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Korea Institute of Ocean Science & Technology

바이오연료 생산을 위한 일차 생산자 해양조류

  • 조회 : 12305
  • 등록일 : 2009-02-23
- 해양생물자원연구부 강도형 선임연구원
 



현재 불안한 국제 원유 공급 및 가격 등으로 인해 석유를 전량 수입에 의존하는 우리나라는 수송용 화석연료인 휘발유와 경유의 안정성이 현저히 낮아지고 있다. 

최근 우리나라에서도 한정된 화석연료 의존도를 낮추고 재생가능하게 쓸 수 있는 에너지로 눈을 돌려야 한다는 의견이 강력하게 등장하여 녹색성장 동력 중 하나로 신재생에너지의 개발에 눈을 돌리게 했다.  

그 중 최근에 대안으로 주목받는 것이 바이오연료다. 옥수수나 사탕수수를 발효 처리하면 수송용 연료를 대체할 수 있는 에탄올이 생기고, 콩이나 유채기름 및 열대식물인 자트로파에서 기름을 추출하여 차량 엔진에 사용할 수 있도록 기름의 성질을 약간만 변화시켜 주면 바이오디젤이 만들어진다. 

그런데 옥수수, 콩 및 사탕수수 등은 인간이 필요로 하는 식량 원료이자 곡물의 일종들이기 때문에 그 위험성을 내포하고 있다. 

오죽했으면 1억 명의 편의를 위해 10억 명의 식량을 사용한다는 비아냥거림까지 나오는 지경이다. 미국, 브라질 및 독일 등을 위시한 선진국에서 이러한 일련의 바이오에탄올 시장의 폭발적인 형성 과정 결과, 전 세계에서 생산되는 곡물가격이 폭등으로 이어진 원인 중 하나가 되었다. 

특히 미국의 경우에 밀농사를 짓던 농부들이 옥수수의 판매가격 상승에 편승하여 옥수수 농사로 전환하는 바람에 밀 생산이 대폭 감소하여 식량 원료의 부족사태 및 가격상승을 부추기는 결과로 이어졌다. 

 


바다에는 생태계 구성요인 중 가장 중요한 일차생산자인 해양조류(해조류와 미세조류)가 풍부하다. 화석연료 사용에 의해 육상에서 배출되는 이산화탄소는 매년 70-80억 톤이며 해양에 절반 정도가 이러한 생물들에 의해 고정된다. 특히 미세조류는 번식속도가 빠르고, 최적성장을 위한 영양조건만 맞는다면 대량생산이 가능하여 바이오연료를 생산을 위한 충분한 원료 공급을 가능케 하므로 식량자원과 달리 인간의 식탁과 건강을 위협하지 않고 이용할 수 있게 된다. 

현재 미국에서 옥수수를 재배하는 면적은 846 ha이며 확장 추세에 있다. 여기서 생산할 수 있는 바이오에탄올의 총 양은 약 145,000 L다. 이는 1.1 ha의 면적에서 미세조류가 생산하는 바이오연료의 양과 동일하다. 

미세조류로 바이오연료를 생산하는 것이 옥수수를 이용하는 것보다 월등하게 효율적인 셈이다. 2008년 6월, 전 세계의 환경 및 에너지에 관련된 과학자 및 교육자, 기업가들과 이들이 속한 다국적 기업들의 최고경영자들은 조류(藻類)를 이용한 바이오매스의 개발 및 상업화를 가속시키도록 도와주기 위하여 조류 바이오매스 협회(Algal Biomass Organization, ABO)를 결성한다고 발표하였고, 현재 활발히 운영 중에 있다. 

그들이 언급한 결성 내용 중 가장 흥미로운 것은 바이오매스로서의 미세조류는 3.5-6시간의 짧은 시간에도 2배로 증가할 만큼 매우 빠르게 성장하고, 바이오연료로 전환될 수 있는 저비용, 재생 가능한, 환경 친화적인 원료인 만큼 현재까지 연구된 원료물질의 결과 중 가장 이상적인 바이오연료 원료 물질이라는 점이다. 또한 한정된 영양분들을 필요로 하며 경작지로 사용할 수 없는 토지 1에이커(1224평, 4,046 m2)에서 2,000~5,000갤런의 연료를 매년 생산할 수 있다고 실증됐다. 

그러므로 해양에 풍부하게 서식하고 있는 해양조류를 바이오 연료의 원료로 사용한다면 식량자원을 연료로 활용하지 않고도 바이오연료를 대량으로 생산할 수 있는 기회가 된다. 그렇다면 해양조류에서 바이오 연료가 생산되는 비결은 무엇일까? 

해양조류 가운데 해조류는 바이오에탄올 원료인 탄수화물 함량이 높다. 가령 녹조류는 건조중량의 약 50% 정도가 탄수화물일 정도다. 이를 이용하면 바이오에탄올을 생산할 수 있다. 재미있는 것은 미세조류의 경우, 지질의 함량이 20-50% 정도 되는 종들이 많을 뿐만 아니라 탄수화물 함량이 20-50% 정도 되는 종들도 많으므로 에탄올과 디젤 모두 생산할 수 있는 원료생물이 될 수 있다.   

UN에너지에 따르면 바이오연료 사용량이 지난 5년 동안 두 배 증가했고 앞으로 4년 동안 또다시 두 배 증가할 전망이다. EU는 2020년까지 바이오연료 사용비율을 수송부문에서 최소 10%까지 확대하기로 했다. 

보잉(Boeing Commercial Airplanes)사의 환경 전략을 담당하는 책임자이며 ABO의 공동 의장인 빌리 글로버(Billy Glover)는 보잉사가 미세조류 바이오매스가 항공기의 연료들을 생산할 수 있는 막대한 잠재력을 가지고 있음을 인식하고, 이산화탄소 배출이 적으며 지속적으로 재생가능한 미세조류의 바이오연료 전환의 상업화는 보잉사의 전략에 적합하다고 덧붙여 말하기도 했다. 

지구상에서 가장 빠르게 성장하는 식물들이며 독특한 특성들을 가지고 있어 다양하게 이용될 수 있는 미세조류는 전 세계에서 가장 큰 관심사인 기후 변화, 환경오염, 대체 연료 및 경제 개발 등에서 가장 많이 언급되고 있다. 

미세조류는 기존의 바이오매스 원료들처럼 식량으로 이용되지 않고 성장하기에 청정한 물을 요구하지 않고, 청정한 물을 공급받지 못하는 지역에서도 성장할 수 있다. 

또한 폐수를 이용할 수 있으며 이산화탄소, 질소산화물, 황산화물과 같은 온실가스들을 처리하는 데도 이용할 수 있고, 미세조류가 성장함에 따라서 수확하여 차세대 바이오연료들로 전환시킬 수 있다. 그러므로 선진국뿐만 아니라 개발도상국가들이 경제 개발을 활성화시키는 방법들을 지속적으로 찾고 있어 미세조류 기반의 산업들이 경제 개발 전략의 핵심이 될 수 있다. 많은 개발도상국가들은 현재 연료의 거의 100%를 산유국에서 수입하고 있어 미세조류 기반의 에너지 전략은 원유 수입 비용을 저감하고 연료/공급원료를 수출하여 이익을 얻게 될 수 있는 큰 장점을 가지고 있다.

우리나라에서 해양조류를 이용한 바이오에너지를 추진할 경우에 해양의 특수한 환경 등과 같은 사실들을 반드시 고려해야 한다. 특히 경제성 있는 원료확보, 대량생산 기술 확보 후 기업참여 유도를 통한 국내 기술 및 자본을 이용한 에너지 자원 확보가 절실하며 이를 위한 효율성 제고를 위해 타 부처와의 연계 및 주력기술 분야 연구가 필요하다. 

해양미세조류를 이용한 바이오디젤 및 에탄올 생산을 위해서는 경제적인 미세조류 biomass 생산 및 대상종 DB를 구축하고, 핵심 원천기술(고밀도 batch 배양을 위한 광생물반응기 개발, 대형외부배양시설, 간편하고 경제적인 수확기술, 균주개량 기술 등) 개발이 선행되어야 한다. 이는 대량생산 기술 확보를 위한 핵심 기술이라 볼 수 있다. 

대형해조류를 이용한 바이오에탄올 생산을 위해서는 경제성 있는 대형해조류 biomass 생산 및 biomass 건조기법, 전처리 기술 및 당화/발효용 microbes 개발이 동시에 추진되어야 한다. 

원료를 위한 우수종 탐색, 개량 및 적지선정 및 생태계 위해성 평가는 대량 배양에 따른 환경영향을 최소화하는데 큰 의미를 둔다. 이러한 일련의 과정들을 통해 바이오에너지 산업화가 이뤄질 것이며, 이를 위해서는 부산물의 100% 재이용을 위한 연구, 법적(토지 및 공유수면 면허 등)인 요인 검투 후 기업 참여 유도가 필요하다. 

이 후 정부의 정책적/경제적 지원과 기업의 기술료 징수 체계 정리 및 실적별 연구 개발 체계의 명기를 통해 경제성 있는 해양 바이오에너지 생산이 가능할 것으로 보고 있다. 

향 후 정부에서는 시장과 정책 기능 등의 향상을 위한 비경제적 장벽(행정 장벽, 수송망, 저렴한 시장 설계, 정보 및 교육의 부족, 님비 현상과 같은 사회적 용인에 대한 방지)들의 제거, 투자 활성화 위한 예측가능하고 간결한 정부 지원 구조가 필요하다. 

기술 혁신을 가속화시키기 위해 지속적인 모니터링이 필요하며, 시장경쟁을 위한 빠른 기술 개발을 위해서는 연구개발 과도기의 인센티브의 도입, 기술들의 잠재적인 가능성 조사를 위한 인센티브의 개발과 시행(기술 성숙도에 기초하여 서로 다른 기술들을 지원하는 단계를 보장하기 위함) 및 전체 비용 효과와 시스템 신뢰성을 고려한 자유로운 에너지 시장들을 포함한 전체 에너지 시스템으로 재생에너지 기술들이 대규모로 진입하는 효과의 기한을 고려한다면 비산유국인 우리나라의 에너지 주권을 예상보다 빨리 가질 수 있는 기회가 바로 눈앞에 와 있다고 볼 수 있다.




 

한국해양연구원 해양바이오에너지 생산 전략



2009-02-23

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2018-11-05