연구진 연구책임자조지혜 ( 한국환경정책 평가연구원부연구위원 ) 참여연구진이희선 ( 한국환경정책 평가연구원선임연구위원 ) 산학연정연구자문위원오유관 ( 한국에너지기술연구원책임연구원 ) 강도형 ( 한국해양연구원선임연구원 ) 이철균 ( 인하대학교교수 ) c 2011 한국환경정책 평가연구원발행인이병욱발행처한국환경정책 평가연구원서울특별시은평구진흥로 290 ( 우편번호 ) 122-706 전화 02)380-7777 팩스 02)380-7799 http://www.kei.re.kr 인쇄 2011년 10월 20일발행 2011년 10월 25일출판등록제17-254 호 ISBN 978-89-8464-560-8 93530
서언 고유가시대가지속되면서에너지원다양화 석유고갈위기대응 환경개선등을위하여미래산업화가능성이큰신재생에너지분야인바이오연료에많은주목을하고있습니다 바이오연료는자연에풍부한바이오매스에서생산되며 별도의보급인프라및전용장비를필요로하지않아기존의수송연료와혼합하여사용할수있다는장점을가집니다 하지만바이오연료생산원료의높은수입의존도 식량가격상승유발등의문제로원료의안정적인수급이요구되고있으며비식용작물유래신규바이오매스의발굴및개발이필요한상황입니다 해양생물자원인해조류는식량자원에의존하지않으므로식량수급에영향을미치지않으며대기중에있는이산화탄소를흡수하여성장할수있어기후변화의원인이되는온실가스감축에도효과가있습니다 이는삼면이바다인우리나라의지형적특성을고려하였을때활용도가높을것으로판단됩니다 이에본연구는해조류에의한바이오연료산업의국내보급확대및활성화를위한사전작업으로서기술개발동향 해외의법및제도현황을살펴보고국내적용을위한정책적시사점을도출하였습니다 끝으로본연구를맡아수행해주신우리원의조지혜박사 이희선박사에게감사를드립니다 그리고바쁘신가운데도자문을맡아주신한국에너지기술연구원의오유관박사 한국해양연구원의강도형박사 인하대학교이철균교수께도감사를드립니다 년 월 한국환경정책 평가연구원 원장이병욱
국문요약 온난화대응과석유계수송연료대체의가장실질적인수단으로바이오연료가주목받고있다. 국제에너지기구 (IEA, 2011) 는바이오연료가운송분야에서 CO 2 의배출저감에중요한역할을할수있으며, 바이오매스에기반을둔수송연료가석유계수송연료를 2050년 27% 까지대체할것으로예측하였다. 미국, EU와같은선진국들은각각바이오에탄올과바이오디젤을화석연료를대체할수있는주요에너지원으로개발하여상용화하는단계에있으며, 정부차원의집중적인지원및투자를통해바이오에너지산업을국가전략산업으로육성하고있다. 우리정부도 신재생에너지기술개발및이용ㆍ보급기본계획 을통해 2030년까지신재생에너지보급률 11% 달성을목표로제시하였으며, 바이오디젤중장기보급계획 을통해온실가스저감, 대기환경개선및에너지안보문제를해결하기위한방안으로바이오디젤을신성장동력산업으로육성중이다. 바이오연료는광합성을통해이산화탄소를흡수하고자연에서풍부하게얻을수있는바이오매스에서생산되기때문에지속가능하며탄소중립적인에너지원이다. 본연구에서는대표적인바이오연료인바이오디젤과바이오에탄올을대상으로하였으며, 특히차세대해양바이오매스인해조류에중점을두어환경친화적인바이오연료의보급및활성화를위한향후정책방향을모색하는기초연구로서수행되었다. 우선바이오매스별로바이오연료생산기술현황을살펴보았다 (2장). 또한바이오연료와관련한선진국의정책동향을검토하였다 (3장). 미국과 EU를중심으로한해외연구및정책동향을보면, 차세대바이오매스에대한기술개발투자에적극적이며바이오리파이너리 (biorefinery) 와의연계를통해바이오연료산업을확대시키고경쟁력을확보하고있다. 또한바이오연료의지속가능성
을고려한표준지침의마련을통해환경에미치는영향을평가하고있다. 4장에서는해외제도및선행연구등의내용을바탕으로국내의정책현황과함께시사점을도출하였다. 향후차세대바이오매스 ( 해조류 ) 에기반한바이오연료의보급및활성화를위하여 R&D에대한적극적인지원과함께환경적영향에대한사전고려가필요하며, 각공정별환경부하를평가하고이를저감할수있는방안이마련되어야한다. 이러한내용들을토대로향후국내바이오연료의상용화를위하여환경적영향을사전에충분히고려할수있는제도적장치를마련하는것이필요할것이다. 주제어 : 바이오연료, 바이오디젤, 바이오에탄올, 해조류, 셀룰로오스
차례 제 1 장서론 1 1. 연구배경및목적 1 2. 연구내용및방법 3 제2장바이오매스종류에따른바이오연료의생산기술현황 4 1. 바이오디젤의생산기술현황 4 가. 제1세대바이오매스 : 식용작물 5 나. 제2세대바이오매스 : 비식용작물과폐유 / 동물성지방 7 다. 제3세대바이오매스 : 미세조류 9 2. 바이오에탄올의생산기술현황 18 가. 제1세대바이오매스 : 식용작물 19 나. 제2세대바이오매스 : 리그노셀룰로오스계 20 다. 제3세대바이오매스 : 거대조류 (Macroalgae) 24 제3장해외바이오연료제도현황 26 1. 미국 26 2. 유럽연합 (EU) 29 3. 바이오연료지속가능성표준 (biofuel sustainability standards) 32 제 4 장정책적시사점 35 제 5 장결론 40
참고문헌 42 Abstract 45
표차례 < 표 2-1> 제2세대바이오매스유래바이오연료의장 단점 8 < 표 2-2> 바이오매스별오일수율의비교 10 < 표 2-3> 리그노셀룰로오스계물질별셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌함량 21 < 표 2-4> 홍조류를이용한바이오에탄올제조공정및특징 25 < 표 3-1> 미국의주요바이오매스이용촉진법령 28 < 표 3-2> EU 의대표적인바이오매스전략 31 < 표 3-3> RTFO, RED 와 RSB 에의해마련된지속가능성지침 34 < 표 4-1> 2010 년신재생에너지 R&D 사업추진현황 36 < 표 4-2> 국내의바이오연료관련법령 38
그림차례 < 그림 2-1> 2001 년이후의옥수수와원유의가격추세 6 < 그림 2-2> 대표적인개방형미세조류배양장치 11 < 그림 2-3> 국내팀이개발한반투과막부유형배양장치와 NASA 의 OMEGA 프로젝트 14 < 그림 2-4> 미세조류유래바이오연료와부산물의생산을위한다양한접근방법및경로 18 < 그림 2-5> Biorefinery 의생성물과공정의개념도 23
제 1 장서론 1 제 1 장서론 1. 연구배경및목적 전지구적에너지부족위기와환경오염에직면한상황에서새로운환경친화적신재생에너지의개발이요구되며, 특히석유계수송연료를대체하고온실가스발생을감축시키기위한방안으로바이오연료에대한관심이증대되고있다. 국제에너지기구 (IEA) 의 기술로드맵 : 운송용바이오연료 에의하면, 바이오연료의광범위한활용이운송분야에서 CO 2 의배출삭감에중요한역할을할수있으며, 에너지안정성향상에도도움을준다고언급한바있다. 또한본보고서는식량안정성을위협하지않으면서전과정에걸쳐환경적이익을가져오는 지속가능한방식 으로바이오매스에기반을둔수송연료가석유계수송연료를현재의약 2% 에서 2050년에는 27% 까지대체할것으로전망하고있다. 현재수송연료로사용되는휘발유와경유는유한한자원인석유로부터만들어지므로원료고갈에대한우려가있으며온실가스를비롯한다량의대기오염물질을배출한다. 따라서이러한석유고갈위기와환경문제를해결하기위해서는자연에서풍부하게얻을수있고광합성을통해이산화탄소를흡수하는바이오매스를이용한바이오연료가대안이될수있다. 비록바이오연료이외에도태양광, 풍력, 수소등과같은재생에너지가있지만이러한재생에너지는전용차량과보급인프라의구축이별도로필요하다는문제가있다. 태양광과풍력은전기를생산하므로전기자동차를, 수소의경우에는수소또는연료전지로구동되는자동차를각각개발해야하며전기나수소를차량에공급하기위한충전소도설치해야한다. 이에반해, 바이오연료는별도의인프라구축없이기존의차량연료인휘발유와경유등과혼합하여사용할수있다는장점을가진
2 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 다. 현재바이오연료생산을위해사용되고있는바이오매스로는식량자원과직결되는당질계및전분질계 (1세대바이오매스 ) 가있으며, 식량에기반한이들이연료로사용됨에따라식량가격의상승을유발시키고원료수급문제가발생될수있다. 또한에너지작물의재배에상당량의농약과질소비료가사용됨으로써토양오염을일으키고농경지확대로인한삼림지파괴와같은환경문제도일으키고있다. 한편 2세대바이오매스로알려진목질계바이오매스는 1세대와는달리비식용자원이지만리그닌성분이함유되어있어가수분해가어려우며, 고온및고압처리와같은전처리공정을요구하기때문에많은비용이소요된다는문제를가지고있다. 또한전처리, 효소개발, 당화및발효등의다양한요소기술의개발이필요한상황이다. 이에반해, 해양생물자원인해조류는바이오연료생산을위한바이오매스로서우수한특성을지니고있으며삼면이바다인우리나라의지형적특성을고려하였을때활용도가높을것으로판단된다. 해조류에기초한바이오연료는식량자원에의존하지않으므로, 식량수급에영향을미치지않으며곡물가격상승으로인한바이오연료생산원가를증가시킬우려가적다. 또한대기중에있는이산화탄소와물, 태양광만을이용하여성장할수있어기후변화의원인이되는온실가스의감축에도효과가있다. 미세조류는최소한 70%( 건조무게비 ) 의바이오매스를생산할수있으며단위면적당생산성이다른식용작물에비해 50 100배이상높다. 바이오연료추출후남은부산물은유기물질이므로혐기성소화공정과연계하여바이오가스화할수있는등높은활용도를가지고있다. 따라서미래산업화가능성이큰신재생에너지분야에대한발굴및지원이요구되는상황에서해조류에의한바이오연료산업의국내보급확대및활성화를위한사전작업으로서기술개발동향, 해외의법및제도현황을살펴봄으로써국내에서의적용을위한시사점을도출해내고자한다.
제 1 장서론 3 2. 연구내용및방법 본연구에서는 1세대 ( 식용작물 ), 2세대 ( 비식용작물, 셀룰로오스계 ), 3세대 ( 해조류 ) 로대표되는바이오매스별로바이오디젤과바이오에탄올의생산기술현황을살펴보았다 (2장). 또한바이오연료와관련한선진국의정책동향을검토하였으며특히 EU를중심으로마련되고있는바이오연료지속가능성표준지침을 조사하였다 (3 장 ). 4 장에서는해외제도및선행연구등의내용을바탕으로국내 의정책현황과함께차세대바이오매스로평가받는해조류에중점을두어이를이용한바이오연료의환경친화적보급및활성화를위한정책시사점을도출하였다. 연구수행방법은문헌조사와전문가자문을주된연구방법으로활용하였으며정부와국제기구등에서발행한자료들과기존의선행연구들을바탕으로바이오연료와관련한연구및제도동향을분석하였다.
4 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 제2장바이오매스종류에따른바이오연료생산기술현황 본장에서는대표적인바이오연료인바이오디젤과바이오에탄올의기술현황 및특징을 1 세대 /2 세대 /3 세대바이오매스별로살펴보고자한다. 1. 바이오디젤의생산기술현황 바이오디젤은동 식물유와같은에너지원으로부터에스테르교환반응을통해만들어지는모노알킬에스테르로서석유계디젤과유사한성질을가지고있다. 바이오디젤은일반적으로다음과같은장점을가진것으로알려져있다. 지속적으로제공될수있는재생가능한연료이다. 물에수주내에 98% 생분해가능하며황화물의함유량이적어현저한매연물질저감률을나타낸다. 화석연료보다연소배출이적으며, 이산화탄소를발생시키지않는다. 별도의장치없이기존디젤엔진에사용할수있고효율도좋다. 산소함량이높아석유에서생산된디젤연료에비해연소능이뛰어나다. 바이오디젤은산소를포함하고있어석유계디젤 (40 55) 보다더높은세탄가 (48 60) 를가진다. 세탄가는연료의연소성정도를나타내며, 높은세탄가는저온스타팅을쉽게하고소음을낮춘다 ( 임영관외, 2008). 석유계디젤보다높은인화점 ( 약 160 o C) 을가져작업안전건강위원회로부터비가연성액체로분류되며이러한특성은순수바이오디젤연료차가사고시에석유계디젤이나폭발적으로연소하는가솔린차에비해훨씬더안전하다는것을의미한다.
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료생산기술현황 5 바이오디젤생산공정은반응기, 침강조, 정제및증발단계로크게구성된다. 산, 염기의촉매하에알코올을첨가하여반응속도를높이고반응후의잔여알코올은회수하여재순환시킨다. 침강조에서분리된글리세린은정제후화학산업의원료로사용된다. 이때산과염기의사용으로다량의폐수가발생되므로이에대한관리가필요하다 ( 환경부, 2007). 폐식용유, 동물성유지등과같은저급의폐유지를이용할경우다량의폐수가발생되는액체촉매대신세라믹고체촉매를사용한고효율모듈화바이오디젤생산공정개발이진행되고있다 ( 지식경제부, 2011). 고체촉매의적용으로기존공정에비해공정의단순화가가능하게되었다. 현재다양한바이오매스를이용하여바이오디젤이생산되고있으며이들을바이오에너지공급, 세계식량체계, 온실가스배출, 수질과대기질및생물다양성등의바이오디젤생산과정에서영향을주는요소들의상관관계등을고려하여소개하고자한다. 가. 제1세대바이오매스 : 식용작물현재바이오디젤의대부분은식량기반 1세대원료인팜 (43.1%), 대두 (18.4%) 를주원료로사용하고있어안정적인원료수급이나환경훼손, 가격경쟁력측면에서지속가능성에한계가있다. 식량자원을원료로한바이오디젤은환경문제뿐만아니라식량위기문제를초래할수있으므로이를규제할국제적인기준이요구된다. 제1세대바이오매스를원료로한바이오연료의생산은다음과같은장 단점을가진다. 유리지방산의함유율이낮고수분을포함한공정오염물의농도가낮은장점을가진다 ( 배정환, 2006). 기후, 계절등에의해원료수확량의변동이많고최근식량파동에따른
6 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 곡류가격상승으로생산및보급화에어려움이있다 ( 그림 2-1 참조 ). 인류의먹거리인곡물이자동차연료로사용됨으로써세계적규모의식량위기를초래할뿐만아니라앞으로의식량위기를더욱악화시킬소지가있다. 게다가, 안정적인원료확보를위한 GMO( 유전자조작생물체 ) 의사용확대로인해더욱위험한먹을거리에노출될수밖에없다. 자료 : 한국과학기술기획평가원 (2011). < 그림 2-1> 2001년이후의옥수수와원유의가격추세 ( 옥수수 : 수직막대선, 원유 : 실선으로표기 ) 벌목을통한삼림의농경지로의변동에따른온실가스량및질소산화물의배출은지금까지고려되지않았기때문에과거에는 1세대바이오디젤생산이환경에미치는영향이과소평가되어왔다. 2008년 6월로마에서열린 UN 식량안보정상회의와그해 7월훗카이도에서개최된주요 8개국 (G 8) 정상회의에서가장논란이되었던이슈중하나가바이오디젤생산의규제여부였다. 현재바이오디젤생산의 90% 를차지하고있는미국과브라질은바이오디젤생산을
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료생산기술현황 7 지속적으로확대시킬계획을밝히고있으며바이오디젤추진기구들은브라질의약 1억 2,000만ha, 인도의 1,400만ha, 아프리카의 3억 9,700만ha 등바이오디젤원료재배를위한부지를찾고있다. 하지만브라질과인도네시아등의사례에서볼수있듯이바이오디젤원료재배를위해열대우림을파괴하고다량의화학비료와농약등을사용하는대규모플랜테이션농업으로인해도리어환경을해치게된다. 식물유의점도는석유계디젤연료의점도보다 10 20배높아연료분부특성이떨어지고완전연소의어려움이있어노즐코킹막힘현상과탄소의실린더내부축적및오일링의고착, 식물류의침적에따른윤활유의점도상승등여러가지문제점을발생시킨다. 대부분질이좋은식품원료이기때문에다른트리글리세라이드 (triglyceride) 에비해가격이비싸다 ( 배정환, 2006). 정부가원료자체조달을위해추진했던유채재배시범사업도사실상실패로종료될전망이다. 2007년이후 3년간매년 18억원을지원해총 1,500ha의농경지에유채재배시범사업을벌여왔으나, 유채재배농가의수입이동절기경쟁작물인쌀보리를재배하는데비해 78% 선에머무르며사업성을확보하지못한것으로시범사업이종료되었다. 나. 제2세대바이오매스 : 비식용작물과폐유 / 동물성지방바이오디젤의원료로서식용오일에대한의존도를낮추기위하여비식용공급원을사용한바이오디젤생산기술이개발되었다. 자트로파, 마후아, 호호바오일, 담배종자, 연어기름, 바다망고와같은에너지작물이 2세대바이오디젤공급원의대표적인예이다. 또한음식점의수지, 쇠고기수지와돼지고기기름과
8 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 같은요리폐유도 2세대공급원으로사용된다. 현재국내에수입되는식용유의양은연간 100만톤이상으로파악되며이중환경에버려지고있는폐식용유의양은약 20만톤으로추정된다. 하지만이에대한마땅한재활용방안이없기때문에토양과수질을오염시키는물질로인식되어왔으나, 이를바이오연료로전환하는것은바람직하다고할수있다. 미국의경우소비자들이저지방육류를선호함에따라닭고기, 돼지고기등에서인위적으로기름을제거하고있으며, 이때발생한다량의동물성유지를바이오디젤원료로이용하기도한다. Taxas A&M 대학에서는각종육류가공과정에서제거처리되고있는콜레스테롤, 포화지방등에주목하여 ( 연간약 135억갤런이발생 ) 이를바이오디젤로변환시키는연구를추진하고있으며, 오스트리아 Graz 대학에서는가정에서요리후폐기되는면실유 (6만톤/ 년발생추산 ) 를이용하여이를바이오디젤로전환하는연구를진행하고있다. 현재국내에서폐식용유가차지하는비율은 27.4% 이다. 제2세대바이오디젤의장 단점은다음의 < 표 2-1> 과같다. 장점 단점 < 표 2-1> 제 2 세대바이오매스유래바이오연료의장 단점 - 1세대공급원과는달리식량과경쟁을하지않는다. - 비식용오일이식용오일을이용한바이오디젤생산보다더효율적이며, 더친환경적이다. - 비식용작물은식량작물의재배가적합하지않은황무지에서도재배할수있으며, 혼합작물로도바이오디젤을생산할수있다. - 화학공정또는열및전력생산에사용할수있는유용한부산물이생산된다. - 동물성지방메틸에스테르를사용할경우, 1세대공급원을사용할때보다고세탄가, 비부식성이뛰어나다. - 연료생산량이충분하지않을수있다. - 낮은기온에서의효율이상대적으로낮다. - 대부분의동물지방은화학분해 ( 에스테르교환반응 ) 가어려운포화지방산을많이함유하고있어생산과정에서문제가된다.
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료생산기술현황 9 하지만이또한용도변경된토지에서자트로파등이재배된다면화석연료를사용할때보다 2.5 6 배더많은온실가스를발생시킬것이라는우려가나오고있다. 폐식용유의경우에는일반적인정제유와는달리다량의불순물을포함하고있어서바이오디젤생산공정에서수분과자유지방산이알칼리촉매의활성을저감시키고비누화반응으로비누를생성하는문제가발생한다. 또한폐기물원료인폐식용유나동물성유지를재활용하기위한수거시스템구축이저조하고액상촉매적용에따른폐수등의오염물질을다량발생시키는문제점이있다. 유리지방산함량이높은저급폐유지를바이오디젤로전환하는공정은오스트리아의 BDI가상용화에성공하였지만동공정에서는액상촉매인황산을사용하여폐수발생문제가있다 ( 지식경제부, 2011). 따라서 BDI에서는저급폐유지로부터바이오디젤을생산할수있는고체촉매개발연구를진행하고있다. 다. 제3세대바이오매스 : 미세조류세계미래회의톱 10 미래예측에따르면 미세조류는새로운오일의원료가될것 으로전망하고있다. 바이오매스로서의미세조류는다음과같이많은장점을지니고있다. 미세조류는비식용자원으로서세계의식량난에영향을주지않으며식용작물을이용한바이오디젤생산에비하여환경적영향이매우적다 (Benemann et al., 1996). 다른작물들이자랄수없는불모지에배양할수있으며폐수에서도생장할수있어서폐수정화효과도있다. 미세조류종에서얻을수있는오일의생산량 (Gallons/acre/yr) 은 < 표 2-2> 에서와같이대두, 자트로파, 기름야자의오일의양과비교하였을때더높은수율을나타낸다 (Rodolfi et al., 2009). 대두는매년에이커당 50갤런의오일을
10 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 생산하고인도네시아에서많이생산되는자트로파는약 200 갤런을생산하는 데비해미세조류는최소 1,000 갤런이상을생산하는것으로나타났다. 환경조 건이최적화될경우 6,000 갤런까지도가능한것으로알려져있다. < 표 2-2> 바이오매스별오일수율의비교 ( 단위 : Gallons/acre/yr) 바이오매스 오일수율 대두 48 카멜리나 (Camelina) 62 해바라기 102 자트로파 202 팜 635 미세조류 1000 6500 미세조류는광합성을하여에너지를생성하므로이에따른온실가스저감효과도가지고있다 (Brune et al., 2009; Rodolfi et al., 2009). 100톤의미세조류는 183톤의이산화탄소를회수하여체내에저장하는것으로알려져있다. 이는 1ha당 280톤의이산화탄소저감에해당한다. 미세조류는지질이외에도단백질, 탄수화물및다른유용한영양소를함유하고있으므로바이오리파이너리 (biorefinery) 공정을통해고부가가치의약품, 재조합단백질, 화학물질등을함께생산할수있다. 또한바이오디젤생산후남은바이오매스를사료혹은혐기발효를통한메탄가스로전환하는데사용할수있다. 바이오디젤생산과정에서생산제품의 10% 정도로글리세린이부산물로발생되는데, 이는화학산업분야에서다양한유도체로의활용을위한빌딩블록 (building block) 화학물질, 화장품, 치약, 폴리우레탄제조등에이용될수있다.
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료의생산기술현황 11 미세조류를이용한바이오디젤의생산공정은크게미세조류의배양, 미세조 류의수확및탈수, 바이오디젤의추출, 유용한물질로의전환으로나뉜다. 각 공정별특징들은다음과같다. 1) 미세조류의배양현재수로지개발과폐루프시스템 (closed end loop systems) 의발전덕분에육상에서의미세조류배양이가속화되었다. 크게광생물반응기 ( photobioreactor, 이하 PBR) 와도수로 (raceway pond) 형태로나뉘어지는데, Khoo(2011) 에의하면수로지 (1.152 MJ/kg dry cell) 에서의단위공정당에너지요구량은 PBR(3.21 MJ/kg dry cell) 에비해약 3배가량낮으며 open pond 를사용할경우우수 (rainfall) 를통해증발에의한부족분을채울수있다 ( 그림 2-2 참조 ). 자료 : 한국과학기술기획평가원 (2011). < 그림 2-2> 대표적인개방형미세조류배양장치 : ( 좌 ) 도수로 (raceway) 와 ( 우 ) 연못형 (pond) 지금까지미세조류를이용한전과정평가에서는미세조류의배양조설치와 건축에드는비용을고려하지않았다. 이는정확한세부사항들이결정되어있지
12 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 않을뿐더러화석연료를생산하는데요구되는인프라들의비용및환경적영향또한고려되지않았기때문이다. 실제로는 open pond를사용할경우높은미세조류생산량을기대하기어려울뿐만아니라오염또한문제가될수있다. 비록하나의종이일정한속도로성장한다하더라도지역적기후에이미적응한다른종이우점할수있다. 따라서실제미세조류생산량은이상적인수치의절반정도인 15 g/m 2 d 가될수있다. 이를해결하기위한대안으로값싸고제거가능한비닐커버사용, PBR와의통합을통하여높은밀도의셀확보 (breeder/feeder로서의역할 ) 혹은 turbidostats나 chemostats와연계하는방법이이용되고있다. 또한부지확보가문제가될수있다. 발전소나암모니아공장근처에부지를선정할경우발생된이산화탄소의대부분을포집할수있으며전기를발생시킬수있다. 그러나이러한결과는이상적인경우에국한된다. 이산화탄소를격리 (sequester) 할목적으로미세조류배양조를발전소나암모니아공장근처에두기를원하지만, 현실적으로는 9개의발전소중 7개는근처에유효면적을가지지않는다. 따라서평균적으로약 50km 정도를커버할수있는파이프라인을요구할것이다. Port Augusta와같이이용가능한부지가 135km 떨어져있는경우가그예이다. 이로써파이프와이산화탄소를운반할전기등으로자본비가증가할것이다. 실제로이러한부분이과소평가되어 83.5% 가량비용이추가되는경우가흔하다. 만약이산화탄소생산공장이멀리위치해있다면트럭을이용하여이산화탄소를조류배양조에공급할수있다. 일부생산된조류유래바이오디젤은이산화탄소운송수단의연료로사용되어야할것이다. 또한운송수단에의해배출되는이산화탄소의발생을저감시키기위한방안이고려되어야할것이다. 특히이산화탄소공급원으로서 fluegas 를사용하는것이초기에는합리적인것으로나타났으나, 재회수된물을사용하는추후연구결과는아직
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료의생산기술현황 13 발표되고있지않다 (Cheng and Ogden, 2011). 또한 fluegas에포함되어있는이산화탄소를어떻게효과적으로포집할것인지, 발전소와연계된열을어떻게취급할것인지, ph를어떻게컨트롤할것인지, 미세조류가 SOx와 NOx에얼마만큼견뎌낼지등에대한문제점이여전히남아있다. 이와더불어이산화탄소저장이문제가될수있다. 근처에발전소나암모니아공장이있을경우이것은문제가되지않을수있다. 하지만본조류배양의목적이산업체에서의이산화탄소를저감하는데있는것이라면야간이나날씨가좋지않을경우를고려해야한다. 즉미세조류의성장률이급격히저하됨으로써더적은이산화탄소를섭취하게된다. 이로써야간동안의이산화탄소의유입에대처할수있도록수천 m 3 의가스저장시설을설치해야할수도있다. 날씨가좋지않을경우에는공장으로부터발생된이산화탄소의 40% 이하가활용될수있을것이다. 이외에도육상에서의배양조설치를위해고려해야할추가사항들은다음과같다. 땅, 부지와도로를선정할때야생식물군및동물군에상당한영향을줄수있는, 특히많은해양생물및조류들이서식하고번식할수있는해변가근처는주의깊게접근해야한다. 많은폐수처리시설의공정운전에서미세조류가문제가되는것으로발견되었다. 그러므로수질과미세조류의생산량사이의관계는현실적인문제이다. 연구자들은미량중금속, 유기물질, 질산염, 인산염들이미세조류성장과지질수율에어떻게영향을미치는지와박테리아및다른종들이어떤식으로함께배양되는지에대해이해하기위한연구를진행하고있다. 또한폐수내에존재하는병원체 (pathogens), 화학물질, 중금속등이미세조류배양에유입될수있다는것을고려해야한다. 혐기성소화조에서는고형물질의 3분의 2정도가메탄가스로전환이될수
14 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 있다. 남아있는액체와고형물질의혼합물은지금까지폐기물로간주되어왔다. 하지만이러한바이오슬러지혹은바이오슬러리들은유기비료로서충분히사용될수있다. 따라서추가적인공정을통하여이또한유용하게사용되어야할것이다. GMO(genetically modified organism) 에대한리뷰및승인에있어서환경적위해성평가를실시하고표준화할필요가있다 (Cheng and Ogden, 2011). 육상에미세조류배양시스템을설치할경우의문제들에대응하기위한대책으로연안 (offshore) 에배양조를설치하는방안도고려되고있다 ( 그림 2-3 참조 ). 해양바이오에너지생산기술개발연구단 ( 국토해양부주관 ) 은 반투과막등을이용한미세조류해양배양장치 에관한특허를통해미세조류를이용해해양에서바이오디젤을대량으로생산하는기술을세계최초로확보하였다. 연구단은 2014년실증실험을하고 2018년에실용화를마칠계획을가지고있다. 자료 : 한국과학기술기획평가원 (2011). < 그림 2-3> 국내팀이개발한반투과막부유형배양장치 ( 좌 ) 와 NASA의 OMEGA 프로젝트 ( 우 )
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료의생산기술현황 15 미국항공우주국 (NASA) 에서는 OMEGA(Offshore Membrane Enclosures for Growing Algae) 라불리는시스템을통해일련의챔버로연결된비닐시트들로구성된광생물반응기를바다에띄워조류를배양하는데, 비닐막내부는 2차처리된폐수와담수미세조류로채워진다. 육상에서의광생물반응기와는달리이는교반 (mixing) 과온도제어를하기위한상당한양의에너지를요구하지않으며폐수와해수사이의염도차이는정삼투압 (forward osmosis) 에사용되어 ⅰ) 폐수내에있는영양분은농축되어미세조류의배양을촉진시키고 ⅱ) 미세조류를탈수 (dewatering) 시켜수확을용이하게한다. 하지만이또한반투과막재료 (material), 허가 (permitting), 막힘 (fouling) 등을해결하기위해타당성연구를진행중이다. 또한지방함유량이높은종을개발하기위해서는미생물을배양하는과정에서영양소스트레스를유도하거나높은지질함량을지닌미세조류종을선별하는방안이있다. 후자의방법을위해야생형균주를유전적으로개량시키는연구도진행되고있다 (Wang et al., 2009). 하지만 Chlamydomonas reinhardtii 와같은일부종을제외하고는대부분미세조류들의유전자발현을조절하는메커니즘이거의밝혀져있지않으며특정분자생물학적툴이확립될필요가있다. 2) 미세조류수확과탈수위의방법으로미세조류를배양한이후에는 0.02 0.07% 를미세조류가차지하는배양액 ( 1 gm algae/5000 gm water) 을최소 1% 미세조류를포함한슬러리로농축해야한다. 이공정단계는에너지집약적으로최종슬러리농도는요구되는에너지량과부지선정 ( 수송, 수질, 재순환문제 ) 에영향을미칠것이다. 기술적으로가장간단한방법은 pond를자연침전시키는것이다. 성장이완료된조류배양액으로가득찬 pond를하루에한번침전시키고바닥에농축된바이오매스를차후프로세스를위해저장시킨다 (Benemann and Oswald,
16 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 1996). 이방법은일반적으로 85% 까지조류바이오매스가침전조바닥에농축되는것으로밝혀졌다. 하지만이는사용되는종에따라변할수있는수치이며, 침전용 pond를위한상당한면적의부지가추가로요구된다는단점을가지고있다. 따라서크기가 1 30µm 정도인미세조류를물에서분리하기위하여화학적첨가제를수반한응집 (flocculation), 응집후용존공기부상 (dissolved air flotation), 여과 (filtration), 원심분리 (centrifugation) 등의방법들이사용되고있다. 또한다른미생물과의공생을통한생응집또한침전을촉진시킨다. 응집제를사용할경우에는재순환수내의잔류응집제가다음단계인추출혹은연료전환공정에미치는영향을이해하고제어해야한다. 여과법은개념상으로는간단하나, 매우고가이며필터로부터미세조류바이오매스를재확보하는것이중요하다. 또한느린프로세스를가지고있어큰용량을필요로하며필터를물로정제하게되면바이오매스가재희석되므로정제를최소화할수있도록디자인할필요가있다. 원심분리법은산업적인부유물의분리에널리사용되나높은초기자본투자비, 운전비를고려해야한다. 3) 지질추출일반적으로미세조류는두꺼운세포벽을가지고있어서지질을추출하는것에상당한에너지가소요된다 (Halim et al., 2011). 따라서기술개발을통하여본공정에서의에너지사용량을줄일필요가있다. 미세조류의지질추출법으로는기계적압박법 (Express/Press), 화학용매추출법 (Hexane solvent oil extraction), 초음파추출법 (Ultrasonic-assisted extraction), 초임계추출법 (Supercritical fluid extraction) 및효소추출법 (Enzyme extraction), 삼투충격 (Osmotic shock) 등의방법들이사용되어왔다. 기계적압박법은추출수율이
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료의생산기술현황 17 70 75% 에불과하며, 용매추출과의조합으로실시되고있다. 또한초음파방법은일부고액추출공정에서추출수율및물질전달속도를증가시키나대량용량에의적용은에너지효용면에서비경제적이다. 효소추출법은높은반응효율과상온ㆍ상압에서의반응이라는점에서유리하나, 효소의비싼가격및효소반응의까다로운제어등의단점을가지고있다. CO 2 를이용한초임계유체추출은전통적인용매추출법과비교하였을때초임계유체의독성이낮으며용매가포함되어있지않은추출물을발생시키는등의장점을가지고있으나, 인프라구축및운전과관련된고가의비용이소요된다는단점을지니고있다. 미세조류는세포벽이존재하고지질추출과정이율속단계로작용하며조류배양액에다량의수분이함유되어있으므로추출수율향상을위한효율적인추출용매및전처리방법의개발이요구된다. 4) 유용한물질로의전환 Subhardra et al(2010) 이제안한바와같이 kg당 0.4달러인값싼디젤만을생산하는것이아니라고부가가치의약품 ( 오메가-3, $6/kg), 재조합단백질 ($8/kg) 및화학물질 (1,3-프로판디올, $0.35/kg) 을함께생산하는미세조류바이오리파이너리 (biorefinery) 가좋은대안이될수있다. 미세조류는지질이외에도단백질, 탄수화물및다른유용한영양소를함유하고있으며바이오디젤생산후남은바이오매스를사료, 퇴비혹은혐기발효를통한메탄가스로전화하는데사용할수있다. 이러한메탄가스를병합발전시스템등을통해에너지공급에활용할수있다. 바이오디젤생산과정에서생산제품의 10분의 1 정도로글리세린이부산물로발생되는데이는화학산업분야에서다양한유도체로활용하기위한빌딩블록 (building block) 화학물질, 화장품, 치약, 폴리우레탄제조등에이용될수있다.
18 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 자료 : US DOE(2010). < 그림 2-4> 미세조류유래바이오연료와부산물의생산을위한다양한접근방법및경로 2. 바이오에탄올의생산기술현황 바이오에탄올은효모 (yeast) 나박테리아등의미생물을이용하여당을포함하거나당으로전환될수있는녹말이나섬유소를포함한바이오매스를발효시켜생산된다. 이는휘발유나혼합연료 (gasohol), 산화물 (Ethyl Tertiary Buthyl Ether, ETBE) 의혼합연료혹은수화에탄올 ( 에탄올 95%+ 물 5%) 로기존의내연기관에사용될수있으며공연비 (Air/Fuel ratio) 를낮게유지할수있다. 또한증발잠열과옥탄가가높으며화염온도가낮은등의수송용대체연
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료의생산기술현황 19 료로서우수한특성을가진다 ( 국회지식경제위원회, 2010). 에탄올이 5% 이하인경우에는기존엔진을그대로사용할수있으며, 비율이높아짐에따라탱크나연료파이프및밸브등의개선이필요하다 ( 배정환, 2006). 현재에탄올혼합비율에관계없이바이오에탄올을연료로이용할수있는다중연료차량 (Fuel Flexible Vehicle, FFV) 의개발이진행되고있다. 바이오에탄올시장에있어선진국인브라질은바이오에탄올상용화를위해 2000년초 FFV를도입하였다. 이에따라 2006년에는판매되는전체신차중 73% 를 FFV가차지함에따라새로판매되는자동차 10대중 7대이상이바이오에탄올을연료로사용할수있는인프라가구축되었고바이오에탄올의수요도급증하게되었다. 가. 제1세대바이오매스 : 식용작물현재상업적규모의바이오에탄올은주로 1세대바이오매스인사탕수수 ( 브라질, 콜롬비아등 ) 와옥수수 ( 미국, 유럽연합, 중국등지 ) 와같은당질계및전분작물을이용하여생산되고있다. 2008년바이오에탄올의전체생산량은 173억갤런에달하였다. 생산된에탄올은휘발유와혼합된가소홀 (gasohol) 및경유와혼합된 E-디젤 (E-diesel) 의형태로가공되어수송용액체연료로사용되는것이일반적이다. 미국에서시판되고있는가소홀은 10% 의에탄올과 90% 의휘발유를혼합한 E10과 85% 의에탄올과 15% 의휘발유를혼합한 E85의두종류이다. 이중 E10은일반휘발유자동차에사용할수있으나, E85를사용하려면특별히제작된엔진이필요하다. 현재미국내휘발유의 30% 이상이에탄올과혼합되어사용되고있다. 미국에서생산되는에탄올의 90% 가옥수수에서생산되며, 2005년에탄올생산에이용된옥수수의양은약 35.6백만톤 ( 옥수수 1 bushel=25.4kg 기준 ) 으로금액으로는약 29억달러에이른다. 이는옥수수소비량의 16% 에해당하는양으로에탄올수요및생산량증가는농촌경제에도긍정
20 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 적인영향을줄수있을것으로예상된다. 이러한바이오에탄올용곡물이용을온실가스저감측면에서살펴보면, 곡물바이오매스가연소하면서발생하는이산화탄소는원래식물체가광합성작용을하면서대기로부터흡수한것이므로탄소중립적이라할수있다. 하지만이는직접배출만을고려한것으로옥수수의대규모배양을위하여토지이용의변화 (Indirect Land Use Change, ILUC) 를유발하였을경우등의간접방출효과도함께고려하여야한다. 삼림지를파괴하면서농지면적을확장한다면오히려온실가스배출을증가시키게된다. 또한식량가격이상승하고비료와농약등을비롯한농자재의남용과환경문제를일으킬수있다는문제점이제기되고있다. 나. 제2세대바이오매스 : 리그노셀룰로오스계바이오에탄올은 2세대바이오매스인리그노셀룰로오스물질- 작물의잔재, 잔디, 톱밥, 우드칩, 오니, 가축분뇨등-에서생산된다. 리그노셀룰로오스는세계곳곳에풍부하게존재하며셀룰로오스와헤미셀룰로오스의높은함량으로인해바이오에탄올생산에사용될수있다. 하지만당질계혹은전분질계바이오매스에비해가수분해가어려울뿐만아니라리그노셀룰로오스를에탄올로전환하기위하여세가지단계- 전처리, 가수분해, 발효- 를거치게된다 (Cheng and Timilsina, 2011). 1) 리그노셀룰로오스목질류는리그노셀룰로오스로구성되어있으며이러한리그노셀룰로오스계바이오매스는지구상에가장풍부한유기물이며폐바이오매스를이용하여에너지요구량의 16% 를충족시키는것으로보고되고있다. 리그노셀룰로오스는크게셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌으로구성되어있다. 셀룰로오스는고
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료의생산기술현황 21 분자화학물질로서 β-1,4의직선화된글루코오스결합을지니고있어견고하고결정화된구조를지닌다. 헤미셀룰로오스는당분과당유도체로구성된복잡한이형고분자로서 100 200개의당단위로구성되어있는단량체 (monomer) 는 6탄당과 5탄당을포함한다. 리그닌은방향족화합물의중합체이며식물체세포벽을구성하는주요성분이다. 일반적으로사용되는리그노셀룰로오스계물질들의셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌함량은다음 < 표 2-3> 와같다. < 표 2-3> 리그노셀룰로오스계물질별셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 리그닌함량 리그노셀룰로오스셀룰로오스 (%) 헤미셀룰로오스 (%) 리그닌 (%) Hardwoods stems 40~55 24~40 18~25 Softwood stems 45~50 25~35 25~35 Switch grass 45 31.4 12~20 Miscanthus 40 18 25 Coastal Bermuda grass 25 35.7 9~18 Corn stover 35~40 17~35 7~18 Wheat straw 30 50 15 Rice straw 36~47 19~25 10~24 Cotton seed hairs 80~95 5~20 0 Newspaper 40~55 25~40 18~30 White paper 85~99 0 1~15 자료 : Sun and Cheng(2002). 2) 전처리전처리는발효가능한당을생성하기위해셀룰로오스와헤미셀룰로오스로부터리그닌을분리해내고, 셀룰로오스결정성 (crystallinity) 을낮추며리그노셀룰로오스의다공성을증가시키는역할을할수있다. 전처리기술들은지난 30여년동안연구되어왔으며물리적, 화학적, 생물학적공정들이수행되고있다.
22 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 3) 화학원료생산기술 (Biorefinery) 바이오매스화학원료생산기술은바이오리파이너리 (Biorefinery) 기술로명명될수있다. 이것은당질계 ( 포도당, 과당, 설탕생산작물, 사탕수수등 ), 전분질계 ( 전분을생산하는옥수수, 밀, 감자등 ) 그리고목질계 ( 다양한식물의줄기등 ) 작물및폐기물등을원료로사용하여, 당화공정을통해포도당, 과당, 맥아당, 갈락토오스, 만노스, 아라비노스등과같이발효공정의원료가되는단당류 (monosaccharide) 와이당류 (disaccharide) 를생성하고, 이를발효시켜에탄올, 부탄올, 아세톤, 젖산, 숙신산등의화학제품을생산하는기술로요약될수있다. 셀룰로오스는당화공정전에식물체에서추출되는탄수화물의중합체로서지구상에가장풍부한자원이고 ( 지구상에서연간 750억톤정도가광합성으로생성, 자연분해소멸됨 ), 그자체로서도종이, 셀로판, 사진필름, 멤브레인, 화약, 수용성검및도료첨가제로서널리사용되고있다 ( 이상필외, 2002). 셀룰로오스섬유를정제하여종이로이용되는기술은이미보편화되었다. 한편, 셀룰로오스유도체폴리머로서현재가장각광받고있는물질은셀룰로오스아세테이트 (cellulose acetate) 이다. 이는전세계에서연간약 75만톤이제조ㆍ사용되고있으며, 사진필름, 인조견, 열가소성수지, 라커의원료로쓰이고있다 ( 그림 2-5 참조 ). 아래공정도에의하면각종바이오매스 ( 당질, 전분, 목질계 ) 는농축혹은당화되어포도당등의저분자량의당으로분해될수있으며, 그중에서목질계바이오매스는셀룰로오스의형태를거쳐당으로분해된다. 생성된당은발효를통하여에탄올, 젖산등의중간발효제품을거쳐정제ㆍ농축ㆍ변형되며, 이를통해알콜류, 아크릴산, 에스테르등화학원료로전환될수있다. 중간발효제품중특히젖산은중합공정을거쳐생분해성플라스틱인폴리락테이트
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료의생산기술현황 23 (poly-l-lactate) 로전환된다. 당화되기전의셀룰로오스는종이혹은그변형 가공제품인셀룰로오스아세테이트등의고부가가치목재화학제품으로생산 된다. 자료 : 이상필외 (2002). < 그림 2-5> Biorefinery 의생성물과공정의개념도 미국 National Research Council(NRC) 의생명과학분과생물산업위원회 (Committee on Biobased Industrial Products, Board on Biology, Commission on Life Sciences, National Research Council) 에따르면, 현재대부분석유화학기술로공급되고있는젖산유도체화학공장을모두바이오매스를원료로하는화학공정으로대체할경우 (450만톤 / 년규모 ) 약 22억달러의투자비가소요될것으로예측하였다. 이와같이화학원료인젖산및젖산유도체기술개발이주목받고있는이유는, 젖산의시장은한정되어있으나단위생산당부가가치가높기때문이다. 한편, 1997년미국의 Cargill-Dow Polymer
24 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 사는 PLA 중합공정을개발하고 2000 년현재연산 9 천톤규모의 PLA 및 젖산유도제품의파일럿플랜트를운영하고있으며, 2001 년부터는연간 14 만 톤규모의상업적 PLA 생산공장을가동중이다. 다. 제3세대바이오매스 : 거대조류 (Macroalgae) 미역이나다시마등의해조류는지구온난화의주범으로꼽히는이산화탄소의흡수능력이매우뛰어난것으로알려져있다. 우리나라는세계 4위의해조류생산국이며삼면이바다인지형적인특성으로재배가능한면적이넓어해조류양식이온실가스저감을위한새로운방안으로제시되고있다. 다세포성거대조류에는녹조류 (green algae), 홍조류 (red algae), 갈조류 (brown algae) 가있으며이들은성장속도가매우빨라 60m까지자랄수있다 ( 박재일외, 2008). 거대조류는종에따라차이는있지만, 일반적으로섬유질과다양한당류 ( 전분 ) 를포함하고있어에탄올생산에유리하다. 특히갈조류는목질계와는달리리그닌 (lignin) 성분이없으며셀룰로오스함량도낮아생물학적분해가쉬운장점을가진다. 따라서전처리및당화공정이간단하고, 총에너지전환수율이낮아대규모양식을통하여원료를확보한다면당질계및전분질계수준의공정비용으로바이오에탄올을제조할수있다 ( 김경수외, 2008). 홍조류역시에탄올발효에이용될수있는탄수화물의구성성분비가높아바이오에탄올생산에적합하다. 목질계바이오매스가주로리그닌, 5탄당헤미셀룰로오스, 6탄당셀룰로오스로구성되어있는데비해, 홍조류는주로갈락탄 ( galactan) 과셀룰로오스로구성되어있다 ( 김경수외, 2008). 따라서비용이소요되며후단의발효공정에대한저해를야기하는리그닌을제거하는전처리단계가생략될수있다. 홍조류를이용한바이오에탄올제조공정은당화, 발효, 분리및정제공정으로나뉘어지며각각의특징은다음의 < 표 2-4> 과같다.
제 2 장바이오매스종류에따른바이오연료의생산기술현황 25 < 표 2-4> 홍조류를이용한바이오에탄올제조공정및특징 - 홍조류내에존재하는고분자형태의탄수화물을발효미생물이이용할수있는단량체로전환하는공정 당화또는가수분해 산당화 효소당화 - 황산등을이용한산당화는운전이간단하고반응시간이짧다는장점을가짐 - 발효저해물질이생성될가능성이있으며고온고압반응에의한비용이들며후단에 ph 중화를위한공정을설치해야함 -Glucosidic bond 를분해하는효소를이용한것으로, 상온상압조건에서저해물질없이단량체로전환할수있음 - 하지만생산단가의대부분을효소가격이차지할것으로추정되어효소개발에대한연구가활발히진행중 발효 분리및정제 -Saccharomyces cerevisiae, Brettanomyces custersii 등의효모와 Zymomonas mobilis 등의박테리아는외부전자전달체가없는혐기성상태에서글루코오스를에탄올로전환하는단계 -발효액은주로원심분리에의해효모세포를분리한후분리및정제에주입됨 -대표적인분리방법은증류 (distillation) 이며에탄올의끓는점이물보다낮은점을이용함 -대표적인정제방법은 molecular sieve에에탄올 / 물증기를통과시켜물을제거하는방법 자료 : 김경수외 (2009).
26 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 제 3 장해외바이오연료제도현황 미국과브라질은바이오에탄올을, 유럽연합에서는바이오디젤을화석연료를대체할수있는주요에너지원으로개발하여상용화단계에있다. 이에미국과유럽연합 (EU) 을중심으로다양한바이오매스에기반한바이오연료와관련된제도들과바이오연료의지속가능성표준지침에대해서살펴보고자한다. 1. 미국 미국에너지부 DOE의 EERE(Energy Efficiency & Renewable Energy) 에서는바이오매스프로그램 (Biomass program) 을통하여통합바이오리파이너리를지원하고있다. 미국각주에골고루위치하여농작물잔류물, 생활고형폐기물, 삼림부산물, 미세조류등다양한바이오매스를원료로여러전환공법을이용하여바이오연료, 바이오전력, 바이오화학물질들을동시에생산하고있다. 또한기술적 재정적리스크를줄이기위하여파일럿규모부터단계적으로진행하며주로경기부양법 (American Recovery and Reinvestment Act, ARRA) 으로부터의자금을이용하여 12개의파일럿, 4개의실증, 1개의상용규모의바이오리파이너리에투자하고있다. 대표적으로, Sapphire Energy는 IABR(Integrated Algal Biorefinery) 를통해미세조류이용연료농장을건설하여하루에 56톤의이산화탄소를저감하고 100배럴의오일을생산할수있을것으로기대하고있다. 미국은신에너지법에기초하여바이오에탄올등재생가능연료의사용기준을상향조정하였으며오바마대통령은그린뉴딜 (Green New Deal) 정책을표방하며바이오연료연구에재정지원을늘리고있다. 미국환경보호청 EPA는
제 3 장해외바이오연료제도현황 27 현재의가솔린내에탄올혼합률인 10% 를 5% 더높인 E15( 에탄올비율 15%) 에대해검토하고있다. 미국은주로전분질계를이용한바이오에탄올생산에주력하고있으며옥수수생산량의 30% 정도를사용한다. 하지만식용작물이용에따른문제점들이제기되면서오클라호마주에서는가솔린에함유된옥수수유래바이오에탄올 1갤런당 45센트의세액공제제도를폐지하기위한조치를도입하였다. 최근에는식량과경합하지않는리그노셀룰로오스와미세조류를원료로한첨단바이오연료 (Advanced biofuel) 에주목하고있다. 2005년 EPA의 에너지정책시행법 (Energy Policy Act, EPAct 2005) 에서신재생연료의무보급제도 (renewable fuel standard, RFS) 를처음소개하였으며, EPAct에서의 RFS1 프로그램은 2012년까지바이오연료의 75억갤런을가솔린과혼합하도록요구하고있다. 이중 2.5억갤런은셀룰로오스바이오매스원료로생산하도록되어있다. 2007년 에너지독립 안전보장법 (Energy Independence and Security Act, EISA) 에의해만들어진 RFS2 프로그램은 RFS1을보다확대하여 2022년까지 360억갤런의바이오연료 ( 주로에탄올 ) 사용을의무화하였으며다양한 2세대바이오연료기술개발투자및상용화를추진하고있다. 이에 DOE는 2010 년기준상용규모의리그노셀룰로오스계바이오매스를이용한에탄올생산공장 6곳을지원하고있으며모두합산하여 1년에 1.3억갤런을생산하고있다. 이와더불어, 올해부터미세조류유래바이오디젤생산에투자규모가 1조원대를넘어서는등지원을늘리고있으며특히 The Advanced Research Projects Agency-Energy(ARPA-E) 를통하여바이오연료를포함한고위험군 (high risk) 혁신기술분야에총 1억달러규모의연구비를지원하고있다. < 표 3-1> 은바이오연료와관련한미국의주요법령에대해정리한것이다.
28 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 법령 Energy Tax Act Farm Security and Rural Investment Act (Farm Bill) < 표 3-1> 미국의주요바이오매스이용촉진법령 내용 1 Biodiesel Income Tax Credit - 2008년까지바이오디젤의소득세감면혜택확대 - 바이오디젤 1갤런당 1달러지원 - 혼합바이오디젤의경우함유된바이오디젤 1갤런당 1달러지원 2 Excise Tax Credit for Biodiesel - 2008년까지바이오디젤의소득세감면혜택확대 - 바이오디젤 1갤런당 1달러지원 - 혼합바이오디젤의경우함유된바이오디젤 1갤런당 1달러지원 - Waste-grease 바이오디젤 1갤런당 0.5달러지원 3 Small Agri-biodiesel Producer Credit - 2008년까지연간생산용량 6천만갤런이하의소규모농산바이오디젤생산업자에대한세금감면혜택 - 생산량 15만갤런까지갤런당 10센트지원 4 Excise Tax Credit for Alcohol Fuel - 2008년까지알코올연료의소비세감면혜택확대 - 190도 (proof) 이상의에탄올 1갤런당 51센트지원 5 Small Ethanol Producer Credit - 2008년까지연간생산용량 6천만갤런이하의소규모에탄올생산업자에대한세금감면혜택 - 생산량 15만갤런까지갤런당 10센트지원 6 Renewable Energy Production Incentive(REPI) - 자가전기시설을통해재생가능한전력을생산하는경우 1.5 cent/kwh 인센티브지원 7 Renewable Energy Production Tax Credit(PTC) - 재생가능한원료로부터전기를생산하고이를판매할경우 1.8 cent/kwh 지원 - 바이오매스제품의연방구매 - 바이오리파이너리기술개발지원 - 바이오디젤관련교육프로그램추진 - 에너지회계감사및신재생에너지기술개발프로그램지원 - 신재생에너지시스템및에너지효율개선기술개발지원 - 바이오에너지공동연구및활용증대사업추진 - Biobased Products and Bioenergy Coordination Council (BBCC) 설립 Healthy - 목질계바이오매스의활용촉진목적
제 3 장해외바이오연료제도현황 29 법령 Forest Restoration Act 내용 - Biomass Research and Development Act 에임산바이오매스관련연구개발내용을개정하여매년 5 백만달러의지원예산증액 - 바이오매스기술의적용과시장활성화유도를위해 2008 년까지매년 5 백만달러를투자하여 Forest Products Lab 과공동으로 Rural Revitalization Through Forestry Program 추진 - 2008 년까지매년 5 백만달러를투자하여목질계바이오매스상용화설비의운영자에게생산비절감목적의보조금지원 자료 : Biomass Program webpage(www.eere.energy.gov/biomass/index.html). 국립환경과학원 (2006). 2. 유럽연합 (EU) 유럽연합에서는디젤차가신차판매의약 50% 를차지하는데주로유채씨를이용한바이오디젤이바이오연료의 70% 를차지한다. 2020년까지바이오연료에대한수요의약 80% 가바이오디젤로충족될것으로전망된다. 또한온실가스와원유의존도를줄일목적으로 운송용바이오연료도입에관한지침 을 2003년도에발효시켜가맹국에바이오연료와재생가능연료의시장도입량에대한목표를세운바있다. 2014년에시행예정인 Euro6 배기가스규제의대책으로디젤자동차의가격이상승할것으로예상되어앞으로바이오에탄올생산량이증가할것으로예상되고있다. 현재브라질에서대량생산되는바이오에탄올은유럽연합의높은관세를적용받고있으며 바이오연료에관한유럽연합의새로운환경및노동표준 으로인해미국으로부터의대두수입이규제를받게되었다. 이법안에는작물재배로인한열대우림파괴등환경적인악영향을방지하기위한규제도포함되어있다. 2010년 11월유럽위원회가발표한 Energy 2020(20-20-20 구상 ) 에의하면 2020년까지에너지효율 20% 증대, 1990년대비 20% 온실가스배출량
30 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 감소, 재생에너지원으로부터생산된에너지로전체에너지의 20% 를충족시킬계획이다 ( 주진홍외, 2010). 또한 2011년하반기에 2050 저탄소경제를향한로드맵 (Roadmap for a Low-Carbon Economy by 2050) 을발표할예정인데온실가스배출량을 2050년까지 1990년수준의 80 95% 까지저감시킬수있는방법을제시할것이다. 2007년유럽정상들간에합의한 에너지행동계획 (Energy Action Plan) 에서유럽의운송연료중바이오연료의사용을 2010년 5.75% 에서 2020년에는 10% 까지확대하기위한강제적인조치를제안하였다. 현재프랑스에서는대형트럭, 버스등차량에서 BD30( 경유중바이오디젤혼합률 30%) 을시행하고있으며, 독일에서는 바이오연료할당법 (Biofuel Quota Law) 을시행하여 2014년까지 6.25% 사용을의무화하였다. 이는바이오연료에대한유류세면세대신에사용의무의법정규제조항을적용하여, 연료공급자들에게여분의쿼터가있을경우할당량을맞출필요가있는다른공급자들과교환할수있으며, 목표쿼터미달시에는벌금을부과하게된다. 또한영국에서 2008년 4월부터추진된 재생교통연료의무조항 (Renewable Transport Fuels Obligation, RTFO) 은유럽연합의바이오에너지정책성명을이행하기위한조치로서영국내에서판매되는가솔린과디젤에바이오연료를최소 2.5% 이상혼합하도록하고있으며 2013년까지수송연료의 5.26% 를바이오연료로대체할것을목표로제시하였다. 모든수송용화석연료공급자들은재생가능수송용연료를일정량의무적으로판매하게되며이에대한판매인증서를교부받는다. 공급자가의무목표량을달성하지못할시에는다른공급자로부터인증서를구입하거나리터당부과되는추가매입가격 (buy-out price) 을지불해야하며이는 buy-out fund 로유입된다 ( 환경부, 2008). 영국교통부는정유회사및에너지수입사와지속적인협의를통해상호이해도를증대시키고정책수용도를제고하고있다. 또한연료세인센티브제도 (Fuel Duty Incentives, FDI) 를
제 3 장해외바이오연료제도현황 31 통해바이오디젤에대해리터당 20펜스의탄화수소세를감면하고있으며 2005 년부터는바이오에탄올에도동일하게적용되어 2009년까지시행되었다. 이는과거에다른청정연료에도적용한사례가있어이해하기쉽고적용이용이하다는장점을가지지만, 정부의재정적인부담이증대되고적정한지원수준을유지하기어렵다는단점을지닌것으로평가되고있다. 2005년 12월에발표된 바이오매스행동계획 (Biomass Action Plan, COM (2005) 628 final) 에따르면유럽연합의해외에너지의존도를줄이고바이오매스의이용을촉진하기위해난방용, 발전용, 수송용바이오매스의사용을현재 4% 에서지속적으로확대할계획이다 ( 표 3-2 참조 ). < 표 3-2> EU 의대표적인바이오매스전략 법제 Biomass action plan ( 보조금제도 ) 일련번호 COM 628 내용 유럽구조기금 (European Structural Fund) 과유럽결속기금 (European Cohesion Funds) 의지원을받고있는여러중부유럽지역에는생물자원을이용한경제성장과고용창출혹은안정을추구할수있는높은잠재력존재. 저임금과풍부한자원유효성은이지역이생물자원의생산에상당한이점이있음을증명. 이두기금으로농업종사자의재교육, 생물자원생산자에대한장비공급, 생물연료생산시설에대한투자등을지원. 난방용, 발전용, 수송용바이오매스의사용을현재 4% 에서지속적으로확대할계획 Energy for the future : Renewable Sources of Energy - White COM Paper for a 599 Community Strategy and Action Plan ( 규제완화및세제혜택 ) (1) 2010 년까지매립되는생물분해가능한폐기물의 75% 감량을계획. (2) 에너지작물의품종선택과생산에있어서경작주기가짧고단위면적당높은생산량을기준으로함. (3) 액체생물연료의사용량증가를위한감세 - 면세및보조금지급, 기존법률의수정필요.
32 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 법제 일련번호 내용 The promotion of the use of biofuels for transport ( 규제완화 ) COM 547 2009 년까지바이오연료의대체비율을매년 0.75% 높여 5% 달성목표설정. 유럽의회는 2006 년말까지휘발유및경유에대한바이오연료혼합의필요성을조사하여 98/70/EC 수정법안을제출할예정. The Regions on the implementation of the Community Strategy and Action Plan on 에너지작물생산을위해국가가정책적인지원을 COM Renewable Energy 하는동시에 50% 의지원금보조를할수있음. 69 Sources (1998-2000) ( 보조금제도 ) An EU Strategy for Biofuels ( 연구개발 ) 자료 : 국립환경과학원 (2006). COM 34 제 7 차 Framework Programme( 기간 : 2007 2013) 에서는 EU 의생물연료산업의경쟁력강화를위해다음과같이 Cooperation Specific Programme 에서주로두가지주제를다룸. (1) 기존기술과 2 세대개발중인생물연료에의해개선된연료의생산비용절감에목적을둔 에너지 (2) 생물자원생산시스템을개발하는생명과학과생물공학을적용한 식량, 농업그리고생물공학기술 생물연료의완전한이용과최종생산물의비용절감극대화에목적을둔생물정제기술의개념은이두주제의실마리를제공. 3. 바이오연료지속가능성표준 (biofuel sustainability standards) 현존하는바이오연료지속가능성표준지침은육상식물바이오매스에기반한바이오연료생산에초점을두고있다. 이는바이오매스의대규모생산에따른
제 3 장해외바이오연료제도현황 33 지속가능성에대한우려로제기되었으며, 정부기관들은환경적, 사회적지속가능성기준에따라정책을개발하기시작하였다. 이러한시스템을구축한첫번째국가는영국으로, 위에서언급한바와같이 RTFO를시행함으로써바이오연료공급자가지속가능성과온실가스 (GHG) 배출정도를보고하도록의무화하고있으며이는현재 EU 재생에너지지침 (Renewable Energy Directive, RED) 으로확대되어생산자들이 EU의바이오연료목표에따른일련의지속가능성기준을준수하도록하고있다. 최근스위스연방재료시험연구소 (Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research, Empa) 는스위스 RSB (Roundtable on Sustainable Biofuels) 와독일베를린기술경제대학 (HTW Berlin) 의연구진들과공동으로바이오연료생산에대한지속가능성을평가하기위한온라인도구를개발하였다. 사용자들은이도구를통해자가위험평가 (self-risk assessment) 와 RSB의원리및범주에상응하는자가평가 (self-assessment) 를수행할수있으며경작에서부터최종연료공급에이르기까지각생산공정별로온실가스의배출을계산할수있다. 또한본연구팀은 바이오연료를위한최초의웹을기반으로하는 LCA 도구인 SQCB (Sustainable Quick Check for Biofuels) 를개발하였다. < 표 3-3> 는 RSB, RED와 RTFO에의해마련된지속가능성이슈들에대해보여주는데 RED만이미세조류를언급하고있으나, 이또한미래의가능한 2세대바이오연료의목록중한부분으로서만명시되어있다 (Dehue et al., 2008b, EU 2008, RSB 2008). 미세조류유래바이오연료에대한관심이증가하는상황에서, 미세조류가육상식물바이오매스와유사한개발경로를가지게될수있음에따라현존하는지속가능성표준의대상을미세조류유래바이오연료로확대할필요가있다.
34 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 < 표 3-3> RTFO, RED 와 RSB 에의해마련된지속가능성지침 지속가능성이슈들 RTFO RED RSB GHG 배출 (emissions) + + + 탄소량보존 (Carbon stock conservation) + + 생물다양성 + + + 환경보호 ( 토양, 물, 대기 ) + + 토지권리 (Land rights) + + 노동상태 + + 공동체활동 (Community relations) + + 식량보안 (Food security) + 다른비식용바이오매스와의경쟁경제적복지 (Economic welfare) + 법적분쟁 (Legal compliance) + + + 간접적효과 + 자료 : Dehue et al.(2008).
제 4 장정책적시사점 35 제 4 장정책적시사점 2009년녹색성장위원회의 온실가스감축목표시나리오 에는바이오디젤은 2015년 6%, 2020년 10%, 2030년 15% 감축하는것으로제시되어있다. 또한 2011년 제2 차그린에너지전략로드맵 에따르면제1 차로드맵에는포함되지않았던 바이오연료 분야가새로도입되었다 ( 지식경제부, 2011). 현재바이오디젤은모든정유사와주유소를통하여일반경유차량에 BD5 ( 바이오디젤혼합률 5% 이내, 현재 2%) 를, 자가주유및정비시설을갖춘사업장의버스, 트럭, 건설기계, 철도차량에한하여바이오디젤 20% 혼합경유 ( 동절기 10%) 를보급하고있다. 2007년부터해마다 0.5% 씩바이오디젤함유량을증가시키려는기존의계획을수정하여 2012년에도 2011년도와같이 2% 로제한하기로한상태이다. 바이오디젤생산을위하여대두유 (77%) 와폐식용유 (23%) 가주로사용되는데 ( 이정임, 2010), 대두는주로수입에의존하며폐식용유 (2009년 7.8만톤사용 ) 는국내발생폐유지에의한바이오디젤생산가능량은 50만 8천톤이나, 원료수급의어려움과부산물들의복잡한성상및불순물들때문에고순도글리세롤의분리 정제시특별한전처리가필요하다는문제점이있다. 바이오연료생산을위하여해외에서원료를수입하면국내소비자가경제성이열악한해외유관산업을보호 육성해주는결과를초래하며자국내에서생산되지않은바이오매스이용시온실가스저감효과를상실하게된다. 일본은자국내바이오매스자원을우선적으로활용한다는원칙아래지역별로유망한바이오매스자원을발굴하고해당자원을효율적으로바이오연료화하기위한기술을개발하고있다 ( 지식경제부, 2011). 또한폐식용유는안정적인원료회수를위한수거시스템이개선되어야한다. 이러한배경에서원료물질의다양화를
36 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 위하여환경적인지속성이뛰어난 2세대및 3세대원료물질등의차세대바이오매스개발연구에적극나서야할것이다. 바이오연료와함께다양한고부가가치의약품및화학물질들을생산하여경쟁력을확보할수있도록바이오리파이너리공정을수행할필요가있다. 이와더불어, 환경친화적인바이오매스의활용, 부산물의고부가가치화, 생산의고효율화등에대한적극적인원천기술의특허를확보해야할것이다. 중앙부처및출연연구원의 2010년신재생에너지 R&D 추진현황은 < 표 4-1> 과같다. < 표 4-1> 2010 년신재생에너지 R&D 사업추진현황 부처신재생에너지 R&D 사업명폐자원에너지화및 Non-CO 2 온실가스사업단환경부 ( 폐자원분야 ) 폐기물인력양성해양에너지실용화기술개발국토해양부해양에너지전문인력양성해양바이오에너지기술개발신재생에너지기술개발신재생에너지인력양성지식경제부신재생에너지설비보급기반구축광역경제권선도산업육성교육과학기술부기후변화대응기초원천기술개발 ( 신재생에너지분야 ) 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발농림수산식품부농림기술개발 ( 신재생에너지분야 ) 해조류바이오에너지화연구농촌진흥청농업바이오에너지생산기술개발산림청임업기술연구개발 ( 신재생에너지분야 ) 산림과학기술개발 ( 신재생에너지분야 ) 방위사업청국립녹색기술개발출연연구원한국생산기술연구원해양미세조류이용에탄올생산연구한국에너지기술연구원미세조류이용바이오디젤연구한국과학기술연구원미세조류이용에너지화연구한국생명공학연구원저탄소녹색성장을위한바이오매스 / 에너지기술개발한국해양연구원해조류를이용한바이오에너지자원화기술개발
제 4 장정책적시사점 37 미세조류바이오디젤의경우현존하는바이오디젤품질규격에부합되어야할것이다. 이러한규격기준은바이오디젤의상업화를위한연료품질의보장을위해필요하며미국은 ASTM D6751, 유럽연합에서는 EN 142414-2008/2009와 EN15376-2011 Standard 를가지고있다. 이와같은 EU 통일규격의제정작업은 EU 가맹국간무역을원활히하고기술적규격의투명성을확보하기위함이다 ( 환경부, 2008). 미세조류의지질은다중불포화지방산을많이함유하고있어산화안정성측면에서특별한고려가필요하다 ( 조병훈외, 2010). 해양바이오매스유래바이오연료에대한 지속가능성기준 을설정해야할것이다. 전과정평가 (Life cycle analysis, LCA) 를통해이산화탄소저감효과, 식량과의비경합성, 생물다양성비훼손등의기준을설정하여바이오연료보급에따른곡물가상승, 환경파괴등을미연에방지할수있도록해야할것이다. 특히미세조류의배양에서부터바이오디젤생산에이르기까지각단계별 ( 배양, 수확, 농축, 추출, 생산단계 ) 에너지수지를정량화하고온실가스발생량을산정하여환경적부하를낮추기위한기술개발및공정개선등의방안이마련되어야할것이다. 바이오디젤생산량향상을위해개발된미세조류 LMO(Living modified organism) 에대한리뷰및승인에있어서환경적위해성평가를실시하고표준화및관리체계를구축할필요가있다. 또한산혹은염기로처리하여발생된폐수를적절하게처리할수있어야한다. Lardon et al.(2009) 가문제점으로제기한바와같이폐수처리비용에관한언급은어느논문에서도찾아볼수없다. 2012년바이오디젤분야에의무혼합제도인 RFS를도입할계획을가지고있다. RFS의도입을위해우리나라바이오연료산업현실을반영하여의무대상자의범위, 의무량, 이행방법, 과징금등을체계적으로검토해야할것이며
38 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 이에필요한관련법규도개정및제정할필요가있다. < 표 4-2> 는국내의바이오연료관련법령을보여준다. 또한산업적육성을위해기술개발이이루어지고있는차세대바이오매스유래바이오연료에있어서는일정기간동안정책적지원을해나가야할것이다. 바이오매스원료별로가중치를부여하여면세혜택을주는것도고려해볼수있다. 특히미세조류의경우바이오연료를위한바이오매스로서충분한가능성을보여준만큼이를보다발전시킬수있는정책적지원이요구된다. 법명및관련내용관련조항시행령 대체에너지개발및이용보급촉진법 바이오에너지를대체에너지로규정 대체에너지의분류에관한사항 < 표 4-2> 국내의바이오연료관련법령 제 2 조 ( 정의 ) 이법에서 대체에너지 라함은석유 석탄 원자력 천연가스가아닌에너지로서다음각호의 1 에해당하는것을말한다. 1. 태양에너지 2. 바이오에너지 3. 풍력 4. 소수력 5. 연료전지 6. 석탄을액화 가스화한에너지 7. 해양에너지 8. 폐기물에너지 9. 기타대통령령이정하는에너지 바이오에너지의종류 - 바이오디젤 - 바이오알콜 ( 에탄올 ) - 메탄가스 ( 섬유소식물체및유기성폐기물로제조된것 ) 와그의액화가스 - 메탄올 ( 섬유소, 식물체에서제조된메탄가스로부터제조된것 ) - 바이오수소 - 바이오고형연료 ( 폐기물연료, 왕겨탄등 ) 대체에너지개발및이용보급촉진법시행규칙제 2 조 2 항 바이오에너지 라함은생물유기체를변환시켜생산된바이오에탄올, 바이오가스및바이오디젤등의에너지를말한다.
제 4 장정책적시사점 39 법명및관련내용관련조항시행령 석유사업법 석유제품간의혼합을통하여제조한제품중대통령령이정하는유사석유제품은제조, 운송, 판매를금지함 대체에너지는유사석유제품이아님을규정 제 26 조 ( 유사석유제품의제조등의금지 ) 누구든지석유제품에다른석유제품또는석유화학제품을혼합 ( 석유제품의종류간또는등급이다른석유제품간혼합하는것을포함한다 ) 하거나석유화학제품에다른석유화학제품을혼합하는등의방법으로제조된것으로서대통령령이정하는제품 ( 이하 유사석유제품 이라한다 ) 을생산또는판매하거나, 판매목적인유사석유제품임을알고이를저장 운송또는보관하여서는아니된다.[ 개정 98.9.23] 제 30 조 ( 유사석유제품 ) 법제 26 조의규정에의한유사석유제품은조연제 첨가제기타명목의여하를불문하고자동차관리법제 2 조제 1 호의규정에의한자동차와동법시행령제 2 조각호의규정에의한기계및차량 ( 휘발유또는경유를연료로사용하는것에한한다 ) 의연료로사용되어질수있는것을말한다. 다만, 다음각호의에너지는이를유사석유제품으로보지아니한다.[ 개정 98.7.16, 99.4.9] 산업자원부고시제2002-54호 : 바이오디젤 (100%, BD20) 을제30조제2호규정에의거하여이용효율향상에너지로고시 교통세법 제2조 ( 과세대상과세율 ) 제3조 ( 과세물품의세목 ) 교통세법부과물품정의 1 교통세를부과할물품법제2조제2항의규정에 대체에너지는부과대상 ( 이하 과세물품 이라의한과세물품의세목은다 에서제외 한다 ) 과그세율은다음과음과같다.[ 개정 99.12.31, 같다.[ 개정 95.12.29, 98.1. 2000.12.29] 8, 98.9.16, 2000.12.29] 2. 경유및이와유사한대 체유류 가. 경유 나. 경유와유사한대체유 류 ( 석유사업법시행령제 30조의규정에의한유사 석유제품에해당하는것을 말한다 ) 자료 : 국립환경과학원 (2006).
40 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 제 5 장결론 바이오연료에관한유럽연합의새로운환경및노동표준 법안의도입에서알수있듯이점차적으로바이오연료용원료의온실가스배출및환경성평가가국가간무역에큰영향력을미치게될것이다. 또한 MIT 연구진에의하면바이오연료생산시바이오매스를신중히선택하지않으면기존의연료대비장점이사라질뿐만아니라오히려환경에악영향을준다고경고하고있다 (Stratton et al., 2011). 영국의 Nuffield 생명윤리위원회의보고서에서도식용작물유래원료의플랜테이션공급에대하여우려하고있으며비옥한토지를필요로하지않는해양바이오매스와같은대체가능한기술에대한연구를촉진할것을권장하고있다. 이미상용화되어보급되고있는육상바이오매스 ( 옥수수, 사탕수수, 대두등 ) 들은식량자원에기반하고있으므로식량가격상승을유발하고농경지확대로인한삼림지파괴, 농약살포등으로인한환경적문제를발생시키고있다. 이와같이원료수급, 환경및가격측면에서지속가능성에한계가있는것으로평가되고있으며이를원료로한바이오연료의보급및활성화에회의적인시각들이형성되고있다. 2012년부터바이오디젤의혼합의무화에대한 RFS 가도입될예정이나여전히원료의안정적인국내수급이큰과제로남아있다. 국내바이오디젤산업은대두와팜과같은식량자원에기반하고있으며, 이들을대부분수입에의존하고있다. 또한폐식용유와동물성유지를제외하고는국내생산원료가전무한실정이다. 이러한배경에서환경친화적인바이오연료의개발과산업화가요구되며, 특히경지면적이협소하고삼면이바다인우리나라상황에적합한원료물질을채택하여이를정책적으로지원함으로써안정적이고지속적으로확보할필요가있다. 현재지경부와국토부를중심으로해양바이오
제 5 장결론 41 매스를이용한바이오연료에대한기술개발연구가진행되고있으며, 2013년까지미세조류배양을위한대규모배양시설이육상에조성될계획이마련되어있다. 하지만아직까지환경성에대한고려가이루어지고있지않으며이러한차세대바이오매스를대상으로한새로운환경영향평가지침이개발되어야할것이다. 향후해양바이오매스에기반한바이오연료의환경친화적보급및활성화를위하여 R&D에대한적극적인지원과함께환경적영향에대한사전고려가필요하며각공정별환경부하를평가하고이를저감할수있는방안이마련되어야한다. 이러한내용들을토대로국내바이오연료의상용화를위하여환경적영향을사전에충분히고려할수있는제도적장치를마련하는것이필요할것이다.
42 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 참고문헌 < 국문자료 > 국립환경과학원. 2006. 유기성폐기물종합관리기술구축. 국회지식경제위원회. 2010. 세계조류유래바이오연료생산기술개발동향연구. 김경수외. 2009. 해조류를이용한바이오에너지생산기술. Bioin 스페셜 Zine 2009-11호. 박재일, 우희철, 이재화. 2008. 해양조류로부터바이오에너지생산 : 현황및전망. 화학공학 46(5): 833-844. 배정환. 2006. 바이오연료의보급전망과사회적비용 편익분석. 에너지경제연구원. 이상필, 강현무, 박동운. 2002. 바이오매스. 한국과학기술정보연구원 (KISTI). 이정임. 2010. 바이오디젤( 폐식용유 ) 을활용한차량연료공급방안. 경기개발연구원. 임영관외. 2008. 바이오디젤의효과적생산방법. 공업화학 19(2): 137-144. 조병훈외. 2010. 미세조류해양바이오매스를이용한바이오디젤생산기술. KSBB Journal 25: 109-115. 주진홍외. 2010. EU 신에너지정책의수립과정과정책내용의검토. 대외경제정책연구원. 지식경제부. 2011. 그린에너지전략로드맵 2011: 바이오연료. 한국과학기술기획평가원. 2011. 해양바이오에너지의국내외동향과발전방안. 환경부. 2007. 바이오연료( 바이오디젤, 바이오에탄올 ) 의환경 경제성분석및보급확대방안연구.. 2008. 친환경연료의보급타당성및활성화방안마련을위한연구. < 영문자료 > Benemann, J. R. and W. J. Oswald. 1996. Systems and economic analysis of microalgae ponds for conversion of CO2 to biomass. Final Report to the Department of Energy, Department of Civil Engineering, University of California
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44 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 production: a review. Bioresource Technology, 83: 1-11. US DOE. 2010. National Algal Biofuels Technology Roadmap. Wang, Z. T. et al. 2009. Algal lipid bodies: stress induction, purification and biochemical characterization in wild-type and starchless Chlamydomonas reinhardtii. Eukaryot Cell, 8: 1856-1868. < 온라인자료 > 미국 DOE 에너지효율및신재생에너지바이오매스프로그램 www.eere.energy.gov/biomass/index.html
Abstract 45 Abstract A Preliminary Study for Environmentally-friendly Application of Biofuel using Marine Biomass Biofuel has recently received a lot of attention as a main viable technology that can reduce the greenhouse gas emissions and replace petroleum-based transport fuel. The International Energy Agency (IEA, 2011) predicted that biofuel can play an important role in reducing CO 2 emissions in the transport sector and could provide 27% of total transport fuel by 2050. The United States and EU are pursuing the commercialization of bioethanol and biodiesel, respectively, and fostering bioenergy industry through intensive support and investment. Korean government also established a plan that the weight of renewable energy compared to total energy weight will be 11% by 2030 and has raised the biodiesel industry for the reduction of GHG emissions, improvement of air quality and enhancement of energy security with The basic plans on renewable energy's technical development, and utilization and popularization and The spread plans of biodiesel for medium and long term, respectively. Biofuel is sustainable and carbon-neutral because it can be produced from biomass which is plentiful and absorbs CO 2 to grow through photosynthesis. This research focused on both biodiesel and bioethanol and was performed as a preliminary study to seek policy direction for environmentally-friendly popularization of marine biomass-based biofuel. First of all, the present status of biofuel related technology development was reviewed according to the type of biomass (Chapter 2). Also, current situation of advanced country's policy trends was examined (Chapter 3). Based on review materials such as foreign researches and policies for biofuel, the United States and EU are actively
46 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 investing on the development of technology using next-generation biomass to extend biofuel industry and obtain the competition through the integration of biorefinery. In addition, the effect of biofuel on environment is considered through biofuel sustainability standards. Chapter 4 includes policy directions with the current status of domestic policies. For the popularization of next generation biomass-based biofuel, sufficient prior consideration of environmental effects is necessary with the active support on R&D and assessment of environment load and the solutions to reduce the environment effects are required. Based on such contents, there is a need to arrange institutional mechanism that can sufficiently consider related environmental effects prior to pursuing domestic biofuel commercialization in a future. keyword : Biofuel, Biodiesel, Bioethanol, Maring biomass, Cellulosic Biomass
KEI Working Paper 목록 2010~2011 2011년 2011-01 수자원현황및영향요인 : 기후변화를중심으로 ( 김연주, 정은성 ) 2011-02 도시계획의전략환경평가를위한기후요소평가기법의해외사례분석 ( 엄정희, 유승헌 ) 2011-03 임진강유역의저수지지리정보구축과수질평가기초연구 ( 홍현정, 김익재 ) 2011-04 방사능재해에따른환경및인체영향분석 ( 심창섭, 홍지연 ) 2011-05 해조류를이용한바이오연료의환경친화적적용을위한기초연구 ( 조지혜, 이희선 ) 2011-06 토양 지하수오염부지의종합적위해성평가를위한생태위해성평가체계구축 ( 김윤승, 이주연 ) 2011-07 기후변화협약당사국총회의장 ( 국 ) 의역할기초연구 ( 김이진 ) 2011-08 환경영향평가협의내용의효율적이행방안을위한제도적고찰 ( 최상기외 ) 2011-09 지하수오염의평가및정화규제정책방향제시를위한연구 : 염소계유기용제오염중심으로 ( 김호정외 ) 2011-10 조력발전소건설사업에의한해양생물상영향사례고찰 ( 천영진외 ) 2010년 2010-01 주요교역국의화학물질규제동향분석 ( 박정규, 김용성 ) 2010-02 국내자원순환지표변화추이 ( 김광임외 ) 2010-03 나노물질의안전한사용을위한환경 사회안전망구축방안연구 ( 홍용석 ) 2010-04 수문 식생모사를위한지표모델의동아시아적용타당성분석 ( 김연주 ) 2010-05 어류의물리서식처적합도지수산정방안고찰 ( 강형식외 ) 2010-06 북한의탄소시장잠재력추정연구 - 에너지부문을중심으로 ( 강광규, 이우평 ) 2010-07 야간조명으로인한생태계영향평가방안에관한연구 : 해외사례를중심으로 ( 이상범 ) 2010-08 고령화사회의생활패턴변화및환경이슈조사연구 ( 공성용 ) 2010-09 고온으로인한사망누적효과분석방법론연구 ( 하종식, 신용승 ) 2010-10 CMAQ을적용한환경영향평가서작성에대한매뉴얼 ( 문난경 ) 2010-11 해안개발사업환경평가영향예측결과에근거한해양동 식물상조사정점선정방안 ( 맹준호, 조범준 ) 2010-12 산업단지사업에서의수질오염영향범위설정방안 ( 조한나, 송영일 ) 2010-13 개발사업생태계훼손사고대응매뉴얼구축 ( 박하늘, 전동준 ) 2010-14 지형특성을고려한지형변화의적정량평가방안 ( 사공희, 정재현 ) 2010-15 소음지도를활용한소음평가개선방안연구 : 택지개발사업을중심으로 ( 선효성 ) 2010-16 CCS 관련해외환경관리제도및연구동향분석 ( 신경희 ) KEI 설립이후현재까지의보고서원문은 KEI 홈페이지 (www.kei.re.kr) 에서보실수있습니다.