2015. 02. 16. 월요일

에너지전환

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7) 바이오에너지

 

바이오에너지는 우리에게 가장 오래되고 친근한 에너지원이야. 먼 옛날 구석기시대 동굴과 움막에서 피우던 마른 나뭇가지는 물론, 조선시대 호롱불을 밝히던 콩기름과 아주까리기름, 그리고 어린 시절 가마솥 걸린 아궁이에 때던 장작과 볏짚도 바이오에너지야.

바이오매스란 말은 본래 자연에 존재하는 생물체의 질량을 나타내는 말로 쓰였는데, 1970년대 이후 대체에너지에 대한 관심이 높아지면서 '에너지원으로 이용할 수 있는 식물자원'이라는 뜻으로 사용되고 있어. 나무와 풀 그리고 수생식물과 해조류도 바이오매스가 되며, 왕겨 같은 농산폐기물이나 톱밥 같은 임산폐기물도 바이오매스고, 이런 바이오매스로부터 얻는 에너지를 바이오에너지라고 해.

 

마님~ 장작 다 팼습니다요~

 

식물은 태양에너지를 받아 스스로 영양분을 만들어 성장하므로 바이오매스로부터 얻는 에너지는 해마다 보충되는 재생 가능한 에너지야. 또한 성장 과정에서 이산화탄소를 흡수하므로 에너지로 소비되어 이산화탄소를 발생하여도 전체적으로는 이산화탄소의 균형이 파괴되지 않으므로 탄소 중립적인 에너지라는 게 장점이야. 게다가 유채식물이나 전분질계 식물에서 얻어지는 액체연료는 수송용 연료로 사용할 수 있어서 다른 재생가능에너지와 차별되는 이점이 있어.

하지만 그 자체로는 에너지 밀도가 낮고, 계절에 따라 공급이 결정되며, 식량과 경합해야 하고, 삼림생태계를 파괴할 우려가 있다는 게 단점이야.

인류가 바이오매스로부터 에너지를 얻는 전통적인 방식은 태워서 열을 얻는 거야. 에너지 효율을 높이기 위해 말리거나 숯을 만들어 사용했지만 석탄이나 석유 같은 화석연료에 비하면 에너지 밀도가 매우 낮았어. 산업사회가 되면서 바이오매스는 화석연료에게 주 에너지원의 자리를 내주고, 후진국 저소득층의 에너지라는 자리로 밀려나는 신세가 되었지. 현재 전 세계 바이오에너지의 사용 비율은 1차 에너지 소비의 약 10%를 차지하는데, 이와 같이 비율이 높은 이유는 개발도상국가의 농촌지역에서 취사와 난방용으로 바이오매스를 사용하기 때문이야. 현대적인 방법으로 바이오에너지를 사용하는 선진국의 경우는 5.2% 정도지.

그런데 개발도상국에서 취사용이나 난방용으로 사용되는 화로의 열효율은 5~8%에 불과해. 따라서 취사용이나 난방용으로 바이오매스를 직접 사용하는 것은 삼림자원을 황폐화시키는 지름길이지. 1960년대까지만 해도 우리나라 농촌지역의 야산은 벌거숭이 민둥산이었어. 야산의 나무들이 모두 인근 주민들의 아궁이 속으로 들어갔기 때문이야. 요즘 북한 지역에서 보이는 산림파괴 역시 에너지의 부족에 따른 거래.

 

 

북한의 마을 주변은 이렇게 민둥산이 되었대.

출처: <오마이뉴스> '그림과 글이 있는 블로그'

 

바이오에너지가 재생가능한 에너지가 되기 위해서는 자연에 존재하는 바이오매스 자원이 감소되지 않는 범위에서 이루어져야 해. 그런데 실제 생물계에서는 해마다 많은 양의 바이오매스 폐기물이 발생해. 간벌로 발생하는 임산폐기물을 비롯해 농업 부산물과 축산 분뇨, 음식물 쓰레기 및 기타 유기성 폐수와 슬러지 등 바이오매스 폐기물의 총 에너지양은 세계적으로 연간 22억 toe(Ton of Oil Equivalent: 지구상에 존재하는 모든 에너지원의 발열량에 기초해서 이를 석유의 발열량으로 환산한 것으로 석유환산톤을 말한다. -편집부 주)에 이른대. 이를 효과적으로 변환할 경우 전 세계 연간 에너지 소비의 약 30% 가량을 충당할 수 있는 양이래.

바이오매스는 최종적으로 열과 전기 또는 수송용 연료로 변환되어 에너지를 내. 현재 바이오매스를 에너지화 하는 방법에는 직접 연소 외에 열화학적 혹은 생화학적 변환을 통해 가스 또는 액체 연료로 만들어 활용하는 방법이 있어.

 

바이오매스 에너지의 종류 및 용도

출처: <2012 신재생에너지 백서>

우선 바이오매스로 열 또는 전기를 생산하는 방법에 대해 알아보자.

바이오매스로 열이나 전기를 생산하기 위해서는 결국 연소의 과정이 필요해. 고형의 연료를 직접 연소하거나 열분해를 통해 합성가스 또는 액체 연료를 만들기도 하고, 메탄가스를 생산하여 연료로 사용하기도 해.

장작이나 왕겨 등의 형태로 우리와 친숙한 고형 바이오연료는 칩(장작)이나 펠릿 또는 성형탄 형태로 가공하여 보일러 연료로 활용하는 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있어. 하지만 아무리 건조한 바이오매스라 하더라도 그 자체로는 에너지 밀도가 낮기 때문에 발전용으로 쓰일 때는 석탄화력발전소에서 목재 펠릿을 석탄과 혼소하는 방식을 적용하기도 해.

핀란드나 스웨덴 같이 임산 자원이 풍부한 국가에서는 계획적인 조림에 의해 연료용 목재를 생산하는데 고형 바이오연료로 지역 단위의 열병합발전소를 운영하는 사례가 널리 보급되어 있어. 에너지 효율을 높이기 위해 열과 전기를 동시에 생산하는 거야. 핀란드의 경우 1차에너지 소비량 중 목질계 바이오매스 에너지가 차지하는 비중이 20%를 넘는대.

우리나라에서는 서대구 산업단지와 동두천 염색공단에 고형 바이오연료를 사용하는 열병합발전소가 가동되고 있으며, 농촌 지역의 가정이나 화훼 농가 등을 중심으로 보일러 연료로 활용하는 사례가 늘고 있어.

열분해 기술은 나무 등 바이오매스를 산소가 부족한 상태에서 고온으로 가열함으로써 일산화탄소, 메탄, 수소 등의 합성 가스로 만들거나, 이 가스를 응축하여 액체 연료로 사용하는 방법이야. 현재 열분해로 생산한 가스를 이용하여 열병합발전에 사용하는 기술이 상용화되었으며, 액체 연료로 활용하는 기술은 실용화 초기 단계에 와 있어.

 

 

아산 환경사업소의 통합형 바이오가스 플랜트.

하수슬러지, 음식물쓰레기, 축산분뇨를 처리해 바이오가스를 만들고 그걸로 발전을 해.

 

한편 축산분뇨나 음식물 쓰레기와 같은 유기성 폐기물로는 혐기성 발효를 통해 메탄을 생산할 수 있어. 유기성 폐기물을 우선 저분자 지방산으로 발효시킨 뒤 메탄발효균에 의해 2차 발효가 이루어지는데, 최근에는 효율을 높이기 위해 두 발효 과정을 동시에 진행시키는 기술이 개발되고 있어. 또한 축산분뇨와 음식물 또는 하수 슬러지를 혼합해서 발효하는 경우 더 많은 바이오가스를 만들어낼 수 있대.

축산 분뇨의 경우 독일에서는 개별 농가에서 혐기소화해서 생산한 메탄가스로 발전기를 돌려 전력을 판매하고, 처리가 끝난 축산폐기물은 전량 액비로 사용하는 개별농가형 시설이 주로 보급되었어. 덴마크는 축산폐기물과 음식물 쓰레기를 같이 처리하는 공동처리형이 주를 이루는데, 지역별로 분뇨를 수거하여 발전소에서 일괄 처리해. 2개 이상의 혐기소화조에서 메탄가스를 만든 뒤 유출수를 고체와 액체로 분리하여 고형물은 퇴비로, 최종 유출수는 액비로 사용한대.

 

 

 

바이오에너지가 다른 재생가능에너지에 비해 관심을 받는 부분은 역시 수송용 연료를 대체할 수 있는 액체 연료를 생산할 수 있다는 점이야. 사실 콩이나 고래의 기름은 예로부터 등불을 밝히는 연료로 사용되었었지. 그러나 산업혁명 이후 석탄가스와 석유, 전기가 차례도 도입되면서 식물성 기름은 조명용에서 물러나 주로 식용으로만 사용되었던 거고.

한편 19세기에 발명된 내연기관은 석유를 수송용 연료의 제왕으로 자리잡게 해주었지. 에너지 밀도가 높고 보관과 운반이 용이한 석유는 자동차와 함께 20세기 교통혁명을 이끌었어. 식물성 기름이 현대 바이오 연료로 대접을 받기 위해서는 내연기관에 사용할 수 있는 형태가 되어야 했는데, 여기에 맞게 개발 된 것이 바이오 디젤과 바이오 에탄올이야.

 

 수송용 바이오연료의 기술 계통도

출처: <2012 신재생에너지 백서>

바이오 디젤은 유채나 대두와 같은 유지 작물로 기름을 짜서, 알칼리 등의 촉매를 넣고 메탄올과 반응시켜 지방산 메틸에스테르와 글리세린을 얻은 뒤, 이 글리세린을 원심분리해 고순도의 지방산 메틸에스테르를 얻는 방법을 사용해. 바이오디젤은 그 자체로 자동차 연료가 될 수 있으며, 석유에서 정제한 경유와 섞어서 쓸 수도 있는데 유럽에서 주로 써. 독일의 경우 공공버스에는 100% 바이오디젤인 BD100을, 일반차에는 바이오디젤을 5% 혼합한 BD5를 공급하고 있어.

바이오에탄올은 술을 만드는 과정과 비슷해. 사탕수수나 사탕무와 같은 당질계 바이오매스로부터 당액을 추출하고 효모를 이용하여 에탄올로 전환한 뒤 무수에탄올로 농축하는 거지. 옥수수나 쌀 등의 전분질계 바이오매스는 1차 삶음과 당화를 통해 전분을 당으로 변환한 후 당질계 원료와 같은 과정을 거쳐 연료용 에탄올을 생산해. 볏짚이나 옥수수대와 같은 목질계에서 바이오에탄올을 얻고자 할 때는 목질계 원료 중 당으로 전환 가능한 부분을 선택적으로 분리하는 전처리 과정이 추가되고.

바이오에탄올은 휘발유에 첨가물처럼 섞어 사용해. 미국은 바이오에탄올이 10% 혼합된 E10을 이용하는 차량에 감세 혜택을 주고 있으며, 브라질은 모든 휘발유에 20~25%의 에탄올을 포함하도록 법으로 정했어.

그런데 왜 인류는 역사의 뒤안길로 밀려난 바이오연료를 다시 주목하게 된 걸까?

우선 바이오 연료를 생산하는 원료 식물을 재배하는 과정에서 이산화탄소를 흡수하므로 탄소 배출을 감축할 수 있다는 것이 첫 번째 장점이야. 또한 연소 과정에서 화석연료보다 유해한 배기가스를 덜 배출해. 자국에서 재배하는 바이오매스로부터 추출하는 경우에는 화석연료 수입량을 줄여 에너지 안보에 기여할 뿐만 아니라 농촌경제의 활성화와 관련 산업의 고용을 창출하는 효과도 있고.

유럽에서 바이오 디젤이 처음 도입된 것은 유해 배기가스를 줄이기 위한 환경보호 차원이었어. 그 후 교토의정서에 의해 온실가스 배출 감축이 의무화되면서 바이오 디젤이 갖는 이산화탄소 감축 효과가 보급을 촉진하는 계기가 되었지. 유럽에서는 주로 휴경지에 유채를 심어 바이오 디젤을 생산해.

브라질이 바이오에탄올의 선구자가 될 수 있었던 것은 자국에서 생산되는 사탕수수와 사탕무를 통해 에너지 자립을 추구했기 때문이야. 미국 역시 석유에 대한 의존도를 줄이기 위해 자국 내에서 풍부하게 생산되는 옥수수를 이용하여 바이오 에탄올을 생산했고. 하지만 전분질계 에탄올은 식량과 경합하여 곡물가격을 상승시키는 요인이 되기도 해. 그래서 미국은 옥수수 열매보다는 옥수수 대나 폐기물에서 에탄올을 생산하는 쪽에 더 지원을 해.

 

브라질 사탕수수 농장의 수확 장면

 

이와 같이 바이오에너지의 활용은 국가의 자연환경에 따라 차이가 커. 핀란드와 스웨덴 같이 목질계 자원이 풍부한 나라, 브라질이나 미국과 같이 바이오연료용 식물을 많이 재배하는 나라가 있는가 하면 우리나라와 같이 목재는 물론 식용 작물까지 수입해야 하는 나라들도 많잖아.

하지만 우리나라에도 활용할 수 있는 바이오에너지의 원료는 존재해. 별도로 연료용 목재가 생산되지는 않지만 해마다 간벌로 상당량의 임산 폐기물이 발생하며, 축산분뇨와 음식물 쓰레기는 처리하는 데 막대한 비용을 쓰고 있는 상황이야. 게다가 2012년부터는 해양투기가 금지되어 처리비용은 더욱 커졌지. 그 바람에 음식물 쓰레기 봉투도 사게 된 거고.

2006년 산업자원부에서 추산한 바에 따르면 실제 생산되는 가용자원으로서 임산폐기물은 연간 200만 톤으로 석유로 환산하면 85만toe에 해당해. 농업부산물은 연간 105만toe, 음식물 쓰레기는 5천toe, 축산분뇨가 3만toe, 하수슬러지가 1만5천toe 가량 된대. 한국에너지기술연구원은 2010년 기준으로 바이오매스 에너지의 부존량을 1억4,185만toe, 가용잠재량 1,165만toe, 기술적 잠재량을 617만toe로 추산했어.

이에 비해 2012년 기준 우리나라에서 생산한 바이오에너지의 총량은 133만 4,724toe, 이 중에 발전량은 1,027GWh야. 그러나 여기에는 매립지 가스 11만 6,073toe와 바이오디젤 35만 9,916toe가 포함되어 있어. 배출량을 줄여나가야 할 쓰레기 처리 과정에서 생산되는 매립지 가스를 재생가능에너지에 포함시키는 데는 이견이 있으며, 바이오디젤은 수입한 원료작물로 생산한 제품이야. 따라서 우리나라에서 현재 기술 수준으로 활용할 수 있는 바이오에너지 중에 실제 활용한 것은 14%밖에 되지 않아.

간벌재는 지역 단위로 수집과 운반 체계를 갖추면 소규모 열병합발전을 위한 훌륭한 에너지원이 될 수 있으며, 펠릿화 시설을 갖추면 개별 농가에서 보일러용으로 공급할 수도 있어. 민간 기업에서야 수지를 맞출 수 없겠지만 공공근로를 활용하면 밑지는 장사는 아냐.

 

영주시에서는 간벌재로 톱밥을 만들어 저소득층에 땔감으로 공급했대.

출처: <경북여성뉴스>

 

축산분뇨와 음식물 쓰레기 등 유기성 폐기물은 혐기성 소화에 의한 가스화 시설로 전기와 열을 생산하고, 남은 잔류물은 퇴비로 활용하거나 매립, 소각 처리하면 돼. 음식물 쓰레기의 경우 그동안 환경부의 노력에 의해 98% 이상이 분리수거 되는데, 분리수거한 음식물 쓰레기는 사료 또는 퇴비화 하거나 1차 처리 후 하수처리장으로 넘겨. 현재의 처리 시설에 에너지 회수 시설을 추가하는 것은 그리 어려운 일이 아니야.

한편 수송용 연료에 바이오 연료를 도입하는 방안은 우선 정책 목적을 분명히 할 필요가 있어. 바이오 연료가 환경보호와 탄소중립이라는 장점을 가지고 있지만 가장 중요한 것은 우리나라에서 재생가능한 에너지여야 한다는 점이야. 바이오 연료를 만들기 위한 원료 작물을 해외에서 수입해야 한다면 이는 진정한 의미의 ‘재생가능’ 에너지라고 할 수 없어. 따라서 간척지와 휴경지 등 국내에서 생산 가능한 수량을 예측하고, 국내 농업 소득의 향상과 연계시켜 재생가능한 범위에서 보급을 추진해야 해.

 

수도권매립지에 바이오디젤 생산용으로 시험 재배한 유채꽃 단지

출처: <한국조경신문>



재생가능에너지의 종류를 소개하는 글은 여기까지야. 좀 심심했지?

다음부터는 좀더 뜨거운 논쟁 거리를 따져볼게.

에너지전환

편집 : 딴지일보 홀짝