<31302DC6F3C0DABFF820B9D9C0CCBFC0B8AEC6C4C0CCB3CAB8AE20B1E2BCFAB5BFC7E220B1E2BCFAB5BFC7E2BAB8B0EDBCAD2E687770>

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1 간행물등록번호 환경기술기술동향보고서 폐자원바이오리파이너리기술동향 - i -

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3 목 차 제 1 장기술의개요 1 제1절기술의정의 1 제2절기술의분류 1 제3절추진필요성및목적 2 제 2 장기술연구개발동향 3 제1절국내건설폐목재발생현황 3 제2절바이오매스전환기술 - 전처리기술 5 제3절국내외바이오매스전처리기술개발동향 9 제4절유기성폐기물전처리기술 11 제5절플랫폼화합물생산및전환기술동향 13 제 3 장산업체동향 19 제1절바이오매스전처리관련산업체동향 23 제2절바이오매스열분해및합성가스화관련산업체동향 34 제3절바이오가스 42 제 4 장기술의시장동향 47 제1절폐자원바이오매스기반화학제품의전망 49 제2절세계시장전망 50 제3절국내시장규모및전망 52 제4절제품별시장동향 55 제5절목질계바이오매스잔류물인리그닌의시장동향 58 제6절바이오리파이너리관련특허분석 67 제 5 장파급효과및전망 72 제 1 절기대효과 72 - i -

4 제 6 장기술의제안 75 제1절총괄연구과제제안 76 제2절세부과제 1 76 제3절세부과제 2 77 제 7 장참고문헌 79 - ii -

5 표목차 < 표 2-1> 권역별, 연도별건설폐목재발생량 4 < 표 2-2> 건설폐목재처리현황 4 < 표 2-3> 수도권매립지공사반입목재추정량 4 < 표 2-4> 주요전처리기술의특징비교 6 < 표 2-5> 여러가지전처리 / 당화기술중강산처리공정의장단점특성비교표 7 < 표 2-6> 해외주요국의젖산관련기술개발현황 16 < 표 2-7> 국내젖산관련기술개발현황 17 < 표 2-8> 국내외젖산관련기술수준비교 17 < 표 3-1> 바이오매스활용에너지화공정 1 21 < 표 3-2> 바이오매스활용에너지화공정 2 22 < 표 3-3> Chrisgas 프로젝트의참여국가및기관 36 < 표 3-4> 바이오매스가스화기술개발동향 41 < 표 3-5> EU의주요바이오가스생산기업 43 < 표 3-6> 미국의유기성폐자원통합처리상용화기술보유기업 44 < 표 3-7> 일본의유기성폐자원혐기성소화기술보유회사 44 < 표 3-8 > 국내에너지생산량추이 45 < 표 3-9> 유기성폐기물바이오가스시설수 46 < 표 4-1> 미국에너지부가선정한바이오매스유래의 Top Value-Added Chemicals 49 < 표 4-2> 화학제품의분야별세계시장예측 51 < 표 4-3> 바이오기반화학제품의세계시장진출 51 < 표 4-4> 바이오기술도입에따른화학제품생산비용과수익예측 52 < 표 4-5> 국내제조업총생산액에대한화학산업점유율 (2006년) 53 < 표 4-6> 국내바이오산업수급규모 53 < 표 4-7> 세계에탄올생산량 57 < 표 4-8> 에탄올세계시장규모 57 < 표 4-9> 에탄올세계시장전망 57 < 표 4-10> 에탄올국내시장규모 58 < 표 4-11> 에탄올국내시장전망 58 < 표 4-12> 리그닌설폰산염의국내수입현황 65 < 표 5-1> 바이오연료시장규모 73 - iii -

6 그림목차 < 그림 1-1> 기술의분류 1 < 그림 2-1> 강산처리공정개략도 8 < 그림 2-2> 삼성전자의 2단계전처리기개략도 ( 출처 : 미국특허 ) 10 < 그림 2-3> 미생물연료전지활용폐자원에너지화 12 < 그림 3-1> US DOE의 Integrated Biomass Platform 중 Waste Wood와 Forest Resources를원료로사용하는업체 List 20 < 그림 3-2> Alkenol 사의전처리반응기 24 < 그림 3-3> Masada 사의 Oxynol 공정흐름도 25 < 그림 3-4> Iogen 사의오타와데모플랜트 26 < 그림 3-5> Iogen 사의목질계바이오에탄올을사용하는닷지 (Dodge) 사의카라반 (Caravan) 자동차 26 < 그림 3-6> MASCOMA 사의 CPB 공정개략도 ( 출처 : 미국특허 ) 27 < 그림 3-7> SunOpta사의스팀폭쇄전처리기술 28 < 그림 3-8> SunOpta사의스팀폭쇄전처리공정 28 < 그림 3-9> Bluefire Ethanol사농축산전처리, 당화공정 29 < 그림 3-10> Pro-sonix 사의스팀전처리기 30 < 그림 3-11> 삼성전자의 2단계전처리기개략도 ( 출처 : 미국특허 ) 32 < 그림 3-12> 산림과학원의융합전처리기개략도 ( 출처 : 대한민국특허 ) 33 < 그림 3-13> 산림과학원의초임계수목질당화파일럿플랜트 34 < 그림 3-14> Chrisgas 프로젝트의 Värnamo 파일럿플랜트 35 < 그림 3-15> Choren BTL 기술개요도 38 < 그림 3-16> Choren의 Carbo-V 가스화공정 38 < 그림 3-17> Choren의 BTL 공정도 39 < 그림 3-18> 폭스바겐사의 BTL-디젤자동차 39 < 그림 3-19> Range Fuel사의 Commercial Plant 40 < 그림 4-1> 미국의바이오매스프로그램정부지원현황 48 < 그림 4-2> 바이오리파이너리산업 50 < 그림 4-3> 국내바이오화학산업생산규모 (2007년) 52 < 그림 4-4> 국내제조업구성 54 < 그림 4-5> 국내화학산업현황 (1999~2006년) 54 < 그림 4-6> 세계바이오에탄올생산추이및전망 56 - iv -

7 < 그림 4-7> 리그닌설폰산염의세계시장소비현황 61 < 그림 4-8> 리그닌설폰산염의지역별소비현황 62 < 그림 4-9> 리그닌의구조 63 < 그림 4-10> 리그닌설폰산염회수공정 64 < 그림 4-11> 국가별특허출원추이 67 < 그림 4-12> 국내특허출원추이 68 < 그림 4-13> 미국특허출원추이 68 < 그림 4-14> 바이오합성가스의출원인국적별특허출원추이 69 < 그림 4-15> 바이오가스연료화의출원인국적별특허출원추이 70 < 그림 4-16> 바이오디젤의출원인국적별특허출원추이 71 - v -

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9 제 1 장기술의개요 제 1 절기술의정의 석유자원을기반으로하는수송용연료를대체할수있는폐자원 ( 폐목재, 슬러지, 음식물류폐기물 ) 바이오매스기반연료및화학제품을생산하는데필요한원료확보를위해전처리및독성물질무해화융합기술을활용한폐자원원료화기술개발임. 제2절기술의분류 폐자원을원료로하는바이오리파이너리기술은국내에서다량으로확보가가능한폐자원원료인폐목재, 슬러지, 음식물류폐기물을에너지혹은화학물질로전환하기위해필요한 1차원료산물로변환하고전환공정을저해하거나독성을야기하는물질을최소화하는전처리공정기술과전환공정을통하여생산될수있는최종산물전환공정으로구분할수있음. < 그림 1-1> 기술의분류 - 1 -

10 그러나이러한공정은에너지를과도하게소비하게하고오염물질을배출하는등기존화석원료기반의에너지및화학제품생산공정과비교할때큰잇점을주고있지못함. 따라서에너지저소비형이며환경친화적인공정으로오염물질의배출과소요되는에너지의양을최소화할수있는신개념의전처리및전환공정이필요함. 이러한목적의달성을위해서는하나의단일기술로구성되었던기존공정보다는생물학적, 화학적, 물리적인기술들이융합된폐자원전처리및전환공정으로구성되어야하며본고서에서는 BT, NT, ET 등의기술을융합하여폐자원기반바이오리파이너리공정에대한기술을구분하였음. 제3절추진필요성및목적 폐자원유래저탄소녹색성장을위한신재생에너지및그린화학제품생산융합기술개발에대한산업및연구현장의요구가증가함에따라 폐자원바이오리파이너리 의기술개발동향분석이필요함. 정부는저탄소녹색성장및에너지기본계획에의한신재생에너지보급의핵심사업으로폐자원에너지화계획을추진하고있음. 2009년 7월환경부, 농림수산식품부, 교육과학기술부, 행정안전부, 지식경제부, 국토해양부등관계부처합동으로 폐자원및바이오매스에너지대책실행계획 를발표하였음. 폐자원및바이오매스에너지대책실행계획 은폐자원의에너지화, 저탄소녹색마을조성, 농수산바이오매스에너지화, 산림바이오매스에너지화등 4개의사업으로구성되어있음. 이중폐자원의에너지화사업은지식경제부의협조로환경부가주관하는것으로폐자원에너지화시설확충, 환경에너지타운조성, 산업계폐자원및하수슬러지에너지화, 폐자원에너지화기술개발및전문인력양성의 4개세부실행계획으로구성됨. 폐원및바이오매스에너지대책실행계획 에따르면 2013년까지가용가연성폐기물의 47%(182만톤 / 년 ), 가용유기성폐자원의 26%(204만톤 / 년 ) 를에너지화할계획임. 이러한폐자원에기반한에너지생산과관련된정부정책을성공적으로시행하기위해서는관련기술의최신동향분석을통한미래융합기술개발에대한대응방안의수립이필요함. 따라서본기술동향조사사업은폐자원을원료로하여생산가능한다양한형태의에너지와그린화학제품을분석조사하고이와관련된 BT, NT, ET 분야관련생산기술을개발하는데필요한요소핵심융합기술과극복하여야할문제점에대한기술조사를수행하였음

11 제 2 장기술연구개발동향 제1절국내건설폐목재발생현황 건설폐기물중폐목재류발생량은환경부연도별전국폐기물발생및처리현황통계자료를이용하였음. 권역별통계를위해전국을수도권 ( 서울, 인천, 경기 ), 강원, 중부 ( 대전, 충북, 충남 ), 영남 ( 부산, 대구, 울산, 경북, 경남 ), 호남 ( 광주, 전북, 전남 ), 제주등의 6개권역별로나누어발생량을조사하였음. 또한발생폐기물의처리방법별통계는전국과수도권을나누어정리하였다. 05년부터 건설폐기물의재활용촉진에관한법률 에의거건설폐기물성상분류기준이변경됨에따라 03, 04년도는가연성중나무류에대한자료를 05, 06, 07년도는가연성건설폐기물중폐목재에대한자료를사용하였음. 건설폐목재는주택의신축및해체시발생되는건축폐목재와항만, 철도, 도로등의토목공사과정에서발생되는토목공사폐목재가주를이루며, 이외에준설, 철강재설치등의특수폐목재가발생되기도함. 건설폐목재는도시개발이활발히이루어지고있는지역에서의발생이많고, 지역특성및경제상황등에의해서도영향을받는것으로생각됨. 수도권에서의건설폐목재발생비율은 2003년도에 92% 로절정에이른후약 40-60% 정도를나타내고있음. 발생되는건설폐기물은크게매립, 소각, 재활용등의방법으로처리되며 2007년도의통계자료를보면매립 0.01%, 소각 19%, 재활용 81% 로발생된건설폐목재중대부분이재활용되었으며, 매립비율은극히낮게나타났고매립은거의대부분수도권에서이루어지고있음. 환경부통계자료에는포함되어있지않지만수도권매립지공사로반입되는건설폐기물중에는많은양의폐목재가포함되어있는것으로알려져있음. 현재수도권매립지공사에는건설폐기물로부터폐목재를선별분리할수있는실증장치가가동중이며이장치를통해회수된폐목재를바이오부탄올생산을위한원료로사용하게됨. 2009년도수도권매립지통계연감에따르면매립지로반입되는건설폐기물에는약 30% 내외의목재가포함되어있고그양은연간 70만톤에이르는것으로조사되었음

12 < 표 2-1> 권역별, 연도별건설폐목재발생량 ( 단위 : 톤 ) 수도권 854, , , , ,245 강원 75,190 73,730 43,435 34,675 13,140 중부 87, ,880 78,110 78,840 40,150 영남 94, , , ,590 63,875 호남 63,875 90,885 64, ,310 27,375 제주 20,440 17,155 50,005 25,185 6,570 계 924,910 1,185,520 1,342, , ,355 < 표 2-2> 건설폐목재처리현황 ( 단위 : 톤 ) 매립 전국 95, ,025 7, 수도권 89, ,010 6, 소각 재활용 전국 320, ,985 27,375 79,935 50,370 수도권 210, ,925 12,775 36,865 20,440 전국 508, ,145 1,307, , ,985 수도권 352, , , ,585 93,805 < 표 2-3> 수도권매립지공사반입목재추정량 년도 건설폐기물반입량 (ton) 목재비율 (%) 추정목재반입량 (ton) ,576, , ,684, , ,998, ,

13 제2절바이오매스전환기술 - 전처리기술 목질계바이오매스는해부학적구성상리그닌 (lignin), 헤미셀룰로오스 (hemicellulose), 셀룰로오스 (cellulose) 로이루어져있으며, 이중셀룰로오스가쉽게당화될수있어바이오에너지, 플랫폼화합물등으로전환되기용이하기때문에가장높은가치를지님. 리그닌과헤미셀룰로오스는직접적촉매화학적전환에의하여바이오에너지로전환될수있으나, 아직연구단계가미비하기때문에목질계바이오매스전처리상에서셀룰로오스로의전환및분리가필요함. 따라서목질계바이오매스의전환기술중셀룰로오스의추출량또는추출효율을결정할수있는바이오매스의전처리기술은매우중요함. 특히불순물이많은폐바이오매스를활용하여케미칼및에너지로전환할때그중요성은더욱크다고할수있음. 1. 기계적전처리기술 기계적전처리의목적은셀룰로오스의중합도를줄여바이오매스의입자크기와결정화를감소시키고비표면적을증가시키는데있음. 바이오매스입자크기의감소는목질계셀룰로오스의가수분해성과발효성을높여, 여러유용한단당류및플랫폼화합물생산성을높일수있음. 기계적전처리의방법은분쇄법이나전기스핀법등이이용되고있지만, 생산효율이낮고미세화의균일성에도문제가있음. 2. 열적전처리기술 스팀 (steam) 처리, 열수 (hot water) 처리등을통하여헤미셀룰로오스를가용화시키고저항성물질의형성을제거함. 3. 화학적전처리 (1) 산전처리 (dilute acid pretreatment) 기술 바이오매스를희석된황산등의강산으로고온고압처리하는방법으로서가장널리통용되는방법으로알려져있음. 바이오매스의성분중대부분인헤미셀룰로오스의대부분을자일로오스나아라비노스등의오 - 5 -

14 탄당으로전환시킬수있을뿐아니라소량의리그닌을제거하는효과도있음. 하지만강산을사용하는산전처리법은세척한후에독성을제거하기때문에녹색기술로서가치가떨어지고, 이때바이오매스가함유하고있는셀룰로오스성분도함께제거될수있으므로개선이필요함. (2) 기타전처리기술 알칼리전처리, 산화전처리, 암모니아전처리등을통하여소량의리그닌을제거하고셀룰로오스의가수분해효과를높일수있지만산전처리법에비해효율이낮음. 섬유소계바이오매스는에탄올생산에이용가능한당의고분자물질인셀룰로스, 헤미셀룰로스와이용이불가능한리그닌이물리적으로결합되어있어효율적인활용을위해서는셀룰로스, 헤미셀룰로스의선택적인분리가필요함. 이를위해당을추출하거나리그닌을추출하여야함. 이러한전처리기술의특징에대해서는아래표에요약하였음. 현재최적전처리기술로판명된기술은없으며미국은현재옥수수대 (Corn stover) 등농산부산물의에탄올생산원료로활용을위해최적전처리기술개발연구를수행중임. 국내에서도적합한바이오매스종을먼저도출하고선정된바이오매스종으로부터셀룰로스와헤미셀룰로스를가장경제적으로회수할수있는전처리기술의개발에대한연구를수행하여야함. < 표 2-4> 주요전처리기술의특징비교 전처리기술명장점단점비고 약산침출헤미셀룰로스분리효율이높음. Gypsum 발생기초연구수행 암모니아침출 - 리그닌제거효율높음 - 암모니아회수가능 낮은생산성 기초연구수행 암모니아폭발 - 대량처리가능수율이낮음 - 증기폭쇄대량처리가능수율낮음벤치실험수행 SEDAP 헤미셀룰로스수율높음수율낮음 ph control 대량처리가능 - - Lime 처리 - 처리비용이낮다 - 반응속도낮음 - 소요면적대

15 4. 생물학적전처리기술 물리화학적전처리에의해얻어진셀룰로스와헤미셀룰로스는당의고분자이므로발효에직접적용이어려움. 발효공정에사용가능한단당류로전환하는 2차전처리가필요함. 이를위해셀룰로스는셀룰라제효소를사용하여분해하면포도당으로전환되고헤미셀룰로스는자일로스로분해됨. 생물학적전처리기술에서핵심요소기술은우수한효소생산균주의확보와동균주에의한효소생산조건의최적화임. 효소를이용한당화효율은운전조건 ( 온도, ph 및효소 / 기질등 ) 에따라달라지므로경제적인효소당화를위해서는당화조건의최적화에대한연구도필요함. 5. 강산을이용한전처리 / 당화동시기술 강산 ( 황산, 염산 ) 등을이용한전처리당화기술은전처리와동시에당화까지수행하는기술임. 다른전처리 / 당화기술에비하여폐목재와같은바이오매스처리에상대적으로우수한처리특성을나타내는것으로알려져있음. 황산을사용하는 Arkenol 공법과염산을사용하는 HCl High Technology 공법이알려져있음. < 표 2-5> 여러가지전처리 / 당화기술중강산처리공정의장단점특성비교표 대표적인강산전처리 / 당화공정의하나인황산이용공정의공정개략도를 < 그림 2-1> 에서보여주고있음

16 이공정도의특징중의하나는강산과당을분리하는공정 (SMB) 와분리된강산을다시농축하는공정 (acid concentrator) 의채용임. < 그림 2-1> 강산처리공정개략도 6. 미생물성장저해물질제거기술 전분유래기질외에목질계 (Lignocellulose) 유래기질을미생물이이용하기위해서는목질계기질을전처리하여야함. 다수의물리화학적처리를통하여목질계기질을단당류로전환시키는과정중에필연적으로미생물성장에저해를줘서향후바이오에탄올생산을억제하는물질을부산물로발생시킴. 현재예상되는부산물은 furfural, hydroxymethyl furfural (HMF), acetic, ferulic, glucuronic, p-coumaric acids, phenolic compound 인데이중 p-coumaric acid가상당한독성을나타내는것으로알려져있음. 따라서이러한독성물질을경제적으로제거하는기술이필요함. 이를위해서는목질계 (Lignocellulose) 유래기질의전처리시발생되는가수분해산물을동정하고이중미생물의대사를저해하는물질을찾는것이 1차적으로이루어져야함. 저해물질을효과적으로제거할수있는방법을고안해야하는데 p-coumaric acid와같은페놀계화합물의경우효소를이용하여침전시키는등의기술을이용할수있음

17 전처리된기질로부터미생물대사저해물질을제거하는보다효과적인기술의개발이시급함. 제3절국내외바이오매스전처리기술개발동향 기계적전처리기술, 열적전처리기술, 산전처리기술등이지금까지주로사용되고있는기술이며, 기술의수준이높지않음. 현재폐바이오매스전처리기술의중요성이높아지면서전세계적으로바이오매스전처리기술보완및신기술개발에많이노력을하고있음. 1. 기계적전처리기술동향 2010년일본의스기노머신주식회사에서는기존분쇄법이나전기스핀법등의생산효율과균일성을보완하는워터제트전처리시스템제품을상용화함. 워터제트전처리시스템은연속처리가가능해대량생산이용이하고효소반응과조합함으로써균일하게나노섬유화된셀룰로오스를양산, 그린복합재료의연구개발을가속시킬것으로기대됨. 2. 열적전처리기술동향 미국의 Pro-sonix 사에서는직접스팀분사방식 (Direct steam injection heating) 시스템을상용화하여바이오매스전환공정에적용. 3. 화학적전처리기술동향 미국의 MASCOMA 사에서는최근산전처리법과열수처리법을융합한 2단계전처리공정을개발함으로써기존의단일전처리시스템에비하여획기적인효율의향상을가져옴 (2009 년, 2010년미국특허등록 ). 2009년미국에너지성은바이오매스를이온화된액체 (ionic liquid) 로전처리하는기술을개발함. 당으로가수분해하는이온화된액체의사용은바이오매스를연료로더효율적으로전환할수있는가능성을보이지만, 경제성과좀더높은기술력이요구됨. 국내에서는최근삼성전자가알칼리전처리법과이온화된액체전처리법을융합한 2단계전처리시스템을개발하여국내특허 ( ) 와미국특허 ( ) 에등록함

18 < 그림 2-2> 삼성전자의 2 단계전처리기개략도 ( 출처 : 미국특허 ) 4. 기타전처리기술동향 2010년미국의 AdvanceBio Systems 사는에너지성의지원아래전처리반응기 (pretreatment reactor) 를개발하는데성공하였음. AdvanceBio Systems 사의전처리반응기는미국 NREL(National Renewable Energy Lab.) 연구소와함께연구중이며, 현재 190 kg/hr 규모의벤치시스템운행중에있음. 또한 AdvanceBio Systems 사의전처리반응기는독일 Siemens 사의가수분해공정시스템제품인 Hydrolyzer 를직접적으로도입함으로써, 전처리후셀룰로오스의가수분해공정까지포함하는시스템으로두회사가합작개발중에있음. 특히독일 Siemens 사는세계적인기계회사지만, 바이오매스전처리에관련된가수분해기, 센서등부속기계를생산하여전처리개발관련업체에납품하는방식으로바이오매스전처리사업에참여하고있음. 2009년한국해양연구원에서는바이오매스를발효가능한당으로분해시키는일반적인방법인산전처리법을보완한초임계전처리법을개발하였음. 초임계전처리는고압액화기술 (High-Pressure Liquefying Technology, HPLT) 을이용하여많은시간과화학물질을필요로하던타기술에비해친환경적이고높은효율을보이지만, 초임계상태라는가혹한공정조건때문에운전및유지비용등의경제성검토가필요함. 밖에국내외여러대학및기업에서바이오매스의전처리기술을연구개발중에있으며, 특히아이오와주립대학교농학공학과 (Agricultural and Biosystems Engineering, Iowa State University) 에서는미국에서최초로 Biomass Treatment 과목을개설하는등바이오시대를맞이하여바이오매스전처리기술에세계적인관심이집중되고있음

19 제4절유기성폐기물전처리기술 유기성폐기물, 즉음식물쓰레기및슬러지의생물학적처리에관해서는많은기술의발전이있었으며, 이미상용화되어있음. 특히혐기성미생물을이용한바이오가스생산은이들폐기물을지속가능한 (sustainable) 에너지원으로활용하고자하는기술로현재많은관심을받고있음. 최근에는유기성폐기물을혐기성미생물소화하는과정에서전기를생산하는 Bioelectrochemical Systems (BESs) 가새로운에너지기술로활발히연구되고있음. BES를활용한폐기물의활용으로는미생물연료전지 (Microbial Fuel Cell, MFC), 미생물전기분해셀 (Microbial Electrolysis Cell, MEC), 미생물전기합성 (Microbial Electrosynthesis) 등이제안되고있음. 이중, 미생물전기분해셀 (MEC) 는 Michigan State University 의 Bruce Logan 교수에의해 (Liu H. et al. 2005, Env. Sci. Eng. 39:4317) 고안된것으로가장가능성이있는기술로평가되고있음. 즉, 폐기물이나유기산을양극에붙어있는혐기성미생물 (Geobacter, Shewanella, Clostridium, Klebsiella, 등 ) 로처리를할때발생하는전자를모아음극으로보내면, 음극에서이전자를이용하여물을분해하고수소를생산하는기술임. 흔히유기산폐기물처리만으로는수소생산에필요한충분한전위차가발생하지않기때문에, 약간의외부에너지를제공하고있으며, 이때태양광등 CO2 발생이되지않는친환경전기에너지를활용하는방법이널리쓰이고있음. 또한, 음극에서는수소, 메탄등바이오가스뿐만아니라, 숙신산, 에탄올, 부탄올등바이오연료들을생산하는방법도다양하게시도되고있는것으로알려져있음. MEC 기술은높은수소생산성 (yield) 와암발효와의결합용이성등의장점을가짐. 따라서 fermentation effluent 와가축폐기물등을처리하는데용이함. (Lee et al. 2010, Trends Biotech 28:262) 최근이기술은나노기술을활용한새로운전극의개발, 양극에서의혐기성미생물제어, 전기분해셀의구조개선등을통하여빠른속도로발전하고있음. ISO14040 전주기평가결과에따르면, 유기페기물을 MEC로처리할경우 1000 Am-3 이상의성과를얻는다면, 기존의고속혐기성소화를통한 biogas 생산공정보다온실가스저감과환경영향에있어서월등히좋은장점을가질것이라고평가되었음. (Foley et al. 2010, Env. Sci. Tech. 44:3629)

20 < 그림 2-3> 미생물연료전지활용폐자원에너지화 1. 유기성폐기물관련국내연구동향 유기성폐기물의전처리방식은기존에는매립, 소각, 해양투기등으로처리를하고있었으나점차폐기물에서에너지원및질소원으로이용할수있다는인식의변화와함께사료화, 퇴비화, 메탄소화등이를재사용할수있는방향으로연구및기술적용이되어왔음.( 김종수, 2007) 음식물쓰레기의전처리기술은사료화혹은퇴비화를사용하고있으며퇴비화는호기성발효분해방식, 혐기성발효분해방식및건조발효방식을많이이용하고있으며사료화는고속발효건조방식및건조방식을많이이용하고있고증자 (cooking) 혹은기름튀김과같은방식도사용하고있음. 특히국내에서는축산분뇨의육상및해양투기금지법안에대한대안으로가스화및액비로의사용개발연구가 2000년대후반부터크게진행되어현재많은시설확충이되어가고있음. ( 한국과학기술정보연구원, 2008) 이와같은가스화는그동안신재생에너지기술개발사업을통하여많은정부지원이있었으며초기국내유기물폐기물의성상을고려하지않은외국기술의도입으로실패사례도많았으나현재는많은기술발전을이룬상태임. ( 김종수, 2007) 현재까지바이오가스의자원화기술은대부분매립지를대상으로적용되고있으며유기성폐기물에대한연구도진행되고있고특히음식물쓰레기를축산분뇨와혼합하여가스생산량도늘이고비료의냄새도줄여서민원도줄이는시도가덴마크독일에서시작되어우리나라도이를도입하여적용하고있음

21 그러나지금까지연구의대부분은발생가스의발생량증가를위한연구에치중되어실용화단계까지이르렀으나일부고효율화, 시스템신뢰도향상등의추가적기술개발이필요하며, 이와는대조적으로생산된바이오가스의활용부분에대한연구는대단히미흡한실정이며향후이에대한연구가필요함.( 에너지관리공단신재생에너지센터, 2007) 혐기성소화의결과로나오는액비도비료로사용이가능하나아직국내에서는실제적으로사용은잘되지않고있음.( 한국과학기술정보연구원, 2008) 또다른유기성폐기물인하수슬러지및축산폐수는점차폐기물의관점에서재사용되어야할원료물질로보려는경향이각국에서일어나고있으나, 오니자체에존재하는중금속, 농약 PCB등의함유량에따른독성문제로인하여등급별분류를통하여적정한선별 / 처리가진행되고있음. 유기성폐기물을이용하는연구의새로운적용법으로는수소생산혹은 Bio-oil 생산이있으며국내에서 Biohydrogen 생산과관련하여는 KIST 및포항공대에서연구가진행되고있으며, 급속열분해를유기성폐기물에적용하려는연구도최근많이수행되어이를통한하수슬러지의 Biooil 화의연구도국내연구진에의해발표가되었음. (Park, et al., 2010) 그러나이러한 Biohydrogen 혹은 Biooil화의연구는세계적으로도상용화단계까지간기술은없는것으로연구단계수준에서활발히진행되고있는실정임. 2. 유기성폐기물이용 MEC관련국내연구동향 GIST 김인수교수팀은 MEC와연료감응태양전지와의결합을통한수소생산에대하여연구를진행하고있으며, 채규정박사는김인수교수팀박사출신으로코오롱건설에서동일한주제로연구를하고있음. 명지대학교안대희교수팀은 MEC를폐수처리에이용하려는연구를진행하고있으며 MEC의연관기술인 Microbial Fuel Cell을연구하는그룹은 KIST 상병인박사팀, GIST 장인섭교수팀, GIST 이재영교수팀, 건국대학교김형주교수팀이활발히연구를하고있음. 제5절플랫폼화합물생산및전환기술동향 바이오매스의전처리공정과당화공정을통해생성된당류를원료로하여발효공정을통하여다양한플랫폼화합물을생산할수있음. 이러한플랫폼화합물들은생물화학적으로전환되어고부가가치정밀화학제품으로이용될수있으며, 현재우수균주의개발로플랫폼화합물의생산단가가계속낮아지고있기때문에경

22 제성측면에서매우유용함. 미국의에너지성에서는 2004년산업바이오화학기술을통해생산될수있는 10대플랫폼화합물을선정하여미래바이오시대에서화학산업의기초가되는중요한자원으로평가함. 현재관심이집중되는플랫폼화합물에는젖산 (lactic acid), 숙신산 (succinic acid) 등유기산류와글리세롤이있음. 1. 글리세롤전환기술동향 글리세롤로부터제조될수있는다양한화합물중에서 1,2-프로판디올 (1,2-PDO) 은폴리에스터수지, 액상세제, 의약품, 화장품, 향료, 페인트, 부동액등의재료로, 1,3-프로판디올 (1,3-PDO) 은항오염성, 강도, 염색용이성등을갖는신섬유로최근각광받고있는 Sorona(Dupont) 또는 Corterra(Shell) 의원료물질로, acrolein은다양한폴리머와세정제를생산하기위한중요한중간물질로각광받고있음. (1) 국외글리세롤전환기술동향 - 생촉매 ( 효소 ) 기술 미국, 유럽, 일본등의선진국에서는글리세롤을이용하여다양한고부가가치화합물을생산하는연구를수행하였으며, 1990년대초부터다양한케미컬로의전환이가능한글리세롤의효용성을찾는작업을수행. 미국 Dupont 사는대사공학을이용한 1,3-프로판디올합성및생산균주개발을성공하였고, 1,3-프로판디올을이용한 PTT 생산기술역시개발중에있음. 미국의라이스대학에서는바이오디젤부생글리세롤로부터프로판디올을생산하는균주를개발함. 중국의청하대학에서는이러한프로젝트의하나로생물학적방법으로바이오디젤글리세롤로부터 1,3-프로판디올을생산하는기술을개발하여 20,000톤 / 년의생산시설을건설하여상용화중에있음. (2) 국외글리세롤전환기술동향 - 불균일계촉매기술 현재는생촉매를이용하여글리세롤을다른화합물로전환하는연구가보편적이나생촉매를대신한불균일계촉매를개발한다면기존의화학공정과의상호호환성확보에크게유리할것임. 불균일계촉매를이용한글리세롤의화학적전환은전세계적으로연구초기단계에있으며, 이러한기술을선점하는것은바이오연료생산의경제성측면, 폐자원의효율적사용측면, 화학산

23 업에서의기술선점면에서중요. 미국 NREL 연구소는 2003년 1,3-프로판디올합성연구, 글리세롤가지형폴리에스테르, 가지형폴리락타이드폴리머합성에관한연구를진행중. 유럽의아헨공대, 일본의 Chiva 대학등에서글리세롤의탈수반응및수소첨가분해반응에의해프로판디올을제조하는기술에대한연구수행중에있음. 2. 바이오매스기반 C3/C4 단량체동향 C3/C4 단량체는수년간석유화학공정을기반으로생산및제조되어왔으나, 범세계적인환경규제와유가변동 ( 급등 ) 에따른수급불안과가격급등의문제가대두되고있어친환경대체공정및기술이요구되고있는실정임. 또한이러한물질들은범용및정밀화학, 섬유, 의료, 의약품전구체, 식품첨가제농업등타화합물에비해폭넓고다양한활용분야를갖고있으며, 석유화학기반의기술을대체함과동시에석유화학공정과는차별화된바이오리파이너리기술의핵심기술이며또한향후환경규제로부터자유로울수있는친환경적인대체기술임. (1) 젖산생산및전환기술동향 젖산은바이오매스유래화합물중바이오에탄올과함께가장중요한화합물로, 탈수화 / 에스테르화등에의해프로필렌글리콜, 1,3-프로판디올, 메틸아크릴레이트, 아크릴산, 에틸락테이트등의유용화학물질의원료가될수있음. 1) 국외젖산기술동향 2002년세계최초로 PLA의사업화에성공한 NatureWorks(Cargil) 사의경우 Lactobacillus 균주를사용하고있으며, 현재생산하는기술수준은 200 g/l, 발효수율 95%, 발효생산성 5 g/l/h 수준으로파악되고있음. 네덜란드의 Purac 사는광학적으로순수한젖산생산기술을확보하고있음. Degussa 사에서는젖산을기반으로하는 C3 단량체제조기술로서, 아크릴산, 프로필렌글리콜제조공정에대한파일럿플랜트를가동중에있음. BASF 사에서는아크릴산, 폴리우레탄의전환기술에대해연구중이며, Cargil 에서는에틸락테이트제조에관한연구가진행중임. 미국 NREL 연구소는가지형폴리락타이드합성에관한연구를진행중에있음

24 < 표 2-6> 해외주요국의젖산관련기술개발현황 기술명 개발단계 개발내용 개발주체 상용화 Lactobacillus 균주이용생산 광학적생산기술 미 ) Cargill 네 ) PURAC 사 Pilot 인니고구마이용, 유산균일 ) Toyota L-LA 발효기술 효모균주개발 바실러스균주개발 내산성균주개발 핀 ) VTT 일 ) Shimadzu 미 ) Cargill 기술검토 저가원재료이용성균주개발 (Xylose 이용성균주포함 ) 미 ) NREL 일 ) Kinki Univ. 핀 ) Univ. Helsinki 중 ) Zeijiang Univ. 등다수 세포고정화반응기 미 ) ISU 일 ) Shizuoka Univ. 세포재순환식반응기 스 ) Lunda Univ. D-LA 발효기술 기술검토 재조합균주개발 ( 효모, 대장균, 코리네균등 ) 미 ) Tate & Lyle 미 ) Univ. Florida 일 ) Toyota 일 ) RITE 유산균을이용한균주개발 일 ) 동경대스 ) Vigo Univ. 일차분리정제상용화침전법미 ) Cargill 2) 국내젖산기술동향 국내의경우젖산에관한연구개발은주로유산균을이용한젖산생산균주개발및이를활용한다양한탄소원으로부터의 L형젖산생산에관한것이주류를이룸

25 구분 발효 기술명 L-LA 발효기술 개발단계 < 표 2-7> 국내젖산관련기술개발현황 개발내용 개발주체 상용화아직없음아직없음 Pilot 재조합유산균및발효공정 CJ 제일제당 발효 L-LA 발효기술 기술검토 유산균균주동정및발효 KAIST 전남대학교인하대학교한국외국어대학교 저가원재료활용 CJ 제일제당전남대학교 발효 D-LA 발효기술기술검토재조합대장균 KRIBB 정제 일차분리정제 기술검토전기투석, 나노여과 CJ 제일제당, KAIST 주로 KAIST 를비롯한여러대학에서다양한유산균의분리동정및이를이용한젖산발효공정을개발한바있음. 최근제일제당에서는자체개발한유산균균주를이용하여젖산을파일럿규모에서 185 g/l 수준까지생산하는기술을개발한바있음. < 표 2-8> 국내외젖산관련기술수준비교 성능지표 국내 현재기술수준 국외 발효농도 (g/l) 발효수율 (%, w/w) 발효생산성 (g/l,hr) Lactate 전환율 (%) 전환수율 (%) 에스테르선택성 (%) (2) 숙신산생산및전환기술동향 숙신산은 1,4- 부탄디올 (1,4-butanediol) / 감마부티로락톤 (γ-butyrolactone) / 테트라하이드로퓨란 (Tetrahydrofuran) 등의용매및고분자로유도될수있는유용한중간체를생산할수있으며, 그중 1,4- 부탄디올은폴리에스테르, 폴리우레탄, 폴리에테르등의중요한고분자생산의원료가됨

26 1) 숙신산생산기술동향 현재독일 BASF 사와미국의 MBI 사가미생물을이용한숙신산대량생산기술을개발하여파일럿단계에서개발중에있음. 스웨덴의 LUT대학교와미국의라이스대학교는바이오매스를통한숙신산대량생산기술을개발함. 국내에서는 KAIST 생명화학공학과이상엽교수연구팀이, 자체적으로완성한맨하이미아균주의게놈정보를기반으로대사공학기법을활용하여숙신산고효율생산균주를개발하여, 세계적으로도숙신산의단가를크게낮출수있는기술로평가됨. 2) 숙신산전환기술동향 숙신산유도체를직접얻어내는기술개발은아직미비한실정이며, 기상전환방법과액상전환방법모두독일 BASF 사에서가장많은특허를보유하여앞서나가고있음. 최근프랑스의리옹환경연구소 (IRCE-LYON), 이탈리아의국가연구자문위원회 (CNR), 미국의요크대학등에서활발히연구중에있음. 국내에서는에너지기술연구원에서연구경험이있으며, 현재서울대학교, 고려대학교등에서연구개발중에있음

27 제 3 장산업체동향 기계적전처리기술, 열적전처리기술, 산전처리기술등이지금까지주로사용되고있는기술이며, 기술의수준이높지않음. 현재폐바이오매스전처리기술의중요성이높아지면서전세계적으로바이오매스전처리기술보완및신기술개발에많은노력을기울이고있음. 이러한전처리기술개발의노력은국가와기업체에서모두이루어지고있으며, 기존의전처리기술 ( 기계적전처리, 열적전처리, 산전처리 ) 을보완하는기술개발뿐만아니라신기술을도입하여개발하는방식까지자유롭게병행되고있음. 폐목재등의셀룰로오식바이오매스를기반으로한바이오리파이너리산업은최근들어미국, 유럽, 아시아등전세계적으로활발하게이루어지고있으나, 직접연소시켜에너지를회수하는기술을제외하고는대부분기술개발단계이거나상업화를검증단계에있음. 대표적으로미국 DOE의 Biomass Program의융합바이오리파이너리프로그램 (Integrated Biorefinery Program) 에는관련된여러업체들의연구개발및상업화를지원하고모니터링하고있음. 이중폐목재를이용하거나폐목재와유사한산림자원 (Forest Resources) 를이용하는프로그램을선별하면약 15개의업체들이관련연구개발을진행하고있는것으로파악됨. 본장에서는대표적인바이오리파이너리프로그램인미국의 IBP 중폐목재또는산림자원을활용하여연구개발및상업화를진행하고있는 15개업체에대한간략한소개와바이오매스가스화기술의대표적인업체인독일의 Choren 사와미국의 RangeFuel 사에대한동향과전처리, 당화및발효를통한바이오에탄올생산의대표적인업체인 Bluefire Ethanol 사와 Mascoma 사의동향에대해좀더자세히소개하고자함

28 < 그림 3-1> US DOE 의 Integrated Biomass Platform 중 Waste Wood 와 Forest Resources 를원료로사용하는업체 List

29 < 표 3-1> 바이오매스활용에너지화공정 1 Company Name Technology Project Scale Feedstocks Feedstock Size Product Product Capacity Location American Process Inc. Biochemical (Fermentation) Pilot Industrial wood hydrolyzate waste (from mixed northern hardwood) 30 Tons/day Cellulosic Ethanol and Potassium Acetate Ethanol 894,200 gal./yr. Potassium Acetate 696,000 gal./yr. Alpena, Michigan ClearFuels Technology Thermochemical (Gasfication) Pilot Woodwaste, Bagasse 20 Tons/day F-T Diesel F-T Jet Fuel 420 gallons/day Colorado Enerkem Corporation Thermochemical (Gasfication) Demo MSW, wood residues 300 Tons/day Ethanol 10 mil. gal./yr. Pontotoc, Mississippi GTI (Gas Technology Institute) Thermochemical (Pyrolysis) R&D Wood, Agricultural byproducts, algae - Gasoline, Diesel Bench Scale Des Plaines, IL Haldor Topsoe, Inc Thermochemical (Gasfication) Pilot Waste wood products 20 Tons/day Gasoline 345,000 gal./yr Houston, TX Des Plaines, IL UOP, LLC. Thermochemical (Pyrolysis) Pilot Agriculture wastes, pulp, paper, wood, energy crops and algae 1 Ton/day Gasoline, Diesel and Jet fuels 4 bbl./day Kapolei, Oahu, Hawaii Range Fuels, Inc Thermochemical (Gasfication) Commercial Woody biomass, forest residues, others 775 dry Tons/day Methanol, Ethanol, Power 20 mil. gal./yr Soperton, Georgia Flambeau River Biofuels Thermochemical (Gasfication) Commercial Woody biomass 1,000 Tons/day Diesel 18 mil. gal./yr. Park Falls, Wisconsin

30 < 표 3-2> 바이오매스활용에너지화공정 2 Company Name Technology Project Scale Feedstocks Feedstock Size Product Product Capacity Location Lignol Innovations Inc. Biochemical (Fermentation) Demo Poplar, Aspen, Cottonwood, etc. 100 Tons/day Ethanol, Lignin, Furfural Ethanol 1.8 mil. gal./yr. Lignin 5,500 tons/yr. Furfural 550 tons/yr. Ferndale, WA BlueFire Ethanol Biochemical (Fermentation) Commercial Lumber, Logging residues or chips, MSW 700 Tons/day Ethanol, Power, Gypsum 19 mil. gal/yr. Fulton, Mississippi Mascoma Corporation Biochemical (Fermentation) Commercial Hardwood pulpwood 650 Tons/day (Future: 1,300 Tons/day) Ethanol, Power 20 mil. gal./yr. (Future: 40 mil. gal./yr.) Kinross Charter Township, Michigan New Page Corporation Thermochemical (Gasfication) Demo Mill residues, un-merchantable wood 497 Tons/day F-T diesel, Power 8.2 mil. gal./yr Wisconsin Rapids, WI RSA (Red Shield Acquistion) Biochemical (Fermentation) Demo Woody Biomass 72 Tons/day Butanol, Acetic acid Butanol 1.5 mil. gal./yr Acetic acid 2.2 mil. gal./yr. Old Town, Maine

31 제1절바이오매스전처리관련산업체동향 1. 국외산업체동향 목질계바이오매스의전처리 / 당화공정의상용화및연구개발움직임은현재기존의전분계바이오연료가아닌셀룰로오스계바이오연료상용화를위하여가장중요한공정이며, 미국이대규모국가적차원의지원으로연구개발및상용화를주도하고있음. 미국은이미 1999년 NREL 연구소의주도아래 Auburn 대학, Dartmouth 대학, Michigan 주립대학, Purdue 대학, Texas A&M 대학, British Columbia 대학, Sherbrooke 대학등목질계바이오매스전처리 / 당화연구기관들로구성된 CAFI(Consortium for Applied Fundamentals and Innovation) 를구성하여셀룰로오스계바이오매스가수분해에관한기술개발을목적으로활발한연구활동중에있음. CAFI 는바이오매스전처리기술의선도개발, 상업화에따른기업의적용기술에대한자료제공, 바이오매스전처리성능개선및특성화를위한메커니즘규명등의사업을통하여현재여러기업들의바이오리파이너리상용화의근간이되고있음. 또한, 아이오와주립대학교농학공학과 (Agricultural and Biosystems Engineering, Iowa State University) 에서는미국에서최초로 'Biomass Pretreatment' 과목을개설하는등바이오시대를맞이하여바이오매스전처리기술에관심이집중되고있음. (1) Arkenol Corporation ( 미국 ) 미국의 DOE(Department of Energy) 와 NREL(National Renewable Energy Lab.) 연구소가대규모로바이오매스전처리기술의상용화를위하여자국기업에지원하고있으며, 대표적인기업으로는 Arkenol 사가현재상용화를진행중에있음. Arkenol 사는전통적으로바이오매스의고농축산전처리법에대한수많은기술특허를보유하고있는회사로서, 볏짚을이용하여바이오에탄올을생산하는바이오리파이너리프로젝트를캘리포니아에서미국최초로상용화시킴. Arkenol 사는강한산을이용한산전처리법을이용하며, 현재 500 ton/day 수준의대규모목질계바이오매스처리능력을보유하고있음

32 < 그림 3-2> Alkenol 사의전처리반응기 (2) Masada Resource Group ( 미국 ) 뉴욕에위치하고있는 Masada Resource Group 또한미국의 DOE와 NREL의전폭적인지원을받는바이오에탄올생산회사임. Arkenol 사가볏짚을주원료로이용하는반면에 Masada Resource Group은건설폐기물, 폐가구, 낙엽, 슬러지등뉴욕의도시쓰레기 (MSW, municipal solid waste) 의재활용을중심으로연구개발을진행중에있으며, 이에대한특허도다수보유하고있음. 이러한도시쓰레기재활용공정은 Masada Resource Group 의뉴욕프로젝트라는이름아래연구개발되고있으며, 2007년전처리-발효공정에의한바이오에탄올생산공정뿐만아니라가스화기를설치하여리그닌까지연료화시키는공정을포함하는대규모의 Oxynol 공정을개발하여현재상용화중에있음. Masada Resource Group 의 Oxynol 공정은매우고농도의황산을이용한산전처리법을이용하여도시쓰레기에서셀룰로오스를추출하고있음

33 < 그림 3-3> Masada 사의 Oxynol 공정흐름도 (3) Iogen Corporation ( 캐나다 ) 캐나다의 Iogen 사는셀룰로오스기반바이오에탄올을운송용연료로사용하는것을목적으로하고있는대규모회사로서, 캐나다오타와지역에서바이오매스의전처리부터바이오연료생산까지토탈시스템공정을갖춘데모플랜트를가동중에있음. Iogen 사는독일, 스코틀랜드, 미국등지에서폭스바겐, 크라이슬러등의자동차회사들과함께바이오연료자동차사용을시도하였고, 2009년캐나다오타와지역에서수송용목질계바이오에탄올연료를 Shell 충전소에공급하여세계최초로상용화함

34 < 그림 3-4> Iogen 사의오타와데모플랜트 < 그림 3-5> Iogen 사의목질계바이오에탄올을사용하는닷지 (Dodge) 사의카라반 (Caravan) 자동차 Iogen 사는약산을이용한산전처리법을이용하며, 현재 30 ton/day 규모의밀짚을원료로한목질계바이오매스전처리능력을보유하고있음. (4) MASCOMA Corporation ( 미국 ) 미국의 MASCOMA 사에서는최근산전처리법과열수처리법을융합한 2단계전처리공정을개발함으로써기존의단일전처리시스템에비하여획기적인효율의향상을가져옴 (2009 년, 2010년미국특허등록 )

35 MASCOMA 사는이러한융합개념의 CBP(Consolidated Bioprocess) 공정을개발하여로마와뉴욕에바이오연료생산데모플랜트를설치하여가동중에있음. < 그림 3-6> MASCOMA 사의 CPB 공정개략도 ( 출처 : 미국특허 ) MASCOMA 사는셀룰로오스를분해하여당화시키면서동시에에탄올로전활할수있는미생물을기반으로한 Consolidated Bioprocessing (CBP) 라는기술을개발하여상업화를추진하고있음. 2010년 9월에바이오매스전처리기술을보유한 SupOpta Bioprocess Inc. (SBI) 사를약 5천만불에인수, 합병함. SunOpta Bioprocess사캐나다소재의 SunOpta Inc. 에속한회사로스팀폭쇄를이용한바이오매스전처리기술을보유하고있으며상당한규모의상업시설을건설, 운전한경험이있음. MASCOMA 사는 SunOpta Bioprocess사를인수, 합병을통해바이오매스를전처리하는기술을확보함으로써자신들의 CBP 기술과의융합을통한시너지를얻을수있을것으로기대하고있음

36 < 그림 3-7> SunOpta 사의스팀폭쇄전처리기술 < 그림 3-8> SunOpta 사의스팀폭쇄전처리공정

37 (5) Bluefire Ethanol Bluefire Ethanol사는강산전처리, 당화 (Concentrated Acid Hydrolysis) 원천기술을보유한 Alkenol 사로부터기술독점라이센스를획득하여상업화를추진함. Alkenol 사의강산전처리, 당화기술은 2002년부터 2007까지일본에서 NEDO Project 로 IZUMI Site에건설, 운전되어기술을검증하였으며, 그시설은이후일본의엔지니어링회사인 JGC사가이용하였음. 미국 DOE로부터약 8천만달러의펀드 (Loan Guarantee) 를지원받아미시시피의풀톤에약 1,900 만갤런규모의상업공정건설을추진하여 2010년 12월에본격적인건설이시작됨. < 그림 3-9> Bluefire Ethanol 사농축산전처리, 당화공정 (6) 기타목질계바이오매스전처리및당화관련기업 DOE는 2007년부터 US$385million 을투자하여여러기업들과바이오연료생산플랜트를건설함

38 Abengoa ( 스페인 ), Poet ( 미국 ), Blue fire ( 미국 ), Range Fuels ( 미국 ) 등의에너지회사들이중소규모바이오리파이너리플랜트를건설하여가동중에있음. (7) Pro-sonix LLC ( 미국 ) 미국의 Pro-sonix 사에서는직접스팀분사방식 (Direct steam injection heating) 시스템을응용하여바이오매스전처리기개발에성공함. < 그림 3-10> Pro-sonix 사의스팀전처리기 (8) 스기노머신 ( 일본 ) 2010년일본의스기노머신주식회사에서는일본산업기술종합연구원과합작으로워터제트전처리시스템제품을개발함. 워터제트전처리시스템은목재, 볏짚, 산업폐기물등의원료를효율적으로미세화하였으며, 기존분쇄법이나전기스핀법등의생산효율을높이고균일성을보완하는효과를나타냄. 워터제트전처리시스템은연속처리가가능해대량생산이용이하고효소반응과조합함으로써균일하게나노섬유화된셀룰로오스를양산, 그린복합재료의연구개발을가속시킬것으로기대됨

39 (9) AdvanceBio Systems ( 미국 ), Siemens ( 독일 ) AdvanceBio Systems 사는 2010년에너지성의지원아래전처리반응기 (pretreatment reactor) 를개발하는데성공하였고, 상세한원리는아직밝혀진바가없음. AdvanceBio Systems 사의전처리반응기는미국 NREL(National Renewable Energy Lab.) 연구소와함께연구중이며, 현재 190 kg/hr 규모의벤치시스템운행중에있음. 또한 AdvanceBio Systems 사의전처리반응기는독일 Siemens 사의가수분해공정시스템제품인 Hydrolyzer 를직접적으로도입함으로써, 전처리후셀룰로오스의가수분해공정까지포함하는시스템으로두회사가합작개발중에있음. 특히독일 Siemens 사는세계적인기계회사지만, 바이오매스전처리에관련된가수분해기, 센서등부속기계를생산하여전처리개발관련업체에납품하는방식으로바이오매스전처리사업에참여하고있음. (10) 기타기술개발동향 2009년미국에너지성은바이오매스를이온화된액체 (ionic liquid) 로전처리하는기술을개발함. 당으로가수분해하는이온화된액체의사용은바이오매스를연료로더효율적으로전환할수있는가능성을보이지만, 경제성과좀더높은기술력이요구됨. 2. 국내산업체동향 국내목질계바이오매스전처리및당화공정에관한연구는대학및국가연구소를중심으로소규모의기초연구및응용에대한가능성을확인하는수준에머물러있음. 2008년 12월 18일, 한국석유품질연구원에서는바이오에탄올의상업화와관련하여공청회를열었지만, 정유업계와자동차업계가강력한반대입장을보인것으로알려졌으며그이유로는바이오에탄올의환경개선효과가없으므로조금더지켜보고결정해야할것이라고판단함. 하지만, 영국에서 2008년 1월에발표한자료에의하면연소시생산되는단위열량당바이오에탄올과휘발유의이산화탄소배출량은비슷하나, 바이오에탄올의경우

40 식물의광합성을통해이산화탄소가재흡수되는비율이높아환경개선효과가큰것으로보고됨. 따라서생산비용절감이절실해졌고, 단가를맞추기위해서는지금과같은전분계바이오연료가아니라셀룰로오스계 ( 목질계 ) 바이오연료를개발해야함. 이에따라국내에서도목질계바이오매스로부터생산되는셀룰로오스계바이오연료상용화에대한필요성이대두되고있으며, 최근상용화의움직임도포착되고있음. 전통적인전처리방식인기계적전처리법, 열전처리법, 산전처리법등은거의국외기업이특허를보유하고있기때문에국내기업들은이들을융합하는방식, 혹은신기술인초임계법 (supercritical method), 이온화액체법 (ionic liquid) 등을응용하는식의기술개발을하고있음. 국내에서는최근삼성전자가알칼리전처리법과이온화된액체전처리법을융합한 2단계전처리시스템을개발하여국내특허 ( ) 와미국특허 ( ) 에등록함. < 그림 3-11> 삼성전자의 2 단계전처리기개략도 ( 출처 : 미국특허 ) 하지만삼성전자의융합전처리공정에대한세부계획이나진행상황에대하여는밝혀진바가없음. 2009년한국해양연구원과강원대학교연구팀에서는해양계바이오매스를발효가능한당으로분해시키는초임계전처리법을개발하였음. 초임계전처리는고압액화기술 (High-Pressure Liquefying Technology, HPLT) 을이용하여많은시간과화학물질을필요로하던타기술에비해친환경적이고높은

41 효율을보이지만, 초임계상태라는가혹한공정조건때문에운전및유지비용등의경제성검토가필요함. 우리나라의산림청국립산림과학원은초임계수를이용한전처리법과산전처리법이융합된목질계바이오매스전처리공정을개발하여상용화에노력중임 ( 대한민국특허 ). < 그림 3-12> 산림과학원의융합전처리기개략도 ( 출처 : 대한민국특허 ) 최근산림과학원은목질계바이오매스에서바이오에탄올을추출할수있는실증시설인 ' 초임계수목질당화파일럿플랜트 ' 를서울의과학원안에준공하였음. 이시설은다양한종류의목질계바이오매스에서환경오염없이바이오에탄올의원료가되는당화액을시간당 70l가량추출할수있는실증장비이며, 전처리 / 당화공정을전문적으로하는파일럿플랜트규모의연구시설은세계에서최초임. 특히목질계바이오에탄올생산에서가장큰걸림돌로작용해왔던전처리비용과시간을크게줄여목질계바이오매스를이용한바이오연료상용화연구의주춧돌이될것으로기대됨

42 < 그림 3-13> 산림과학원의초임계수목질당화파일럿플랜트 한국가속기및플라즈마연구협회 ( 첨단전자빔산업기술이용센터 ) 는전자빔을이용한바이오매스전처리를통한당류생산효율증대연구개발및상용화에노력을하고있음. 한국가속기및플라즈마연구협회의경우, 정부의지원으로강원도철원군에첨단전자빔산업기술이용센터를구축하고 3종류의에너지별산업용전자가속기 (0.4MeV 12kW, 2MeV 100kW, 10MeV, 30kW) 를국내기술로개발, 설치 가동중에있음. 폴리머분해기능이있는전자빔을이용하여그동안분해의장애가되어실용화하지못하던리그닌등을선택적으로분해처리함으로써목질계바이오매스로부터당류로전환효율을높이는것이가능함. 제2절바이오매스열분해및합성가스화관련산업체동향 바이오매스의가스화공정은석탄의가스화 (1000 이상 ) 보다낮은약 범위에서진행되며, 급속열분해공정과는달리산화제로서공기, 산소또는수증기를가스화반응기에주입시켜일산화탄소 (CO) 와수소 (H2) 와같은가연성분으로구성된합성가스 (syngas) 또는 producer gas를생산함

43 바이오매스의가스화반응에필요한온도까지높여주기위한열에너지는반응기외부에서열에너지를직접공급하는방식과가스화반응에서발열반응에의해발생하는자체열에너지를이용하는방식을병행하여이용함. 일반적으로바이오매스가스화공정에서가장중요한기술개발요소는합성가스에포함되어있는불순물을효과적으로정제하는기술과가스화과정에서타르함량을최소화하는기술을들수있음. 바이오매스를이용하는가스화공정은석탄이나천연가스등화석자원을이용하는경우와는달리대형화를통한비용저감보다는연료비증가비율이훨씬크기때문에소규모분산형발전시설이더적합함. 1. 국외산업체동향 바이오매스의가스화공정은전통적으로화석연료등으로부터가스화를상용화하여높은기술력을보유하고있는유럽이주도적으로상용화노력을하고있음. 유럽연합 8개국에서공동으로추진하는 Chrisgas 프로젝트에서 2004년부터스웨덴 Värnamo 지방에서 18MWe 급파일럿공장을건설하여바이오매스를가연성합성가스를생산한다음가스터빈이나증기터빈에차례로적용하는 BIGCC(Biomass Integrated Gasfication Combined Cycle) 공정을개발하였음. 현재덴마크공대에서는급속열분해공정과가스화공정을융합한 2-stage 가스화공정을개발중에있음. < 그림 3-14> Chrisgas 프로젝트의 Värnamo 파일럿플랜트

44 < 표 3-3> Chrisgas 프로젝트의참여국가및기관 No. Name Country 1 Linnaeus University (LNU) Sweden 2 TPS Termiska Processer (TPS) Sweden 3 Kungl Tekniska Högskolan (KTH) Sweden 4 Pall Filtersystems (PALL) Germany 5 Forschungszentrum Jülich (FZJ) Germany 6 TK Energi (TKE) Denmark 7 Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas (CMA) Spain 8 TU Delft (TUD) Netherlands 9 Valutec (VAL) Finland 10 Växjö Värnamo Biomass Gasification Centre (VVBGC) Sweden 11 Università di Bologna (BOL) Italy 12 Catator (CAT) Sweden 13 S.E.P. Scandinavian Energy Project (SEP) Sweden 14 ENI S.p.A. (ENI) Italy 15 KS Ducente (DUC) Sweden 16 Linde - Linde Engineering Divisiom (LIN) Germany 17 Cornelissen Consulting Services BV (CCS) Netherlands 18 Södra Skogsägarna Ekonomisk Förening (SODRA) Sweden 19 Växjö Energi (VEAB) Sweden 20 Perstorp Oxo (PER) Sweden 80kWth/20kWe 이하의소규모 2단계가스화반응기를이용하여무인자동조작및장기간작동가능성을테스트하고있으며, 나아가 0.2-2MWe의중간규모와 10MWth 의대규모 2단계바이오매스가스화공정을시범작동하고있음. 핀란드국가연구소인 VTT 에서는기존의바이오매스의가스화공정효율을높일수있는새로운방식의가스화반응기개발및기존반응기의개선또는여러유형의바이오매스자원의효율적가스화를위한많은투자를하고있음. 독일은화석연료의사용을줄이고이를신재생에너지로충당한다는에너지정책을기반으로목질바이오매스나유기성폐기물의가스화공정을통해열에너지생산, 바이오연료생산과수소연료전지를개발중에있음. 독일의 Lurgi 사에서는기존석탄의가스화기공정설비를바이오매스에응용하여상용화단계에있음

45 네덜란드는현재옥수수나곡물의발효공정으로생산되는 1세대바이오연료 ( 바이오에탄올 / 바이오디젤 ) 를합성가스를화학적또는생물학적으로변환시켜액상의바이오연료 ( 합성디젤 / 가솔린 ) 를생산하는 2세대바이오연료화기술개발을목표로다양한바이오매스를활용할수있는가스화공정개발에주력하고있음. 현재네덜란드의 Geetruidenberg 지역에는건축폐목재를원료로 85MWth급 CFB 바이오매스가스화공장을가동하고있으며, Buggenum 지역에위치한 Willem-Alexander Central Shell IGCC 가스화공장은석탄과 185 천톤 /year 규모의목질계바이오매스를함께연소시키는방식으로운전하고있음. 이밖에미국의 GE, Shell, Primenergy, Community power 등의기업들이석탄가스화기를목질계바이오매스가스화공정에적용하여바이오에너지로의상용화단계에있음. (1) Choren Choren은 Carbo-V BTL pilot plant (α-plant) 를 1998년에완공하여바이오매스가스화에의한합성가스생산, 최적화및 engine 운전에관한실증연구를 2001년까지수행하였음. 2003년에는 FT synthesis unit를건설하여최초의상용 BTL plant (β-plant) 를 Freiberg 에건설하였고, 바이오매스원료를 10.5 ton/h 로공급할때 BTL-디젤을 1.8 ton/h 로생산할수있는기술을확보하였음 BTL- 디젤생산을위한파일럿플랜트를세계최초로건설하였으며, 이기술을바탕으로 4500 bbl/d 의합성원유생산공장을건설가동중이며, 향후동일규모의 5개의공장을건설할계획임. Alaska Nikiski 에는 300 bbl/d 규모의 F-T 테스트설비가갖춰져있으며, BTL plant 는 Kenai 지역의죽은전나무들을연료로사용하고있음. 또한생산된합성가스는석유화학제품, 비료, 가솔린, 디젤및가스터빈으로부터전기를생산하는데사용되고있음. 폭스바겐사의자동차를이용하여 BTL-디젤의적용, 실증하였음

46 < 그림 3-15> Choren BTL 기술개요도 Carbo-V Process (by Choren) for manufacturing syngas from solid biomass Biosyngas Composition (air-blown CFB gasifier in ECN): CO (18%); H 2 (16%); CO 2 (16%); CH 4 (5.5%); N 2 (42%) < 그림 3-16> Choren 의 Carbo-V 가스화공정 석유대체연구센터

47 < 그림 3-17> Choren 의 BTL 공정도 < 그림 3-18> 폭스바겐사의 BTL- 디젤자동차 (2) Range Fuels Range Fuels 사는 two-step thermochemical 공정을개발하여 bench scale 및 pilot scale 공정에서 10,000 시간이상의실증운전을수행하였음. Range Fuels 사의 two-step termochemical 기술은첫번째단계에서바이오매스를 Synthesis gas나 Syngas 로전환하고다음단계에서 gas를메탄올, 에탄올을포함한 low carbon 바이오연료로전환하는기술임. 이과정에서발생한열을이용하여스팀과전기를생산함

48 Bench 및 Pilot 공정운전경험을통해콜로라도덴버에최초의완전히통합된 pilot plant를건설하고 2008년부터운전을시작하여, 소나무등의 Hardwood로부터 renewable fuel를생산하는데성공하였음. 2007년에조지아주 Soperton 근처의 Treutlen County에최초의상업공정건설을시작하여 2010년에완공하여바이오매스로부터메탄올생산에성공함. < 그림 3-19> Range Fuel 사의 Commercial Plant

49 2. 국내산업체동향 국내의폐목재및산림바이오매스관련산업은주로바이오매스를직접연소하여에너지를회수하는펠릿보일러나우드칩보일러를이용하는산업은이미상업화가되었으나바이오매스가스화기술이나전처리, 당화와생물학적기술을통해에너지나화학물질을생산하는기술은아직연구개발단계에있음. < 표 3-4> 바이오매스가스화기술개발동향 연구수행기관연구개발의내용연구개발성과의활용현황 한경대학교 농촌지역의바이오매스를가스화하여난방등에활용하는연구수행 기초연구자료로서활용 한국에너지기술연구원 목질계바이오매스 updraft, downdraft 가스화반응기개발및합성가스이용방안제시 현재연구가진행중에있으며, 풍력발전등과 hybrid 형태로활용예정 농업공학연구소 농촌지역의바이오매스재료로서왕경등을이용하여가스화를통한에너지생산가능성을파악하였다. 기초연구자료로서활용 한국생산기술연구원 바이오매스가스화에의한청정 Biosyngas 제조공정개발을통해 BTL 에필요한합성가스생산및정제시스템개발 1t/d 규모의바이오매스가스화설비개발완료및 2 단계 scale-up 및이용다변화기술개발추진 한국생산기술연구원 저탄소청정가스화시스템개발을통한바이오매스가스화 - 정제 - 발전용시스템개발 중소규모바이오매스가스화및정제 - 발전을위한시스템개발중 한국생산기술연구원 가압유동층바이오매스가스화복합발전시스템설계기술개발 가압바이오매스가스화시스템의공정설계를위한기초자료로활용 바이오매스의가스화기술은직접연소에비해거쳐야하는공정이많기때문에, 유럽처럼가스화기술이발달되지않은우리나라에서는그기술수준이매우낮으며가스화공정의기술력확보가우선시되어야함. 국내바이오매스의가스화기술에대한연구는한경대학교, 한국에너지기술연구원, 농업공학연구소등에서고정층가스화기를중심으로이루어진적이있지만, 기초연구자료로서활용되는수준에그침. 최근순환유동층방식 (CFB, Circulating Fluidized Bed) 가스화기를이용하여한국생산기술연구원과한국에너지기술연구원은공동으로파일럿테스트설비를가동중에있음

50 한국생산기술연구원이개발한연소연계방식의가스화기는스팀을유동화매체로사용하여바이오합성가스의수율을높이는동시에스팀의개질에너지로연소열을사용함으로써바이오합성가스생산에매우유리함. 현재한국생산기술연구원은 1 ton/day 규모의파일럿설비를가동중에있으며, 10 ton/day 규모의통합운전을목표로가스화-정제시스템구축을진행중에있음. 제 3 절바이오가스 1. 국외산업체동향 바이오가스생산기술은 1970년대석유위기이후시작되어구동독시절상당한기술을확보하였으며최근 2000년대들어덴마크를중심으로한실용화방안이적극추진되고있음. 유럽에서는 50년대초부터특히독일에서바이오가스생산시설의연구및보급이왕성하여현재독일에서는개별형장치가약 2700기가운전되고있음. 이외덴마크에서는공동형 20기, 개별형 25기, 이탈리아에서는개별형 50기, 스웨덴에서는공동형 10기, 개별형 6기가가동중이며주된원료의주체는가축분뇨및식품산업폐기물및음식물쓰레기등임. ( 유성인, 2008) 그러나, 해외에서도바이오가스등은여타신재생에너지인태양광풍력등에비하여지원수준이낮으나독일은수력, 풍력, 지열등과대등한지원책을사용하여에너지화를추진하고있음. 일본은그동안타신재생에너지대비지원책이미미하였던바이오가스부분을 02년 신에너지이용촉진법 의지원대상에포함, 사업가능성조사등에따른비용지원을병행하고있음 ( 산업은행경제연구소, 2010). 독일은바이오가스의자원화를정부의재생에너지법 (EEG) 의지원에의해유기물폐기물의처리를통한바이오가스생산시설및회사 (ex : Schraden Biogas GmbH) 가설립되어바이오가스생산및전기발전시설을운용중에있음.( 외교통상부, 2009) 발전기기는대부분독일회사제품이많이판매되고있으며바이오가스에적용하기위한특수모델의발전기기가사용되고있는실정임. 유럽의주요바이오가스회사는다음표와같음

51 < 표 3-5> EU 의주요바이오가스생산기업 회사명국명처리과정폐기물종류공장수 생산능력 ( 천톤 / 년 ) Linde AG Wies-baden 독일 Linde BRV/KCA 습윤폐기물과건조폐기물 24 1,000 Kompogas AG 스위스 Kompogas 건조폐기물 Organic Waste Systems Schmack Biogas AG Valorga International Biotechnische Abfallverwertung GmbH & CoKG 벨기에 Dranco 건조폐기물 독일 Euco/Coccus 습윤폐기물 약 100 미공개 프랑스 Valorga 건조폐기물 12 1,047 독일 BTA 습윤폐기물 출처 : EurObserv' ER 2006, 신재생에너지 RD&D 전략 2030, 2007 에서재인용 주요회사들중에서도 2005년에스페인의주요폐기물수집업기업인 Urbaser 그룹의자회사가된 Valoga International 사는그대표적인회사임. 12개의시설이외에도중국의파트나와계약을맺고상해와북경에시설을건설중임. Linde AG 그룹의자회사인 Linde KCA 사는 Valorga 사의최대경쟁사로써유럽각국 ( 포르투칼, 이탈리아, 스페인등 ) 및중국에처리시설을건설 / 운용중임 ( 신재생에너지 RD&D 전략 2030, 2007). 상기기업이외에도덴마크의 BIOSCAN 은바이오가스생산및소화액처리시스템인 BIOREK 기술을이용하여바이오가스와열 / 전기를얻고정수된물과비료를얻는시스템을개발하였음. BIOSCAN 사는이외에 Linkogas Ambas 라는공동바이오가스시설을만들었으며이는전세계적으로가장규모가큰생산시설중의하나임. 1989~1990 년도에건설되었으며 1999년에재건축이되었으며이때중온균발효에서고온균발효과정으로전환하였으며이러한재건축으로바이오가스생산량이약 50% 까지증가하였음. 바이오가스생산량은년 9백 6십만톤으로 2400톤규모의대형발효조 4기로운용되고있음. 미국의경우에도아래표에정리된기업이외에다수의기업들이상용혐기소화기술을보유하고있으며이러한혐기소화기술을다양한유기성폐자원의처리에응용하고있음

52 < 표 3-6> 미국의유기성폐자원통합처리상용화기술보유기업 기업기술분류 / 자체기술대상폐기물협력사기타 Biogas Energy Inc. 혐기소화 /Flow-storag e Process 축산분뇨, 윤활유, 농업부산물, 음식류폐기물 Biogas Nard( 독일 ) 유기성폐자원처리 Power-X 혐기소화 /Enhanced anaerobic Treatment (EAT) 축산폐기물, 축산분뇨, 해양폐기물, 농산폐기물 Cambridge Energy Group 메탄생산, 발전 Microgy, Inc. 혐기소화 / Microgy system 축산분뇨, 축산폐기물 메탄생산, 발전 출처 : Biogas Energy Inc. Power-X, Microgy, Inc hompages 신재생에너지 RD&D 전략 2030, 2007 에서재인용 < 표 3-7> 일본의유기성폐자원혐기성소화기술보유회사 기술분류회사명기술명처리대상폐기물 ( 주 ) 에바라 온사이트형메탄발효장치 Bison (Bio Cycle System On site) 음식물쓰레기, 축산폐기물, 하수슬러지, 농업취락배수슬러지 ( 주 ) 카와사키중공업 하수처리장의습윤바이오매스종합처리시스템 축산폐기물, 생활쓰레기, 식품폐기물, 하수슬러지 혐기소화 ( 주 ) Hitz 히타치조선 ( 주 ) 오사카가스 바이오처리시스템 (Biological Treatment Systems)- 뷰라시스템 (Buhler System) 고효율메탄발효가스발전시스템 바이오가스제너레이션 (cogeneration) 음식물쓰레기 산업폐수슬러지, 하수슬러지, 가축분뇨 ( 주 ) 다쿠마바이오가스회수플랜트음식물쓰레기, 종이, 초목류 ( 주 ) 미쓰이조선나까소라지리싸이클링센터음식물쓰레기 KYOWA EXEO Co. PAMSys 바이오가스시스템축산분뇨, 음식물쓰레기 퇴비화 ( 주 ) 에바라컴포스트화장치 ( 주 ) Hitz 히타치조선 바이오처리시스템, 우데 / 리넷사시스템 (Uhde/Renaissa System) 음식물쓰레기, 축산폐기물, 하수슬러지, 농업취락배수슬러지 가축분뇨, 정화조슬러지, 음식물쓰레기, 산업유기폐기물등 출처 : 각사홈페이지, 신재생에너지 RD&D 전략 2030, 2007 에서재인용 이외일본기업카네마츠는 2008년 1월이데미츠흥산등 11개회사와합동회사방식으로 바이오가스넷재팬 을설립하고대표가되어사업화를리드해오고있으며정제장치를통해도시가스에상응하는품질의가스를얻는데성공했으며축산폐

53 수를이용하여생산한가스를레스토랑의햄버거공장에공급하는등의실증작업도마친상태임. 일본의마찌무라농장도분뇨를이용한바이오가스생산시설로 260톤의발효조를이용분뇨등을처리하고있음. 이외발전소의배기가스를이용하여해조류로전환하여 CO2를저감하고이바이오매스를이용하여 Biooil 혹은해조류관련제품을생산하려는기술도개발되었는데함부르크환경부는에너지공급기업체인 E.on사와공동으로배기가스의해조류전환시설 (Pilot scale 2.5m3) 을라이트부록 (Reitbrook) 지역난방발전소에설치가동중임. 2. 국내산업체동향 국내외를막론하고유기성폐기물을이용한바이오에너지혹은 Biorefinery 에의적용은대단히미미한실정이며현재는대부분 Biogas 의생산및이를이용한전기혹은중질가스생산정도에머물러있으며그나마동분야도국내의경우는대부분수익모델창출및기술완성도를높이는수준에머물러있음. 유기성폐기물은국내에너지산업에서차지하는비중이매우낮아서 0.1% 미만이로 2008년국내총1차에너지생산량 240,752천toe 중 165toe로 0.07% 임. < 표 3-8 > 국내에너지생산량추이 ( 단위 : 천 toe, %) 구분 CAGR 총 1차에너지신재생에너지유기성폐기물에너지 총 1 차에너지중비중 (%) 신재생에너지중비중 (%) 208, , , , , , , ,917 4,437 4,582 4,879 5,225 5,609 5, 자료 : 환경통계연감 ( 산업은행경제연구소, 2010 자료에서재인용 )

54 현재국내에는약 38개소의바이오가스시설및 15개매립가스에너지화시설이있음. 매립가스의경우예상에못미치는가스배출량, 잦은설비트러블등으로낮은설비이용률 (60%) 과이에따른수익성악화가문제가되고있으며발전차액지원도낮은수준임. 유기폐기물을이용한바이오가스시설의경우는가스및전기판매, 폐기물재처리, 퇴비판매등의수익모델및향후탄소배출권사업을추진하고있으나발전용량이큰대규모사업장과비교소규모사업장은정부지원이절실하며대규모사업장도극소수에불과하고발전차액지원제도가없을경우수익성이큰폭으로감소함. 전반적으로과도한투자비와이로인한금융비용이큰부담으로작용하고있음.( 산업은행경제연구소,2010) < 표 3-9> 유기성폐기물바이오가스시설수 ( 단위 : 개소, 톤 / 일 ) 구분 합계 음식쓰레기 음폐수 가축분뇨 하수슬러지 병합 시설수 시설용량 19, , ,803 4,603 자료 : 환경통계연감 ( 산업은행경제연구소, 2010 자료에서재인용 ) 바이오가스발생시설이외에국내연구동향으로는밀양대학교가청우엔지니어링 ( 주 ) 와음식물폐기물을질산화반응의탄소원으로이용하기위한적절한전처리법의개발로알콜및유기산발생을유도하는연구를시행하였으며이와유사하게질산화의탄소원으로유기산을이용하려는시도가있었음. 미생물연료전지를이용하여폐기물을처리하려는시도는아직세계적으로도산업계에아직적용할단계는아니며일부학계에서는 (ex. : 대전대학교 ) 미생물연료전지를음식물류폐기물탈리액을처리하는데적용하려는연구를하였음. ( 대전환경기술개발센터, 2008)

55 제 4 장기술의시장동향 현재까지바이오매스를기반으로하는화학제품은옥수수전분, 사탕수수당과같은식량자원을기반으로하였으나, 앞으로폐목재와같은폐자원바이오매스로대체하려는시도가활발함. 따라서본보고서에서는바이오매스로부터유래한화학제품시장동향을이용하여기술함. 2008년 9월미국국가정보위원회 (NIC, National Intelligence Council) 는향후정치, 군사, 경제, 사회전반에가장큰영향을미칠 6대와해성기술 (Disruptive Technology) 을선정, 발표하였으며여기에바이오매스유래화학제품이포함됨. 1 와해성기술 : 정치경제군사기타사회적측면등다양한분야에서국가경쟁력에위협이될수있거나혹은국력신장에기여할정도로파급효과가큰기술을의미 년 4월, SRI Consulting Business Intelligence는 NIC의요청으로 2025년까지세계의경제사회문화에대변혁을가지고올 6대와해성기술 에대한연구보고서를발간함. 3 SRICBI 가선정한각분야전문가들은총 102개의와해성기술을찾아내고, 그중세계인프라와권력질서에영향을미칠 2025년까지개발가능한다음의 6개기술을채택함. 첫째, 바이오노화기술 (Biogerontechnology) 둘째, 에너지저장소재 (Eenrgy Storage Materials) 셋째, 바이오연료와바이오화학제품 (Biofuel and Biobased Chemicals) 넷째, 청정석탄기술 (Clean Coal Technology) 다섯째, 서비스로봇 (Service Robotics) 여섯째, 인터넷 (The Internet of Things) 4 바이오연료및바이오화학제품은향후석유수급에대한불확실성을대비할뿐아니라온실가스배출저감을위한국제적협약준수및미래소비자들의니즈를만족시키는새로운친환경제품개발을가능케할것으로기대됨. 유럽집행위원회는 2008년 1월, 미래경쟁력의핵심이될혁신경제를이루기위한 ' 선도시장전략 (Lead Market Initiative; LMI)' 을발표하였으며, 6대선도시장의하나로바이오제품시장이포함됨

56 선도시장 : 연구와혁신을통해고도의성장가능성을가지는시장분야를의미. 유럽은리스본목표에도달하기위한발전전략을다룬 ' 혁신적유럽창조 (Creating an Innovative Europe)' 라는 Aho 보고서에서 선도시장 의개념을도입하였음. LMI의 6대선도시장은다음과같음. 첫째, 이헬스 (ehealth) 둘째, 건설 (Sustainable Construction) 셋째, 보호직물 (Protective Textiles) 넷째, 바이오제품 (Biobased Products) 다섯째, 재활용 (Recycling) 여섯째, 재생에너지 (Renewable Energy) 세계적화학기업들은바이오전문업체와전략적기술제휴로바이오화학제품을개발중에있음 (Burrill& Company, 2008). BASF( 독일 ) 는효소회사 (Novozyme) 와제휴, 아미노산및비타민을생산. Dow( 미국 ) 는곡물회사 (Cargill) 와합작하여바이오플라스틱 (PLA) 을생산Shell( 네덜란드 ) 은바이오전문업체 (Codexis) 와제휴하여. 수퍼효소를개발. DuPont( 미국 ) 은바이오전문업체 (Genencor) 와제휴하여알코올원료를생산. Ashland( 미국 ) 는 Cargill사와 propylene glycol(pg) 생산을위한합작벤처를설립 선진국은정부주도의기술개발장기비전제시및지원정책을시행하고있으며, 산업계와초기투자비용을분담함. 바이오매스에서각종연료및화학소재를생산하는공정개발및건설비용의일부 (30%) 를지원함 ( 미국 Biorefinery Developement Grants('02)). ( 단위 : 백만달러 ) < 그림 4-1> 미국의바이오매스프로그램정부지원현황

57 미국에너지부바이오매스프로그램 (Biomass Program) 의경우주로에너지및수자원개발예산 (Energy and Water Development (EWD) appropriations bills) 을통해지원됨. 제1절폐자원바이오매스기반화학제품의전망 아래의표에나타나있듯이, 미국에너지부는기존화학시장진입에핵심적인역할을하고큰폭의부가가치창출이가능한 12개의플랫폼화합물을선정하였음 (US DOE, 2004). 플랫폼화합물은바이오매스로부터생물학적, 화학적전환기술을통하여생산되는화합물로서여러개의관능기가존재하여새로운종류의유용한화합물로전환될수있는화합물을말함. 플랫폼화합물은특히폴리머, 키랄화합물, 화학원료, 정밀화합물, 고기능화합물, 범용화합물시장진입에경쟁력을가질것으로예상됨. < 표 4-1> 미국에너지부가선정한바이오매스유래의 Top Value-Added Chemicals 화학물질탄소수기반기술단계 1 ) 플랫폼화학물질단계 2 ) 1,4 카르본산 (1,4 diacids: succinic, fumaric and malic) 4 상업적생산 개발 3-하이드록시프로피오닉산 (3 hydroxypropionic acid) 3 개발 개발 루불린산 (levulinic acid) 5 상업적생산 개발 글루탐산 (glutamic acid/msg) 5 상업적생산 상세연구 솔비톨 (sorbitol) 6 상업적생산 상세연구 자일리톨 (xylitol/arabinol) 5 상업적생산 상세연구 2,5-퓨란다이카르본산 (2,5 furan dicarboxylic acid) 6 기초연구 기초연구 아스파틱산 (aspartic acid) 4 상세연구 기초연구 글루카릭산 (glucaric acid) 6 기초연구 기초연구 이타콘산 (itaconic acid) 5 상업적생산 기초연구 3-하이드록시부티롤락톤 (3-hydroxybutyrolactone) 4 상업적생산 기초연구 글리세롤 (glycerol) 3 상업적생산 기초연구 주 1 ): 기반기술단계 = 현기술수준 ; 상업적생산 은소량생산의기능성화학제품이나정밀화학제품에대한것임주 2 ): 플랫폼화학물질단계 = 대량범용화학제품으로서의생산단계또는향후다양한제품으로생산될가능성이있는플랫폼화학물질로서의생산단계자료 : 미국에너지부,

58 미래의통합바이오리파이너리는재생가능원료를사용하고생물학적, 화학적, 열화학적전환기술을통해다양한바이오화합물과바이오연료를생산할것임 (< 그림 4-2>). 자료 : Informa Economics et al., Biobased Multi-Client Study, March 2006 < 그림 4-2> 바이오리파이너리산업 일반적으로최종제품시장에서바이오화학제품의시장성숙도는매우낮아대부분이연구단계나초기개발단계에머무르고있으나시장에진입하여꾸준히매출을확대하는경우도존재함. 미국시장에서바이오기반의도료및접착제, 절연재, 흡착제등은시장진입이안착되었으며, 바이오기반의류, 플라스틱필름, 비료, 용제, 합성패널등의제품은초기상업화단계임. 제2절세계시장전망 1) 2005년기준세계화학산업시장규모는 1조 2천억달러임. 이중범용화학제품과폴리머가전체의 60% 를차지하고있으며, 특수화학제품이 30%, 정밀화학제품이 10% 를차지함. 향후 20여년간화학산업은매년 3~6% 씩큰폭으로성장하여 2025년까지 2조달러이상의규모로성장이예상됨 ( 의약품분야제외 ). 현재화학산업에대한상대적 1) USDA,

59 비중이 2% 에머무르고있는바이오화학산업의규모도 2010년까지 10%, 2025년까지 22% 의규모로성장할것으로전망됨. 2,500 억불로추정되는폴리머세계시장은 2025년까지 4,500 억불이상의규모로성장이예측되는가운데, 현재 0.1% 정도로추정되는바이오폴리머의점유율은 2025 년에는 10~20% 까지크게늘어날것으로전망되며, 향후원유공급량저하와가격상승에따라 33% 까지의점유율도가능할것으로예측되고있음. < 표 4-2> 화학제품의분야별세계시장예측 ( 단위 : 10 억달러 ) 2005년 2010년 2025년 화학제품분야 전체 바이오기반 전체 바이오기반 전체 바이오기반 범용화학제품 기능성화학제품 정밀화학제품 폴리머 전체 1, , , 주 : 의약품분야는제외 자료 : Bachmann, 2005; Cygnus Business Consulting & Research; Informa Economics et al. 바이오화학제품의석유화학제품대체정도는바이오화학제품의생산비용, 기능및환경규제에의해좌우될것임. 중기적관점에서바이오기반원료의가격은완만한상승세가예상되며, 장기적으로는목질계원료를사용함으로써그비용이크게낮아질것으로전망됨. 바이오화학제품생산에서는원료보다는가공비가주된비용임. 바이오폴리머시장은환경규제가강한유럽, 일본을중심으로형성중임. 유럽의다수기업들은바이오폴리머의환경친화적생산을위한자율협정을체결함 (2005.2). < 표 4-3> 바이오기반화학제품의세계시장진출 ( 단위 : %) 제품분야 2010년 2025년 범용화학제품 기능성화학제품 정밀화학제품 폴리머 자료 : Bachmann, 2003; Cygnus Business Consulting & Research; Informa Economics et al., Biobased Multi-client Study, March

60 향후새로운바이오화학제품은바이오기술에의한가치상승이높은정밀화학제품분야에집중되어개발될것으로전망됨. < 표 4-4> 바이오기술도입에따른화학제품생산비용과수익예측 ( 단위 : %) 제품분야 공정개선에따른비용절감 수익창출효과 범용화학제품 기능성화학제품 정밀화학제품 폴리머 자료 : Bachmann, 2003; Informa Economics et al., Biobased Multi-client Study, March 2006 제3절국내시장규모및전망 2007년현재국내바이오화학산업총생산은 1조 7,862 억원, 수출은 1조 838억원규모임. 바이오화학산업은국내바이오산업총생산 (3조7천억원) 의 48%, 총수출 (1 조5천억원 ) 의 74% 를차지함. 기능성화학제품과플랫폼화합물 2) 이각각 55%, 38% 로바이오화학제품의대부분을차지함. 자료 : 지식경제부기술표준원 / 산업연구원 / 한국바이오산업협회, 2007 년도국내바이오산업통계조사, 2008 < 그림 4-3> 국내바이오화학산업생산규모 (2007 년 ) 2) 본보고서에서아미노산은플랫폼화합물로분류됨

61 주요제품은라이신, 핵산등이있으며, 유럽, 미국, 중국등에수출 ( 라이신은세계시장의 30% 이상점유 ) 국내바이오화학산업분야기업은 CJ, 한국BASF, 대상등약 80여개임. 국내바이오화학산업은화학산업 3) 내비중이약 2%, 제조업내비중은약 0.2% 로선진국의사례에비하여크게낮음 4). 2001년기준미국바이오화학제품의총생산량은 125억파운드로화학산업의 5% 를차지하고 (BR&Di, 2002), 2004년생산량은 176억파운드에달함 (BR&Di, 2006). 유럽은효소단일품목의부가가치액 (GVA) 은 7억 4,100 만유로로화학산업의 0.5% 를차지하며, 효소공정을이용하여생산되는제품의총부가가치액은제조업분야전체 GVA의 5.1% 를차지함 (JRC, 2008). 국내바이오화학산업생산액증가율은 15.3% 로바이오산업전체증가율 14% 를약간상회함. < 표 4-5> 국내제조업총생산액에대한화학산업점유율 (2006 년 ) 생산액 / 연도 증가율 제조업 (A), 억원 8,517,890 9,127, % 화학산업 (B), 억원 795, , % 바이오화학산업 (C), 억원 15,204 17, % 비중 (C/B) 1.9% 2.1% - 비중 (C/A) 0.2% 0.2% - < 표 4-6> 국내바이오산업수급규모 공급 수요 연도 생산수입계내수수출 금액 비중 금액 비중 금액 비중 금액 비중 2004년 24, , ,929 19, , 년 27, , ,626 23, , 년 31, , ,949 27, , 년 37, , ,347 32, , 자료 : 지식경제부기술표준원 / 산업연구원 / 한국바이오산업협회, 2007년도국내바이오산업통계조사, ) 국내산업분류 D24 화합물및화학제품제조업 4) 2006 년통계조사보고서, 통계청,

62 국내화학산업의성장세는세계전망치보다낮은수준이며, 국내제조업내에서의비중도줄어드는추세임. 2006년국내화학산업총생산액은 82조1,523 억원으로제조업분야총생산액의 9.0% 차지하여전자부품산업, 자동차산업, 제1차금속산업에이어제조업분야에서 4번째규모임. 제조업에서화학산업이차지하는비중은약간의감소세를보여 1999년 ~2004 년의 9.6~9.9% 에서, 2005년에는 9.34%, 2006년에는 9.0% 에그침. < 그림 4-4> 국내제조업구성 ( 단위 : 천억 ) 주 : 괄호안은제조업중화학산업의출하액비중임. < 그림 4-5> 국내화학산업현황 (1999~2006 년 )

63 제4절제품별시장동향 바이오플랫폼화합물은바이오매스로부터생물학적 / 화학적전환을통해생산되며바이오화학제품제조에광범위하게사용되는기본화합물임. 이러한바이오플랫폼화합물에는화합물의탄소수에따라 C2, C3, C4 등의화합물로구분됨. 바이오매스기반 C2 플랫폼화합물 : 탄소수가 2개인화합물임. 대표적인것으로는바이오에탄올등이있음. 바이오매스기반 C3 플랫폼화합물 : 탄소수가 3개인화합물임. 대표적인것으로는젖산 (lactic acid), 글리세룰 (glycerol) 등이있음. 바이오매스기반 C4 플랫폼화합물 : 탄소수가 4개인화합물임. 대표적인것으로는숙신산 (succinic acid) 을비롯하여퓨말산 (fumaric acid), 말산 (maleic acid), 옥살산 (oxaloacetic acid), 아스파틱산등이있음. 1. 시장의특징 바이오에탄올은대체에너지개발, 에너지안보강화, 환경개선, 농가소득증대등사회전반의다양한파급효과를미치는산업으로관련산업및시장은막대한성장잠재력을보유하고있음. 대체에너지중에서특히바이오에탄올가격은수송용에너지로사용가능하기때문에석유가격과의연관성이밀접하며석유가격에비해가격이비쌀경우세금우대및정책적지원이필요함. 따라서선진국들은성장잠재력을인식하여가격경쟁력이없음에도불구하고정책적으로바이오연료도입을추진하고있음. 바이오매스로부터에탄올을생산하는동안전체의이산화탄소발생을증가시키지않는환경친화적인제품이며, 바이오매스로부터에탄올및석유화학제품의대체제품생산이가능하므로산업전반에막대한파급효과가있음. 에탄올은바이오리파이너리산업에서가장저렴하고생산량이높은제품이며, 손쉽게올레핀으로전환이가능하여석유화학제품의대체생산이향후석유화학제품시장에큰파급효과가기대됨. 석유화학납사분해공정에의한에틸렌, 프로필렌등의경질올레핀생산은배럴당 100 달러이상의고유가가지속되면서에틸렌 1톤당 1,050 달러, 프로필렌 1톤당 1,300 달러를넘어새로운올레핀제조공정의출현이가능한상황이도래하고있음

64 2004년 EuropaBio 보고서에따르면바이오매스로부터생산된에탄올로부터에틸렌제조기술은납사분해공정대비이산화탄소배출량이 106% 감소하기때문에 CO2 배출저감형제조공정으로서향후온실기체규제에대비하여큰의미를지니고있음. 2. 세계시장동향 에너지원으로바이오에너지의성장잠재력이가시화됨에따라최근전세계적으로에탄올수요및생산양이폭발적으로증가하고있음. 세계에탄올시장은 1980년중반이후 2000년까지 200억리터내외를유지하다가 2001년을기점으로연평균 20% 의높은성장률을기록하며, 2005년현재 390억리터규모로증가하였고, F.O. Licht의예측에따르면 2012년에는 650억리터 ( 현재의 1.7배수준 ) 규모로증가할것으로전망되고있음. 세계에탄올생산량은 2005년기준브라질이 167억리터로세계최대의규모를나타내고있으며, 근소한차이로미국이 166억리터로 2위를차지하고있고, 기타국가들에서에탄올생산및공급인프라가활발히확충되고있음. < 그림 4-6> 세계바이오에탄올생산추이및전망 5) 미국, 유럽등에서는대기환경개선을위해 MTBE(Methyl tertiary butyl ether) 에서 ETBE(Ethyl tertiary butyl ether) 로의대체를권장및제도화함으로써바이오에탄올상용화를촉구하고있으며, 캘리포니아등여러주에서는 MTBE 의사용을규제하면서바이오에탄올로만들어진 ETBE 사용을권장하고있음. 5) F.O. Licht, 바이오연료상업화급물살, LG 주간경제 ( )

65 MTBE 는메탄올을가공하여만들어진휘발유첨가물로환경개선을위해도입되었지만납성분배출등의문제점이있어미국에서는에탄올을가공하여만든휘발유첨가제인 ETBE 의사용을법으로규정하고있음. 유럽에서의 ETBE 수요로본바이오에탄올시장은 2006년 1,000,000m3(10억리터 ) 에서 2011년 1,700,000m3(17억리터 ) 로전망되고있음. < 표 4-7> 세계에탄올생산량 1) ( 단위 : billion litters) 국가별 / 에탄올생산량 2005년 2004년 브라질 미국 EU 아시아 중국 인도 아프리카 세계 < 표 4-8> 에탄올세계시장규모 세계시장규모 구분 물량 (L) 금액 ( 백만불 ) 320 억 380 억 430 억 470 억 520 억 550 억 16,000 19,000 21,500 23,500 26,000 27,500 주 : Ethanol price = $0.5/L 자료 : World Fuel Ethanol Analysis and Outlook, Dr Berg(F.O. Licht), April 2004 < 표 4-9> 에탄올세계시장전망 세계시장 구분 물량 (L) 금액 ( 백만불 ) 847 억 932 억 1,050 억 1,127 억 1,240 억 1,364 억 42,400 46,600 51,300 56,400 62,000 68,200 주 : 세계시장 CAGR=10%, Ethanol price = $0.5/L 자료 : World Fuel Ethanol Analysis and Outlook, Dr Berg(F.O. Licht), April

66 3. 국내시장동향 연료용바이오에탄올의경우아직국내에는법적으로허가되어있지않아아직시장이형성될수없는상황이며, 일부용매를포함한화학제품으로에탄올이활용되고있으나세계적인추세로인해향후수년내에에탄올연료시장이형성될것으로예측됨. 에탄올의전환에의한에틸렌, 프로필렌, 부타디엔제품생산분야는이미석유화학산업에서형성된대규모시장이있어이에대한대체가능성이시장에반영될것으로기대됨. < 표 4-10> 에탄올국내시장규모 구분 국내시장규모 물량 (L) 금액 ( 억원 ) 1 억 1 억 1 억 1 억 1 억 1 억 < 500 < 500 < 500 < 500 < 500 < 500 주 : Ethanol price = $0.5/L 자료 : World Fuel Ethanol Analysis and Outlook, Dr Berg(F.O. Licht), April 2004 < 표 4-11> 에탄올국내시장전망 국내시장 구분 물량 (L) 금액 ( 억원 ) 25 억 28 억 31 억 34 억 37 억 41 억 12,705 13,976 15,373 16,910 18,601 20,462 주 : Ethanol price = $0.5/L, 바이오에탄올연료 E3 도입법제화 (2012년예상 ) 이후세계시장의 3% 정도시장형성전망 ( 국내경제규모기준가정 ) 자료 : World Fuel Ethanol Analysis and Outlook, Dr Berg(F.O. Licht), April 2004 제 5 절목질계바이오매스잔류물인리그닌의시장동향 1. 국외시장동향 리그닌은라틴어인 lignum 이라는용어에서유래했지만, 일반적으로지용성페놀고분자를의미함

67 최근들어황산펄핑공정이크라프트공정으로대체되며너리그닌설폰산염의생산량은거의증가되지않고있고리그닌은열과빛에대해안정성이우수하며, 밀도와마멸성이낮아혼화제나충진제로활용가치가높음. 최근화학산업의성장과더불어환경친화적인제품을선호하는소비자들이증가함에따라, 기존제품을변형하여친환경성을부여하는제품을만들기위한노력은강화되고있음. 리그닌은석유화학물질인페놀성고분자를대체할수있는재생가능한고분자로서이에관련된수많은연구가진행되고있음. 또한리그닌을얻어내는공정에따라고분자물성이다르기때문에특정용도로활용및응용가치가높은고분자임. (1) 페놀-포름알데하이드레진 페놀-포름알데하이드레진은가장오래된열경화성합성레진의한종류이며, 산또는알카리촉매조건하에서페놀과포름알데하이드간의반응으로만들어짐. 벤젠으로부터시작되는페놀성레진의수요는연간 170억달러에달하며천연리그닌의화학적구조는페놀-포름알데하이드레진의구조와유사함. 천연리그닌과페놀성레진의구조적유사성때문에가교결합제를첨가하지않더라도두물질간상호작용을유도해낼수있음. (2) 리그닌의산화방지제로활용 산화방지제는공기중산화를방지하기위해윤활제, 식품, 동물사료등에첨가하거나, 고분자물을제조, 운반, 사용하는동한산화로인한분해를최소화하기위한화학약품임. 현재주로사용되고있는산화방지제로 butylated hydoxoytoluene (BHT), butylated bhydoxyanisole (BHA), propyl allate (PG) 등이있음. 이런산화방지제는대부분가격이 $3/kg 이높고원유를주원료로하고있음. 따라서천연물질이며무해한리그닌이식품과사료의산화방지제로활용될가능성이높다고전망할수있음

68 (3) 동물용약품 최근미국에서활용하고리그닌설폰산염은사료첨가제로활용하고있음. 리그닌을복용했을경우, 새끼돼지의설사빈도및사마율이낮아졌음. 또한, 리그닌식이요법이돼지뿐만아니라송아지의설사도줄일수있는결과를얻었음. 현재미국리그닌설폰산염시장에서 12.8% 약 3만 2천톤은가축사료펠릿으로사용되고있음. (4) 탄소섬유 앞으로기대되는리그닌활용분야로는탄소섬유를생산하는것이며리그닌으로부터탄소섬유를생산하게되면주로항공우주산업에서사용되는 oil-drived pitch나 polyacrylontrile (PAN) 생산되는탄소섬유시장을파고들수있을것으로판단됨. 일반적으로최종제품으로서의탄소섬유의가격은 $25/kg 이상인것으로파악됨. (5) 리그닌과고분자를혼합한친환경복합소재또는플라스틱소재 최근플라스틱에관한이슈는생분해성여부에있다. 일반적으로리그닌을혼합하여고분자를제조하게되면생분해가가능하게되며, 리그닌의혼합비가높아짐에따라고분자생분해성도높아지게됨. 리그닌은천연고분자이며독특한물성을가진원료를이용하여친환경제품을제조한다면고부가가치원료로서리그닌의수요또한증대될것임. 현재 Wood Plastic Composit (WPI) 라는용어로활용되는건축자재가있음. 이자재는목재와플라스틱의장점을고루살린자재로서올레핀계통의수지를사용하거나 PVC 혹은초강도제품특성을요구하는경우멜라민수지를사용할수있으며, 수지와 Wood 분말과결합하여제조됨. 현재수준에서는일반적인우드계열및초본계를이용하여혼합하기도하기때문에순수한리그닌을확보할수있다면 WPC 시장에진입이용이할것으로판단됨. 최근에는국내대기업을중심으로 Deck 및 Siding 재의시장이급속히형성되고있음. 그리고, 리그닌을 phenol compound monomer 전환한다면여러가지석유화학산업에응용이가능함. 그중고분자플라스틱으로서활용도있는데, 리그닌성분중 syringly unit과비슷한구조를띄는 Engineering Plastic 은전자기기에많이사용중인 Polyphenylene ether resin (PPE) 이있음

69 PPE의세계시장은 2009년기준으로 28만톤수준이며, $3.7~4.0/kg으로약 1.3조의시장이형성되어있음. 주요사용처는서유럽, 미국, 일본등이며시장의대부분인 16만톤정도를사용하고있다. 참고로국내에서는 SABIC Innovative Plastics Korea Ltd. Co와 BASF 가약 10천톤규모로생산하고있음. (6) 리그닌설폰산염 (Lignosulfonates) 시장 현재리그닌을활용한시장은리그닌설폰산염이유일하다. 전세계적으로리그닌설폰산염의시장은 130만톤 (2008 년 ) 으로그용도는 dispersant 와바인더로가장많이쓰임. 산업용도로는콘크리트혼화제로가장많이쓰이며, 리그닌설폰산염시장중 38% 를차지함. 두번째소비처인바인더는 copper mining, 카본블랙과 coal로활용되며리그닌설폰산염세계시장중 12% 를소비함. 대부분의리그닌설폰산염은펄프생산시발생되는부산물로리그닌이생산되며크라프트공정및선설포네이션공정에서발생하는리그닌을총칭함. < 그림 4-7> 리그닌설폰산염의세계시장소비현황

70 < 그림 4-8> 리그닌설폰산염의지역별소비현황 리그닌설폰산염은북유럽이가장많이생산소비하며전세계시장의약 30% 의생산과 23% 의소비를각각차지함. 그다음으로는생산은중유 / 동유럽이이며중국, 미국순으로 19, 17, 16% 로시장점유를하고있음. 대부분의리그닌설폰산염은목재펄핑과정에서발생하며, 펄핑액과 sulfite 펄핑 /sulfate 펄핑 (kraft 공정 ) 에서회수하여사용함. 리그닌설폰산염은설포네이트리그닌, 당, 레진, 무기물질등이섞여있는혼합물질이며이런다양한물질이혼합되어있어물에녹으며표면에반응성이있는물질들이많이함유되어있음. 그래서, 이런특성을활용하고자바인더, dispersant 등으로활용되고있음. 리그닌은다양한물질로구성되어있으며, 나무의종, 지역, 날씨, 나무나이등에따라달라질수있음. 일반적으로리그닌은불균일한고분자라할수있으며일반적으로리그닌은 quaiacyl (94%), p-hydroxyphenyl (5%) 와 syringyl (1%) 의그룹으로되어있으며그구조는아래와같음

71 출처 : 2009 Chemical Economics Handbook < 그림 4-9> 리그닌의구조 리그닌고분자의분자량은소프트우드인경우는 10,000, 하드우드인경우는 5,000 정도임. 일반적인리그닌설폰산염의시장에활용될수있는최소분자량은수백에서수천이상이어야함. 펄핑과정에서발생하는 Sulfite액에서는아래와같은공정에서의해서리그닌설폰산염을얻을수있음. 일반적으로 calcium, magnesium, sodium, ammonium bisulfite 를처리하면펄프를얻을수있으며, 이때올도를올리는과정에서리그닌이설폰화가되어물에녹게됨. 그과정중에리그닌이녹은용액을회수하여리그닌설폰산염을획득하게됨. 그리고, 리그닌설폰산염에일부남아있는당을이용해에탄올을생산하기도함. Borregard LignoTech과 Tembec Inc.sms 노르웨이 Sarpsborg와캐나다퀘백주에에탄올생산시설을확보하고있음. Kraft 공정은일반적으로소프트우드를사용하며, 위공정과유사하게 sodium sulfate 를이용하여 sulfate 공정이라고불리우기도함. 염기성을띄는용액은이산화탄소또는황산을이용하여중화하며, 중화된액은 black liquor라불리움. 이 black liquor에서침전되는리그닌설폰산염을회수할수있음. MeadWestvaco Corp이유일하게생산설비를갖추고있으며, 일반적으로 black liquor는에너지회수를위해태워지고있음

72 출처 : Lignin, Sarkanen and Ludwig, eds., John Wiley & Sons, Inc., New York, 1971, p < 그림 4-10> 리그닌설폰산염회수공정 Borregard LignoTech 는리그닌설폰산염의세계 1위업체이며, 연간리그닌설폰산염생산량 60 만톤수준 ( 세계 M/S 50~60% 추정 ) 으로판매하고있음. Borregard LigonTech 은본연구외에리그닌활용연구등에 100명이상의연구원과대학, 연구기관등과함께연구개발협력체제로운영중임. 리그닌의용도개발과고부가화연구를진행중이며, modification 을통해고가리그닌제품판매중이며용도별그리고한가지용도에도다양한제품이나와있음. 국내에도현재 16종정도의리그닌설폰산염제품이판매중임. 주요권역은판매법인직할체제이며, 비수요지역은판매대행체제를취하고있음. 최근기술최고책임자를싱가포르에발령하여동남아시아시장공략중에있으며, 이는동남아시아경제성장국가들에서의리그닌수요확대에대응하기위해서라고함. 동남아시아는콘크리트혼화제로리그닌대체재이슈가약하고 ( 낮은건물위주 / 비용대비효율성 ). 사료용으로판매가아직유효하기 ( 최신펠렛설비미보급 ) 때문인것으로추정됨

73 2. 국내시장규모및전망 (1) 리그닌설폰산염시장 국내에서형성되어있는리그닌설폰산염시장은전량수입되고있음. 주요수입처는북유럽과중국, 남아프리카공화국이며중국에서들어오는리그닌설폰산염의경우에는갈대에서유래된산물로서품질수준이좀낮은단점이있고타국가에서들어오는경우는우드에서유래된높은수준의품질을유지하고있음. 연간사용량은 8~10만톤규모로사용되고있으며, 대부분콘크리트혼화제로활용하고있음. < 표 4-12> 리그닌설폰산염의국내수입현황 출처 : Statistical Yearbook of Foreign Trade, KoreaTariff Association ( ) CEH estimates (2008) 펠렛용바인더로서의시장은최근국내는펠렛설비개선을통해별도의바인더를안쓰는방향으로시장변화움직이고있음. 최근에펠렛기기 (Doulble conditioner 등 ) 성능이좋아별도로펠렛바인더를첨가할필요가없어졌기때문에시장수요가급감했음. 펠렛용바인더로서국내판매가격은분말 $800/ 톤, 액상 $400/ 톤 (48% 리그닌 ) 수준임. 콘크리트혼화제로판매는리그닌설폰산염을수입하여다른일부원료들과섞어서

74 콘크리트혼화제제품생산함. 국내시장규는현재 7만톤수준이며분말 $300~450/ 톤 ( 남아공, 스웨덴, 노르웨이제품 ), 액상 $130~150/ 톤 ( 중국 50% 제품 ) 으로판매됨. 중국은갈대제지공장의환경폐수문제로리그닌생산업체수가감소중임. 리그닌설폰산염기능은리그닌설폰산염은 (-) charge 를가지고있어서 (+) charger 를가진콘크리트와혼화되는특성을보유하고있음. 리그닌설폰산염으로만든콘크리트는강도가약해 20층이상에는사용하지못하는문제점을안고있어선진국에서는폴리나프탈렌설폰산염, 폴리카보네이트로전환중에있어, 리그닌설폰산염시장이확대되고있지는않음. 하지만개발도상국, 후진국에서는아직도리그닌설폰산염을많이사용중임으로중국을포함한동남아시아의시장성은존재함. (2) 리그닌설폰산염시장전망 현재리그닌설폰산염은새로운대체재및효율적설비등의등장으로기존시장 ( 콘크리트혼화제, 사료용펠렛바인더 ) 은정체또는감소할가능성이높음. 하지만, 개도국중심의기존용도의시장확대와선진국중심의새로운용도로의시장발생가능성높을것으로판단됨. (3) 바이오매스리그닌시장전망 바이오매스전처리 / 당화공정으로부터발생되는리그닌은그용도활용이아직구체화되지않고있으며, 리그닌의분자량, 구조특성, 조성에따라리그닌활용방향전략이구축될것으로보임. 특히, 기존시장인리그닌설폰산염에대한접근은비교적용이한편이며, 이를바탕으로연료, 리그닌설폰산염, 기타리그닌고부가가치화를실현한다면경제적인바이오매스전처리 / 당화공정그리고향후바이오화학 / 에너지사업에도원가경쟁력을구축할수있을것으로판단됨

75 제6절바이오리파이너리관련특허분석 1. 국가별관련특허분석 국가별바이오리파이너리특허는화석에너지의고갈우려와지구온난화에대한국제적인규제대응방안논의가본격적으로이루어지기시작한시점인 2000년을기준으로선진각국을중심으로출원되기시작함. 특히상당부분의특허가기술의선진수준을보이고있는미국을중심으로진행되어오고있음을분석을통해볼수있음. 분석대상 : 한국, 미국, 일본, 유럽, 국제특허 : 1991~2011 년 ( 출원년도 ) < 그림 4-11> 국가별특허출원추이 국내관련특허의경우, 바이오연료로서상용화단계에있는바이오디젤이가장많은부분을차지하고있으며바이오가스등과관련된기술이주요기술로출원되고있음. 최근비식용작물이나바이오매스로부터바이오연료나바이오화학제품을생산하고자하는노력들이경주되고있어바이오매스의전처리관련기술의도약도눈에띄고있음

76 분석대상 : 한국등록 / 공개특허 : 1991~2011 년 ( 출원년도 ) < 그림 4-12> 국내특허출원추이 분석대상 : 미국등록 / 공개특허 : 1991~2011 년 ( 출원년도 ) < 그림 4-13> 미국특허출원추이

77 현재의바이오에탄올연료를대체할수있는바이오부탄올이나비알콜계탄화수소와같은차세대연료에대한특허도 2006년을기점으로출원이활발해지고있어차세대바이오연료개발에대한국내기업및연구소들의관심을간접적으로알수있음. 미국의경우, 바이오가스를수송연료화하려는노력과목질계나초본계바이오매스를열분해를통해바이오합성가스로만드는기술이국내특허분석과는다르게상위를차지하는점이특이할만함. 2. 기술별관련특허분석 현재상용화되었거나기술개발수준이상위인기술을특정하여바이오합성가스, 바이오가스연료화, 바이오디젤을중심으로기술별특허를분석하였음. 바이오합성가스의경우, 목질계나초본계바이오매스를열분해를통하여바이오가스로만드는공정으로관련된바이오매스를다량보유하고있는국가를중심으로기술개발이이루어지고있음을알수있음. 1. 분석기간 : ~ ( 출원일기준 ) 2. 분석대상 : 한국, 미국, 일본, 유럽 ( 해당국가출원된특허의출원인국적 ) < 그림 4-14> 바이오합성가스의출원인국적별특허출원추이

78 매립지나유기성폐기물을원료로하는바이오가스생산시설에서생산되는바이오가스를액화나압축정제공정을통하여수송용가스로변환시키는기술은미국, 일본, 한국등이연구를활발히하는것으로분석이되었으나일본은 90년대중반부터관련기술을개발하여왔으나미국과한국은최근에바이오가스의수송연료화기술을개발하기시작하였음을볼수있으며이러한추이가일본과미국, 한국의기술개발상황을간접적으로보여주고있음. 1. 분석기간 : ~ ( 출원일기준 ) 2. 분석대상 : 한국, 미국, 일본, 유럽 ( 해당국가출원된특허의출원인국적 ) < 그림 4-15> 바이오가스연료화의출원인국적별특허출원추이 바이오디젤은바이오기반기술인바이오리파이너리기술을활용한수송연료중에서가장연료시장및화학산업시장에진입한제품으로미국과한국이주도적으로기술을개발하고있는것으로분석되었음. 미국, 한국, 일본모두 2000년대중반부터바이오디젤기술개발을위한기술특허를출원하기시작하였으며이러한시기는바이오디젤의상용보급이활발해지기시작한시점과일치함. 이러한추이를통하여바이오리파이너를통하여생산되는화학산업제품들역시관련시장이열려야하며이러한시장수요를만족시킬수있는기술력이뒷받침되어야함을알수있음

79 바이오리파이너리기술은다양한기술의융합을통하여이루어지므로융합기술영역에속하며특허역시다양한기술들이상호보완하는내용으로출원이되어있어기술별, 제품별로분석하기가어려워대포적인제품을중심으로기술개발추이를살펴보았음. 1. 분석기간 : ~ ( 출원일기준 ) 2. 분석대상 : 한국, 미국, 일본, 유럽 ( 해당국가출원된특허의출원인국적 ) < 그림 4-16> 바이오디젤의출원인국적별특허출원추이