바이오에너지

바이오에너지

* 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비하여 생성되는 모든              
    생물유기체(바이오매스)의 에너지

* 생산기술
1. 생물 유기체를 가스, 액체 혹은 고형연료로 변환하거나 이를
연소하여 열, 증기 혹은 전기를 생산하는데 응용되는 화학, 생물,
연소공학 등

2. 바이오 에탄올, 바이오 가스, 바이오 디젤 등의 형태

* 바이오 연료의 한계 


바이오 연료란 생물이나 미생물의 부산물을 연료로 사용하는 신재생 에너지이다. 일반적으로 식물의 열매 등 수확물을 발효시켜 알코올이나 디젤, 메탄 등의 대체연료로 사용된다. 바이오 연료가 각광받는 이유는 '연료 연소 후 생기는 이산화탄소가 결국은 식물이 대기 중에서 고정화한 이산화탄소이므로 결과적으로 이산화탄소 증가가 없는 연료이기 때문이다. 이산화탄소는 지구 환경변화의 가장 큰 적이며, 도쿄 기후 협약 이후 큰 경제적 고려대상이기도 하다.

바이오 연료의 원료 작물 재배과정에서 비료와 농약사용, 바이오 연료의 발효와 건조 과정에서 사용되는 재료와 연료등에 의해 추가적인 탄소가스가 발생하기 때문에, 탄소가스 증가가 없는 연료라는 것이 현실상으로는 불가능하며, 조건에 따라서는 화석연료와 큰 차이가 없을 수도 있다.

바이오 연료의 사용증가로 옥수수 등의 연료 작물의 수요가 늘어나, 옥수수를 원료로 하는 식품(식용유, 마요네즈, 유탕식품 등)의 가격 증가와 옥수수를 주식으로 하는 나라의 기근이 발생한다.
연료 작물의 재배 증가는 숲을 개간해 밭으로 만드는 결과를 유발한다. 나무는 이산화탄소 흡수 수단으로 연료 작물보다 몇 배의 능력을 가지므로 결과적으로 바이오연료가 이산화탄소 감소에 반하는 결과를 가져올 수 있다.
바이오연료 사업은 석유사업과 같이 국가와 거대기업들이 주도하고 있다. 그들은 바이오연료 수익을 위해 밭을 사들이거나 가난한 농부들에게 빼앗을 가능성이 높으며, 결국 산업혁명당시 농노들이 땅을 빼앗기고 빈민으로 몰렸듯이 저개발국가들의 가난, 지가상승, 빈부격차를 부채질할 가능성이 있다.
바이오 연료 기술은 선진국들의 환경무기화 될 수 있다.
대부분의 바이오연료 업체들이 석유사업도 겸하고 있기 때문에 기술적으로 쉽고 부가가치가 더 큰 석유사업을 포기하지 않고 결과적으로 이산화탄소 감축 효과는 크지 않을 것이다.

바이오 연료는 원료 공급과 생산효율등의 문제로 석유의 완전 혹은 많은 부분의 대체가 불가능하다는 계산이 많이 나오고 있다. 결국 석유의 사용은 나름대로 계속되면서 그 면죄부라도 되는 양 바이오연료를 일부 사용하게 되어 유명무실할 여지가 있다고 일부 연구가 주장하고 있다.
하지만 아직은 바이오 연료에 대한 긍정적인 예상이 더 많으며, 딱히 더 좋은 교통수단의 이산화탄소 감축 방법도 없는 형편이다. 어떤 연구에서는 바이오연료가 아직 초기단계이기 때문에 대부분의 문제점들이 기술의 발전에 의해 해결될 여지가 많다고 주장한다.

바이오 연료는 환경문제가 점점 심각해질것으로 예상되는 우리에게도 새로운 기회이다. 하지만 위에서 보듯 그림자가 있고, 우리는 그 그림자를 알고 주시하면서 올바른 방향으로 바이오 연료가 발전하도록 해야 한다.

* 목질계 바이오메스로부터 수송용 바이오연료기술
 
기존의 화석에너지를 대신할 새로운 청정/대체에너지의 개발에 대한 요구가 지속적으로 증가하면서 새로운 대체에너지 자원으로서 목질계/섬유소계 바이오매스가 주목받고 있다.
특히 수송용 에너지를 대체할 수 있는 바이오 연료 생산기술은 저장이 가능한 에너지원의 확보 및 화학원료 생산을 위한 재료로서 그 연구 가치가 증가하고있다.
하지만 현재 수송용 연료로 적용되고 있는 바이오  연료는 대부분 전분계인 옥수수와 당질계인 사탕수수로부터 얻어지는 것으로 이들은 식량자원과의 가격 경쟁의 문제점을 갖고 있으며, 상당 수준의 기술 개발이 완료되어 기술 향상의 가능성이 적다. 또한 에너지 생산을 위한 투입 에너지 비율이 높아 환경 개선 효과가 미미하며, 생산 비용 측면에서도 기존의 석유 연료보다 높다는 여러 가지 단점을 갖고 있다. 이러한 생산 비용 및 환경 개선 그리고 재료의 확보라는 여러 가지 문제점들을 극복하기 위한 대안으로 목질계/섬유소계 바이오매스를 이용한 바이오 연료에 많은 관심이 집중되고 있다.

* 목질계 바이오 연료의 생산을 위한 공정

1. 당화 저해 물질을 제거하고 셀룰로오스의 접근 가능성을 증가시키기위한 전처리 공정 (Pretreatment) 

2. 셀룰로오스의 가수분해를 통해 발효가능한 당류로 변환하는 당화 공정 (Saccharification)

3. 생성된 당을 효모, 박테리아를 이용하여 에탄올 및 부탄올로 전환시키는 발효 공정 (Fermentation)





  자  원
  방법
  생산물
바이오 매스 
건조 바이오매스 
(조림 부산물, 폐목재)
직접연소 가스화
열, 전기, 가스연료, 메탄올, 암모니아, 기름, 가스, 목탄
함수 바이오매스
(분뇨, 폐액, 수초), 탄수화물
혐기성 발효,
화학전 분해
메탄, 에탄올
당분, 전분, 셀룰로오스
물리확 학적, 생물학적 분해 생물학전 전환
에탄올
에너지 식물 바이오메스, 물
추출, 분해 광합성 반응
탄화수소, 유지 수소
바이오 연료
사탕수수
화학반응, 발효
바이오에탄올
유채, 대두, 팜 ,폐유
화학적, 생물학적 기계적 점도 제거
바이오디젤
바이오 가스
목질계 바이오매스
열을 이용한 소각
생산된 가스 및 열을 이용한 냉 , 난방 및 전기 생산
음식 및 도축 폐기물
(축산폐기물)
발효
메탄가스의 열 및 전력 생산
매립지 가스 
자연 생성 
메탄가스의 열 및 전력 생산
목질계 바이오 에너지의 이용

      1.------------------> 목탄, 펠릿 ----------------------> 열
             (고형 연료화)
         2.-------------> 바이오 에탄올, 바이오 오일 --> 수송 연료
             (액화)
         3.----> 합성가스---------------------------------> 메탄올
                                  (가스화)              (합성) ↳----------> 전력
                                   -------------------------------------------> 열 
                                   (직접 연소)
                           4. -----------> 유용 물질 --------------------> 화학, 의약
                            (바이오 정제)



목질계 바이오에너지 장점 
 * 재생 가능
 * 막대한 자원량 
 * 저장성, 대체성
 * Carbon neutral

목질계 바이오에너지 단점
 * Low heat value
 * 원료의 산재: 수집, 관리 문제
 * 계절적 변동성: 안정적 공급 문제
 
바이오에탄올의 생산


                                                 
                       Enzyme                                      
                      Prduction                                        
 Biomass           󰀥󰀦     ↓
Pretreatment  -------->  Cellulose  ----->    Glucose     ---->   Ethanol
                         Hydrolysis          Fermentation         Recovery
       ↓                                                     ↑        ↓
       ↓ 
       ↳   --------------------------------->   Pentose   -- ↑        Lignin
                                              Fermentation         Utilization




* 목재 펠릿(wood pellets)
    * 미활용 목재 및 부산물의 펠릿화
    * 유럽 중심으로 발전 
     
     목재 펠릿의 연소 효율 비교
    

 연소 방법
Open fire
Wood burning
stove
Pellet stove
 연소 효율
 10 - 20%
30 - 65%
80 - 95%

                                             
목재 펠릿의 친환경성 
 *목재 펠릿과 타연료와의 비용 및 CO2 배출 비교

연료 형태
목재 펠릿
가스 
석유
석탄
필요열량(GJ/년))
2,590 
2,590
2,590
2,590
 톤당 에너지 
(GJ/톤)
16.8
49.4
43.5
29.0
사용량 (톤/년)
154.2
52.4
59.5
89.3
가격($/톤)
114
353
372
135
총 열량 비용
(GJ/년)
17,500
18,500
22,150
12,000
총 CO2 방출 
(톤/년)
18.1
140.0
204.8 
210.0


유럽의 목재 펠릿 보급 현황
* Denmark
-> 덴마크 의회의 석탄 사용 화력발전소 건설 중지에 의해 석탄 보일러를 개조하여 펠릿 이용
생산량 : 235,000 톤, 자국내 소비량 : 59,000톤
* Avedore 발전소는 년간 30만톤의 목재 펠릿 이용
-> 전기 50%, 열 50%로 회수 천연가스에 비해 저가
* Koege Biopllefabrick
-> 가구 제조시 폐기되는 80%의 폐재료를 이용하여 펠릿 제조
-> 시간당 50톤의 칩 처리, 최종적으로 30톤의 펠릿 제조

국내 목재 펠릿 연구 및 기술 개발 현황
* 펠릿 제조 방법 및 난방장치 개발
  난방기 개발
연료 : 목재 펠릿
 주요 용도 : 소규모 전원주택용        CO2 : 50 ppm
  O2 : 17.2%
  배기가스 온도 : 175 ℃                
실내 배출 공기 온도 : 135 ℃







급속 열분해에 의한 바이오 오일 생산
* 공정 및 특징
->목재를 수백~천℃/초의 고속으로 가열, 냉각하여 열분해
   생성물의 2차 반응 억제로 액상 생성물(bio-oil) 회수
 -> 짧은 반응 시간으로 원료의 대량 처리 가능
 * 구미를 중심으로 활발한 연구 진행
 * 대부분 pilot plant 수준, 최근 미국과 캐나다에서    
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