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바이오에탄올시장확대를 위한 요건과 전망
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승인 2014.02.18  14:50:26
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기술사업화정보실 선임연구원 임대현 (Tel: 02-3299-6055, e-mail: sunct@kisti.re.kr)

 [요   약]

1. 바이오매스는 나무처럼 가공하지 않은 형태로 태워도 열을 생산할 수 있지만, 이를 가공하면 보다 사용이 편리한 에너지형태인 액체나 가스로 전환(바이오매스 에너지화)되어 자동차 연료나 전기를 생산하는 데에도 이용될 수 있기 때문에 미래 에너지로 주목받고 있다.

2. 바이오매스 에너지 중 바이오디젤과 바이오 알콜은 수송용으로 주로 사용되고 있는데 바이오알콜 중 바이오에탄올은 현재 보급 중인 수송용 바이오연료의 약 80%를 차지하고 있다.

3. 바이오에탄올은 전세계 여러나라에서 신재생에너지 연료혼합 의무제도 (RFS :Renewable Fuel Standard) 하에 휘발유에 혼합하여 사용되고 있으며 우리나라의 경우도 2015년부터 도입되어 바이오에탄올시장이 본격적으로 형성될 전망이다.

4. 2015년부터 E3(에탄올 3% 혼합연료)의 전면 보급이 시행된다고 할 때 국내 연료용 에탄올 초기 시장 규모는 30만 kL에 이를 것으로 예상되며, 이 경우 에탄올 자체 시장은 3,600억원, 에탄올 생산 플랜트 구축에 따른 시장은 에탄올 10만 kL 플랜트 건설비가 약 7백억원인 점을 고려하면 2014~2015년에 플랜트 시장 규모는 2천억원으로 산출된다.

5. 원료비 부담이 큰 식품계(당질 및 전분질) 바이오에탄올의 대안으로 목질계 및 조류계의 차세대바이오에탄올의 상용화를 위해 전세계가 경쟁하고 있는 이때 우리나라도 기술개발뿐만 아니라 관련 제도 정비, 사회적 공감대 형성을 통하여 차세대 바이오에탄올의 시장경쟁력을 확보해야 할 것이다.

바이오매스 에너지화란? 
바이오매스(Biomass)는 생물량 또는 생물체량이라고 하며, 동식물로부터 유래되는 유기물질을 말한다. 이러한 바이오매스는 나무, 농작물을 비롯해 축산폐기물, 도시하수의 유기슬러지에 이르기 까지 그 종류가 광범위하다. 바이오매스는 나무처럼 가공하지 않은 형태로 태워도 열을 생산할 수 있지만, 이를 가공하면 보다 사용이 편리한 에너지형태인 액체나 가스로 전환(바이오매스 에너지화)하여 자동차 연료나 전기를 생산하는 데에도 이용될 수 있기 때문에 미래 에너지로서 관심을 받고 있는 상태이다. 바이오매스의 지방, 탄화수소(주로 당류)를 물리적, 화학적, 생물학적 처리를 통해 이용이 편리한 형태의 에너지를 만들 수 있는데, 주로 식물성 기름을 사용해 바이오디젤을, 당류의 경우 생물학적발효를 통해 바이오알콜을 만들거나 열분해 가스화를 통해 합성가스를 만들 수 있다. 또한 유기성폐기물은 산소를 공급하지 않은 상태에서 생물학적 혐기발효를 통해 메탄가스를 생산할 수 있다.

바이오매스 에너지화 기술에는 열분해가스화와 같이 연구개발단계에 있는 분야도 있으며, 바이오 디젤, 바이오 알콜 및 바이오가스와 같이 전 세계적으로 이미 상용화 단계에 접어든 분야도 있다. 그러나 기술 수준에 관계없이 바이오매스 에너지화에 대한 연구개발은 앞으로도 전 세계적으로 지속될 것이며, 향후 5~10년을 기점으로 바이오에너지 산업은 급격히 성장할 것으로 전망되고 있다.

바이오매스 에너지는 사용해도 대기 중 이산화탄소량이 증가하지 않는다는 “탄소중립(CO2- neutral)”에너지라고 인식되기에 교토의정서에 의해 CO2배출량을 감소해야 하는 각국으로부터 주목받고 있다.

   
 
바이오매스 에너지 중 바이오디젤과 바이오 알콜은 수송용으로 주로 사용되고 있는데 바이오알콜 중 바이오에탄올은 현재 보급 중인 수송용 바이오연료의 약  80%를 차지하고 있다.

바이오알콜은 당질, 전분질, 셀룰로오스 유래 원료를 효소당화(또는 추출)하고 이를 발효시켜 수송용 연료로 사용되는 바이오에탄올, 바이오부탄올 등을 말한다. 바이오에탄올은 가솔린에 비해 부식성 및 친수성 등의 약점 때문에 전 세계적으로 연료의 10%이하로 혼합하여 일반 차량 연료로 사용하며 고함량 혼합의 경우 연료계통의 재료 개선, 에탄올 농도에 따른 자동조절이 가능한 가변연료자동차(FFV)의 연료로 상용화 되고 있다. 바이오부탄올은 박테리아에 의해 만들어지며 에탄올에 비해 부식성 및 친수성 등의 문제가 없어 일반 차량에도 고함량 혼합사용이 가능하지만 부탄올의 미생물에 대한 독성 문제 때문에 아직 상용화되지 못하고 있다. 따라서 현재 바이오알콜이라 하면 주로 바이오 에탄올을 말하고 있다.
   
 

바이오에탄올 시장현황
바이오에탄올은 전세계 여러나라에서 신재생에너지 연료혼합 의무제도(RFS : Renewable Fuel Standard)하에 휘발유에 혼합 후 사용되고 있다. 미국의 경우 주마다 상이하지만, 최대 E10 수준으로 혼합하도록 하고 있으며. 브라질의 경우 E25수준으로 높은 의무혼합제도를 유지하고 있다. 그 외 중국 E10(9개성), 독일 E2.8, 프랑스 E7, 필리핀 E10 등 여러 나라에서 이미 바이오에탄올을 수송용 연료로 사용하고 있다.

전세계바이오에탄올 생산량은 2001년 166억리터에서 2011년 834억리터로 급증했는데 미국과 브라질이 최대 생산국으로 2011년의 경우 528억리터(63%)와 199억리터(24%)를 생산하여 두국가의 비율이 전체의 87%를 차지하고 있다.
   
 

세계 바이오에탄올의 생산추이를 보면 2010년 이후 정체되고 있는 것을 알 수 있는데, 브라질의 경우는 글로벌 금융위기에 의한 경기 위축, 설탕가격 상승으로 브라질 바이오에탄올의 원료인 사탕수수가 설탕생산에 많이 투입되어 바이오에탄올 생산량이 감소하였다. 미국의 경우는 제도적 혼합비율인 E10의 수요가 거의 한계에 도달한 “Ethanol Blend Wall”현상이 나타나 가격이 정체되었고, 생산원료인 옥수수의 가격 상승으로 수익성이 악화되었기 때문이다.

이러한 정체현상으로 세계시장규모는 2000년대와 같은 고성장은 어렵지만, 2013년 761억달러에서 2017년 972억달러 수준으로 연평균 5.0%의 성장을 이룰 수 있을 것으로 예측되고 있다.

   
<세계바이오에탄올 시장규모 예측(단위 : 억달러)>
미국과 브라질 양국의 사례에서 보듯이 바이오에탄올은 대부분 당질(사탕수수) 및 전분질계(옥수수) 원료를 사용하므로 식품을 원료로 사용하는데 기인하는 원료수급 불안, 가격상승의 경제적 문제점 뿐만 아니라 식량가격 상승의 원인이라는 도덕적 문제점을 가지고 있다. 이에 식용으로 사용이 불가한 목질계(셀룰로오스)나 조류(Algae)를 원료로 활용하는 차세대 에탄올에 대한 관심이 높아지고 있다.

목질계(셀룰로오스) 바이오에탄올은 갈대, 목재, 팜부산물 등 목질계원료를 원료로 하는 것이다. 식물체의 주성분인 셀룰로오스를 사용하므로 그 생산잠재량은 크지만, 셀룰로오스를 분해하여 당으로 전환하는 과정이 필요하여, 고비용이라는 단점이 있다. 미국의 경우 목질계 에탄올의 생산비용은 옥수수계 에탄올의 2배정도인 것으로 평가하고 있다. 또한 미역, 다시마 등의 거대조류 또는 녹조류, 규조류 등의 미세조류로부터 바이오연료(바이오알콜, 바이오디젤)을 생산할 수 있는데, 에너지효율성이 높고 CO2를 흡수하는 장점으로 인하여 차세대 바이오연료로 주목받지만, 아직은 경제성측면에서 문제가 있다.

미국의 경우 RFS에 의해 2022년에 옥수수에탄올 150억갤런(568억리터), 목질계 에탄올 160억갤런(605억리터)를 생산하는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 움직임에 따라 미국 정부는 R&D지원, 세제지원 등을 통해 목질계에탄올 생산을 장려하고 있다.

세계적인 정유회사인 BP와 화학회사인 DuPont은 현재 이소부탄올 생산기술 개발을 완료하고 Butamax라는 Joint Venture 회사를 설립하여 최근 EU로부터 바이오부탄올 생산을 승인 받았으며 영국에 바이오부탄올 실증을 위한 Demo 공정을 건설을 진행시키고 있다. 또한 미국 최대의 바이오에탄올 업체인 POET LLC는 농부산물(옥수수대)를 활용하여 바이오에탄올을 생산하는 상용화 데모 공정을 건설, 운전 중에 있다.
   
<미국 바이오연료 의무생산량 목표>
국내 에탄올 생산업체로는 10여개의 주정업체가 있으며 이들은 국내 잉여 농산물(현미) 및 수입 타피오카 등을  주원료로 활용하여 음료용 에탄올을 생산하고 있는 상태이고 연료용 에탄올 및 부탄올에 대한 기술 개발은 미미한 실정이다. 특히 에탄올 탈수에 사용되는 막이용 탈수 공정은 국내 기술 기반이 매우 취약하여 이 분야에 대한 기술개발이 요구되고 있는 상태이다

이에 정부는, 2010년 “신재생에너지산업발전전략”을 발표하여 목질계 및 조류기반의 차세대 바이오연료 개발에 집중하고 있다.

특히, 에탄올 차량연료로 사용에 대한 실증 연구 완료 후, 이를 기반으로 에탄올 차량연료 사용에 대한 지원 방안을 검토 중이다. 2013년 6월 수송용 바이오연료(바이오디젤, 에탄올 등)의 의무 사용 법안(RFS)이 국회 본 회의를 통과하여 2015년 9월부터 RFS가 전면 시행되고 2020년까지 국내 수송 연료의 5%가 바이오연료로 대체될 예정이다. 바이오에탄올의 경우 2014년부터 시범 보급을 거쳐 2017년부터 전국 보급이 시작되는데 2015년부터 E3(에탄올 3% 혼합연료)의 전면 보급 시행시 국내 연료용 에탄올 초기 시장 규모는 30만 kL에 이를 것으로 예상된다. 이 경우 에탄올 자체 시장은 3,600억원, 에탄올 생산 플랜트 구축에 따른 시장은 에탄올 10만 kL 플랜트 건설비가 약 7백억원인 점을 고려하면 2014~2015년에 플랜트 시장 규모는 2천억원으로 산출된다.

목질계 바이오에탄올분야에서는 창해엔지니어링, 젠닥스 등이 조류계 바이오에탄올분야에서는 바이올시스템즈가 생산 기술 개발을 통한 차세대 에탄올 시장 진출을 추진하고 있는 것으로 알려져 있다.

당면과제
세계적으로 화석연료에 대한 의존완화와 지구온난화에 대한 대책으로 바이오에탄올에 대한 기대가 증대되어 왔다. 그러나 식량을 원료로 한다는 약점으로 인해 시장성장에 한계가 있어온 것도 사실이다. 이에 목질계 및 조류에 의한 바이오에탄올 상용화를 통한 시장확대가 경쟁적으로 진행되고 있다. 국내의 경우 바이오에탄올의 의무사용을 위한 제도적 기반을 마련하고 있는 상태에서 선진국에 비해 상대적으로 낮은 생산기술 수준으로 인해, 시장초기에 해외기술의존도가 높아질 위험성이 있다. 이에, 정부의 시장확대와 국내 기술개발을 위하여 제도를 정비하고, 자금을 지원하여 국내에서 독자기술개발이 이루어질 수 있도록 할 필요가 있다.

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