식용유를 이용한 바이오 디젤 합성 실험

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현시대 가장 큰 문제로 대두되고 있는 화석연료.

인류는 엄청난 양의 이산화탄소를 만들어 내며 지구 온난화를 가속하고 각종 오염물질을 배출하는 화석연료를 대신하는 새로운 에너지를 찾기 위해 다양한 방법을 모색하고 있습니다. 많은 대안 중 유력한 후보로 주목받고 있는 바이오디젤에 관해 이야기해보겠습니다.

📌 바이오매스(Biomass)

바이오매스는 자연에서 얻어지는 식물, 동물, 미생물 등의 유기 생명체를 통틀어 이야기하는 단어로 에너지를 발생시키는 대상이 되는 생물체를 비롯해 생활 쓰레기 가운데 썩을 수 있는 것들도 모두 포함됩니다. 따라서 바이오에너지는 지구상에 생물이 존재하는 한 지속적으로 에너지를 생산할 수 있는 대표적인 에너지로 미래의 에너지원으로 손색이 없습니다. 현재 바이오 연료로 사용하기 위해 미국에서는 콩과 옥수수를, 유럽에서는 아마씨나 평지씨를 재배하고 있으며 가정이나 산업체의 유기물 쓰레기를 바이오 연료로 전환해 사용하고 있습니다.

📌 바이오 디젤(BioDiesel)

바이오 디젤은 동물성 유지(소기름, 돼지기름 등) 및 식물성 유지(폐식용유, 유채유 등)를 메탄올과 반응시켜 생산한 친환경 수송연료(지방산 메틸에스터)입니다. 기존의 경유 차량 엔진에 설비 변경 없이 사용 가능하고, 폐식용유 재활용을 통한 수질 개선 및 대기오염물질 배출이 없는 친환경 신재생에너지로 알려져 있습니다.

중성지방(Triglyceride)을 이용한 바이오 디젤 합성(에스테르화 반응)

우리나라는 2002년 월드컵 개최에 따른 대기질 및 환경개선을 위한 정책으로 바이오 디젤 보급을 시작하였으며 2015년 7월 31일부터 수송용 연료 의무 혼합제도(RFS : Renewable Fuel Standard, 신재생 연료 의무혼합제도)를 시행하였습니다. 현재 정유사에서 경유 96.5% + 바이오 디젤 3.5 %를 혼합하여 유통하고 있으며, 바이오디젤이 혼합되지 않으면 가짜 경유로 단속할 정도로 철저하게 관리되고 있습니다. (YouTube:2023년까지 바이오디젤 혼합물 8%로 상향)

< 연도별 바이오디젤 혼합의무 비율 >
연도	2015 ~ 2017	2018 - 2021	2021 - 2023	2024 - 2026	2027 - 2029	2030 이후
혼합 의무 비율	2.5 %	3.0	3.5	4.0	4.5	5.0

출처: 한국바이오연료포럼

📌 바이오 디젤 원료

일반적으로 바이오디젤은 쟈트로파, 팜유, 유채유, 대두유 등 식물성 기름을 원료로 대량 생산되고 있습니다. 우리나라는 폐식용유, 대두유, 팜유 및 팜부산물 등의 원료를 기반으로 생산하며, 연간 생산능력은 약 120만 kL입니다.

자트로파(Jatropha curcas)는 인도등 열대우림에서 자생하는 식물로 바이오 디젤을 포함해 나뭇잎에서 줄기, 씨앗, 기름찌꺼기까지 다양한 물질을 생산할 수 있어서 대표적인 친환경식물체로 연구개발에 많은 노력을 기울이고 있습니다. 그 중에서도 특히 바이오디젤의 경우 다른 식물체와 비교하여 경제성도 높고, 연료로 사용하였을 때, 효율이 높고 배출하는 가스도 가장 적은 것으로 알려져 있습니다.

팜유는 이미 오래전부터 식품으로 사용되었으며 포화지방을 다량 함유하고 있어서 실온에서 반고체 상태를 유지하고 가격이 월등히 낮아 전세계적으로 많이 사용되고 있습니다. 특히 낮은 가격에 바이오디젤 생산이 가능해 팜나무가 많이 자라는 말레이시아에서는 장기적으로 팜나무 재배를 늘려 에너지 수요에 맞추어 바이오디젤을 생산하는 계획을 세워 투자하고 있습니다.

이외에도 유럽에서는 유채씨앗으로 부터 생산되는 바이오 디젤을 자동차 원료로 사용하고 있으며, 대두는 종자개량과 대규모 경작 등 다양하게 연구, 재배되고 있습니다.(YouTube:튀김부스러기로 바이오 디젤 원료 생산)

📌 바이오 디젤의 장점

석유에 뒤지지 않는 화력. 상온에서 액체 상태로 기존 주유 시설이나 자동차 부품 등을 교체하지 않고 사용 가능. 인화점이 150도 부근이기 때문에 폭발이나 화재 사고의 위험성이 낮음. 화석연료와 달리 연소과정에서 황산화물, 질소산화물 등 환경오염을 유발하는 부산물이 거의 발생하지 않음. 환경에 노출되면 미생물에 의해 분해되기 때문에 부산물이 거의 발생하지 않음. 연소과정에서 발생하는 이산화탄소는 식물이 광합성을 통해 흡수하는 이산화탄소의 양 정도로 대기 중에 이산화탄소 농도에 큰 영향을 미치지 않는 등 많은 장점이 있는 에너지원 입니다.

📌 바이오 디젤의 단점

바이오 디젤은 경유보다 생산 단가가 높음. 곡물의 가격상승과 도시화로 인한 경각지 감소로 수요제한이 있음. 목재를 사용하면 채집하는 데 드는 비용이 높아 상용화가 어렵다는 단점을 가지고 있어 에너지원으로서 쉽게 접근하지 못하는 문제들도 있습니다. 특히 팜유 생산을 위한 대규모 산림파괴를 지적한 기사들도 많았습니다.

📌 미세조류로 만드는 바이오 디젤

식물이나 동물을 이용한 바이오매스 에너지는 오히려 생태계 파괴는 부추기거나 식량 생산을 위협할 수 있다는 난점이 있습니다. 이런 우려를 줄이는 것이 미세조류입니다. 미세조류는 광합성을 하며 산소를 만드는 단세포 생물로 클로렐라 같은 녹조류가 대표적 예입니다. 미세조류는 콩, 옥수수, 사탕수수 같은 다른 식물 기반 바이오매스 원료보다 단위 면적당 에너지 생산량이 최대 100배가량 높습니다. 또한 비식량 바이오매스로서 식용 작물 재배를 방해하지 않고 대량으로 배양할 수 있습니다. 더 큰 장점은 이산화탄소를 먹이로 자라므로 대기 내 탄소를 처리할 수 있다는 것입니다.

일반적으로 미세조류는 생체 내에 지질, 즉 기름을 많이 품고 있어(최대 70%가량) 바이오디젤을 생산하는 데 적합합니다. 미세조류 생산 공정을 아주 간단히 말하자면, 미세조류 중에서도 지질 함량이 높은 종을 선별해 해양에서 대량으로 배양한 후 건조해 지질을 추출합니다. 다음으로 이 식물성 지질에 촉매를 넣고 알코올과 반응하면 알킬에스터와 글리세린을 얻을 수 있고 이때 얻은 이 알킬에스터가 바로 바이오디젤입니다. (YouTube:화석연료를 대체할 차세대 에너지원 미세조류)