바이오인

바이오에너지 분야 동향 및 R&D 전략 수립을 위한 제언

[KRIBB 워킹그룹]

◈ 목차

• 1.개요

• 2.주요 동향 및 이슈

• 3.결론 및 시사점

◈본문

1. 개요

◼︎ 바이오에너지의 정의 및 본 이슈페이퍼의 범위

◦︎바이오매스 또는 바이오매스 함유 유기물 유래 발전, 수송 분야에 활용될 수 있는 에너지원을 폭넓게 지칭함. 바이오에너지의 원료로 농업부산물 뿐만 아니라 유기성 폐기물도 함께 고려될 수 있으며, 식량 자원과의 경쟁 유무, 에너지 작물(energy crop)의 생산에 소요되는 면적 효율에 따라 세대를 구분 짓는 것이 일반적임

* 일반적으로 1세대 바이오에너지 원료(feedstock)는 통상적인 식량작물(곡물계 바이오매스)를 일컬으며, 2세대 바이오에너지 원료는 목질계 바이오매스 (예: 비식량(non-food) 농작물, 농업부산물), 3세대 바이오에너지 원료는 미세조류(microalgae)로 알려져 있음. 최근에는 합성생물학 기술을 적용하여 개량한 미생물 자원을 4세대 바이오에너지 원료로 분류하기도 함 (Padder et al. 2024. Biomass and Bioenergy)

◦︎미국 DOE 산하 Bioenergy Technologies Office(이하 BETO)는, 2023년 출간된 보고서에서 바이오에너지를 연료 및 전력 생산에(“...encompasses both biofuels and biopower.”) 소요되는 에너지자원으로 넓게 정의한 바 있으며(BETO. 2023. MYPP), 이에 따라 메탄올, 에탄올, 바이오디젤, 바이오항공유(i.e., sustainable aviation fuel (SAF) 와 같은 통상적인 바이오연료 뿐만 아니라 바이오매스 또는 바이오매스 함유 유기물을 활용한 전력 또는 열을 생산하는 기술을 함께 포함한 바 있음

◦︎바이오에너지 분야의 다학제적인 성격(transdisciplinarity) 및 긴밀하게 변화하는 기술 및 연관산업 지형을 고려, 본 이슈페이퍼에서는 기존 식량 작물과 경쟁 관계에 있지 않은 바이오원료(biofeedstock) (i.e., 비식량 농작물, 미세조류(microalgae), 산업 배출가스)에서 유래한 재생가능한(renewable)* 바이오연료(biofuels)에 초점을 두어 기술 동향 및 향후 R&D에서 요구되는 사항에 관해 논의하고자 함

* 본 이슈페이퍼에서 “재생가능함(renewability)”은 다음과 같이 정의:　광합성 또는 탄소기반 폐기물 (예: 산업 폐가스) 등을 통해 순환되거나 재생(generation)될 수 있음

출처 : Dr. Emily Greenfield (2023) Algal Biofuels: The Third-Generation Biofuels

[그림 1] 세대별 바이오에너지 원료(biofeedstock)

◼︎곡물계 바이오매스 및 목질계 바이오매스를 활용한 바이오에너지 기술 개요  

◦︎곡물계 바이오매스 기반 바이오에탄올 생산  

- 곡물계 바이오매스는 통상적으로 1세대 바이오매스로 일컬어지며, 주로 전분(starch, glucose의 α1-4, 1-6 결합으로 구성)으로 구성되어 있어 간단한 가수분해로 발효에 사용될 수 있는 glucose를 얻을 수 있으며, 이를 이용해 효모(yeast)등을 활용하여 EtOH 발효 공정을 거치면 바이오에탄올 생산이 가능함

- 세계적으로 미국과 브라질 등 일부 국가들은 옥수수와 사탕수수와 같은 곡물계 바이오매스를 막대한 면적을 통해 생산이 가능하므로 (예: 미국 옥수수밭 면적의 경우 약 40만 km2으로 우리나라 면적의 4배) 충분히 경쟁력 있는 가격으로 연료로의 바이오에탄올을 생산할 수 있으나, 우리나라와 같이 상당량의 곡물을 식량 자원으로 수입하고 있는 국가에서는 기술 경제성 확보에 어려움이 있음

- 한편, 생산된 바이오에탄올은 주로 휘발유에 소량 첨가되어 drop-in fuel의 옥탄가를 높이는데 사용되고 있으며, 바이오에탄올의 활용성을 높이기 위해 신규 엔진 디자인이 제시되기도 하였음. 예를 들어, 미국의 Flexible Fuel Vehicle(FFV)의 경우, EtOH나 휘발유를 자유롭게 사용할 수 있도록 만들어졌으며, 상대적으로 높은 EtOH의 착화점(218°C, 휘발유는 125°C)을 고려하여 EtOH을 85%까지 섞은 E85에 최적화 되어 있음

...................(계속)

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