미세조류 이용 바이오연료 생산 현황과 전망

국문 초록 (Abstract)

친환경 경유 대체연료로 바이오디젤(Biodiesel)이 많은 관심을 받고 있다. 현재 바이오디젤은 주로 콩, 유채 등의 식용작물에서 추출한 식물성 기름을 이용해 생산하고 있으며(1세대 바이오연료기술), 이는 곡물가격 상승을 유발해 아프리카와 같은 빈곤 국가와 저소득층의 식량난을 가중시킨다는 비판을 받고 있다. 또한 늘어나는 바이오디젤의 수요에 맞추어 팜유와 같은 원료 생산을 위해 광범위한 열대우림 또는 산림이 개발되고 있으며, 이는 오히려 지구온난화를 부추긴다는 지적도 있다. 더욱이 우리나라는 바이오디젤의 원료(대두유) 대부분을 해외에서 수입하고 있으므로 수급 및 가격이 석유자원과 유사하게 대외적인 상황 변화에 크게 의존할 가능성이 높다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 기존 식용유 또는 팜유 대신에 미세조류(Microalgae)를 원료로 활용하는 기술이 ‘차세대 바이오디젤 기술’로 많은 관심을 받고 있다. 미세조류는 물, 이산화탄소와 햇빛을 이용하여 성장이 가능하며, 황무지, 해안가, 바다 등 어디서든 배양할 수 있어 기존 육상작물과 토지나 공간 측면에서 상호 경쟁하지 않는다. 또한 미세조류는 배양조건에 따라 생체 내에 많은 양의 지질(최대 70%)을 축적하며, 단위 면적당 오일(지질) 생산량이 콩과 같은 기존 식용작물에 비해 50-100배 이상 높아 대체 생물원유로서의 가능성이 매우 높다. 미세조류 바이오디젤 생산기술은 이산화탄소 저감, 친환경 연료 개발, 새로운 녹색산업 창출 등 여러 장점을 지니고 있지만 기존 1세대 바이오연료 기술보다 아직 상대적으로 경제성이 떨어진다. 대두유, 유채유, 팜유 등을 이용한 바이오디젤의 생산비용은 리터당 0.5-1.0달러 수준인 반면 미세조류 바이오디젤의 생산단가는 최소 리터당 2달러 이상으로 추정되고 있다. 미세조류 바이오디젤 생산기술은 크게 1)미세조류 배양, 2)수확/건조, 3)오일 추출, 4)바이오디젤 전환 등 4개 공정으로 구성된다. 미국 아리조나 주립대 연구팀(2009)은 바이오디젤의 생산단가중 각 공정이 차지하는 비용이 각각 42%, 22%, 20%, 16%로 발표한 바 있다. 이는 미세조류 배양에 상대적으로 많은 비용이 소용되며, 또한 배양 후 바이오디젤 전환과 관련된 후속공정기술의 개발도 경제성 측면에서 중요하다는 것을 나타낸다. 미세조류 바이오디젤 기술의 경제성을 확보하기 위해서 다양한 기술들이 시도되고 있다. 미세조류 배양과 관련하여 자연계 탐색 또는 유전자 조작을 통해 오일 생산능력이 높은 미세조류 확보, 효율이 높고 비용이 저렴한 조류 배양시스템 개발(광생물반응기, 개방형 연못, 해양 배양시스템등), 화력발전소, 주정공장 등 이산화탄소 대량 배출산업의 배기가스 이용, 폐열과 냉각수의 활용, 이산화탄소 외에 필요한 영양원(질소, 인)으로 생활폐수 또는 하수의 이용기술 등이 연구되고 있다. 수확/건조 기술로 기존 미세조류 건강식품 제조용으로 활용되었던 여과 및 원심분리 기술과 함께 하수처리장에서 녹조 제거용으로 사용되고 있는 침전, 부유 및 응집 기술 등도 응용되고 있다. 미세조류 오일 추출의 경우 곡물계나 목질계 바이오매스와 특성이 상이하므로 압착, 용매추출, 효소 분해, 삼투압 처리, 초임계 추출, 초음파 추출 등 다양한 접근 방식이 시도되고 있다. 미세조류 바이오디젤 전환기술은 기존 식용유에 적용되었던, 즉 정제된 식용유와 메탄올을 산 또는 염기 촉매하에 반응시키는 에스테르화 화학촉매 전환기술이 일반적으로 사용되고 있다. 최근에는 바이오디젤의 산화안정성 및 저온유동성 문제를 해결하기 위해 경유와 유사하게 탄화수소로만 구성된 그린디젤(Green diesel)을 개발하기 위한 노력도 진행되고 있다. 한국에너지기술연구원에서는 미세조류를 이용한 바이오정유 (Biorefinery) 기술을 개발하고 있다. 미세조류 바이오정유 기술은 기존 석유가 담당하던 역할을 재생가능한 자원인 조류 바이오매스로 대체하려는 개념이다. 즉 오일정유 (Oil refinery) 기술을 통해 휘발유, 경유와 같은 연료와 수많은 화학제품을 생산했듯이, 조류 바이오매스를 원료로 바이오정유 기술을 통해 바이오디젤, 바이오가솔린과 같은 수송용 연료를 생산하고, 부산물로부터 바이오차르(Biochar), 수소, 전기, 열등을 생산하는 집적；복합화 공정기술을 개발하는 것이다. 미세조류 바이오디젤 기술은 현재 연구개발 단계에 있다. 많은 연구자들은 미세조류 바이오디젤의 실용화를 향후 5∼15년으로 전망하고 있다. 현재 경유 및 식용유 바이오디젤에 비해 생산단가가 비싸지만, 앞서 언급한 여러 요소기술의 최적화 및 연계기술 개발로 경제성이 지속적으로 향상될 것으로 전망된다. 분명한 것은 지구온난화와 에너지 위기는 계속될 것으로 예상되며, 이는 값싼 석유 시대가 끝나가고 있다는 것을 의미한다. 수송용 연료로 사용되는 석유 전부를 수입하는 우리나라이기에, 또한 깨끗한 환경을 다음 세대에 물려주기 위해 본 기술에 대한 지속적인 관심과 지원이 필요하다.