해양바이오디젤 생산기술개발로 산유국을 꿈꾸다

2013.05.03 11:07

자원 고갈과 환경 문제가 점점 심화됨에 따라 환경 친화적이고 지속가능한 신재생에너지에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다.
특히 바이오에너지는 환경 문제에 대한 해결까지 기대할 수 있는 대체 자원으로 주목받고 있다. 국토가 좁고 산이 많은 우리나라에서는 산림이나 농지를 파괴하지 않고 해양을 이용하여 바이오에너지를 생산하는 것이 바람직할 것이다.

 

에너지 위기 - 고유가와 화석연료의 고갈
1970년대 석유파동으로 고공행진을 하던 유가는 1980년대 세계경기침체가 오면서 거의 20년간 배럴당 20달러 수준을 유지하면서 물보다 저렴한 가격으로 에너지를 제 공해 왔다. 하지만 21세기에 들어서면서 OPEC의 감산결정과 중동 사태, 신흥 국가들 의 에너지소비가 증가하면서 2008년 배럴당 140달러를 돌파했고, 세계경기에 따라 급락하긴 했지만 꾸준히 배럴당 100달러 선을 넘나들고 있다.
무역의존도가 70%를 넘고 에너지 수입 의존도는 97%에 달하는 우리나라의 에너지 수입액은 지난 십여 년 간 급증하고 있다. 석유사용량은 크게 변하지 않았지만 국제 유가가 폭등했기 때문이다. 화석연료 사용의 급증이 새로운 유전의 발견속도를 앞 지르면서1) 향후 원유가격의 상승은 더욱 가속화될 전망이다. 더구나 개발도상국들 의 생활수준이 증가하면서 에너지소비량이 꾸준히 증가할 것으로 예측되어 화석연 료의 고갈에 따른 신재생에너지의 개발이 시급하다.


환경위기 - 지구온난화와 교토협약
인류의 화석연료 사용으로 연간 70~80억 톤의 탄소가 대기 중에 방출되고 있다. 이 중 해양과 지상의 광합성 생물에 의해 고정되고 있는 약 30억 톤을 제외한 30~40억 톤의 탄소는 매년 대기 중에 축적되고 있다. 이에 따라 지난 40만 년 간 180~300ppm 사이를 약 10만 년 주기로 반복하던 지구 대기 중 이산화탄소의 농도는 최근 50년간 무려 100ppm 가까이 상승, 현재는 400ppm에 근접하고 있어 지구온난화, 기상이변 등의 환경문제가 심각하게 대두되고 있다.
지구상의 인구가 90억을 넘을 것으로 예상되는 2050년에는 현재보다 두 배의 에너지 가 필요할 것으로 예측되는데, 대기 중으로 배출되는 온실가스도 꾸준히 증가할 것 으로 예상된다. 이렇게 온실가스가 급격히 증가하면 해수면이 상승하는 등 여러 다 른 재앙이 연쇄적으로 일어나게 된다.

 

하와이 기상대와 남극 이산화탄소의 농도 변화 - 미국 해양대기청 (NOAA) 제공
하와이 기상대와 남극 이산화탄소의 농도 변화 - 미국 해양대기청 (NOAA) 제공

식량위기 - 곡물가격 상승 및 식량부족
바이오에너지 개발은 여러 가지 장점과 중요성으로 인해 유가가 배럴당 100달러를 넘으면 화석연료를 성공적으로 대체할 수 있을 것이라 예측되었었다. 그러나 2007년 말부터 급격히 진행된 유가폭등에 바이오에너지가 대처하지 못하고, 오히려 예기치 못한 곡물가격 상승과 식량부족상황을 초래하였다. 즉, 유가폭등으로 더 많은 바이 오에탄올 생산을 위해 많은 곡물이 사용되다보니 국제 곡물가격 상승으로 이어진 것 이다. 브라질에서 더 많은 사탕수수가 바이오에탄올 생산에 사용되면서 국제 설탕 가격도 폭등하였고, 미국 시카고 곡물시장에서도 옥수수를 비롯한 사탕수수, 콩, 밀 등의 대부분의 곡물들과 비료가격이 유가와 같이 급등하였 다. 이로 인해 바이오에너지의 생산단가도 덩달아 급등하여 식용작물 또는 전분(starch)으로부터의 바이오에너지 생산은 고유가의 해답이 아니라는 결론에 도달하게 되었다.


생존위기 - 유지가능한 자원의 필요성
2008년에 들어서면서 바이오에너지 생산을 위해 산림이나 목초지, 심지어 다년생풀이 자라는 황무지를 개간하더라도 탄소발자국에 관한한 득보다 실이 많다는 연구결과가 속속 보고되었다. 지난 5년간 브라질에서 개간된 열대우림의 면적 이 우리나라 면적보다 넓으며, 전 세계적인 환경 파괴는 인류 의 생존을 위협하는 상태가 되었다. 맬서스의 인구론이 맞지 않게 된 가장 큰 이유는 비료의 사용으로 인해 단위면적당 곡 물의 생산성이 증가하였기 때문이다. 그러나 인구가 증가함 에 따라 화석연료, 비료의 원료인 인광석, 기타 여러 광물자원 은 물론 식수까지 고갈되어가는 현재의 상황은 지속되어서는 안된다. 따라서 에너지나 물을 포함한 모든 자원은 이제 지속 가능한 공급원을 찾아야 할 것이다.


해법 1. 에너지원은 다양해야한다
건전지를 만드는 기술의 종류만도 아연, 망간, 수은, 리튬, 니켈, 알카라인 등 셀 수 없이 많으며, 크기나 모양도 AA, AAA, 납작한 동전 모양 등 수백 가지에 이른다. 이들은 제각 각 저장용량도, 가격도 다르지만 모두 다양한 용도로 사용되 고 있다. 마찬가지로 신재생에너지도 다양해야 한다. 우리나 라의 경우 연료전지, 석탄액화 가스화, 수소에너지 등 3종의 신에너지와 태양열, 태양광, 바이오에너지, 풍력, 수력, 지열, 해양, 폐기물 등 8종의 재생에너지를 정의하고 있는데, 대부 분이 전기에너지를 생산한다. 각각의 건전지가 제각각 다양 한 전기에너지를 생산하는 것처럼, 바이오에너지로 대표되는 에너지 밀도가 높은 액체에너지도 다양한 방법으로 다양한 형태가 개발 생산되어야 한다.


해법 2. 바이오에너지의 대량생산은 해양에서 해야 한다

우리나라의 국토면적은 10만 210km2이며 이 중 산림이 약 63,700km2나 되어(약 64%) 더 이상 개발이 어려운 상황이 다. 게다가 우리나라는 북회귀선 북쪽에 있어 연중 태양광이 강한 날이 상대적으로 적으며, 대륙의 동쪽에 위치해 흐리고 비오는 날이 많은 편이다. 때문에 변화가 심한 태양광을 이용 하여 비좁은 국토에서 비식용작물을 대량으로 생산하는 것 은 불가능하다. 반면 12해리로 인정되는 영해는 국토면적의
72%인 7만 1,000km2이고, 200해리의 배타적경제수역(EEZ)은
국토면적의 약 226%인 22만 5,214km2나 되므로, 우리나라에 가장 풍부한 자원 중 하나임에 틀림없다. 유일한 해결책은 탄 소 중립적이며 연중 생산이 가능하고 생산주기가 짧으며 에 너지밀도가 높은 비식용 광합성 해양생물을 이용하여 바이오 매스, 바이오가스, 바이오에탄올, 바이오디젤 등의 바이오에 너지를 만드는 것이라고 판단된다. 해조류는 단위면적당 들 어오는 태양에너지의 1~5%정도를 고정화하여, ha당 연간 바 이오에탄올 3~20kL를 생산할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 해양미세조류의 광합성은 단위면적당 들어오는 태양에너지 의 2~10%정도 고정화하므로 연간 ha당 10~40kL의 바이오디 젤을 생산할 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 2007년 우리나 라 연간 석유소비량인 8억 7,400만 배럴(약 1억 7,500만 TOE)
의 30%를 대체하기 위해서는 우리나라 EEZ에 도달하는 태양 에너지의 0.1%만 사용하면 되고 2% 효율의 광합성을 할 수 있다면 우리나라 EEZ면적의 5%만 필요하므로, 충분한 경제 성과 상업성이 있다고 판단된다.


해법 3. 모든 바이오매스를 사용해야 한다
처음 원유가 발견되었을 때는 사용하기 쉬운 일부만 사용했 으나 석유화학공업이라는 새로운 학문과 산업이 발달하면서 타르에서 기체까지 모두 사용하는 석유기반경제가 도래하였 다. 마찬가지로 바이오에너지를 사용하는 바이오기반경제를 이루기 위해서는 바이오알코올 또는 바이오디젤의 원료가 되 는 당과 지질 이외에도 바이오매스의 모든 분자가 이용될 수 있는 학문과 산업이 발달해야 한다. 즉, 에너지뿐만 아니라 바이오매스의 단백질, 핵산 등 모든 분자가 바이오화학산업 을 통해 새로운 부가가치물질로 바뀌어야 진정한 바이오기반 경제가 도래할 것이다.


해양바이오에너지 생산기술개발연구의 현황과 전망
국내에는 바이오 디젤을 포함한 바이오알코올 등 바이오에 너지를 생산하는 기술개발이 정부 주도하에 진행되고 있다.
국토해양부, 지식경제부, 교육과학기술부, 농림수산식품부 등에서 많은 연구를 진행하고 있다. 국토해양부는 좁은 국토 의 효율적인 활용을 위해 국토면적의 2배가 넘은 해양을 이용 하여 생산한 해양바이오매스로부터 바이오에너지를 생산하 는 기술 개발을 위해 ‘해양바이오에너지 생산기술개발연구’에 착수했다.
본 연구에서는 아래 그림과 같이 해양 미세조류를 해양에 부 유하는 반투과막 투명 플라스틱 재질의 광생물배양기 내에서 배양한다. 이때 질소와 인이 지속적으로 요구되는데, 반응기 내의 세포가 이들을 사용하게 되면 농도차에 의해 해양에서 배양기 안으로 계속 공급된다. 반투과막은 투과 가능한 분자 의 크기가 작아 배양된 세포나 생산된 바이오에너지 원료는 바깥으로 나가지 않는다. 배양기 안의 세포 농도는 꾸준히 유 입되는 영양염류로 인해 한계농도 이상으로 농축되어 경제성 을 월등하게 개선할 수 있다. 혼합은 파도, 바람, 해류 등 자연 의 힘으로 이루어지며 질소와 인은 해수에서, 이산화탄소는 공기 중 또는 우리나라 연안을 따라 존재하는 화력발전소에 서 얻을 수 있다.
본 연구의 성과물은 이미 국가공인기관인 석유관리원에서 해 양미세조류유래 바이오디젤 품질의 우수성을 인정받았으며 영흥화력발전소 내에 해양실증배양장을 준공하고 개발된 원천기술의 실용화에 힘쓰고 있다.


해양바이오에너지의 전망
해양바이오에너지연구성과 활용방안으로는 첫째, 해양에서 미세조류를 배양하는 기술을 세계적인 신기술로 개발하고 이를 통해 배양된 미세조류에서 바이오디젤을 생산하여 에너 지 수입대체효과와 기술 수출을 달성할 수 있다. 둘째, 바이 오디젤을 생산하기위한 미세조류의 해양배양에 이용되는 광 생물반응기는 세계적으로 경쟁력 있는 제품이 될 것이므로 기술이전 혹은 광생물반응기 자체를 판매하여 경제적 수익을 볼 수 있다. 셋째, 해양에서 미세조류를 배양하게 되면 농지 등 다른 목적으로 사용할 수 있는 국토를 사용하지 않고 산림 을 파괴하지도 않으므로 국토를 훨씬 효율적으로 활용할 수 있다.
본 연구 사업을 통해 미세조류의 바이오디젤 생산기술을 성 공적으로 개발하고 실용화를 통해 우리나라의 지속가능한 신 성장동력을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 세계 해양 생명공학산업과 바이오에너지 시장을 선점할 수 있는 조건을 마련할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.


이철균 인하대학교 생명공학과교수, 해양바이오에너지 생산기술개발연구단장

메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

댓글

댓글쓰기