바이오 에너지란?
바이오에너지는 생물학적 자원에서 추출한 바이오매스로부터 에너지를 생산하는 과정입니다. 바이오매스는 식물, 동물의 유기물 또는 이들로부터 유래한 유기성 폐기물을 말하며, 이를 연소하거나 다른 화학적, 생물학적 방법을 통해 에너지로 전환할 수 있습니다. 바이오에너지는 탄소 중립적이라고 여겨지는데, 이는 사용되는 식물이 자라면서 대기 중의 이산화탄소를 흡수하기 때문입니다.
*바이오에너지의 종류와 원리
1) 바이오매스 연소: 바이오매스를 직접 연소하여 열을 생성하고, 이 열을 이용해 증기를 만들고, 그 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 목재, 농업 폐기물, 기타 유기물을 사용한 발전소가 바이오매스로 사용됩니다.
2) 바이오가스: 유기 폐기물이나 동물 분뇨를 혐기성 소화(무산소 상태에서 미생물에 의해 분해)하여 메탄과 이산화탄소를 주성분으로 하는 바이오가스를 생성합니다. 이 가스는 연소하여 열과 전기를 생산하거나 차량 연료로 사용할 수 있습니다. 가축 농장에서 나오는 분뇨, 음식물 쓰레기 등이 바이오매스로 사용됩니다.
3) 바이오연료: 주로 옥수수, 사탕수수 등 당질 작물을 발효시켜 바이오 에탄올을 생산합니다. 이는 가솔린과 혼합하여 차량 연료로 사용됩니다. 당질 작물을 발효 -> 에탄올 생성 -> 정제 및 혼합으로 이어집니다.
4) 바이오디젤: 식물성 기름이나 동물성 지방을 메틸 에스테르화하여 디젤 대체 연료를 만듭니다. 지방산 메틸 에스테르화 -> 바이오디젤 생성 -> 디젤 엔진에서 사용하는 원리입니다.
5) 바이오합성가스(바이오SNG): 바이오합성가스는 바이오매스를 고온 고압 상태에서 가스화하여 수소(H₂), 일산화탄소(CO) 등을 포함한 합성가스를 생산합니다. 이 가스는 연료전지에 사용되거나 화학적 연료로 전환될 수 있습니다. 고체 바이오매스를 고온에서 가스화하는 방법이 있습니다.
6) 바이오오일: 바이오매스를 열분해하여 액체 연료인 바이오오일을 생산합니다. 이는 난방이나 발전 연료로 사용될 수 있습니다. 목재 폐기물에서 열을 분해하는 방법이 있습니다.
연구 현황
바이오에너지는 지속 가능한 에너지원으로 각광받으며 다양한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
1) 효소 및 미생물 연구: 바이오에탄올 생산을 위한 새로운 효소와 미생물의 개발이 활발히 진행 중입니다. 특히, 리그노셀룰로오스(목질계 바이오매스) 분해 효율을 높이는 효소와 미생물의 개발은 생산 비용을 크게 낮출 수 있습니다.
고도화된 발효 기술: 보다 높은 수율로 바이오연료를 생산할 수 있는 발효 기술이 개발되고 있습니다. 예를 들어, 유전공학을 활용하여 효소의 활성도를 높이고, 발효 과정에서 발생하는 부산물을 최소화하는 연구가 진행 중입니다.
2) 비식용 작물 연구: 해조류, 잡초, 산림 잔재물 등 비식용 바이오매스를 활용하는 연구가 집중적으로 진행되고 있습니다. 이러한 원료는 식량 작물과 경쟁하지 않으면서도 바이오연료 생산에 활용될 수 있습니다.
3) 폐기물 활용: 농업 폐기물, 음식물 쓰레기, 도시 폐기물 등을 바이오에너지로 전환하는 기술이 개발되고 있습니다. 이는 폐기물 문제를 해결하면서 동시에 에너지를 생산할 수 있는 이점을 제공합니다.
4) 규모의 경제 실현: 대규모 바이오에너지 생산 시설의 건설과 운영을 통해 단위 비용을 절감하려는 노력이 있습니다. 이를 통해 바이오에너지의 상업적 경쟁력을 높이고자 합니다.
공정 최적화: 바이오가스 생산 공정의 최적화와 같은 공정 개선을 통해 에너지 수율을 높이고 비용을 줄이는 연구가 진행 중입니다.
5) 바이오합성가스 및 연료전지: 바이오매스를 가스화하여 합성가스를 생산하고, 이를 연료전지에 활용하는 연구가 진행 중입니다. 이 기술은 높은 에너지 효율을 제공하며, 특히 소규모 분산형 발전에 유리합니다.
고급 바이오연료 개발: 기존 화석 연료와 유사한 특성을 가지는 바이오제트 연료, 바이오디젤 등의 고급 바이오연료가 개발되고 있습니다. 이는 기존의 인프라를 활용할 수 있어 상용화에 유리합니다.
바이오에너지 기업들의 연구개발 현황
바이오에너지 기업들은 지속 가능한 에너지 솔루션을 제공하기 위해 다양한 연구개발(R&D) 활동을 진행하고 있습니다. 주요 기업들의 연구개발 현황은 다음과 같습니다.
1. Mitsubishi Heavy Industries Ltd (일본): 목질 바이오매스 발전소와 같은 대규모 프로젝트에 주력하고 있으며, 특히 고효율 발전 기술을 개발하고 있습니다. 최근에는 50 MW 규모의 바이오매스 발전 시설을 수주하였으며, 에너지 및 환경 기술 부문에서의 혁신을 추진하고 있습니다.
2. BTG Biomass Technology Group BV (네덜란드): 바이오매스와 잔류물을 바이오에너지 및 연료로 전환하는 기술을 개발하고 있습니다. 연구 및 기술 개발 부문과 컨설팅 및 프로젝트 개발 부문으로 나뉘어 있으며, 효율적인 바이오매스 전환 기술을 상용화하는 데 주력하고 있습니다.
3. Orsted A/S (덴마크): 바이오에너지를 포함한 재생 가능 에너지 솔루션을 제공하며, 환경 친화적인 발전 기술을 연구하고 있습니다. 특히, 해상 풍력과 바이오에너지의 융합을 통해 에너지 효율성을 극대화하는 연구를 진행하고 있습니다.
4. Fortum Oyj (핀란드): 바이오매스를 활용한 전력 및 열 에너지 생산에 중점을 두고 있으며, 지속 가능한 에너지 기술을 개발하고 있습니다. 최근에는 바이오매스 기반의 지역난방 시스템을 연구하고 있으며, 대규모 바이오에너지 프로젝트를 추진하고 있습니다.
5. Hitachi Zosen Corporation (일본): 산업 플랜트와 환경 시스템에서 바이오에너지 기술을 적용하며, 고효율 바이오매스 전환 기술을 개발하고 있습니다. 특히, 폐기물을 활용한 에너지 생산 기술에 대한 연구가 활발합니다.
6. TotalEnergies (프랑스): 바이오연료 및 바이오플라스틱 분야에서 선도적인 역할을 하고 있으며, 바이오매스 전환 기술을 통해 저탄소 에너지 솔루션을 제공하고자 합니다. 열화학적 전환과 생명공학적 전환 기술을 결합하여 다양한 바이오매스 자원을 활용하는 연구를 진행 중입니다.