바이오 에너지 기술 및 물류동향

■ 바이오 에너지 개발동향

최근 급속히 가속화되는 지구온난화에 대응하기 위하여 에너지산업은 석유기반의 에너지 포트폴리오에 바이오에너지를 포함해 재생에너지로 다각화하고 있다. 또한, 팬데믹 상황 이후 에너지 수요의 증가 및 우크라이나 전쟁으로 인한 에너지 공급의 차질에 의해 바이오에너지의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 바이오에너지는 유기물 혹은 미생물을 유래로 생산한 에너지를 뜻한다. 즉 콩, 옥수수, 나무, 생물사체, 음식물 쓰레기 등이 바이오에너지의 원료가 될 수 있다. 
바이오에너지는 모든 지역에서 다양한 형태로 생산가능하며, 기존 동력장치에 석유화학 연료를 대체하여 사용이 가능하다. 탄소중립이 주목받는 가운데, 미래에너지인 수소 생산도 가능하며 폐기물을 자원화 한다는 점에서 지속가능한 미래에너지원으로 각광받는다. 우리나라는 에너지 사용의 약 95%를 수입에 의존하고 있지만, 잠재적 바이오매스 보유량은 풍부한 것으로 조사된다. 또한 에너지 작물의 재배를 통해 더 늘릴 수도 있을 것으로 보인다.

■ 바이오원료 및 활용처

바이오에너지의 원료는 다양하며, 그에 따른 생산물도 다르다. 아래 표 1.에 원료에 따른 생산물을 정리하였다. 표 1.과 더불어 바이오에너지는 다양한 운송수단의 연료로도 사용될 수 있고 철강산업, 석유화학산업 등 산업부문에 열공급과 발전연료로 활용될 수 있다.  

특히 최근 음식물쓰레기, 분뇨를 통해 에너지를 생산하는 바이오가스 공정이 주목받고 있다. 바이오가스는 유기성 폐기물이 미생물에 의한 혐기성 발효를 통해 생산되는 메탄가스와 이산화탄소가 주 성분이다. 여러 정제 기술들을 적용해 메탄가스만 고도정제하여 화석연료 기반 천연가스를 대체할 수 있다. 또한, 현재 생산되는 96%의 수소에 해당하는 그레이수소 방식을 바이오메탄을 활용하여 수소를 생산할 수 있다. 이처럼 발효, 분리정제, 개질을 거친다면 여러 연료의 원료로 바이오매스를 활용할 수 있고, 효율적인 공정 설계 및 제어가 중요하다.

■ 국내 산업 동향

그림 2에서 보이는 것과 같이 국내의 이론적 바이오매스 잠재량은 점차 증가할 것으로 예측된다. 이는 산림정책의 변화 및 에너지작물의 재배를 통해 생산을 가속화할 수 있기 때문이다. 이 수치는 2030 국가온실가스 감축목표 중 40%가량을 국내 바이오매스잠재량으로 자급할 수 있는 수준에 해당한다 [2]. 

현재 국내에서 생산되는 바이오원료를 발전, 수송, 산업적으로 이용하고 있으며, 그 중 발전 분야가 압도적으로 높다. 이 중 수송분야의 바이오디젤은 기존의 내연기관에 적용할 수 있다. 따라서 정부는 2021년 7월, 경유에 바이오디젤을 3.5% 함유하도록 권고하였으며 2030년까지 5%로 상향할 계획임을 밝혔다. 나아가서 대통령 직속 2050 탄소중립 녹색성장 위원회는 2030년까지 8%로 확대해야 할 필요성이 있다고 밝혔다. 한국바이오에너지협회에 따르면 우리나라 바이오디젤 생산규모는 2020년 기준으로 1,227천kL로 집계된다. 바이오디젤 8% 공급에 필요한 2,060천kL 규모 달성을 위해서는 833천kL의 증설이 필요하다. 
바이오디젤에 수소첨가 반응을 통해 생산하는 hydro-treated vegetable oil(HVO)는 저온에서도 얼지 않으며, 차량, 항공, 석유화학의 원료로도 사용할 수 있다. 이러한 장점으로 현재 시장규모는 2020년 기준 600만톤 규모이며, 연평균 40% 이상의 큰 성장률을 기록할 전망이다. 이에 LG화학-단석산업과 현대 오일뱅크는 각각 2024년까지 연간 30만톤과 50만톤의 생산공장을 완공한다는 목표로 착공에 들어갔다.
 충주의 음식물바이오센터는 국내의 대표적인 바이오에너지 생산 사이트이다. 충주지역에서 하루동안 발생하는 80톤 가량의 음식물쓰레기 및 축산분뇨를 약 3-4주간 혐기성 발효과정을 통해 바이오메탄, 액체 및 슬러지 등을 생산하고, ‘막 결합성 혐기성 소화기술’을 적용한다. 이는 분리막을 이용해 소화액 중 여과액과 농축액을 분리해 농축액을 반응기로 반송하는 기술로, 고농도의 미생물 유지와 반응속도 향상 및 효율 상승이 가능하다. 센터 옆에는 고등기술연구원에서 건설한 수소융복합충전소가 위치해 있다. 따라서 충주센터에서는 생산한 바이오메탄을 고순도의 수소로 개질하여 튜브트레일러로 공급 및 출하가 가능하다. 이처럼 충주센터는 효율적인 원료공급, 에너지 생산, 개질, 공급이 모두 가능한 모델로 주목받고 있다. 충주의 혁신적인 에너지모델은 자원순환에서 있어서 매우 중요하고, 국내의 폐기물처리와 에너지발전, 수소경제가 모두 활성화 가능한 좋은 본보기로 평가받는다.

■ 국제적 바이오에너지 규제 현황

바이오에너지는 작물 재배시에 온실가스를 흡수하기에 활용 및 사용시에 온실가스를 배출함에도 불구하고 탄소중립 에너지로 인정한다. 따라서 온실가스 배출량을 측정할 때 바이오에너지의 탄소배출량은 제외한다. 바이오매스는 크게 1세대부터 3세대까지 분류(1세대: 식물성, 2세대: 목질계, 3세대: 해조류)하고, 세대를 거듭할수록 탄소감축효과가 향상된 것으로 평가된다. 
하지만 유럽연합 (EU)과 환경단체는 자동차용 일반연료에 바이오에너지를 혼합하는 것을 지속적으로 반대해 왔다. 이는 연료용 경작지가 확대된다면 이산화탄소를 보유하던 작물이 손실되어 대기중의 온실가스양을 증가시킬 수 있다는 우려 때문이다. 또한, 삼림지역으로 경작을 확대한다면 산림의 이산화탄소 흡수량이 감소하게 되어 대기중의 온실가스양을 더욱 증가시킬 수 있다. 따라서 바이오에너지의 경우 다른 신재생에너지와 다르게 경작지의 확대가 환경에 부정적인 영향을 줄 수 있기에 지속가능성 측면에서 부정적 영향을 줄 수 있다고 평가하기도 한다. 
이러한 이유로 유럽연합 (EU)은 2016년 팜유의 온실가스 배출 지적을 시작으로, 지속해서 기후변화화 산림파괴의 원인으로 바이오매스를 지적하였다. EU는 2022년 5월 유럽 의회 환경∙보건∙식량안전위원회(Committee on the Environment, Public Health and Food Safety) 개정안에서 1세대 산림 바이오매스를 제한하는 권고를 채택한 바 있다. 또한, 바이오매스에 대한 보조금 중단도 권고하였다. 그 결과로 EU는 2030년까지 바이오에너지 원료 중 탄소감축효과가 가장 적은 식물성원료인 1세대 팜유의 사용을 금지하였다. 이처럼 EU와 미국에서는 온실가스 저감효과, 식량부족으로 인한 윤리적 문제, 생물다양성 훼손문제 등을 기준으로 바이오에너지를 까다롭게 관리한다. 하지만 EU가 우크라이나 전쟁으로 인해 러시아로부터 천연가스 유통을 전면 금지하면서 바이오에너지에 대한 제재를 완화하는 분위기이다. 대한민국의 바이오매스 정책은 유럽 기준을 참고해왔기에 국내에서도 EU의 제재 완화가 주목받으며, 바이오매스의 중요성이 대두된다.

출처

[1] I. Hadjipaschalis, A. Poullikkas, V. Efthimiou, Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications, Renewable and sustainable energy reviews, 13 (2009) 1513-1522.
[2] phoenixnaturalgas, “Biomehtane”, https://www.phoenixnaturalgas.com/safety-environment/energy-transition/what-is-biomethane, (2023년 01월 22일)
[3] 상병인, 국내 바이오매스 잠재량 분석, 한국공업화학회, 1 (2022) 103.
[4] MANDLEY, Steven J., et al. EU bioenergy development to 2050. Renewable and sustainable energy reviews, 2020, 127: 109858.
[5] Wadiz, “충주음식물바이오센터”, https://www.wadiz.kr/web/wcast/detail/1043, (2023년 01월 22일)
[6] MANDLEY, Steven J., et al. EU bioenergy development to 2050. Renewable and sustainable energy reviews, 2020, 127: 109858.