생명자원을 활용한 바이오에너지는 신재생에너지 중에서도 원유로부터 생산되는 대표적인 유류인 휘발유 및 디젤과 화학적 속성이 유사하다. 따라서 바이오에너지는 기존 인프라를 재활용하여 이용할 수 있는 산업구조적인 장점이 있다. 이 때문에 최근 바이오에너지는 신재생에너지 중 상대적으로 활발한 연구개발 활동이 이뤄지고 있으며, 산업적 성과도 보이고 있다.
그러나 현재 유통되는 바이오에너지의 주원료인 육상자원들은 대부분 인간의 식량자원이나 가축의 사료로 사용되기 때문에 다량의 원료를 에너지 생산에 이용할 경우 식량부족 문제를 야기할 수 있어, 또 다른 사회적·경제적 갈등을 초래할 수 있다.

차세대 바이오에너지원으로 주목받는 미세조류
육상식물에 대한 대안으로 미세조류가 전 세계 수많은 연구자들과 기업들로부터 관심을 받고 있다. 단위면적당 생산성이 높고, 식용이 아니라 식량자원과 경합하지 않으며, 경작지를 직접 이용하지도 않기 때문이다. 또한 해수, 기수, 담수, 각종 폐수 및 하수 등 다양한 수자원을 활용할 수 있고 온실가스 저감 능력도 높으며 바이오에너지 외에 단백질원 및 색소 형태의 고부가가치 원료 확보도 가능하다. 특히 바이오에너지 원료인 육상식물을 대량으로 재배하기 어려운 해안 인접 국가에서의 활용가능성에 큰 주목을 받고 있다.
무엇보다 큰 장점은 바로 에너지 환경 변화에 유연하게 대처할 수 있다는 점이다. 화석연료의 고갈은 원유 기반의 경제 성장에 한계를 가져올 것이 명백한 상황에서 한국처럼 상대적으로 신재생에너지 개발에 대한 투자가 늦어 대책 마련이 시급한 국가에는 특히 유용하다 할 수 있다. 이에 따라 우리나라는 직접규제, 신재생에너지 공급의무화제도 등 시장원리를 도입한 다양한 규제정책을 도입하고 있으며, 이와 더불어 친환경적인 신재생에너지의 보급·확대를 위한 전략적 기술개발을 추진 중에 있다.

신재생에너지의 꽃, 액체연료
미세조류를 포함한 액체연료 연구는 다양한 신재생에너지 분야 중 최근 가장 활발한 분야이다. 특히 종의 형질전환, 체내 대사조절을 통한 지질함량 증대, 단위면적당 생산량을 최적화하고 시스템을 개발하는 분야에 대한 연구가 큰 비중을 차지한다. 한국해양과학기술원에서도 바이오에너지 개발 사업의 일환으로 2009년부터 ‘조류를 이용한 바이오에너지 자원화 기술개발’ 사업을 자체사업으로 수행했고, 2013년부터 해양수산부의 ‘해양미세조류 이용 바이오디젤 생산기술개발’ 사업의 협동연구기관으로 사업을 진행해 왔다. 이 사업들의 목적은 ‘원료의 대량생산-전처리-전환-연료생산’의 전체 공정 기술을 확보하는 것으로, 이를 통해 미세조류 바이오에너지를 이해하고 산업화할 수 있는 기반을 마련하고 있다. 향후 기존 기술과 시너지를 창출하는 전략이 추가적으로 필요한 시점이기도 하다.
기존에는 육상에서 담수미세조류를 배양하는 방법이 세계적으로 주를 이루었다. 그러나 한국해양과학기술원에서는 2009년부터 꾸준히 해양미세조류를 이용하여 연구를 진행하고 있다. 최근에는 해양미세조류를 육상과 해양에서 하이브리드 배양시스템을 이용하여 배양하는 기술을 설계하고 있다. 이처럼 해양미세조류를 대량배양에 적용하고 활용하는 연구가 2010년 이후로 꾸준히 이루어지고 있으며, 최근 매년 100건 이상의 논문이 게재되고 있다.

해양바이오에너지 연구개발사업의 진행현황
해양바이오에너지 연구개발 사업의 1단계는 2009년부터 한국해양과학기술원에서 수행한 ‘조류를 이용한 바이오에너지 자원화 기술개발’ 사업(2009-2012)이다. 이 사업은 기존 식량 및 산림자원과 겹치지 않고, 성장효율이 뛰어난 해양바이오매스인 조류(algae)로부터 저비용·고효율 청정수송에너지를 상용화하기 위한 기반 기술을 개발하는 것이 목적이었다. 이를 통해 석유기반의 화석연료 의존도를 줄이고, 이산화탄소 저감에 기여하는 기반기술을 개발하고자 했다.
이에 따른 주요 사업내용으로는 대형해조류를 바이오에탄올로 전환하는 기술 확보, 미세조류 대량생산 검증, 바이오연료에 대한 경제성 요인 검증, 복합공정을 적용한 에너지 생산 연구 등이 있다. 연구사업의 주요 결과로서는 해조류 바이오에탄올 생산기술에 대한 국내 및 국제특허 등록(미국, 일본, 중국, 필리핀, 호주, 인도네시아 등) 및 국내기술이전 1건, 해양미세조류 기반 지방산 및 바이오디젤 전환 기술에 대한 특허등록 4건 및 국내기술이전 1건, 국내 최초 미세조류 바이오매스 40톤급 실증 대량생산 체계 확립 및 운영, 표준 배양액보다 3배 저렴한 배양액 개발, 바이오 에탄올 당화용 신규 효소 유전자원 30여 개 확보, Building Information Modeling기법을 이용한 실증배양시스템 설계 방법 구축 등이 있다.
이러한 기술개발 동향에 따라 해양수산부는 현재 ‘해양생명공학기술개발사업’의 일환으로서 ‘해양미세조류 이용 바이오디젤 생산기술개발’ 사업을 진행하고 있다. 한국해양과학기술원은 인하대학교의 주관으로 진행된 2단계 사업(2013-2015)과 3단계 사업(2015-2019)에 협동기관으로 참여하고 있으며, 해양미세조류를 안정적으로 생산하여 각 연구팀에 공급하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 이러한 공급체계 구축은 실험실 내에서 소규모로 이뤄질 수 없는 일인데, 실증 선행연구 기술개발에 따른 배양기술 노하우를 기반으로 이뤄지고 있다는 점에서 국내 연구진에게 매우 고무적인 일이다.
앞으로 진행될 3단계(2015-2019) 사업의 세부내용은 해양미세조류의 안정적 확보, 확보된 원료의 형질전환 및 효율적 전환기술 확립, 대규모 해양광생물반응기 기술개발, 해양-육상의 하이브리드배양시스템 개발, 해양생태계 변화 모델 구축 등 원천기술 개발에 선제적 대응할 수 있는 내용으로 구성되어 있다. 2015년부터는 한국해양과학기술원이 고효율 생산성과 하이브리드배양시스템 등을 담당하고 주관기관인 인하대학교가 해양부유형광생물반응기 개발 및 해양배양 등을 담당하게 된다. 한국해양과학기술원은 해양미세조류의 플랜트 기반 대량배양 및 고농도 생산 기술개발, 해양-육상 하이브리드배양시스템 수치모델 검증 및 실시설계, 저비용 배양기술 개발 등 안정적인 원료 공급체계 확보 위한 기술개발을 진행해 나갈 예정이다.

국제 동향과 시장전망
전세계적으로 해수를 이용한 해양미세조류의 대량배양, 인공호수를 활용한 광생물반응기, 해양광생물반응기를 개발하겠다는 국가 및 기업이 증가하고 있다. 이로부터 향후 미세조류 해양바이오에너지 생산기술 개발 경쟁이 점점 치열해질 것임을 알 수 있다. 최근에는 선진국에서 미세조류 바이오에너지의 산업화 기술개발도 실증 궤도에 올라서서 원료생산 규모 확대에 따른 기술적 문제를 해결하고 경제성을 확보하는 데 집중하는 수준에 이르렀다.
바이오디젤은 경유와 특성이 유사하여 경유용 자동차라면 엔진구조 변경 없이 사용할 수 있다. 따라서 우리나라를 비롯한 많은 국가에서 일반 디젤에 바이오디젤을 혼합하는 정책(Renewable Fuel Standard, RFS)을 운영 중이다. 이에 따라 2012년 기준으로 국내에는 16개의 바이오디젤 제조업체가 등록되어 있다.
세계적으로는 바이오에너지 시장이 현재 827억 달러에서 2021년에는 1853억 달러로 두 배 이상 증가할 것이라는 예측이 있다. 전체 바이오에너지 가운데 15%를 미세조류 바이오에너지가 차지할 것이라는 전망을 고려하면 2021년 미세조류 바이오에너지의 세계시장규모는 278억 달러로 추정된다. 미세조류 바이오에너지 생산량의 50%를 해양바이오에너지가 차지한다고 가정하면, 2021년 해양바이오에너지 시장규모는 약 139억 달러 수준이 될 것이다.
미세조류를 활용한 바이오에너지 생산은 환경 분야에서도 중요하다. 산업체에서 배출되는 CO2와 폐수, 또는 온배수를 바이오에너지 생산에 사용할 수도 있기 때문이다. 환경오염물질로부터 청정에너지를 생산하는 방식이므로 환경문제와 에너지문제 해결에 동시에 기여할 수 있다. 이러한 장점 때문에 미국과 EU를 비롯한 주요 선진국들을 중심으로 해양바이오에너지의 경제성을 확보하려는 연구가 활발하다. 우리나라의 경우, 한국해양과학기술원과 한국과학기술원, 생명공학연구원, 에너지기술연구원 등의 출연연들과 대학 등에서 효율적인 미세조류 바이오에너지 생산기술 개발을 위한 연구개발 활동이 진행되고 있다.

KIOST 연구사업에 미치는 영향
그렇다면 미세조류 바이오연료의 경쟁력을 어떻게 확보할 수 있을까? 생산단가에 대한 경쟁력을 확보하려면 저비용-고효율의 원료생산이 가능해야 한다. 한국해양과학기술원이 연구사업을 통해 개발하고자 하는 기술은 저온-고온에 적응하는 해양미세조류 개발, 미세조류 육상배양을 통해 고농도 해양배양시스템에 연간 안정적으로 원료 제공을 통해 해양바이오에너지 생산의 경제성을 확보하는 것이다. 또한 육상의 높은 생산량과 해양 면적을 결합할 수 있는 해양-육상 하이브리드 배양시스템을 확보하는 기술을 개발한다면 경제성을 크게 개선할 수 있을 것이다.
더불어 장기적으로 미세조류 바이오에너지 생산을 위한 배양시스템을 국산화할 수 있는 새로운 모델을 개발한다면 특허 시비 없이 안정적으로 조류를 배양할 수 있으므로 생산단가를 낮추는 데 기여할 것이다.
그러나 더 자세한 경제적 비용 산정을 위해서는 현재까지 개발된 연구결과를 토대로 정부투자에 의한 실증연구가 수행되어야 하며, 이것이 선결되어야만 산학연 측면에서의 다양하고 진정한 경제성 평가 수행 및 예측이 가능하다.

결론 및 정책 제언
해양미세조류 유래 바이오에너지 생산 연구사업의 중요한 목적은 균체(biomass)로부터 바이오에너지를 생산하는 것이 가능한지 여부를 알아보는 것이 아니다. 미세조류 바이오에너지가 경제적 가치가 있는지, 우리나라 에너지 수요에 얼마만큼 기여 가능한지가 더욱 중요하다. 그러나 이 목표를 달성하려면 많은 과제를 해결해야 한다. 미국에서는 이러한 도전과제들을 풀어가고자 2009년부터 정부 및 민간기업에서 1조원 이상의 연구비를 지원하고 있다. 한국도 해양미세조류 바이오에너지를 개발하기 위해서는 배양과 시스템에 관한 원천기술 개발 연구들이 반드시 수행되어야 하며, 정부 및 기업의 대대적인 관심과 지속적인 지원 또한 필요하다. 식량자립을 위해서는 벼와 논이 준비되어야 하듯이 해양바이오에너지를 위한 배양균주와 시스템의 원천기술은 에너지자립화를 위한 가장 중요한 요소라 볼 수 있다.
현재 전세계적으로 해양미세조류를 이용한 바이오에너지 산업화가 연구개발 단계 또는 실증화 연구 정도에만 머물러 있는 이유는 바이오매스 대량생산과 연료화 공정은 저비용 구조에서 가능함에도 불구하고 아직까지 연관 기술이 산업화 수준으로 성숙되지 않았기 때문으로 풀이된다. 이 문제의 핵심은 원료 생산단가에 비해 상대적으로 낮은 현재의 에너지 생산단가의 차이를 어떻게 극복할 것인가 하는 것이다. 그러나 국가 기간산업으로 발전된 석유산업 또는 원자력산업 초창기의 투자규모를 생각한다면 현재의 해양미세조류 바이오에너지 사업은 안보(환경+식량+에너지)측면 및 생산단가면에서 발전가능성이 무궁무진하다. 따라서 이러한 발전가능성을 담보한 해양미세조류 기반 바이오에너지 연구들이 상용화 규모의 생산성을 이끌어내기 위해서는 보다 체계적이고 획기적인 연구가 필요하다 하겠다.

현재 진행하고 있는 각 부처의 원천기술을 활용하기 위해서는 창의적인 연구개발 노력 및 정책적 지원이 시급하다. 그러나 관련 R&D 예산은 적게나마 지속적으로 증가하고 있는 형편이지만 아직 뚜렷한 성과를 내지 못하고 있는 것이 현실이다. 이러한 상황을 조심스럽게 분석한다면 첫째, 국가의 장기적 플랜과 투자효율성 제고를 위한 산·학·연·관 연계·협력이 더욱 보강되어야 한다. 둘째, 관련 전문가들의 집중적인 연구개발 환경조성을 위한 예상가능하고 효율적인 예산 투자전략이 미흡한 점이 있다. 이 때문에 선진국을 따라잡기 위해 단기적인 성과에 급급하여 미래 핵심원천기술을 확보하기 위한 환경조성이 어려운 실정이다. 미래 사회에서 신재생에너지의 비중이 계속 증가하리라는 점을 고려하면 향후 신재생에너지 분야에 대한 현명한 정책적 개입이 절실한 상황이다.

강도형 | 제주특성연구실 책임연구원

2015-08-28