대체연료의기술동향및미래전망 최윤남 ( 포항공과대학교 ) 분석자서문 급속한화석연료자원의고갈이심각한사회문제로대두되면서, 이를대체할수있는연료의 개발연구가활발히진행되고있다. 본분석물에서는식물성오일에서바이오디젤, 수소, 석탄액 화기술에이르는다양한대체연료자원에대한특성과연구현황및미래전망을다루고있다. Keywords: Alternative fuels, Vegetable oil, Biodiesel, Hydrogen, CTL, 대체연료, 식물성오일, 바이오 디젤, 수소, 석탄액화기술 1. 개요 자원의고갈과환경오염으로인해현재 의화석연료를대체할수있는친환경에너지 원을찾기위한노력이전세계에서이루어지 고있다. 본문에서는에탄올과식물성오일, 글리세롤, 바이오매스, 바이오디젤, 수소에이 르는대체연료의자세한특성과이들이환경 에미치는영향에대해다루고자한다. 2. 연료의점화및연소특성 1 장에서언급한대체연료가현재의화 석자원기반의연료시스템을대체하기위해 서는기존의화석연료와유사한점화및연소 특성을보이는것이무엇보다중요하다. 연료 를특징짓는주요특성으로는세탄가, 발열량, 옥탄가, 인화점, 휘발성, 자기발화온도등이 있다. 특성 세탄가 발열량 옥탄가 인화점 표 2-1. 연료의주요점화 / 연소특성 설명연료의점화연기 (Ignition delay, 연료주입후연소까지의시간 ) 특성을알려주는지표로, 세탄가가높을수록점화연기시간이작음. 연료의에너지함량을나타내는연소열을측정한지표임. 가솔린의엔진내불완전기화에의한노킹 (knocking) 현상을나타내는지표임. 물질이가연성증기를발생하여인화가일어나는최저온도로, 해당물질의운 휘발성 자연발화온도 3. 대체연료 반이나취급, 저장시에화재위험성을평가하는주요지표가됨. 물질의기화특성을나타내는지표로, 각연료기관의설계시가장중요한지표중하나임. 물질이기체상태에서자발적으로발화되는온도임. 3 장에서는 2 장에서살펴본연료의주요 특성을중심으로, 현재연구되고있는많은 대체연료가실제석유기반의화석연료시스 템을대체할수있는지살펴본다. 3.1. 식물성오일 식물성오일은식물에서추출한지질로, 순수식물성오일또는기존연료와혼합된 형태로서대체연료로이용되고있다. 순수 식물성오일의경우, 대형선박등의저속디 젤엔진에서사용되는중유를대체할수있고, 이산화탄소나황산화물배출이없다. 그러나 질소산화물이발생하므로, 이를줄이기위한 엔진의연구개발이필요하다. 순수식물성 오일연료의경우기존의운송및저장시스 템을그대로사용할수있으며, 약간의개량 을통해기존디젤엔진에서도사용이가능하 다. 한연구에따르면, 75 도에서미리가열된 해바라기유가기존의디젤과같은발열량및 가스실린더압력을보였으며, 탄소배출량은 페이지 1/6
2.05%, 매연발생율은 4% 가감소하였다. 식물성오일은적절한비율로디젤과혼합하여사용할수도있는데, Putranjiva 오일을디젤과 30% 함량으로혼합한경우에디젤만을사용한경우와같은성능을보였을뿐만아니라일산화탄소와질소산화물, 스모그입자등의배출량이현저히줄어들었다. 저온의전환기술을이용하면, 피마자유오일로부터열분해오일을생산할수있는데, 극한환경조건에서자생이가능하다는장점이있다. 또한, Diethyl ether(dee) 와오렌지오일을혼합하면, 브레이크효율과실린더최고압력향상을기대할수있다. 이밖에도물과식물성오일을혼합하는연구도진행중인데, 탄화수소나질소산화물배출농도를감소시킬수있을것으로보인다. 그러나배기가스내일산화탄소농도가높아질수있어더많은연구가필요하다. 3.2. 바이오에탄올알코올은 19 세기부터차량엔진연료로사용되어왔으나, 높은비용문제로크게활성화되지못하였다. 그러나최근가솔린과혼합하여사용하는추세가확산되고있는데, 화석연료가아닌바이오매스로부터생산이가능하고, 이산화탄소배출이없는친환경적인에너지로각광받고있다. 또한인화점과자연발화온도가높아운송및저장이안전하고용이하다. 사탕수수와옥수수, 셀룰로스, 리그노셀룰로스등많은종류의농작물또는비농작물의발효를통해생산이가능하며, 이를위해다양한효소및미생물이이용되고있다. 그러나전처리과정에서생산되는퓨란등의페놀계화합물은발효미생물의생장을저해하는등문제가되고있다. 가장많이연구된미생물인 Saccaromyces cerevisiae 의경우, 다양한유전자조작연구를통해이론상전환효율의 95% 및 10~16% 의에탄올생산율을달성하였다. 그러나에탄올은물과잘섞이는특성이있어엔진기관내부나수송관등에부식을일으킬수있고발열량이가솔린보다낮아, 바이오에탄올을단독으로사용하기보다는가솔린과혼합하여사용하는것이좋다. 에탄올의혼합비율이높아질수록옥탄가는높아지지만발열량이감소하며, 현재까지는 10% 의혼합 비율이가장적절한것으로보고되었다. 3.3. 글리세롤글리세롤은많은공정에서부산물로생산되는물질로서, 프로판오일, 에탄올등친환경자원으로전환이가능하여이를위한미생물과효소등에대한연구가활발히진행되고있다. 3.4. 바이오디젤바이오디젤은가장유망한차세대대체연료로서, 가까운미래에기존의석유나디젤에버금가는경쟁력을가질것으로기대된다. 바이오디젤은긴사슬의지방산분자의알킬에스테르 (alkyl ester) 로구성되며, 주로팜유나유채등의식물성오일이나폐식용유, 동물성지방등을원료로이용하여생산된다. 폐식용유의경우 4% 지방산함량을가지는디젤을 2 단계트란스에스테르화공정을통해서생산할수있으며, 폐자원을이용해친환경에너지를생산할수있다는점에서큰각광을받고있다. 같은방식으로폐윤활유역시활용이가능한데, 오염물질의배출이나연소시화학적분해문제등의해결을위한지속적인연구가필요하다. 이밖에도식물성오일이나동물성지방을이용하여바이오디젤을생산하는연구가다양하게이루어지고있다. 그러나식물성오일의경우해당작물의재배를위해경작지가필요하고, 동물성지방의경우가축사육을위한사료문제등으로경제성은높지않은편이다. 이에대한대안으로유지성미생물 (Oleaginous microorganism) 을활용하는방법이있으며, 조류나곰팡이, 효모등의미생물이이에속한다. 유지성미생물을배양하여얻은지질을바이오디젤로전환시키는것으로, 유전자조작이나효소공학등을이용하여생산성을향상을기대할수있다. 3.4.1. 트란스에스테르화반응을이용한바이오디젤생산트란스에스테르화반응은바이오디젤생산공정에서가장많이사용되는방법으로, 페이지 2/6
크게 3 단계공정으로이루어진다. 그림 3-1. 3 단계트란스에스테르화공정 식물성지질과알코올의에스터교환반 응을통해바이오디젤을생산하는기술은이 미상업화단계에도달하였으나, 이와같은 단순에스터교환반응을통해생산된바이오 디젤의경우불순물이많아순도가떨어진다. 이를개선하기위해막형반응기 (Membrane ) 가도입되었는데, 순도는개선되었으나 디젤생산성이떨어지는문제가발생하였다. 또한불균일촉매와효소를사용하여생산성 과품질향상을이루었지만, 공정상의물질 전달 (Mass transfer) 한계때문에상업화에차 질을빚고있다. 그러나최근새로운기술이 다양하게개발되면서트란스에스테르화반응 의효율성향상이속도를내고있다. 표 3-1. 트라스에스테르화반응의효율성향상기 술 반응기명칭 1) Micro- 2) Oscillatory flow 3) Cavitational 4) Shock power (SPR) 5) Rotating spinning tube 설명미세입자를이용하여표면적을향상시킴으로써디젤생산속도및에너지대비생산성을향상시킴. Orifice plate baffle 이같은간격으로배열된관형반응기로, 피스톤운동을이용하여 oscillatory flow 을형성, 물질및열전달효율을향상시킴. 음향에너지나유체흐름을이용하여공동현상을유발해국수적인난류와 liquid micro-circulation 을형성, 공정의효율을극대화시킴. 15 분내에 90% 의전환이가능함. 회전실린더내에서회전속도를이용하여공동현상을일으키는반응기로, 액체내압력차이를유발하여미세한버블을형성하는방법을이용함. 충격파가상의표면적을증가시켜수초내에반응이이루어짐. 지름의길이가다른두개의관으로구성되며, 큰관의내부에서작은관이급속하게회전하면서생기는작은회전각차이를이용하는반응기. 두종류의액체가즉각적으로섞이면서, 짧은시간 6) Micro-wave 7) Membrane separation 9) Reactive distillation 3.4.2. 바이오디젤의단점 내대량의물질교환이가능함. 극초단파를이용하여반응물질에직접에너지를전달, 반응속도를향상시킴. 막분리기술을이용하여바이오디젤생산수율을크게증가시킴. 특정물질의생산속도모니터링이가능함. 물질간화학반응과분리공정을한유닛으로결합시킴. 바이오디젤대량생산공정의장애물이었던다량의알코올분리 / 회수문제를증류공정을도입하여해결함. 바이오디젤의최대단점으로는연소나 저장중에서일어나는산화반응및중합반응 이있다. 이러한반응은바이오디젤이산성 을띠게하고, 껌형태의앙금을만들어연료 필터를막히게하는원인이될수있다. 모 지방산 (Parent fatty acid) 분자내의이중결합이 공기에노출되면서산소와반응하는것으로, 이러한산화반응에는빛이나온도, 금속, 과산 화물, 공기와의접촉면적등의다양한인자 가영향을미친다. 이러한문제를해결하기 위해산화방지제 (antioxidant) 를이용하거나지 방산분자구조를변경하는방법등이있다. 3.5. 수소 수소를에너지원으로이용하고자하는 아이디어는새로운것이아니며, 이미오래 전부터많은연구가진행되었다. 그러나 1990 년대후반, 연료전지가개발되면서수소를대 량으로생산하기위한보다실질적인연구가 시작되었다고볼수있다. 연료전지나배터리 의형태로에너지를저장하여사용할수있다 는기대와함께, 최종이용자의입장에서봤 을때온실가스를전혀만들지않는다는점도 수소생산연구를가속화시키는주요요인으 로작용하였다. 3.5.1. 수소의특성 수소는가장가벼운원소로, 우주를구성 하는물질의 75% 이상을차지한다. 자연계에 서수소는다른원소와결합한형태로존재하 며, 수소를얻기위한자원으로는물과바이 페이지 3/6
오매스, 천연가스, 석탄등이있다. 수소가실제로연료로사용되기위해서는이들로부터분리된자유수소 (free hydrogen) 의형태가되어야한다. 수소의낮은분자량은높은열속도및열전도도, 낮은점성과밀도등의극한특성으로연결되며, 낮은점화에너지와높은연소열등은로켓발사를위한에너지원으로서의수소의이용가능성을높여준다. 수소는용이한저장과운송을위해액체로변환될수있는데, 20.3K 의온도에서액화된무색의액화수소는용기나파이프라인등에저장및측정이가능해진다. 수소는지금까지알려진연료중단위무게당가장높은에너지함량을가지며, 엔진에서연소되었을때, 물을제외한어떠한배출물도발생시키지않는다. 이처럼수소의많은특성들이수소를차세대대체에너지원으로각광받게한다. 3.5.2. 수소의저장수소가가지는많은장점에도불구하고, 수소연료시스템이기술적및경제적으로실제로구축되기위해서는무엇보다수소의저장성문제가해결되어야한다. 많은연구개발노력에도불구하고 500km 이상이라는기술적요구사항을충족시키는저장시스템이현재까지는없는것이사실이다. 그러나압축액화수소를이용하여저장성에대한물리적기준을거의충족시키는단계에도달했으며, 수소저장을위해금속과같은고체물질을이용하는연구도활발하게이루어지고있다. 3.5.3. 위험성 1) 압축수소 : 압축수소는여느압축기체와같은위험성을가지지만, 수소의작은분자크기와낮은최소점화에너지는수소에너지의위험성을더증가시키는요인이된다. 분자크기가작아쉽게시스템밖으로확산될수있어누출의위험성이크며, 높은온도에서는금속의부식및균열을일으킬수있다. 또한수소는다른연료에비해현저히낮은최소점화에너지를가지므로그만큼주변점화원에굉장히민감해진다. 수소는양의줄톰슨계수값을가지는것으로알려져있는데, 이는감압에따른팽창시에온도가오히려상승한다는것을뜻한다. 또한, 수소는다른기체보다훨씬빠른불꽃전달속도를가지고, 폭발하기쉬워다른연료보다높은과압을형성할수있다. 2) 액화수소 : 액화수소는대기압에서의끓는점에해당하는 20.3K 의온도에서저장되는데, 이러한낮은저장온도는액화수소의위험성을압축수소의그것보다증가시킨다. 이온도는산소와질소의어는점보다낮으므로, 액화수소시스템에서는고체상태의산소나질소가존재할가능성이있고, 섭씨 40 도를상온으로봤을때약 300 도의차이가발생한다. 이것은파이프라인이나저장용기, 플란지등의열역학적로드가엄청남을의미하며, 시스템내의불균형농축에의해발생할수있는누출을최소화하기위해서는냉각시스템의정확한통제가필수적임을말해준다. 또한, 확산이빠른기체수소와달리극한의낮은온도에서누출된액화수소는급속하게증발되어주변을냉각시키고, 기체의급속한팽창을일으키게된다. 이는곧심각한난류현상으로이어지면서큰폭발을일으킬수도있다. 3.6. 석탄액화기술석탄액화 (Coal to Liquid, CTL) 기술은글자그대로고체상태의석탄을액체연료나화학물질로전환하는것으로, 직접적인수첨반응을이용한직접공정 (DCL, Direct coal liquefaction) 과석탄을가스화시켜일산화탄소와수소분자로분해한후, FT(Fischer- Tropsch) 방식으로액화연료를생산하는간접공정으로나눌수있다. 두공정모두높은온도와압력하에서이루어지며, 촉매를필요로한다. 간접적공정방식에대해서는다음단락에서더자세히살펴보도록한다. 3.6.1. 석탄의가스화공정석탄에산소와증기를불어넣고가열하고압축시키면서불완전연소가이루어지도록페이지 4/6
잘조절하면, 이산화탄소와함께일산화탄소, 수증기, 수소가스가생산된다. 타르나페놀등의부산물이생성되기도하지만, 이공정의주요생산물은일산화탄소와수소로구성되는합성가스로, 반응온도는섭씨 600~900 도, 압력은 30 기압이며, 촉매로는산화물과금속염화물이사용된다. 최종생성물로수소만을원할경우석탄가스는 water-gas-shift 반응을통해더많은수소로변환된다. 3.6.2. Fischer-Tropsch 공정 FT 공정에서는수소와일산화탄소가반응하여탄화수소와물을만들게되는데, 주로일자형태의알칸분자가생성되고, 일부 branched 알칸이나알켄, 알코올, 기타산화된탄화수소등이생성된다. FT 공정의촉매반응을위해서는반응가스내황성분을미리제거해야한다. FT 공정의반응온도는섭씨 150~300 도정도로, 고온의공정이반응속도및전환율을높일수있지만, 메탄생성또한증가시킬수있어가능한한낮은온도를유지하는것이중요하다. 긴사슬형태의알칸분자를많이얻기위해서는압력을증가시키는것이좋은데, 고압으로갈수록장치의제작비용이높아질수있다. 3.6.3. 저장과수송및환경영향기존의석유저장과수송을위해설치한장치및시스템을 CTL 에그대로적용할수있다는장점이있다. CTL 의탄소배출량이높은단점이있으나, 이는탄소포집및저장 (CCS) 공정을포함시키거나, 조류를이용한공정등의개발을통해줄일수있다. 또한 CTL 공정에서발생하는이산화탄소의경우질소를포함하고있지않으므로, 정제공정의비용을절감할수있다. 4. 기존연료의효율성향상 4.1. Water-in-oil emulsions 일반적으로물은연소를방해하는것으로알려져있으나, 물을첨가하여연료의연소속도를향상시킬수있다. 특히, 디젤에 물을첨가할경우연소엔진의효율을증가시킬수있고, 질소및황산화물의배출도줄어든다. 물이연료와에멀션형태를형성하면서, 공기와연료의접촉시간을늘려공기와연료의혼합성을향상시키거나불꽃온도를감소시킴으로써완전연소가이루어지도록돕는것으로보인다. 또한, 물과디젤혼합물의예열과정에서휘발성이증가하여 micro-explosion 이일어나면서, 엔진의연소효율이증가하는것으로예측된다. 4.2. Double emulsions 물 / 오일에멀션뿐만아니라오일 / 물 / 오일로구성되는이중에멀션에대한연구도이루어지고있는데, 우려와달리이러한이중에멀션의높은점성은큰문제가되지않는것으로보인다. 이중에멀션에따른효과로는배기가스내질소산화물과일산화탄소농도감소, 배기가스온도상승등이있다. Diglyme 은연료의연소특성을향상시키지만, 안정성을떨어뜨리는것으로알려져있는데, 다행히이중에멀션시스템에서는그정도가심하지않아첨가할경우연료의연소효율을증가시킬수있다. 4.3. Microemulsions 물과디젤, 가솔린과알코올및물은미세에멀션을형성하기도하는데, 이는배기가스내질소산화물과일산화탄소농도를감소시키고, 불완전연소를막아주어연소특성을향상시킨다. 그러나다량의계면활성제를필요로하므로비용을증가시키는문제가있다. 5. 대체연료기술의경제성평가 많은대체연료들이기존의석유연료에비해친환경적이라는장점이있지만, 상업화를위해서는여전히낮은경제성이문제가되고있다. 5 장에서는바이오에탄올과바이오디젤, CTL 에대한경제성평가내용을다룬다. 바이오에탄올은주로가솔린과혼합하여다양한차량의연료로이용되는데, 이를통해온실가스감축의효과를얻을수는있으나, 에탄올함량이높아질수록연료의경제성은떨페이지 5/6
어지는단점이있다. 그러나에탄올은옥탄가가높아차량의파워와성능을향상시킬수있는가능성이있으므로, 엔진설계와연소시스템조절능력의향상을통해바이오에탄올에대한수요를늘릴수있다. 높은전처리공정비용은에탄올생산가를증가시키므로, 이에대한지속적인연구도필요하다. 바이오디젤의경우기존디젤과비교하여높은경쟁력을가지지만, 개발도상국등지에서는여전히상업화에많은어려움을겪고있다. 바이오디젤생산원료로이용되는식물성오일의비용이전체공정비용의 70~95% 를차지하는만큼, 폐식용유등을이용하여비용을절감하는노력이필요하다. 식물성오일작물보다에너지함량이높고재배비용이낮으며, 지질생산성이높은미세조류를바이오디젤생산에이용하는것도좋은방법이될것으로보인다. CTL 기술의상업화에서가장큰문제가되는것은높은이산화탄소배출량으로, 높은효율의 CCS 기술을공정에통합할필요가있으며, 액체연료와함께전기를생산하여전기판매를통한이익으로높은초기투자비용을상쇄시켜야한다. References 1. Sangeeta et al., Alternative fuels: An overview of current trends and scope for future, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Feb 2014. 2. Astbury GR, A review of the properties and hazards of some alternative fuels, Process Saf Environ Prot., Nov 2008. 6. 결론 화석연료의고갈과환경오염으로인해기존석유자원을대체할친환경에너지원의개발이시급하다. 이러한대체연료는친환경성및안전성뿐만아니라, 기존의석유시스템이가지는효율성또는그이상의특성을가져야하며, 이를위한지속적인연구가반드시필요하다. 7. 분석자결론 본자료에서는전세계적으로높은관심을받고있는다양한종류의대체연료에대한특성과현재연구동향, 경제성, 미래전망등을자세하게다루고있다. 그러나원본자료에서일부내용이중복되거나순서가적절하지못한경우가있어실제원본자료를참조할시주의가요구된다. 페이지 6/6