늘고 있다. 진짜 콩을 찾는 것은 아니고 콩에서 추출한 바이오디젤을 찾는 것이다. 같은 값이면 다홍치마라고 했던가. 바이오디젤은 경유와 가격이 비슷하면서도 경유보다 친환경적이다. 현재 서울, 경기 지역에는 시범적으로 바이오디젤을 판매하는 주유소가 30군데 있다.
바이오디젤은 콩, 유채씨, 해바라기씨, 코코넛에서 추출한 식물성 기름으로 경유와 ‘사촌’ 지간이다. 경유와 다른 점이라면 탄소와 수소 외에 산소 원자를 포함하고 있다는 것. 산소는 연료의 연소를 돕기 때문에 바이오디젤은 경유보다 산화력이 좋다.
따라서 바이오디젤을 쓰면 그만큼 배기가스 방출량이 줄어든다. 황 성분이 없어 황산화물 등 대기오염물질을 배출하지도 않는다.경유 대신 바이오디젤 1L를 사용할 때마다 이산화탄소 2.2t이 감축된다고 한다. 바이오디젤은 식물에서 기름도 얻고, 환경도 보호하는 일석이조의 ‘남는 장사’인 셈.
하지만 바이오디젤에도 약점은 있다. 국내 바이오디젤의 95%를 생산하는 신한에너지의 채영선 연구원은 “가장 큰 문제는 추위”라며 “온도가 떨어지면 굳어버려 엔진에 문제를 일으킨다”고 설명했다. 경유는 영하 17℃까지 끄덕 없다. 반면 코코넛은 영상 17℃ 이상에서만 액체 상태를 유지한다. 태평양 군도처럼 사계절 더운 나라에서만 사용가능하다.
그래서 요즘 과학자들은 유채꽃에 주목한다. 유채기름은 영하 8℃까지는 문제없기 때문이다. 이미 캐나다에서는 바이오디젤의 생산성을 높일 수 있는 유채품종이 많이 개발됐다. 독일에서는 ‘기름 들판’으로 불리는 유채꽃밭을 쉽게 볼 수 있다.특히 대부분의 나라에서는 일반적으로 경유에 바이오디젤을 20~30% 섞어 쓰는 데 비해 독일에서는 100% 순수 유채기름을 바이오디젤로 판매하는 주유소만 1800여개가 있다. 유채꽃은 전 세계 바이오디젤 생산량의 84%를 책임지고 있다.
국내에서는 아직까지 유채꽃보다 콩이 바이오디젤의 원료로 많이 쓰이는 상황. 콩 중에서도 대두가 가장 많다. 국내에서 경작되는 유채의 양이 대두보다 적어 경제성이 떨어지기 때문이다. 제주도 유채꽃 관광단지에서 1000t 가량의 기름을 얻을 수 있지만 3일이면 바닥난다. 채 연구원은 “농림부와 유채기름 개발을 협의 중”이라며 “경북 경산 지역에 바이오디젤용 유채꽃을 시범적으로 재배 중”이라고 말했다.
이미 독일, 프랑스, 미국 등에서는 버스나 관공서차량, 청소차량 등에 바이오디젤을 사용하고 있다. 유럽연합은 2012년까지 전체 경유의 5.75%를 바이오디젤로 대체할 계획이다. 식물연료가 전 세계 도로를 누빌 날이 머지않았다.
공장에서 효소 생산한다
세계적으로 바이오디젤을 가장 많이 사용하는 독일. 유채씨에서 얻은 100% 순수 바이오디젤을 판매하는 주유소만 1800여개가 있다.
“석유나무가 있긴 합니다.” 한국에너지기술연구원 박순철 박사는 대뜸 이렇게 말했다. 선인장처럼 석유를 구성하는 탄화수소를 상대적으로 많이 가진 나무나 식물이 있다는 것. 하지만 대개 이런 식물은 단위면적당 생산량이 떨어지거나 재배조건이 까다로운 경우가 많다.
“굳이 식물에서 석유를 얻을 필요가 있을까요?” 박 박사가 되물었다. 탄화수소는 분자량이 커 발생하는 열량도 크고, 이산화탄소도 많이 내뿜는다. 그럴 바에야 차라리 옥수수를 재배해 돼지 사료로도 쓰고, 에탄올을 뽑는 것이 훨씬 경제적이고 친환경적이다. 식물은 해와 땅만 있으면 무한히 자라기 때문이다.
“바이오에탄올이 해답이죠.” 박 박사가 덧붙였다. 바이오에탄올은 밀, 옥수수, 보리, 고구마, 사탕수수 등을 발효시켜 얻을 수 있다. 바이오디젤이 유지작물에서 식물성 기름을 추출하는 것이라면 바이오에탄올은 전분작물에서 포도당을 얻어 이를 발효시킨 것이다. 포도주를 발효시키는 과정과 비슷하다.
사탕수수가 풍부한 브라질에서는 70%가량의 자동차가 바이오에탄올을 넣고 달린다. 하지만 브라질을 제외한 다른 나라에서는 사탕수수의 생산단가가 비싸 아직 석유보다 경쟁력이 없다. 특히 설탕 등 식품 소비용 사탕수수와 경작지를 놓고 다퉈야 하는 문제도 있다. 어떻게 하면 사탕수수 외에 모든 전분작물에서 바이오에탄올을 값싸게 얻을 수 있을까?
식물은 뿌리와 줄기, 잎의 대부분이 셀룰로오스로 이뤄져 있다. 지천에 널린 나무와 잡초 등이 모두 살아있는 셀룰로오스 ‘저장고’인 셈. 셀룰로오스는 포도당이 여러 개 결합한 고분자이기 때문에 셀룰로오스를 포도당으로 분해하기만 한다면 바이오에탄올을 쉽게 얻을 수 있다.
사탕수수 외에 밀, 보리 옥수수 등 모든 전분작물에서 바이오에탄올을 얻기 위한 연구가 한창이다.
셀룰로오스 분해 효소를 가진 미생물을 사용하면 셀룰로오스를 자연적으로 분해할 수 있다. 셀룰레이즈가 대표적 분해 효소다.
셀룰레이즈는 쉽게 말해 곰팡이다. 나무 입장에서 보면 병원균이지만 우리 입장에서는 알아서 포도당을 만들어 주는 ‘은인’. 하지만 셀룰레이즈가 셀룰로오스를 자연적으로 분해해주기만을 기다리기엔 시간이 너무 많이 걸린다. 그만큼 경제성도 떨어진다.
최근 미국, 캐나다, 스웨덴 등에서는 바이오에탄올을 얻기 위한 셀룰로오스 분해 효소 연구가 활발하다. 미국의 생명공학기업인 제넨코와 노보젠은 셀룰레이즈를 대량 생산하는 기술을 개발했고, 캐나다에는 올해 안에 셀룰레이즈를 대량으로 생산하는 공장이 생긴다.
스웨덴을 비롯해 핀란드, 덴마크 등 유럽의 6개 나라는 바이오에탄올을 개발하는 프로젝트인 ‘타임’(TIME)을 진행하고 있다. 셀룰로오스뿐만 아니라 식물을 구성하는 헤미셀룰로오스, 리그닌까지 모두 바이오에탄올의 원료로 활용하겠다는 계획이다. 생명공학기술이 발전하면서 바이오에탄올 생산에도 가속이 붙고 있다.
태양전지 비법은 광합성에 있다
찰칵, 찰칵. 연세대 화학과 김동호 교수가 연신 ‘사진’을 찍어댄다. 그런데 사진기는 보이지 않는다. 김 교수 앞에는 수십 개의 렌즈만 여기저기 놓여 있다. “펨토초 레이저입니다.” 김 교수의 설명이다. “식물을 흉내낸 장치를 개발 중이죠.” 식물의 무엇을 흉내낸다는 것일까.
식물의 엽록소는 빛에너지를 모아서 전기에너지로 바꾸고 이 과정에서 양분을 만들어낸다. 우리가 잘 아는 광합성이다. 그런데 광합성과 같은 화학반응은 1000조분의 1초 정도만에 일어나버린다. 따라서 이 과정을 제대로 ‘촬영’하기 위해서는 적어도 100조분의 1초에 한 장씩 사진을 찍을 수 있는 펨토초 레이저가 필요하다.
“광합성에서는 버리는 에너지가 하나도 없습니다.” 식물이 빛에너지를 받아 이를 전기에너지로 전환할 때 효율은 100%에 가깝다. 김 교수가 식물의 광합성에 눈독을 들이는 이유다. 식물의 광합성 과정을 제대로 이해하기만 한다면 이를 모방해 고효율 인공광합성 시스템을 만들 수 있기 때문이다. 지구에 무한정 공급되는 태양에너지를 이용한 고효율 태양전지를 만들 수 있다는 뜻이다.
김 교수는 엽록소와 가장 유사한 구조를 가진 포피린 분자를 이용해 식물의 광합성 처럼 빛에너지가 이동할 수 있는 인공 구조체를 만들었다. 인공 구조체는 빛을 잘 모으고, 모은 빛을 제대로 전달하고, 이 과정에서 생긴 전자를 잘 받아들여 전기에너지를 축적할 수 있는 세부분으로 구성된다.
전선처럼 포피린 분자를 배열하기도 하고, 원형으로 연결하거나 상자 모양을 만들기도 하는 등 다양한 형태로 실험한 결과 김 교수는 인공 구조체가 방사형일 때 에너지 효율이 가장 높다는 것을 발견했다.
아직까지는 인공 구조체의 효율이 광합성의 10분의 1에 그친 정도다. 기술적으로 3차원 공간 배열이 어렵고, 분자 배열시 표면을 고르게 만드는 것도 어렵기 때문이다. “이론적으로는 빛 알갱이 하나를 에너지원으로 삼는 태양전지가 개발될 수 있습니다.” 김교수는 빛 알갱이 하나를 받아 전자를 하나 배출하는 그야말로 100% 효율을 갖는 태양전지가 가능하다고 말한다. 초소형 태양전지가 세상을 비출 그 날을 기대해본다
이현경 기자 uneasy75@donga.com
식물서 뽑는 '바이오 연료' 시대 성큼 [중앙일보 2005.3.28]
21세기 청정 에너지로 꼽히는 '바이오 연료'사업을 놓고 내로라하는 다국적 기업들이 치열한 쟁탈전을 벌이고 있다. 향후 전 세계 에너지 시장에서 석유 수요를 상당히 대체할 것으로 보고 선점 경쟁을 벌이고 있는 것이다. 이를 위해 전 세계 오지를 대상으로 바이오 연료 식물 재배지를 물색하는 한편 값싼 바이오 연료를 생산하기 위한 연구에도 적극 나서고 있다. 바이오 연료 사용을 확대하려는 각국 정부의 움직임도 활발하다.
국제 자동차경주대회인 미국의 인디 레이싱 리그 사무국은 이달 초 "2007년부터 모든 경주용 자동차 연료를 100% 에탄올로 사용할 계획"이라고 밝혔다. 인디 레이싱 리그의 경주용 자동차는 그간 메탄올을 연료로 사용했다. 메탄올은 주로 천연가스에서 나온다. 인디 레이싱 리그 창설 40년 만에 연료를 바꾸게 된 데는 다국적 생명공학 기업인 몬산토의 지원이 컸다. 몬산토가 옥수수로 만든 연료용 에탄올의 보급 확대를 위해 스폰서를 자청한 것이다.
몬산토는 2001년부터 바이오 에너지팀을 운영하고 있다. 옥수수로 만든 에탄올이 미국 차량 연료 수요의 10%를 충족하도록 하는 게 이 회사의 1차적인 목표다. 이를 위해 에탄올 가공 기술과 옥수수 수확량 증대에 관한 연구를 집중적으로 하고 있다. 몬산토의 에탄올 생산 비용은 1980년대 갤런당 3.60달러에서 지난해 90센트까지 떨어졌다.
몬산토는 세계적 자동차 메이커 GM과 손잡고 에탄올 자동차 개발에도 참여했다. 대표적인 예가 GMC 시보레 실버라도 픽업 트럭이다. 이 트럭은 에탄올과 휘발유를 85 대 15로 혼합한 'E85 연료'로 움직인다. 에탄올이 없을 경우 휘발유로도 갈 수 있다. GM은 이 밖에 타호.유콘 등 대형 스포츠 유틸리티 차량(SUV)에도 E85 연료 사용이 가능한 보테크 5300 엔진을 얹었다.
GM의 바이오 연료 사업은 뿌리가 깊다. GM은 1970년대 석유파동 당시 일반 엔진에다 휘발유 90%에 에탄올 10%를 혼합한 연료를 사용할 수 있다는 사실을 발견했다. 현재 미국의 E85 자동차 300만 대 중 100만 대가 GM의 제품이다. GM은 장기적으로 수소 연료가 경제성을 확보할 때까지 에탄올 연료 차량을 계속 개발해 나갈 계획이다.
영국의 롤스로이스는 바이오 연료 회사인 D1오일스의 바이오 디젤 프로젝트에 초기 연구비용 100만 달러를 투자한다고 최근 밝혔다. D1오일스는 인도.아프리카 및 아시아.태평양 연안 지역에 40만㏊ 이상의 자트로파 농장을 조성하고 연간 35만t 이상의 바이오 디젤을 생산하는 시설을 건설할 계획이다.
일본의 미쓰이 상사는 이미 2001년 브라질의 3대 에탄올 생산 업체들과 장기 공급 계약을 맺었다. 교토 의정서가 발효되면 일본에서 에탄올 연료 수요가 크게 늘어날 것으로 내다봤기 때문이다. 에탄올 혼합 비율이 10%만 되게 해도 일본에서 연간 600만㎘가 필요하다는 게 미쓰이 상사의 예측이다.
전 세계 주요국 정부들도 바이오 연료 진흥 정책을 잇따라 내놓고 있다. 가장 활발한 곳은 유럽이다. 유럽연합(EU)은 바이오 연료 로드맵까지 세웠다. 올해 자동차 연료로 이용되는 화석 연료의 5%를 바이오 에너지로 대체한다. 또 전체 에너지 소비량 가운데 대체 비율을 현재 2%에서 2010년까지 5.75%로 끌어올린다는 복안이다. 특히 독일.프랑스.이탈리아 등은 도심용 버스, 관공서 차량, 경유 자동차를 대상으로 바이오 디젤 사용량을 확대할 계획이다. 이후 수소.연료전지가 상용화될 것으로 보이는 2020년까지 바이오 연료를 사용하면서 화석 연료의 사용량을 줄인다는 게 EU의 전략이다.
미국도 90년대부터 바이오 연료 정책을 차근차근 준비해왔다. 2010년에는 바이오 연료가 기존 화석 에너지 수요의 10%를 대체토록 한다는 목표다.
일본 정부는 2010년까지 3억7000만 달러를 바이오 연료와 수소 에너지 등의 개발에 투자한다는 목표를 세웠다. 이미 일본에는 에탄올 주유소가 300여 군데 생겼다.
한국은 에너지 수입 의존도가 97%가 넘는데도 화석 연료를 대체하는 준비에 소홀했다. 대체 에너지 개발에 나서면서도 정작 전환 비용이 상대적으로 적게 드는 바이오 연료는 관심 밖이었다. 정부는 화석 연료를 대체하는 에너지로 풍력, 태양광, 수소.연료전지 등을 3대 중점 과제로 선정했었다(2003년 제2차 신재생 에너지 기술개발 및 이용보급 기본 계획). 그러다 지난 11일 산업자원부가 대통령이 참석한 국가에너지자문위원회에 보고한 신재생 에너지 사업계획에 바이오 에너지에 관한 내용을 담았다. 바이오 디젤 보급사업을 확대하겠다고 밝힌 것이다. 산자부 신재생에너지과 관계자는 "쌀겨.폐식용유 등으로 만든 바이오 디젤은 이미 2002년부터 일부 지역의 주유소에서 시범 실시하고 있다"며 "에탄올의 경우 국내 생산량이 적어 해외에서 수입해야 하기 때문에 유가보다 비싼 현실이다. 계속 연구하겠다"고 말했다. 이와 관련, 에너지경제연구원 김진오 부원장은 "당장 손쉽게 탄소발생량을 줄일 수 있는 바이오 연료를 보급해 시간을 번 뒤 수소.연료전지 개발에 힘을 쏟는 장.단기 전략이 필요하다"고 지적했다. 포트모르즈비(파푸아뉴기니)=이철재 기자 seajay@joongang.co.kr
식물성 바이오디젤 나온다 (출처 : 세계일보)
코코넛과 야자수 오일이 석유를 대체할 에너지로 각광받고 있다. 태평양 군도에 널려 있는 코코넛에서 추출한 코코넛 오일로 자동차를 움직이고 발전기를 돌려 전기를 생산할 수 있다면, 인류는 화석 에너지 고갈과 유가 상승 등 에 따른 에너지 위기로부터 한층 자유로워질 것으로 보인다.
이 같은 장밋빛 전망으로 코코넛, 야자수가 풍부한 태평양 섬나라들이 머리를 맞댔다. 지지난주 바누아투, 마셜 군도, 사모아 등 태평양 섬나라 에너지 정책 관계자들은 유엔 회의에 참석, 석유 의존도를 낮추자는 취지에서 마사지 기름인 코코넛 오일을 석유 대체품으로 개발할 것을 주장했다. 코코넛 오일이 석유 대체품으로 떠오른다면, 태평양 섬나라들은 또 다른 ‘산유국’으로 자리매김하게 된다.
이처럼 식물성 기름을 에너지원으로 개발하는 바이오 에너지 기술은 과연 어디까지 온 것일까. 머리 아프게 하는 자극적인 주유소 석유 냄새가 이국적 코코넛 향으로 바뀔 수 있을까.
◆바이오 디젤과 경유(디젤)는 이웃사촌=식물성 기름은 경유와 분자구조가 유사하다. 경유와 다른 점은 산소 원자를 일부 포함하고 있다는 점뿐. 이 같은 사실은 이미 110년 전 알려졌다. 1895년 루돌프 디젤은 자신이 발명한 디젤엔진의 원료로 땅콩에서 추출한 ‘바이오디젤’을 썼다. 또 ‘사막의 여우’ 독일의 에르빈 롬멜 장군은 2차 세계대전 당시 사하라 사막에서 연료 부족에 직면하자 폐식용유로 탱크를 움직이기도 했다.
최근 콩, 유채, 해바라기, 쌀겨, 코코넛, 야자수 등에서 추출되는 바이오디젤은 특히 ‘친환경적’ 특성 때문에 주목받고 있다. 바이오디젤은 산소 원자를 이미 갖고 있어 산화력이 일반 경유보다 뛰어나다. 이 때문에 대기오염의 주범으로 인식되는 자동차 배기가스 양을 10%가량 줄일 수 있다. 황 성분이 없어 황산화물 등의 유독가스를 방출하지 않는 것도 장점이다.
또 바이오디젤을 썼을 때 대기로 방출되는 이산화탄소(Co2)의 경우, 유엔 기후변화협약에 따라 25%만 순수 배출로 인정된다. 나머지 75%는 식물이 소비하는 것으로 간주하기 때문. 이산화탄소를 소비하는 식물을 다시 에너지원으로 활용하기 때문에 ‘에누리’가 적용되는 것이다.
이 같은 장점 때문에 독일 프랑스 미국 등에서는 청소차량, 대형버스, 관공서 차량 등의 원료로 활용하고 있다. 유럽연합(EU)은 2012년까지 전체 경유의 5.75%를 바이오경유로 대체할 계획이다.
◆바이오디젤 더운 나라에 유리=그러나 이런 바이오디젤도 ‘약점’이 있다. 우선 추위에 약하다. 온도가 떨어지면 바이오디젤은 굳어버려 엔진에 문제를 일으킨다. 태평양 군도에서 대체에너지로 거론되는 코코넛 오일의 경우, 최소 섭씨 17도 이상이어야 제대로 작동한다. 이 때문에 현재 선진국 등은 일반 경유에 20∼30%의 바이오디젤을 섞어 쓰는 형편이다.
‘유통기한’도 극복해야 할 과제다. 바이오디젤은 공기와 접촉할 경우 산화가 빨리 진행된다. 이 과정에서 화학적 특성도 바뀌게 돼 연료로 사용할 수 없게 된다.
이 두 단점을 모두 극복한 기술은 아직 개발되지 않았다. 다만 과학자들은 이런 부작용을 최소한으로 줄일 수 있는 식물을 찾고 있다. 예컨대 유채기름의 경우 코코넛 오일보다 뛰어나다는 평가를 받는다. 유채기름은 엔진을 오작동시키는 온도인 ‘저온필터막힘점(CFPP)’이 영하 8도로 코코넛 오일의 경우보다 훨씬 낮게 나타난다. 하지만 여전히 CFPP가 영하 17도인 경유에 비해서는 여전히 높은 수준이다.
◆우리나라 바이오에너지 개발은=현 기술로 바이오디젤을 최대한 활용하기 위해서는 각 나라의 기후에 맞는 바이오디젤을 개발해야 하고, 적절한 비율로 경유와 섞어 써야 한다. 사계절이 있는 우리나라에서는 코코넛, 야자수 기름보다 유채, 콩, 쌀겨 등이 물망에 오르고 있다.
정부는 현재 이 식물들에서 생산된 바이오디젤을 일반에 보급하기 위해 기술적·제도적 보완을 거치고 있다. 과학기술부 산하 한국에너지기술원은 ‘소형디젤자동차의 바이오디젤 실용화 평가’ 사업을 진행 중이다. 2006년까지 현대자동차, 쌍용자동차 등의 자동차 엔진을 대상으로 유채 바이오디젤 등을 시험하는 검증 절차를 마칠 계획이다.
한국에너지기술원 이영재 박사는 “2년간에 걸친 장기간 주행시험을 통해 우리나라 기온 등에 적절한 경유·바이오디젤 혼합률을 산출해낸다”며 “이 같은 검증 작업이 이뤄진다면 3∼4년 내에 일반 주유소에도 바이오디젤이 보급될 수 있을 것”이라고 전망했다.
차세대 대체에너지 '바이오 에너지(bioenery)'
바이오에너지란 액체, 고체, 기체 연료와 전기, 열, 증기, 생화학물질을 포함한다.
바이오매스(biomass) 는 에너지 전용의 작물과 나무, 농산품과 사료작물, 농작 폐기물과 찌꺼기, 임산 폐기물과 부스러기, 수초, 동물의 배설물, 도시 쓰레기, 그리고 여타의 폐기물에서 추출된 재생가능한 유기 물질로 현재 에너지원으로 쓰여지고 있는 목재, 식물, 농?임산 부산물, 도시 쓰레기와 산업 폐기물 내의 유기 성분등을 일컫는다. 요즘 바이오에너지 자원은 대부분 바이오에너지 공급원으로 불리는, 속성으로 자라는 나무나 풀과 같은 에너지 작물의 인공재배를 통해 충당되고 있다.
바이오매스 자원은 재생이 가능하며 또 광역분산형의 자원으로서 지역 에너지원으로서 주목되고 있다. 에너지원으로서의 바이오매스의 장점은 에너지를 저장할 수 있다는 점, 재생이 가능하다는 점, 물과 온도조건만 맞으면 지구상 어느 곳에서나 얻을 수 있다는 점, 최소의 자본으로 이용기술의 개발이 가능하다는 점, 그리고 원자력의 이용 등과 비교할 때 환경보전적으로 안전하다는 점 등이다. 특히 우리 나라의 자연환경을 볼 때 국토의 65%인 산지의 개발과 여기에서 얻은 산림자원, 농촌의 볏짚 등 농업부산물, 그리고 도시의 수많은 폐기물 등 국내에서 확보가능한 생체에너지 자원을 이용하여 대량의 바이오 에너지를 생산할 수 있는 여건은 무한하다 하겠다. 한편, 단점으로서는 넓은 면적의 토지가 필요하다는 점, 토지 이용면에서 농업과 경합한다는 점, 자원부존량의 지역차가 크다는 점, 비료, 토양, 물, 그리고 에너지의 투입이 필요하다는 점, 문란하게 개발하면 환경파괴를 초래한다는 점 등을 들을 수 있다.
☞ '미국의 바이오 에너지 기술개발 및 산업 육성'
기본 목적
2000년 온실가스 매출량을 1990년 수준으로 동결키 위하여 기후 변화 대응 실천계획(ccap)을 1993년 수립 시행 중, 2000년 온실가스 배출량을 1억 8백만 carbon ton감축 14억 6200만 carbon ton으로 회복 21세기에 대비한 바이오 화학에너지공급 기반 확충
클린턴 대통령의 실행 명령제13134호(1999.8,12)
2010년 까지 바이오 화학원료 및 바이오 에너지 생산량을 현재의 3배로 증대하는 실행 계획을 수립 추진 할것. 2000년도 바이오 에너지 보급 촉진 및 연구개발 자금으로 $2억 4200만(연구개발 자금 $9,300만)을 할당.
실행계획은 농림업의 바이오 에너지작물 재배 기반구축, 바이오 매스 가스화 및 연소 발전 기술개발 보급, 바이오 에탄올 확대 보급 ,바이오 매스폐기물에너지화 보급촉진 2020년 까지 화학원료의 10%를 바이오테크놀라지로 생산.
바이오매스의 원천:
초본 에너지 작물, 다 자라기까지 2내지 3년이 걸리고 이후로 매년 수확이 가능한 다년생식물.(예:스위치그래스switchgrass), 미스컨터스(코끼리풀이나 부들), 대나무, 사탕수수, 톨페스큐(벼과), 코치아, 개밀,…)
짧은 주기의 목본 작물, 심은지 5내지 8년이면 수확하는 속성의 활엽수.(예: 잡종 포플러, 잡종 버드나무, 은단풍, 미루나무, 녹색 물푸레나무, 검정호두나무, 풍나무, 시카모어(플라타너스),… )
산업 작물 특정 산업의 화학물질을 생산하기 위해 개발 조성되는 작물.(예: 섬유질 추출용 커넵(양마)과 짚류, 리시놀산 추출용 피마자,…)
농작물, 대개 당, 기름, 그리고 플라스틱이나 다른 화학물질들을 만드는데 사용될 수 있는 여러 추출물 등을 산출하는 것으로 현행 유통중인 생산품과 미래에 새롭게 개발될 상품의 성분을 포함하는 작물.(예: 옥수수녹말과 옥수수유; 대두유과 대두가루; 밀전분, 기타 식물유) 예를 들어 콘스타치나 옥수수기름, 대두유나 밀, 녹말, 그리고 다른 채소류등이 있다.
수중 바이오매스 자원(예: 조류, 대형 해조, 그 외 해초와 해양 미생물)
농업 작물 찌꺼기, 추수되지 않거나 상업적인 유통과 거리가 먼 줄기나 이파리.(예: 옥수수대(줄기, 이파리, 껍질, 알맹이), 밀짚, 볏짚)
임업 폐기물, 미리 솎아내고 죽은 나무를 제거하는 등의 수림 관리 작업에 의해 만들어지는 것 뿐 아니라 상업용의 침?활엽수 중 벌채되지 않았거나 벌목장에서 제외된 수림.
도시 쓰레기,주거?상업?산업용의 이미 소비된 쓰레기.(예: 폐지, 판지, 폐가구, 작업장 쓰레기)
바이오매스 전과정에 걸쳐서 생겨나는 바이오매스 공정 폐기물로 총칭되는 부산물과 폐수.(예: 제품이나 종이를 만들려는 목재 처리 과정에서 생겨나는 톱밥?나무껍질?가지?이파리의 집적)
농장이나 육류 가공 작업에서 생겨나는 쓰레기, 에너지를 포함한 여러 제품을 만드는데 사용될 수 있는 것.
바이오연료는 바이오매스 자원에서 만들어지는 다양한 연료로 액체 연료로는 에탄올, 메탄올, 바이오디젤, 피셔-트롭스크(Fischer-Tropsch) 디젤이 있고 기체 연료로는 수소와 메탄이 있다.
바이오연료는 일차적으로는 운송수단의 연료로 사용되고 또한 여러 엔진들의 연료나 전기를 발생시키는 전지에도 쓰인다.
바이오매스는 액체연료로 직접 화학변화될 수 있다. 에탄올은 바이오매스 내의 탄수화물이 당으로 전환되어 만들어지는 것인데 당이 다시 양조 맥주와 유사한 발효과정을 거쳐서 에탄올로 생성된다. 에탄올은 옥수수와 같은 녹말 작물에 의하여 현재 가장 널리 이용되고 있는 바이오연료이다.
차량에서 일산화탄소와 스모그를 일으키는 다른 배출물질들을 줄이는 연료 첨가제로 널리 사용되고 있다. 섬유계 바이오매스에서 에탄올을 추출하는 것이 현재 개발 중이다.
바이오디젤은 유기적으로 추출된 기름이, 에틸에스테르나 메틸에스테르 형성 촉매제로 인하여 알코올(에탄올이나 메탄올)과 화합되는 과정을 통해 생성된다. 이 바이오매스에서 추출된 에틸에스테르와 메틸에스테르는 기존의 디젤 연료와 혼합되거나 100% 바이오디젤인 순수 연료로 사용될 수 있다.
바이오디젤은 콩이나 캐놀라(평지씨)유, 동물의 지방질, 폐 식물유, 해조유로 만들어 진다. 차량의 배기가스를 줄이는 디젤 첨가제로 사용되거나 그 자체로 차량연료로 사용될 수 있다.
바이오매스는 기화되어 일차적으로 수소와 일산화탄소가 결합한, 합성가스(syngas) 혹은 바이오합성가스(biosyngas)로 불리는 혼합가스를 생성한다. 수소는 이 합성가스에서 환원될 수도 있고 혹은 촉매작용을 통해 메탄올로 전환되기도 한다.
또한 피셔-트롭스크 촉매제를 사용하면 피셔-트롭스크 디젤이라는 디젤과 유사한 성질을 가지는 액체로 전환될 수 있다. 그러나 이 연료들 모두는 천연가스로부터 유사한 과정을 거쳐서 얻을 수도 있다.
전기를 발생시키기 위해 바이오매스로부터 가스를 생성해 내기도 한다. 기화 시스템은 바이오매스를 가스(수소, 일산화탄소, 메탄의 혼합)로 전환시키기 위해 고온을 사용한다. 이 가스는 터빈의 연료로 쓰이는데, 제트 추진력 대신에 전기 발생기를 돌린다는 점에서 제트엔진과 아주 유사하다.
또한 매립지의 바이오매스 부패로 인해서 전기 발전이나 산업 공정 과정에서 증기를 만드는 보일러의 연소용으로 쓰이는 메탄이 생성되기도 한다.
바이오연료를 만드는 과정:
생화학 변환 과정
효소나 미생물은 종종 바이오매스나 바이오매스에서 추출된 화합물을, 목표 생성물로 전환시키는 생물학촉매제로 사용된다.
셀룰라아제(cellulase)와 헤미셀룰라아제(hemicellulase) 효소는 가수분해 과정을 통해 바이오매스의 탄수화물을 5내지 6탄당으로 변화시킨다.
효모와 박테리아는 당을 에탄올로 발효시킨다. 바이오공학의 진보는 생화학 변환의 극적 향상을 불러일으킬 것으로 기대된다.
광생물학 변환 과정
광생물학적 과정은 태양광을 직접 바이오연료로 만드는 자연 생물의 광합성 작용을 이용한다. 예를 들어 박테리아와 녹조류의 광합성은 물과 태양광으로부터 수소를 생산한다.
열화학 변환 과정
바이오매스를 중간화합물이나 최종 생성물로 분류하는데 열에너지와 화학촉매제가 쓰인다.기화의 경우, 바이오매스는 수소와 일산화탄소의 일차 결합된 가스를 생성하기 위하여 무산소 상태에서 가열된다. 열분해의 경우는 진공상태에서 바이오매스를 고온에 노출시켜 분해시키게 된다. 용매, 산, 염기는 바이오매스를 당, 섬유조직, 리그닌으로 분류하는데 사용된다.
바이오매스를 전기 발생을 위해 연소되는 연료로 화학변화시키기 위해 열이 사용되기도 한다. 바이오매스는 전기를 발생시키거나 제조 공정에서 필요한 증기를 만들기 위해 직접 연소되기도 한다.
발전소에서 터빈은 증기를 취하고, 발생기에서 이를 전기로 전환하게 된다. 목재와 제지 산업을 보면, 목재 조각이 가끔은 제조 공정에 필요한 증기를 만들기 위해 보일러에 직접 연료화 되기도 하고 건물의 단열을 위해 쓰이기도 한다.
석탄을 사용하는 화력발전소들 중 일부는 고효율 보일러의 배기물을 충분히 줄이기 위해서 보충에너지원으로 바이오매스를 사용한다. 현재 사용량은 남는 공기로 바이오매스를 연소시키는 기술을 포함하여 보일러의 열교환기에서 증기 생성에 사용되는 고온의 배출 가스를 만드는 직접연소 기술의 성숙 정도에 따라 다르다. 앞서 말한 증기가 증기터빈기관에서 전기를 만드는데 쓰인다.
바이오매스 공급원으로부터 추출된 상업용 또는 산업용 생성물들을 가리켜 바이오 화학물질이라고 한다.
이런 바이오제품에는 녹색 화학제품, 재생 프라스틱, 천연섬유, 천연 구조 물질 등이 있다. 물론 이들 대부분은 새롭고 향상된 공정 기술이 요구될 것이지만, 석유화학물질에서 파생되는 기존의 제품들을 대체할 수 있을 것이다.
제품과 응용:
녹색 화학물 - 유기 화학제품, 정제 화학제품, 중간생성물의 다수가 바이오매스 자원으로 만들어진다. 유기 화학제품에는 솔벤트, 연료첨가제, 윤활제, 계면활성제, 접착제, 잉크 등이 있다. 주요 정제 화학제품군으로 효소, 기능성식품(nutraceuticals), 의약제품(pharmaceuticals) 이 있다. 중간생성물로는 당, 유기산(레불산) , 그리고 단위체(monomers) 혹은 단위체 전구물질(monomer precursors) 등이 있다.
재생 프라스틱 - 바이오매스 자원에서 생산되는 프라스틱은 석유화학제품에서 나오는 프라스틱을 대체하리라는 큰 기대를 보여준다. 일반적인 범주로 식물을 기초한 분해가능 고분자, 탄수화물(섬유질, 녹말, 키틴질) 고분자, 리그닌 고분자가 있다.
구체적인 예를 들면 녹말 에스테르, 섬유질 초산염 혼합물, 폴리랙타이드(PLA polylactide), 폴리하이드로옥시부테인산(PHB polyhydroxybutyric acid), 열가소성 단백질 등이다.
천연섬유 - 종이 제품, 직물류, 다양한 종류의 줄, 실, 섬유들이 바이오매스 섬유질로부터 만들어진다. 펄프와 제지 공정이 향상되고 있고, 다른 공급원을 이용하는 새로운 공정 기술이 개발되고 있다. 천연섬유를 기초해서 개발되는 새로운 제품들에는 절연재와 토양 부식 제어용 지질섬유(geotextiles)가 있다. 이런 섬유들은 또한 여러 제품의 내용물로 재생불가능한 물질들을 대체하는 과정에 있다.
천연 구조 물질 - 강화 목재와 나뭇결 판넬과 같은 건축자재들은 일차적으로 나무로 만들어진다. 다른 유기성분(예,플라스틱)과 무기성분(예,시멘트)의 내용물로 바이오매스 섬유질을 결합시킨 새롭게 합성된 구조 물질이 만들어지고 있다.
생물회복(bioremediation) - 생물회복은 오염된 토양과 물에서 오염물질을 제거하여 성질을 개선하고 본래의 상태를 유지토록하는 생물학 시스템의 적용이라고 할 수 있다. 효소, 미생물, 식물들이 생물회복 촉매제의 주종을 이룬다.
새롭고 개선된 바이오매스 공정 기술의 개발로 바이오매스 자원에서 화학물질을 생성하는 일이 확산되고 있다. 주로 화학 공정, 바이오처리, 열화학 공정, 기계 공정에서 진행되고 있다.
공정의 합성과 혼합이 상업적 성공의 가장 좋은 기회를 제공할 수도 있다. 현재 공정을 합성한 예를 들면, 옥수수 습식 재배 공장이나 일부의 펄프 공장이 있다. 또한 화학물질, 중간생성물, 단일 혹은 복합 공정을 통해 바이오매스에서 분류된 물질을 분해하는 기술이 새로운 기술의 상업적 실현가능성의 열쇠라 하겠다. (정보제공 : 농생명과학연구정보센터)
Fuel from rice, wheat and fallen trees November 11, 2004
By Paul Jacobs
Genencor in Palo Alto is using biotechnology to mass-produce enzymes -- proteins that act as catalysts in manufacturing and can be used for a variety of commercial purposes, including as additives to laundry detergents that do a better job of getting the grease out.
The company is also at the center of what one day might be a fuel revolution -- the use of ``biomass,'' agricultural waste from rice and wheat, and even fallen trees, to produce fuel.
Right now it's possible to take a food crop such as corn and convert the sugar and starches in the kernels to ethanol, a fuel that can be used to power automobiles and generate electricity. Ethanol is already routinely added to gasoline. But it's still expensive -- good for Iowa farmers but not necessarily for the pocketbooks of consumers.
Still, there is something appealing about using a renewable source like plants for power, rather than fossil fuels. For one thing, plant-derived alcohol reduces our dependence on foreign oil.
And in theory, ethanol made from plants can play a role in slowing global warming caused by a buildup of carbon dioxide in the atmosphere -- the greenhouse effect.
But using grain is a costly way to make fuel. So Genencor and other companies are working on ways to make ethanol from cellulose, the tough, carbon-based chemical in wood, stalks, hulls and leaves that are otherwise discarded and left to rot.
Under a $17 million contract with the government's National Renewable Energy Laboratory, Genencor has been working for the past four years to make an improved cocktail of enzymes that can efficiently break down cellulose into sugars. The sugars can then be converted into ethanol or into building blocks for plastics and fibers.
The enzymes Genencor has been working with are derived from a fungus that was found chewing up cotton tents in the Solomon Islands 60 years ago. Company scientists have improved the mix through genetic engineering -- by adding genes from other species and by manipulating the genes of the fungus itself.
But these enzymes by themselves can be expensive. When Genencor began work on the contract, they cost between $4 and $5 per gallon of ethanol produced. Recently, the company announced that it's been able to drop that cost considerably, to between 10 cents and 20 cents a gallon.
Although there are still hurdles ahead before fuels from biomass are widely available, that's an important advance forward.
``This is a whole area that hasn't entirely been tapped,'' says William Dean, Genencor's vice president for development. ``What Genencor has been focusing on at the moment is the first huge hurdle that had to be overcome.'' JURISPRUDENCE: In these pages, we recently reported, very briefly, that Matthew J. Jacobs, an assistant U.S. attorney in San Francisco, has left his job prosecuting white-collar criminals.
Left out of that short notice is Jacobs' role as prosecutor in the government's case against Endovascular Technologies in Menlo Park, the maker of a device for treating a life-threatening condition called an abdominal aortic aneurysm. An aneurysm is a sizable bulge in the main, high-pressure artery that takes blood from the heart.
If it pops like a balloon or tears, it can mean sudden death. The standard surgery, which requires opening the patient's abdomen to repair the artery, can be dangerous, especially in patients who are already weakened by long illness. So doctors welcomed a non-surgical, seemingly safe alternative.
But Endovascular, a subsidiary of Guidant, failed to inform federal regulators as required by law of the complications of inserting its device into weakened arteries to keep them from bursting. A number of patients died.
Jacobs and his colleagues built such a strong case against Endovascular that the company pleaded guilty to 10 felony counts and agreed to fines totaling $92.4 million, a record at the time. Guidant shut down Endovascular and withdrew the device from the market.
In January, the former prosecutor will join McDermott Will & Emergy in Palo Alto. He'll soon find himself on the other side of the courtroom, representing the defense in white-collar cases.
Biomass-to-ethanol progress May 25, 2004
Ethanol, also known as grain alcohol, is an alcohol fuel that can be used to power flexible fuel vehicles.
Today, ethanol is made by fermenting agricultural products such as corn, sugar cane, or sugar beet. These feedstocks, however, account for but a small portion of the total crop. Production of ethanol from cellulosic biomass such as corn leaves and stalks has the potential to augment the feedstocks in the existing industry and become the technology of the future for fuel ethanol production. The enzyme costs of converting cellulosic biomass into sugars for fuel ethanol production have been reduced approximately twenty-fold with technology developed by the National Renewable Energy Laboratory and Denmark based Novozymes, biotech-based leader in enzymes and microorganisms.
In January 2001, using funding from the US Department of Energy (DOE), NREL and Novozymes entered into a USD 14.8 million three-year collaborative research subcontract. During the course of the contract, Novozymes applied its proprietary biotech research platform to increase enzyme activity and fermentation yield, and to reduce production costs for enzymes used to convert cellulosic biomass into sugars for production of fuel ethanol and other valuable products. In February 2004, Novozymes reported a twelve-fold enzyme cost reduction exceeding the ten-fold goal.
Based on the latest achievements of NREL in the pre-treatment of cellulosic biomass materials and combining the improved treatment process with the advances already made in enzyme technology by Novozymes, the two partners have now been able to reduce the costs of the enzyme part of the biomass-to-ethanol conversion from above 5 U.S. dollars to below 30 US cents per gallon of ethanol.
Douglas Kaempf, Program Manager for the Office of Biomass Program at the US Department of Energy, stated, "Combining Novozymes' advances in enzyme technology with the advances made by NREL in the pre-treatment of corn stover, we have gained important synergies between performance and costs."
To continue this progress, Novozymes has been granted a one-year extension to its three-year subcontract with NREL and will receives USD 2.3 million over a year. The aim of the extension is to ensure a further cost reduction to a level of approximately 10 U.S. cents per gallon of ethanol for the enzyme part of the biomass-to-ethanol conversion. If this goal is achieved, the new process will be closer to becoming commercially competitive with current starch-based fuel ethanol production.
Ethanol is not the only fuel that can be produced from biomass: Atlantic Biomass Conversions, in joint work with scientists at the US Agriculture Research Service (ARS), is developing a genetically enhanced bacterial process to directly convert sugar beet pulp wastes to methanol, wood alchohol. Another effort is underway in Sweden to produce methanol from biomass via black liquor gasification at a cost competitive with gasoline and diesel.
Ecological and economical methods to produce hydrogen for fuel cells April 27, 2004 By Christof Fellmann, Checkbiotech
BASEL - New techniques allow the production of low-cost hydrogen (H2) from renewable energy sources such as ethanol obtained from corn fermentation. The produced H2 can then be used in hydrogen fuel cells that might deliver electricity for applications as different as a car engine or the accumulator of a laptop or cell-phone.
Hydrogen fuel cells have the potential to be a very ecological way of producing energy, because the power is derived from the combination of oxygen (O2) and hydrogen gas molecules (H2) to form water (H2O) as the only waste product. However, providing hydrogen for this chemical reaction has been the ecological caveat for a long time.
Whereas oxygen gas molecules can be easily taken from the air, the classic hydrogen gas production demands a high energy input, normally provided by the combustion of fossil fuels. Therefore, hydrogen fuel cells are only as ecological and economical as the production of the hydrogen used in the reaction.
The energy consuming production of hydrogen has been, and still is, the major point why hydrogen fuel cells are not yet applied on a broad range in everyday use. Recently, however, laboratories headed by Professors L.D. Schmidt and J.R. Salge from Minnesota University developed a method to convert ethanol, or ethanol-water mixtures, directly into H2 by taking advantage of an autothermal reforming process using a rhodium-ceria catalysts.
A catalyst lowers the activation energy of a chemical reaction making it possible to run the reaction at lower temperatures for example. Furthermore, the intrinsic properties of the reaction educts determine which catalyst will work best.
Autothermal reforming, on the other hand, is the production of hydrogen by the combination of partial oxidation, steam reforming, and the water-gas shift in order to obtain a reaction that provides enough heat to drive itself and that generates a maximum amount of hydrogen.
This process combined with the rhodium-ceria catalyst has a large impact on reducing greenhouse gas emissions, because the ethanol used is derived from renewable biomass and the energy is therefore indirectly provided by sunlight through photosynthesis.
Biomass candidates include carbohydrates such as sugar or starch, oils, and crop waste products. Despite this broad range of possibilities, currently ethanol is mainly formed by the fermentation of costly starch. Research, however, suggests that it may also be produced from low-cost crop waste.
Since ethanol is also required as an additive in gasoline fuels in the United States, much effort is being put into research leading towards reliable and cost-effective ethanol production.
To provide the required dependability of a biomass, such as corn, biotech companies are working on producing genetically engineered plants that have enhanced traits such as insect resistance, drought resistance and increased starch levels. All of these traits lead to higher and more constant yields, which in turn allow for a competitive source of ethanol.
Dependable crop yields
Since cultivating dependable amounts of primary biomass products is essential for the success and penetration of the ecologically and economically promising hydrogen fuel cells into everyday use, one would ideally have to create plants that are able to deal with all major environmental concerns.
One of the concerns of biomass products is insect infestation. To resolve the problems that insects can cause, biotech companies have developed transgenic corn varieties, such as YieldGard and Bt corn for example, which provide intrinsic resistance against rootworm and corn borer attacks, and thus reliable crop yields.
A second factor is temperature stress. In fact, temperature stress is one of the major environmental factors that influences the physiological processes of a maturing seed. Thus, if a drought, or a sudden freeze occurs, grain yield and seed weight in many cereal crops such as corn, wheat and barley can be significantly reduced.
Therefore, one target is to create plants surviving at varying temperatures without yield loss. This has in part been achieved by L. Curtis Hannah and his team, who succeeded in altering ADP-glucose pyrophosphorylase, the key enzyme of the starch biosynthetic pathway in maize and potatoes. Due to a mutation in a subunit of the enzyme, the intramolecular interactions were enhanced, which resulted in a higher heat tolerance.
In other experiments with maize, Professor Hannah's team succeeded in finding a mutant called Rev6, which has an increased seed weight (11-18%) compared to wild-type plants. Since Rev6's higher seed weight was not associated with a reduction in seed number, the total seed mass produced by the plant was increased as well. This results in a larger amount of starch production per seed, which in turn increases the cost effectiveness of ethanol.
Improved fuel cells
The first chemical reactor combining oxygen gas molecules with hydrogen gas molecules to form water was developed a long time ago. Nevertheless, hydrogen fuel cells are still being fine-tuned and perfected. Currently, the most used fuel cells are proton exchange membrane fuel cell (PEM).
A PEM is like a sandwich containing a polymer based proton exchange membrane between an anode and a cathode layer. At the anode, a catalyst helps break hydrogen into protons and electrons. While the protons cross the membrane and recombine with oxygen and electrons at the cathode, the electrons travel through an electrical conductor from the anode to the cathode causing a current that can be used to drive an electrical engine, for example.
To improve the overall efficiency, recently, Dr. Suk Won Cha from Stanford University developed new variants of PEM fuel cells. His trick is to use a thinner diffusion layer (electrode) with more, but smaller, channels (20micrometers). The effect is an increased speed of oxygen crossing the electrode, and therefore increased power supply from the fuel cell. This knowledge will be immediately applicable upon small fuel cell applications, thus considerably increasing their efficiency.
Other scientists expressed concerns about this technique, because they feared water molecules might clog the new micro channels. In addressing their concerns, Dr. Cha stated, "I think water clogging is unavoidable as long as the fuel cell operates under 1000C. If a high temperature fuel cell is employed, the improvement from microchannels would be more prominent. However, even at low temperatures smaller channels do improve the performance."
Drawing from observations obtained from recent experiments, Dr. Cha noted, "Microchannels enable the use of an extremely thin gas diffusion layer which improves the performance significantly. So, the combination of microchannels and an extremely thin gas diffusion layer improves the performance significantly regardless of clogging."
Dr. Cha continued, "In my previous experiments, I have used carbon cloth as an electrode which is fairly soft, so it easily conforms to the shape of channels. At that time, the channel clogging effect showed up around 100micrometer channels. However, my recent experiment with carbon paper electrode, which is more rigid, revealed that the clogging effect did not show up at 20micrometer channels. So, if the channels are less clogged by a conformal electrode, the water clogging in channel would be prevented."
Rhodium-ceria catalysts
The new method of producing hydrogen gas molecules by a catalytic partial oxidation on rhodium-ceria catalysts, developed by L.D. Schmidt, J.R. Salge and their research team, provides an ecological and economical hydrogen source. Economical, because the high selectivity and conversion rate helps reducing the required energy input, and ecological, because as Dr. Salge noted, "An ethanol-to-hydrogen process has a closed CO2 loop, as the CO2 produced is used in the growth of the next generation of biomass."
However, the hydrogen produced is not directly usable in currently available proton exchange membrane fuel cells (PEM), because it is not yet pure enough. This means that additional fuel processing, such as preferential CO oxidation (PROX), is necessary to produce hydrogen for current PEM.
Asking Dr. Salge how this process might affect the ecological and economical aspects of hydrogen production from ethanol, he said, "PROX involves an additional air feed before the PROX catalyst, so there should be little effect." Dr. Salge noted that this has been demonstrated by other research groups in the past.
The efficiency of hydrogen production using the rhodium-ceria catalyst suggests that it may be possible to capture >50% of the energy from photosynthesis as electricity. Moreover, the chemical reactions may take place in very small vessels. Dr. Salge comments, "Chemical reactors like this have been tested as small as 0.8 cm in diameter and when used with a fuel cell they produce about 10W."
Thus, the combination of this chemical reactor with a fuel cell may substitute - in only a few years - laptop batteries and cell-phone accumulators. To charge the system, one would simply refuel it with ethanol and remove the wastewater. Scale-ups would make it possible to provide electricity for electrical car engines for example. Dr. Salge added, "We see early use of our system in remote areas where the installation of power lines is not feasible."
In the end, the possibility to grow dependable amounts of biomass that can be used to produce hydrogen in autothermal reforming processes, combined with more efficient fuel cells is making hydrogen fuel cell technology more feasible.
Green biofuels could boost Canadian agriculture, economy and environment February 26, 2003
Would it surprise you to know that you can fuel a bus with soybeans or canola?
That? exactly what? happening with a fleet of buses in Montreal and the BioBus project in Saskatoon in west central Canada. Thanks to plant biotechnology, alternative biofuels and processes can be made more efficient and affordable to produce.
Biofuels ?produced from renewable plant material ?are proving to decrease harmful emissions while enabling the growth of local, environmentally friendly energy supplies. Ethanol, produced primarily from grains such as corn, or biodiesel, made from oilseeds such as soybean and canola oil, are two renewable fuels.
Canada currently produces about 240 million litres of ethanol each year, a number the federal government has committed to increasing to 750 million litres per year by 2005 to deal with climate change challenges. Commercial production of biodiesel is relatively small, with output by three companies in Saskatchewan and Ontario.
Biofuels are just one additional market for crops that normally go for food or feed uses. Production costs and market prices will eventually determine end uses. However, as ethanol production increases, so will demand for grains. Last year alone ethanol production in Canada consumed over 17 million bushels of corn. In fact, ethanol is Ontario corn? third largest market.
Agriculture and Agri-Food Canada (AAFC) scientist Martin Reaney views canola biodiesel as one way to assist meeting the country's Kyoto Protocol commitments to reduce greenhouse gases while helping farmers and promoting rural development. This benefit will increase as more canola is produced using conservation tillage and biotech seed.
He points to the experiment in Saskatoon where two transit service buses will use a 5 percent blend of canola biodiesel while two other control buses will run with conventional fuel. Halfway through the project, the buses will be switched. Throughout the test period, each bus will be scientifically monitored, measured and eval!uated for characteristics such as emissions, fuel economy and engine wear.
Initial research conducted by Barry Hertz, University of Saskatchewan and the AAFC Saskatchewan Research Centre, has found that each ton of renewable biodiesel fuel saves five times its weight in diesel fuel. As well, engines using biodiesel demonstrate wear rates as much as 50 percent lower than those using regular commercial fuels ?effectively doubling engine life.
Biodiesel is environmentally friendly, quickly degrading into natural organic material. In fact, biodiesel degrades four times faster than petroleum diesel. The major challenge facing large-scale production and commercial use of biodiesel today is production costs that are three times that of petroleum diesel. Biotech research is underway to increase the oil content in canola and soybean crops that could make biodiesel production more efficient.
In the meantime, the use of biodiesel is gaining speed with the launch of the Montreal Biodiesel project in the spring of 2002, the largest municipal biodiesel project in North America. More than 140 buses, running on different blends of biodiesel derived from animal rendering and U.S. soybeans will be studied over the next year. The project is expected to consume more than 500,000 litres of biodiesel this year.
Fleets from government organizations such as Toronto Hydro and the city of Brampton, Ontario, are also climbing onboard the biodiesel wagon.
The future looks encouraging for biofuels production in Canada. Plant biotechnology companies are researching a corn with a higher starch content to accelerate the fermentation process used to make ethanol. Another avenue is to produce genetically-enhanced enzymes, yeasts and bacteria capable of producing ethanol from virtually any plant, tree or agricultural waste.
In the future, Martin Reaney points to the possibility of one hectare of wheat converting to a fuel that drives a vehicle for 7,000 kilometres. One hectare of canola could convert to biodiesel that fuels a vehicle for 14,000 kilometres.
With these kinds of statistics, it? not surprising that governments such as Ontario? recently introduced tax exemptions to boost biodiesel production from new companies such as BIOX Corporation.
Saskatchewan and Manitoba formally announced plans to regulate ethanol into gasoline in the spring of 2002.
Reliable enzyme activity translates into more starch December 20, 2002
By Christof Fellman, Checkbiotech
BASEL ?Recently a team of British scientists patented their invention to increase starch content in plants for commercial use.
Under the patent number 6,486,383 a British team, comprising of members from Cambridge and Cottenham universities, registered a method of genetically modifying a plant with a gene that encodes one subunit for adenosine diphosphoglucose pyrophosphorylase (ADPG PPase), a key enzyme responsible for starch synthesis.
In their study, the British team focused on two genes, shrunke-2 and brittle-2, which are subunits of the enzyme ADPG Ppase. Upon examining several wild samples of wheat, the researchers noted that species that have mutations in the genes coding for either shrunken-2, or the brittle-2 gene, will produce less starch than non-mutated wild varieties.
The scientists patented a method to produce a unique plant, in which only one subunit is needed for full activity of the enzyme. This fact facilitates the construction of the transgenic plant, because only one recombinant gene has to be inserted. With this patent, the non-mutated brittle-2 or shrunken-2 gene was chosen and inserted into the plant? genome. This new invention would help ensure more reliable starch production in targeted plants.
Why is starch important?
To start, starch is the most important form in which carbohydrates are stored in tissues of most higher plants. It consists of long chains of sugars (a polymer of glucosyl residues), that are synthesised from linking glucose-1-phosphate molecules together in starch granules called amyloblasts. Starch accumulates in leaves, tubers, fruit or seeds during photosynthesis, which is later used as energy reserves for plant growth and protection. Thus, starch level is a major vital factor for plants.
Furthermore, starch is one of the most important components of the human diet, as well as for many animals. Starch is even used in the industry to produce paper, textiles, plastics and adhesives. Thus, starch production, and its quality, is of great importance to the yield and commercial value of a plant.
Christof Fellmann is a writer for Checkbiotech and a student at Basel University, Switzerland.
Source: United States Patent and Trade Office
Team engineers hydrogen from biomass August 29, 2002 By James Beal
USA - In the search for a nonpolluting energy source, hydrogen is often cited as a potential source of unlimited clean power.
But hydrogen is only as clean as the process used to make it. Currently, most hydrogen is made from fossil fuels like natural gas using multi-step and high-temperature processes.
Now, chemical engineers at UW-Madison have developed a new process that produces hydrogen fuel from plants. This source of hydrogen is non-toxic, non-flammable and can be safely transported in the form of sugars.
Writing this week (Aug. 29) in the journal Nature, research scientist Randy Cortright, graduate student Rupali Davda and professor James Dumesic describe a process by which glucose, the same energy source used by most plants and animals, is converted to hydrogen, carbon dioxide, and gaseous alkanes with hydrogen constituting 50 percent of the products. More refined molecules such as ethylene glycol and methanol are almost completely converted to hydrogen and carbon dioxide.
"The process should be greenhouse-gas neutral," says Cortright. "Carbon dioxide is produced as a byproduct, but the plant biomass grown for hydrogen production will fix and store the carbon dioxide released the previous year."
Glucose is manufactured in vast quantities -- for example, in the form of corn syrup -- from corn starch, but can also be made from sugar beets, or low-cost biomass waste streams like paper mill sludge, cheese whey, corn stover or wood waste.
While hydrogen yields are higher for more refined molecules, Dumesic says glucose derived from waste biomass is likely to be the more practical candidate for cost effectively generating power.
"We believe we can make improvements to the catalyst and reactor design that will increase the amount of hydrogen we get from glucose," says Dumesic. "The alkane byproduct could be used to power an internal combustion engine or a solid-oxide fuel cell. Very little additional energy would be required to drive the process."
Because the Wisconsin process occurs in a liquid phase at low reaction temperatures (227 degrees C., 440 degrees F.) the hydrogen is made without the need to vaporize water. That represents a major energy savings compared to ethanol production or other conventional methods for producing hydrogen from fossil fuels based on vapor-phase, steam-reforming processes.
In addition, the low reaction temperatures result in very low carbon monoxide (CO) concentrations, making it possible to generate fuel-cell-grade hydrogen in a single-step process. The lack of CO in the hydrogen fuel clears a major obstacle to reliable fuel cell operation. CO poisons the electrode surfaces of low-temperature hydrogen fuel cells.
At current hydrogen yields, the team estimates the process could cost effectively generate electrical power. That, according to the Wisconsin researchers, assumes a low-cost biomass waste stream can be efficiently processed and fed into the system.
To be truly useful, the team says several process improvements must first be made. The platinum-based catalyst that drives the reaction is expensive and new combinations of catalysts and reactor configurations are needed to obtain higher hydrogen yields from more concentrated solutions of sugars.
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