해외주요선진국의바이오매스열화학적변환연구동향 한국석유관리원석유기술연구소김재곤 (jkkim@kpetro.or.kr) 유럽에서 2009년발효된신재생에너지지침에따르면, 최종에너지소비의 20%, 모든형태의운송수단에사용되는연료의 10% 를바이오연료를사용토록하겠다는내용을포함하고있다. 이와더불어, 연료품질지침서 (Fuel Quality Directive) 에서는도로운송연료가배출하는온실가스배출량의 6% 를저감하겠다는내용을담고있다. 이러한법률적체계에서의지원은 SET-Plan에서의목표를가능하게하고있으며, EU를통합된하나의단위체로보고전략적으로접근하고있다. 유럽에서바이오매스를이용한에너지공급확대정책에서재미있는점은가중치를 2배로인정하는것으로신재생에너지지침 21.2항에명시되어있는내용이다. 여기에는바이오에너지및연료를생산에포함되는원료에대하여기존의바이오에너지산업에서사용되지않았던원료들에대하여가중치를 2배로할수있다는조항을포함시킴으로써새로운미이용바이오매스자원의고부가가치용도로사용을권장하고있다 [10]. EU의산업분야에서바이오에너지이용을확대하기위한계획 (European Industrial Bioenergy Initiative) 이수립되었다. EIBI는 EU의 SET plan에포함된계획으로가장큰목표는산업분야에대단위규모로이미기술적성숙한고효율의바이오매스열병합발전설비를도입하고관련바이오연료기술을발전시키는것을목표로하고있다 ( 표 1). 유럽의주요에너지정책인 SET Plan이 2008년승인된이후 2010년부터 EIBI가추진되고있다. EIBI에서는현재의바이오연료, 열병합발전, 바이오가스등과같은상업적규모로운용이가능한기술을배제하고혁신적인바이오에너지가치사슬을창출하는것에장기적인방향을설정하고있으며대규모확산을가능한기술을대상으로하고있다. 특히디젤, 항공유와같은급성장하고있는수송용연료분야에서화석연료대비가격경쟁력유지와관련유럽기술의선도적지위를강화 - 1 -
하는것이주요목표이다. 구체적으로설정된목표는 2020년까지기타에너지와비교하여가격경쟁력을가지며, 지속가능한바이오에너지를 EU 전체에너지의최소 14% 까지끌어올리는것이다. EIBI가 SET plan 승인과더불어시작되었으며, 이를효과적으로수행하기위해유럽바이오연료기술플랫폼 (European Biofuels Technology Platform) 을구성하고산학연이통합되어연구를수행하여나가는시스템을구축하였다. 여기에는바이오매스의안정적공급관련연구개발에서대형설비의설계및건설기술및최종소비자에게공급관련기술을모두망라하여협동연구체제의시스템을갖추고있다. 최근유럽에서컨소시엄형태로진행되는대규모의신재생에너지관련연구과제에는각국의대학및연구소뿐만아니라, 중대형의에너지업체들및관련부품의엔지니어링업체들이대거참여하고있는것을보아도연구시스템의효율성등이확인된다. < 표 1> EIBI 의 7 개주요투자분야 연번주요분야적용기술 1 2 3 4 5 6 7 합성연료및합성탄화수소 (Synthetic Fuels/hydrocarbons) 합성바이오메탄과가스상연료 (Synthetic Biomethane and gaseous fuels) 고효율발전 (IGCC) (High efficiency power generation) 바이오에너지운반체 (Bioenergy carriers(pyrolysis&torrefaction) 에탄올 & 고차알코올 (Ethanol & higher alcohols) 재생가능한탄화수소 (Renewable hydrocarbons) 미생물 (Micro-organisms) 가스화가스화가스화열분해, 반탄화발효화학공정미생물이용공정 - 2 -
< 그림 1> EIBI 에서제시하는바이오매스열화학적변환공정과적용분야 < 그림 2> EBTP 홈페이지 (http://www.biofuelstp.eu) - 3 -
EIBI에서제시하는바이오매스의열화학적변환공정에서는 < 그림 1과그림 2> 에서와같이주로바이오매스가스화를이용한탄화수소생산, 가스상의연료, 열병합발전과열, 전력또는수송송연료제조의기본물질로사용가능한바이오매스의열분해와반탄화를주요연구방향으로제시하고있다. < 그림 3> 합성연료또는합성탄화수소제조사례 1[10] 7개주요투자분야중가스화를통한합성연료또는합성탄화수소생산사례에있어서는유럽에서 7.8백만유로를지원받아독일 Freiberg에위치한 CHOREN에서 BtL(Biomass to Liquid) 기술의대규모실증사업을설립하였다. 최대연간 20만톤의액상제품을생산하는것을목표로하고있으며, 이를위해설비주변 200ha의경지에서속성수종인포플러, 버드나무, 에너지작물을경작하고있다. BtL 기술의주요핵심은 1,400 의높은온도에서바이오매스를가스화하여생성된가스를 Fisher-Tropsch 공정을통해수송용연료제조하는공정이다. 또다른주요사례로서는재생가능한자동차연료를제조하기위해펄프공정에서생산되는흑액을이용하여 Bio-DME(DimethylEther) 를생산하기위한설비로공정관련기술은 Chemrec 에의해개발되었다. 사례2에서제시된설비는스웨덴의펄프제조설비업체인 Smurfit Kappa로실증규모의설비이다. EU에서는 8.2백만유로를지원하였으며, 설비개발컨소시엄은볼보에의해주도되고있고, 기타관련기술개발및연구를위해프랑스 Total, Delphi 등이참가하고있다. 본실증설비의 - 4 -
Bio-DME 생산규모는하루 4톤으로설계되었다. 현재볼보에서생산되는트럭을활용하여시험이진행중이다. 바이오매스의열화학적변환공정을이용한유럽의주요투자사례로바이오에너지운반체에실증설비가있다. 유럽 Empyro사에진행중인급속열분해바이오오일제조를위한실증규모설비로시간당 5톤의바이오오일생산규모로설계되었으며바이오오일의최종이용까지실증하는것으로목표로하고있다. 유럽연합에서 5.0백만유로를지원받은이설비는 2012년하반기에건설을시작하여 2013년말에시험가동을할것으로예상된다. BTG(Biomass to Gas) 공정을통해주요산물로열병합발전에사용될바이오오일과더불어초산을생산한다. < 그림 4> 합성연료또는합성탄화수소제조사례 2-5 -
< 그림 5> 바이오에너지운반체실증설비구축사례 미국바이오매스프로그램 ( 그림 6) 에서진행중인바이오매스의열화학적변환공정은크게두가지개념으로구분된다. 무산소조건에서바이오매스를열분해하여바이오오일 ( 또는열분해오일 )( 그림 7) 의바이오매스프로그램에서주요바이오매스열화확적변환공정 ( 상 ) 열분해 (Pyrolysis), ( 하 ) 가스화 (Gasification)[15] 열분해오일 ) 을생산하고다양한화학공정을통한개질로수송용연료를합성하는공정과바이오매스를고온에서가스화하고메탄, 수소, 일산화탄소등의기체를이용하여 Fisher-Tropsch 반응을통해수송용연료를합성하는공정이다. 관련기술의연구개발이활발하게추진됨에따라바이오매스열화학적변환공정에대한구체적인목표를설정하였다. 열화학적변환공정에서바이오오일의경우에는가스화에비해상대적으로장기계획을가지고연구가수행되고있다. 바이오매스의열화학적변환공정중바이오오일은좀더장기적인계획을수립하여추진중에있는데주요목표를생산된연료의목표가격을수립하였다. 2017년에바이오오일을이용하여생산하게되는디젤과휘발유의생산가격은갤런당 2.15달러로 2007 년기준원화로환산하면 1 리터당 533원을목표가격으로선정하였다. 공정의개선등을통하여변환공정에소요되는비용을 1 리터당 387원으로낮추는것을목표로하고있는데여기에는바이오오일의개질에사용되는촉매의지속성을 329일까지높이고목재 1 톤으로부터회수하는휘발유와디 - 6 -
젤의수율을 106 갤런즉, 401 리터까지증가시키는것을목표로하고있다. 반면에바이오매스의가스화공정에서는단기적인차원에서목표를수립하였으며 2012년까지가스화및 F-T 공정을통한에탄올가격을 1 리터당 389원으로낮추고공정에소요되는비용을리터당 213원까지낮추는것으로목표로한다. < 그림 6> 바이오매스프로그램의주요연구추진구조 < 그림 7> 바이오매스프로그램에서주요바이오매스열화확적변환공정 ( 상 ) 열분해 (Pyrolysis), ( 하 ) 가스화 (Gasification) - 7 -
최종목표는바이오매스로부터생산되는바이오연료가화석연료와가격경쟁력에서동등하거나우위를갖출수있는시스템을구축하는것이라할수있으며, 여기에공급의안정성확보를위한인프라구축과공정효율개선관련연구가포함된다. 전통적으로많은연구가진행되어온바이오매스의생물학적변환공정에비하여화학적변환공정은공정이단순하고연속식공정개발이용이하며, 대규모설비에적합한형태를지니고있다. 2012년도에미국에너지성에서발표한자료에따르면수송용탄화수소바이오연료를생산하기위한공정비용을분석한결과에따르면, 2009년도자료를기준으로열분해공정을통한바이오오일이가장저렴한공정비용을보이는것으로분석되었다. 가스화반응후의단계인 F-T공정은 1 갤런당약 5달러가소요되고, 메탄가스를휘발유로전환하기위해서는약 3.5달러가소요되는반면에열분해의경우에는약 2달러수준으로낮게분석되었다. < 그림 8> 바이오매스열화학적변환공정간소요비용비교 [ 참고문헌 ] 1. 김재곤외, 바이오매스로부터급속열분해를통한바이오오일의생산기술 연구동향, 한국유화학회, 31(3), 453 (2014). - 8 -
2. 자료출처 : http://www.biofuelstp.eu 3. Maniatis, Kyriakos. 2011. EU Perspectives on Thermochemical Biomass Conversion. tcbiomass 2011. 28~30 September, Chicago, IL, USA. 4. 한국에너지기술평가원. 2012. 에너지기술개발전략로드맵 : 바이오매스에너지. 지식경제부. - 9 -