신재생에너지 소개 - 바이오매스 및 폐기물 에너지

5. 바이오매스 및 폐기물 에너지

5.1 바이오매스 에너지

바이오매스(Biomass)는 생태학 분야에서 사용되던 용어로 생태계의 살아있는 유기체의 전체 질량을 뜻합니다. 인간도 바이오매스에 포함됩니다. 그러나 에너지원의 관점으로 보면 살아있거나 죽은 지 얼마 되지 않은 식물이나 음식물 쓰레기, 축산분뇨 등 다양한 유기물을 의미하는 단어입니다. 지구에서 1년간 생산되는 바이오매스의 총량은 석유의 총 매장량과 비슷하다고 합니다. 그리고 바이오매스를 에너지원으로 활용하면 화석연료와 달리 새로운 이산화탄소를 만들어 내지 않는다는 장점이 있습니다. 다시 말해, 동시대 대기의 이산화탄소를 흡수한 식물을 다시 연소하여 이산화탄소가 생성되는 것과 수백만 년 전의 이산화탄소를 흡수했던 식물로 만들어진 화석연료를 오늘날 사용하여 대기에 이산화탄소를 추가하는 것의 차이라고 볼 수 있습니다.

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바이오매스와 바이오연료(Biofuel)라는 두 용어는 자주 혼용되어 사용됩니다. 두 단어는 범주의 차이가 있기 때문에 혼용되어 사용할 수 있더라도 구분하는 것이 좋습니다. 바이오매스와 바이오연료의 차이는 당근과 당근 주스의 차이라고 볼 수 있습니다. 바이오매스는 가공되지 않은 에너지원으로 사용할 수 있는 유기체의 총량을 지칭하는 단어이고, 바이오연료는 바이오매스를 가공하여 사용하기 쉬운 형태로 만든 것을 의미하기 때문입니다. 바이오매스는 직/간접적으로 사용할 수 있습니다. 가령 나무를 태워 요리나 난방을 하거나 바이오연료를 만들 수 있습니다. 그러나 바이오연료는 가공되지 않고서는 자연상태에서 찾을 수 없습니다.
(http://www.ehow.com/info_8010864_differences-between-biomass-biofuel.html)

바이오매스를 활용하는 방법은 다양합니다. 가장 일차원적인 활용으로는 예로부터 해온 것과 같이 태워 난방을 하거나 조리에 이용하는 것입니다. 요즘도 시골에는 아궁이에 장작을 때고 온돌로 집을 난방하고 요리를 하며, 도시에서는 장작이나 숯으로 고기를 구워 먹는 등의 활용도 사실 바이오매스를 열로 활용하는 것입니다. 또한, 바이오매스를 열병합발전(CHP)의 연료로 사용하여 전기를 생산하거나 난방에 사용하는 방법도 있습니다. 지난 태양에너지와 지열에너지의 활용과 같이 열을 얻어내는 원료로 활용하는 것입니다.

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(http://www.biomassinnovation.ca/CombinedHeatAndPower.html)

가정용 등 소형 난방 시스템의 연료로 활용하는 방법으로 톱밥이나 나무 가공 중 생기는 부산물들을 목질계 펠릿(Wood Pellet)으로 만드는 예도 있습니다. 또한 열대지방은 팜(Palm) 나무나 팜 열매껍질, 코코넛 열매껍질이나 가지 등도 활용합니다. 나무와 비슷하게 풀 또한 펠릿 형태로 가공하여 연료로 사용하기도 합니다. 이러한 펠릿 형태의 바이오매스 가공은 균일한 크기와 적은 물 함량 그리고 높은 밀도로 만들 수 있어 자동으로 제어하기 쉽고, 높은 연소 효율을 보입니다.

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바이오매스 중 사탕수수나 사탕무, 옥수수나 당밀을 미생물과 효소를 이용하여 발효시켜 에탄올을 만들 수 있습니다. 이를 바이오연료라고 하는데, 사실 이름은 거창하지만, 그 과정은 술을 빚는 과정과 큰 차이는 없습니다. 바이오연료 중 에탄올은 전 세계적으로 860억 리터를 생산하며 그 중 미국이 230억 리터 정도를 생산하며, 브라질이 약 540억 리터를 생산하고 있습니다. 미국과 브라질이 전 세계 바이오 에탄올 중 90%를 생산, 소비하고 있습니다.

바이오매스로 만든 바이오디젤(Biodiesel)은 화석연료로 생산된 디젤과 그 성분이 비슷하여 붙여진 이름입니다. 바이오 디젤은 유럽연합 국가들이 절반 가까이 생산하고 있으며 전 세계적으로 약 150억 에서 200억 리터 정도 생산되고 있습니다. 주로 동/식물성 기름과 폐기유로 바이오디젤을 만듭니다.

위에 설명한 바이오연료는 몇 가지 논쟁의 대상이 되기도 합니다. 사탕수수나 옥수수를 대량 생산하기 위해서는 넓은 농지와 많은 물이 필요하며 보조금 없이는 화석연료와 가격 경쟁에서 밀린다는 점 때문입니다. 또한, 식량으로 사용할 수 있는 자원이기 때문에 재생에너지로 활용하기보다 식량으로 활용해야 하는 것이 아니냐는 의문도 많이 제기되고 있습니다. 식량이냐 연료냐에 관하여 양측이 유효한 논쟁을 세계적으로 여전히 지속하고 있기 때문입니다. (http://en.wikipedia.org/wiki/Food_vs._Fuel)

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(http://www.renewableenergyfocus.com/view/20379/the-biofuel-generation-gap/)

이러한 논란이 되는 바이오연료를 1세대로 칭하며, 논란에서 상대적으로 자유롭기를 원하거나 자유로운 바이오연료를 2세대 바이오연료라고 합니다. 2세대 바이오연료는 사탕수수나 옥수수 같은 식량 자원이 아닌 지속가능한 공급이 가능한 바이오매스 자원을 이용하여 만든 연료를 의미합니다. 따라서 식량 자원이 아닌 식물의 줄기나 잎이나 외피 등이나 수확하고 남은 부산물을 이용하거나 잡초와 같은 풀을 이용한다거나 산업용 부산물인 나뭇조각이나 펄프 등을 활용합니다.

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(http://www.liganord.com/story.php?catid=3&artist=45&story=1511&pid=242&lang=de)

물론 2세대 바이오연료를 사용하는 것이 지속 가능한 재생에너지로서 적절할지 몰라도 만들어내는 과정이 어렵다는 단점이 있습니다. 2세대 바이오연료의 원료가 되는 바이오매스는 목질계 바이오매스(Lignocellulosic Biomass)입니다. 목질계 바이오매스에는 대부분 목질소(Lignin), 헤미 셀룰로오스(Hemicellulose), 셀롤로오스(Cellulose) 등의 복잡한 탄화수소로 이루어져 있어, 이를 효소와 증기 가열, 전처리를 통해 목질 섬유 에탄올(Lignocellulosic Ethanol)로 만들어 1세대 바이오연료와 같은 바이오에탄올을 만드는 복잡한 과정을 거쳐야 합니다. 따라서 아직 연구 개발이 필요하며 상업화되어 가격 경쟁력을 가지기엔 갈 길이 먼 상황입니다.

위에서 설명한 바이오연료 이외에도 해조류(Algal Biofuel)나 자트로파(Jatropha), 진균류(Fungi) 등을 바이오매스로 활용하여 바이오연료를 만드는 연구도 진행되고 있습니다.

5.2 폐기물 에너지

폐기물 에너지(Waste-to-Energy, WtE)는 쉽게 쓰레기를 직접 혹은 간접적으로 이용하는 에너지를 말합니다. 주로 쉽게 태울 수 있는 폐기물을 바로 소각하여 열로 활용하거나 가공하여 연료로 변환하여 활용하는 식으로 나눠집니다. 또한, 폐기물 에너지는 일종의 이미 사용한 에너지를 회수하는 개념으로 생각할 수 있습니다. 어떤 생산물을 만들면서 에너지를 사용하고 그 과정에서 생기는 부산물이나 폐기물로부터 사용한 에너지 일부를 회수하는 경우가 많기 때문입니다.

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폐기물의 에너지화 방식은 소각열 회수, 고체 연료화, 액체 연료화, 기체 연료화로 나눌 수 있습니다. 소각열 회수 방식은 폐기물 소각장의 소각열을 활용해 전력을 생산하거나 난방에 사용하는 방식입니다. 고체 연료화는 가연성 폐기물을 가공과정을 거쳐 고체 형태의 연료로 변환하는 것을 말합니다. 생활폐기물, 플라스틱, 폐타이어, 폐목재 등 재료에 따라서 부르는 이름이 다르며 각각 RDF(Refuse Derived Fuel), RPF(Refuse Plastic Fuel), TDF(Tire Derived Fuel), WCF(Wood Chip Fuel)으로 명합니다. 액체 연료화는 다양한 폐유를 가공하거나 고분자 폐기물을 가공하여 연료유를 만드는 방식입니다. 마지막으로 기체 연료화는 음식물 쓰레기나 하수 슬러시, 가축 분뇨 등과 같은 유기성 폐기물로부터 가스를 얻는 방식을 말합니다.

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(http://www.betalabservices.com/renewable-carbon/tire-derived-fuels.html)

우리나라에선 폐기물 에너지가 신재생에너지 중 70% 이상(2006년 기준)을 차지하고 있기도 합니다. 주로 석유정제와 화학공장에서 발생하는 폐가스의 활용이 많고(46%) 생활폐기물의 소각 여열 회수(30%)와 폐목재 연료화(6%), 시멘트 소성로 연료(9%) 등으로 활용하고 있습니다. 한 예로 부산 염색공업 공단에서는 폐플라스틱 고형연료(RPF)를 원료로 열병합발전(CHP)을 운영하고 있습니다(환경부 공식 블로그 참조: http://mevpr.tistory.com/1625).

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