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바이오연료, 휘발유*경유*가스 다 대체할 수 있다
이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑨
이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장  |  yjl@kier.re.kr
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승인 2017.12.12  16:51:15
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▲ 이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장

[지앤이타임즈]이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑨

바이오에탄올은 가솔린을 대체하고 바이오디젤은 디젤 엔진에 사용된다. 바이오가스는 가솔린 또는 디젤엔진에 사용할 수 있다.

바이오에너지는 미국과 브라질, 유럽 중심으로 보급되던 것이 최근에는 바이오매스 생육 조건이 좋은 동남아와 중남미지역으로 빠르게 확산되고 있다.

중국에서도 최근 대기오염과 에너지 문제에 대응해 2020년까지 E10을 전국적으로 확대 보급한다고 발표했다.

‘E10’ 이란 바이오에탄올(Bio Ethanol)의 'E' 그리고 ‘10’은 바이오에탄올이 휘발유에 혼합되는 비율을 의미한다.

‘E10’은 바이오에탄올 10%가 혼합된 휘발유를 뜻하는 셈이다.

우리나라에서 판매중인 경유는 ‘BD2.5’라고도 불리는데 바이오디젤(Bio Diesel)의 이니셜을 땄고 2.5라는 숫자는 경유에 혼합되는 바이오디젤의 혼합율을 의미한다.

다시 본론으로 돌아가서 바이오에탄올은 사탕수수나 사탕무와 같은 당질계를 발효시켜 생산하거나 옥수수 또는 카사바와 같은 전분질계의 당화과정을 거쳐 발효 생산한다.

바이오에탄올 원료로 사탕수수를 사용하는 브라질, 옥수수를 사용하는 미국이 대표적인 예이다. 전분질계와 당질계는 손쉽게 바이오에탄올을 제조할 수 있지만 식용으로 사용이 가능하고 자원량이 제한되어 있으며 가격이 비싸기 때문에 자원량이 풍부하고 저렴한 목질 섬유소계를 활용해 바이오에탄올을 제조하는 공정이 연구 개발되고 있다.

바이오에탄올은 스파크 점화 연소가 가능한 연료로 휘발유를 대체 또는 혼합되어 가솔린 엔진 연료로 사용한다.

E10은 현재 출시된 가솔린엔진의 개조 없이도 사용이 가능하며 고농도 즉 혼합율이 10%를 넘어서는 경우에는 연료계 부품의 재질 변경 등이 요구된다.

1930년대부터 자동차 연료로 바이오에탄올을 사용한 브라질의 경우 휘발유에 혼합된 바이오에탄올이 현재에는 최대 27%에 달한다.

또한 미국과 브라질 등지에서는 E85, E100 등 고농도 바이오에탄올이 사용 가능한 차량과 더불어 에탄올 혼합 비율이 변화해도 주행이 가능한 플렉서블 퓨얼 자동차(Flexible Fuel Vehicle)가 오래전부터 상용화됐을 정도로 적극적으로 바이오에탄올을 사용하고 있다.

◇ 비식용 작물 활용한 바이오에너지 기술 개발 한창

바이오디젤은 유채유, 대두유, 팜유 등의 식물성 기름이나 우지 같은 동물성 지방, 폐식용유 등 다양한 유지를 촉매 및 알콜과 반응시켜 제조하는 에스테르화 기름을 말한다.

통상의 기름은 점도가 높은 등 경유와 물성이 많이 달라서 디젤 엔진에 사용하기 어렵기 때문에 에스테르화라는 화학공정을 거쳐서 경유와 비슷한 물성으로 만들어 사용한다.

보급 초기에는 B100(바이오디젤 100%), B20 등 고농도 사용도 많았지만 경유에 대한 혼합율이 높으면 엔진에 문제가 발생하기 쉽다는 점을 감안해 최근에는 경유에 7% 이내 등 소량을 혼합하여 사용하는 방식이 주류를 이루고 있다.

바이오디젤은 1988년 오스트리아에서 세계 최초로 상용 생산된 이래 세계적으로 사용량이 급격히 증가하고 있다. 기름 성분을 포함한 모든 원재료에서 생산이 가능하고 제조 원료도 대두유, 유채유, 팜유, 동물유, 생선기름, 폐식용유 등 나라에 따라 아주 다양하며 최근에는 비식용인 자트로파나 미세조류를 활용한 제조기술도 개발되고 있다.

우리나라에서는 2002년 5월 25일 산업자원부(현 산업통상자원부)에서 시범 사업을 통해 수도권과 전라북도 일부 지역을 대상으로 BD20을 보급한 이래 2006년 7월 1일부터 경유 법정 품질 기준에 바이오디젤 5% 이내의 혼합이 허용됐다.

2006년 3월에는 산업자원부와 정유사가 자발적 협약을 맺고 연간 9만㎘의 바이오디젤을 보급하기로 합의하며 BD0.5가 등장했다.

이 때에 BD20은 자가 주유 및 정비 시설을 갖춘 사업장 차량을 대상으로 바이오디젤 생산 사업자가 직접 공급하는 방식도 허용됐다.

2008년부터는 경유에 혼합되는 바이오디젤 비중을 매년 0.5% 증가시켜 2008년 1.0%, 2009년 1.5%, 2010년에 2.0%씩 혼합해 왔고 신재생연료 혼합 의무화 제도(RFS: Renewable Fuel Standard)가 도입되면서 2015년 7월 31일부터 2.5%로 늘어난 상태다. 또한 내년부터는 3%로 확대 혼합된 경유가 공급된다.

한편 바이오가스는 인간의 모든 생산·소비 활동에서 발생되는 유기성폐기물인 생활폐기물, 인분 및 가축분뇨, 음식물쓰레기, 하수슬러지, 농공산업폐기물, 농산부산물, 식품가공 폐기물 등 대부분 생물 유래인 다양한 바이오매스를 혐기성 소화 공정 등을 통해 미생물에 의해 분해하고 생성하는 과정을 거친다.

바이오가스를 자동차 연료로도 사용할 수 있는데 가연성 가스인 메탄만 분리 추출해 도시가스인 천연가스와 비슷한 물성으로 정제하면 된다.

바이오가스는 세계적으로 아직 사용량은 적지만 점차 증가하는 추세로 우리나라도 환경부에서 지난 2011년 6월 인천시 서구에 위치한 수도권매립지에 ‘바이오가스 자동차연료화시설’을 준공하고 본격 생산에 나선 상태다.

이 시설에서는 음식물쓰레기를 사료나 퇴비 등으로 재활용하는 과정에서 발생하는 폐수를 처리해 순도 95% 이상의 메탄가스를 압축천연가스와 혼합해 시내버스 연료로 사용하고 있다.

또한 음식물쓰레기와 가축분뇨 등 유기성 폐자원을 활용한 바이오가스화 시설이 전국적으로 늘어나면서 정제된 바이오가스가 차량용 연료로 보다 적극적으로 사용되고 있다.

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