바이오 디젤 03 미세조류(Microalgae)

바이오 디젤 03 미세조류(Microalgae)

3. 미세조류(Microalgae)

미세조류에 대해 조금만 더 이야기해 보겠습니다.

1) 생산 과정(Production Cycle)

Algae 배양을 위해서는 물, 태양, CO2 이외에 질소, 인, 유황 등 양소(nutrients)가 필요합니다.[1]

그리고 대량 배양이 되면, oil과 기타 의약, 화학, 사료 등에 사용되는 다른 공급 원료(feedstock)로 분리되어 추출되는 과정을 거치게 됩니다.

2) 배양

배양시설의 종류는 크게 수로형 연못, 광생물 반응기, 발효 탱크로 나눠볼 수 있습니다.

수로형 연못(Pond)은 개방형 배양시스템으로 단독 또는 몇 개의 channel이 연결되어 순환하도록 구성됩니다. 깊이는 0.3m 정도되며, Algae의 증산을 위해 공급되는 CO2가 대기 중으로 손실되므로 광합성 효율이 상대적으로 낮다는 단점이 있습니다.

광생물반응기(photobioreactor)는 수로형 연못과 달리 폐쇄형 배양시스템입니다. Algae 배지 저장기(medium reservoir)와 광수집기(solar collator)로 구성되며 태양광을 이용하여 대규모 scale up 방식으로 제작됩니다.

발효탱크(fermentation tank)는 Plastic 또는 steel 재질의 tank에서 algae를 배양하는 방법입니다. 깊이 2m 이상으로 수로형 연못보다 깊습니다.

3) 추출

대량 배양된 algae는 dewatering으로 algae와 물을 분리한 후 헥산(hexane)으로 반응시키는 과정을 거쳐 algae oil을 추출하게 됩니다.[2]

공정	공정내용	사용장비	비고
분리	배양기에서 Algae와 물의 분리	필터	.
건조	분리된 Algae를 건조기에서 건조	Dryer	바이오에탄올 공정은 건조 후 별도의 공정을 요함
반응	Algae를 헥산과 반응시킴	저장탱크	.
분리	반응된 Algae에서 헥산이 포함된 oil과 algae cake를 분리	원심분리기	오일과 cake를 분리하는 과정으로 cake도 헥산 분리를 위한 공정을 가함
증류	Oil에서 헥산을 제거	증류기	헥산 완전제거 및 헥산 회수
추출	헥산을 제거한 crude oil 추출	저장탱크	.

이러한 과정을 통하게 되면 Algae에서 약 40%의 oil, 50%의 algae cake(사료 등으로 사용) 및 10% 불순물(loss)이 발생하게 됩니다.

4) 미세조류 vs 곡물(Corn, soybean)

Algae 생산을 위한 land 필요 면적은 bio ethanol 생산을 위한 corn 또는 soybean 생산 면적 대비 훨씬 적습니다.

미국에서 생산 중인 bioenergy 작물의 토지면적과 비교[3]하면 아래와 같습니다.

Crop	Total Land in Cultivation(㎢)	Alage Land Required(㎢)
Sugarcane	227,250	22,700
Oil palm	138,547	9,896
Maize	1,580,300	26,338
Rapeseed	308,053	2,282
Total	2,254,150	61,216
Total(%)	100%	2.7%

그 외에 Corn 또는 soybean 등 전분(starch)에서 oil을 생산하는 경우 해당 곡물가격의 상승에 따른 수익성이 저하될 수 있으며, 기아문제가 존재하는데 음식으로 연료를 만든다는 윤리적 논란이 발생할 수 있습니다. 그러나 미세조류에서 생산하는 경우 이러한 논란에서 한 걸음 벗어날 수 있다는 장점이 있습니다.

5) 미세조류를 활용한 바이오 디젤 기술의 상용화

하지만 중요한 것은 상용화 가능여부일 겁니다. 미국, 독일, 이스라엘 등 세계 각국의 기업들에서는 이미 상용화를 하고 있습니다.

상용화 예를 들면, 미국의 Algae 기업인 Solarzyme Inc.에서 bio diesel을 생산하여 미국 해군에 283,000ℓ을 납품하였고, 항공사인 United Airline에도 신재생 항공유(renewable jet fuel)을 2014년부터 매년 20MN gallons(약 70,000MTs) 납품하기로 계약 체결(non-binding)하였습니다.

미세조류 바이오매스가 현재 소규모로 생산되고 있지만 2030년까지 전체 에너지 공급의 2.5%를 차지할 것으로 예상됩니다.

6) 상용화 문제점

그럼 이렇게 좋은 걸 왜 별로 안하는가라는 질문을 할 수 있습니다. 결국 가격문제입니다. 미세조류를 이용한 바이오 연료는 화석연료 보다 가격경쟁력 없습니다.

미세조류를 이용한 바이오 디젤 생산 비용은 USD 1.48~5.38/ℓ[4]인데, 한국해양연구원 기술의 비용은 3,500원/ℓ입니다. 2013년까지 2,000원 이하로 생산단가를 낮추는 기술 개발을 목표로 하고 있습니다.

석유가 USD 80/배럴일 경우, 바이오 디젤 생산 비용은 USD 0.55/ℓ를 넘으면 경제적 관점에서 채산성 없다고 합니다.

가장 효율적인 원자력은 물론 가장 많이 사용하고 있는 화석연료 보다 낮은 생산성은 현재 모든 그린 에너지의 공통 문제점입니다.

7) 한국에서의 미세조류 사업

다소 오래된 자료이지만 참고삼아 한국에서의 미세조류 사업을 살펴보면 대략 다음과 같습니다.

정부는 1998년 교육과학기술부의 21세기 프론티어 연구개발사업의 일환으로 지속적으로 연구 및 생산 추진하고 있습니다. 2011년 신에너지 및 재생에너지 개발•이용•보급 촉진법 제정으로 지식경제부에서 지원을 하고 있습니다. 또한 2011년 해외자원개발사업법 개정에 따라 대상 자원에 algae bio diesel이 추가되어 무역보험공사의 해외자원펀드보험 대상이 되었습니다.

공공기관에서는 한국해양연구원, 에너지경제연구원, 한국생명공학연구원 등에서 algae 생산 및 연구를 진행 중 입니다. KAIST, 인하대학교, 경북대학교 등에서 pond에 algae 배양 중이라고 합니다.

기업들 중에는 TAC, 그린에너지코리아, NLP 등에서 algae 배양 및 연구 중입니다. 2011.11월 남부발전에서 NLP와 공동으로 algae 배양 실증연구단지 준공식 개최하였습니다. 여기에서는 2015년 준공예정인 삼척화력발전소에서 배출되는 CO2를 선순환시킬 예정이라고 합니다.

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[1] The Promise and Challenge of Algae asRenewable Sources of Biofuels, U.S. Department of Energy, 2010.09.08
[2] ‘미세조류 바이오디젤 발전소 특별자산펀드,’ 남상원, 2011.12월; TAC 인용
[3] The Promise and Challenge of Algae asRenewable Sources of Biofuels, U.S. Department of Energy, 2010.09.08; FAO 2007 data 인용
[4] [찾아라, 에너지 블루오션] 해조류•미세조류는 '바이오 연료의 寶庫,' 한국일보, 2011.04.25; 한국에너지기술연구원 인용

바이오 디젤 02 조류(Algae)와 바이오 연료(Bio Fuel)

바이오 디젤 02 조류(Algae)와 바이오 연료(Bio Fuel)

자산운용과 관련이 있냐고 물을 수 있습니다. 답은 관련이 있다입니다. 이 세상 존재하는 대부분의 것들은 돈으로 환산될 수 있습니다. 그리고 돈으로 환산된 모든 것은 투자대상이 될 수 있습니다.

물론 돈으로 환산하는 것이 도덕적이냐 아니냐는 논란과 투자하는 것이 경제적 가치가 있냐 아니냐는 문제는 존재하겠지만.

에너지 역시 돈으로 환산될 수 있고, 바이오 연료를 포함한 대체 에너지 역시 투자 대상이 될 수 있습니다.

2. 조류(Algae)와 바이오 연료(Bio Fuel)

1) 미세조류(微細藻類, Microalgae)

3세대 바이오 연료 중 미세조류에 대해 아주 조금만 더 알아봅시다. 아주 조금인 이유는... 지면상의 문제가 아니라 저 역시 그렇게 자세히 알지 못한 관계로.

Algae(조류)는 미세조류(micro algae) 및 미역, 다시마 등의 대형조류(macro algae)로 크게 구분되며 지구에 20만종 이상의 다양한 종이 분포하고 있다고 합니다.

그 중 미세조류(이하 ‘algae’)는 일반적으로 광합성 색소를 가지고 광합성을 하는 단세포 생물들을 통칭합니다. 이러한 미세조류들은 이산화탄소, 물, 태양의 에너지를 이용하여 유기물 합성한다는 측면에서는 식물과 동일한 특성을 지니고 있습니다.

미세조류는 종마다 다르지만 대략적으로 몸 전체의 50%가 기름이라고 합니다. (평균 50%, 최대 80%). 그리고 연간 1만㎡ 당 최대 98,500ℓ의 바이오 연료 생산 가능하다고 합니다.[1] 이는 이전 세대 원료 중 가장 효율이 높다는 팜유보다 약 16배 이상이나 높은 수준입니다.

또한 미세조류는 옥수수, 대두, 팜 등 식물 대비 증식속도가 빠르고 식용작물이 아니며 오일 함유량이 많아 단위면적당 바이오 디젤(bio diesel) 생산량이 수십~수백배로 높기에 algae를 'Green Gold'라고도 부릅니다.

비록 미세조류 바이오매스가 아직까지는 소규모로 생산되고 있지만 2030년까지 전체 에너지 공급의 2.5%를 차지할 것으로 예상하기도 합니다.[2]

그렇게 예상하는 데에는 무언가 장점이 있기 때문이겠죠.

그 중 하나는 Algae 1t이 이산화탄소 3t을 흡수•소비한다는 점입니다. 환경적으로는 지구온난화 방지 효과가 있다는 것이고, 경제적으로는 CDM[3] 수익을 창출할 수 있다는 이점이 됩니다. 동시에 상온과 상압에서 단순한 공정에 의해 바이오 디젤을 생산할 수 있다는 점도 장점으로 부각되고 있습니다. 일단 너무 어렵거나, 비용이 너무 많이 들면 관심 밖에 머물 수 밖에 없으니까요.

또한 Algae에서 oil 이외에도 단백질(protein) 및 탄수화물 (carbohydrate)이 추출되어 제약, 화장품, 건강식품, 사료 등의 원료로 사용[4]될 수 있다는 점도 Alge에 관심을 갖는 이유 중 하나입니다.

2) 미세조류를 활용한 바이오 메스 에너지의 종류

미세조류를 활용한 바이오 매스 에너지는 바이오 에탄올, 바이오 디젤, 바이오 수소 등이 있습니다. 바이오를 활용해서 각각 에탄올, 디젤, 수소를 생산하는 것이라 보면 됩니다.

(1) 바이오 에탄올(Bio Ethanol, BE)

리그닌[lignin, 목질소(木質素)] 성분이 없고 셀룰로오스[cellulose, 섬유소(纖維素)] 함유량이 낮은 해양조류를 이용해 에탄올을 생산하는 방법입니다.[5] 이들 미세조류가 생물학적으로 분해가 더 쉽다는 특징이 있습니다.

(2) 바이오 디젤(Bio Diesel, BD)

미세조류의 경우 기름 함유량이 상당히 높게 나타나 새로운 바이오 디젤 원료로 각광을 받고 있다고 합니다. 그러다 보니 현재 미세조류를 활용한 바이오 매스 에너지 생산은 바이오 디젤 위주로 진행되고 있답니다.

미세조류의 특징에 대해 좀더 알아보면 글리세롤(Glycerol[6])에 3개의 지방산이 결합된 골격을 가지는 트리아실글리세롤(Triacylglycerol[7])로 구성되어 많은 양의 오일을 축적할 수 있다고 합니다.

조류로부터 추출된 오일은 지방산 메틸에스테르(methyl esterase)를 만들기 위해 알코올과 산 또는 염기와 혼합되어져 에스테르[8]와 반응을 통해 바이오 디젤로 전환되게 됩니다.

사실 위의 이야기들이 무슨 말인지는 저도 잘 모릅니다. 실제 개발하는 사람들에게는 아주 기초적인 이야기이겠지만, 투자자 입장에서는 대략적인 흐름만 이해하고, 이게 과연 경제성이 있을까 없을까 판단할 수 있을 정도면 되지 않을까 생각합니다.

(3) 바이오 수소

그리고 최근에는 조류를 활용한 수소 생산 가능성에 대한 연구가 진행 중이라고 합니다. 식물이나 조류는 광합성 작용에 의해서 대사 중에 산소와 환원체를 생성하게 됩니다. 조류는 식물과 차이점이 있는데 식물과 달리 이산화탄소를 고정함과 동시에 양성자를 수소로 환원할 수 있다고 합니다. 이럴 경우 저렴한 생물반응시설에 의해 물과 태양광으로 부터 효율적인 생물과 수소생산 반응을 제공하고 동시에 생성된 수소를 모을 수 있기에 이에 대한 연구가 진행 중입니다.

3) 수익성(High Productivity)

결국 투자자들에게 중요한 것은 기술적 측면보다는 경제성이겠죠. 아직은 화석연료 보다 경제성이 뒤지고 있습니다만, 바이오 연료 중에는 경제성이 뛰어날 것으로 예상됩니다.

우선 Algae의 단위면적당 oil 생산량은 대두(soybean)의 500배, 야자(palm) 대비 15배 이상을 상회합니다.

Algae의 오일 성분인 중성지방(triglycedides, 약어로 TAG) 함유량은 평균 50%, 최대 80%로 soybean 등 식물성 유지작물(油脂作物, oilseed)의 평균 20% 대비 최소 2배 이상 상회합니다.

그리고, Palm 또는 jatropha 등 식물의 성장기간은 1년에서 수년이 소요되나 Algae는 종류에 따라 하루에 doubling 되며 사막 같은 볼모지 또는 폐수(waste water)에서도 성장이 가능하다고 합니다.

또한 Algae는 무게 기준 3배의 이산화탄소를 흡수하므로 친환경 및 탄소배출권(CDM) 수익을 창출할 수 있는 장점이 있습니다.

수익성(Oil Yield)을 비교하면 다음과 같습니다.[9]

Crop	작물	Oil Yield (Gallons/acre)
Corn	옥수수	18
Cotton	목화	35
Soybean	대두	48
Mustard Seed	겨자씨	61
Sunflower	해바라기	102
Rapeseed	평지씨	127
Jatropha	야트로파, 자트로파	202
Oil palm	기름야자	635
Algae (50g/㎡/day at 50% TAG)	미세조류	10,000

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[1] [찾아라, 에너지 블루오션] 해조류•미세조류는 '바이오 연료의 寶庫,' 한국일보, 2011.04.25
[2] '[알아봅시다] 미세조류 바이오연료의 가능성,' 디지털타임즈, 2011.06.28
[3] Clean Development Mechanism, 청정개발체제
[4] ‘미세조류 바이오디젤 발전소 특별자산펀드,’ 남상원, 2011.12월; SRS Energy
[5] “미세조류를 이용한 신재생에너지 생산동향,” 남귀숙, 한국농어촌공사 농어촌연구원, 2010
[6] 지방족 3가 알코올의 하나로서 무색 무취이며 단맛이 나고 끈기가 있음. 건조방지제, 용제, 감미료로 사용되거나 음식물의 보존에 사용
[7] 글리세롤과 3개의 지방산들의 에스테르. 지방(fat)과 유지(oil) 등
[8] 산과 알코올에서 물을 제거할 때 생성하는 화합물 및 이론상 이에 해당하는 구조를 가진 화합물
[9] ‘미세조류 바이오디젤 발전소 특별자산펀드,’ 남상원, 2011.12월; National Renewable Energy Laboratory, a national laboratory of U.S. Department of Energy 인용

바이오 디젤 01 바이오 연료

바이오 디젤에 대한 짧은 글입니다.

1. 바이오 연료(Bio Fuel)

1) 바이오매스(Biomass)

‘바이오매스(Biomass)’는 생명체를 의미하는 ‘bio’와 양을 의미하는 ‘mass’가 결합된 용어입니다. ‘생물량 또는 생물체량’을 말하며, 바이오 매스를 통해 생산되는 에너지가 ‘바이오 에너지’입니다.

2) 바이오 연료(Bio Fuel)

바이오 연료는 식물체 및 동물폐기물 등 바이오 매스를 원료로 하여 생성되는 기체 또는 액체 형태의 연료를 모두 포함하는 용어입니다.

일반적으로 바이오 연료는 좀더 좁은 의미로 사용되어, 휘발유(gasoline)과 경유(diesel) 등 자동차 연료를 대체할 수 있는 바이오 에탄올이나 바이오 디젤을 의미합니다.

기술적인 측면에서 다음과 같이 세대를 나누어 볼 수 있습니다. 곡물 등 식용 바이오매스를 이용하는 것을 1세대라고 합니다. 그리고 목질계 섬유 등 비식용 바이오매스를 이용하는 것을 2세대, 조류 활용, 기술 및 수소 등을 사용하는 것을 3세대라고 합니다.

1세대 바이오 연료는 기술적인 측면에서 상대적으로 만들기 쉽지만 다음과 같은 문제점이 존재합니다.

우선 식용작물을 주원료로 하기 때문에 식품가격의 상승을 초래하게 됩니다. 차량 연료통 25갤론을 채우기 위해 사용되는 옥수수의 양은 1人이 1년 동안 섭취할 수 있는 양이라고 합니다.[1]

또한 비슷한 맥락으로 작물 재배에 필요한 토지가 부족하게 되어 과다 이용시 오히려 환경파괴 유발하게 됩니다. 1ha의 땅에서 생산한 바이오 연료는 1대의 자동차가 22,500km 운행 가능하다고 합니다. 동일면적의 태양광 발전으로 전기 자동차를 운행할 경우는 144배인 3.25백만km 운행이 가능하니[2], 효율성에서 큰 차이를 보이게 됩니다.

그래서 비식용 바이오매스인 2세대, 3세대로 눈을 돌리게 됩니다.

3) 바이오 디젤(Bio Diesel)과 바이오 에탄올(Bio Ethanol)

1세대의 문제점에도 불구하고, 바이오 연료(Bio Fuel)는 어쨋든 환경친화적 청정연료로 기후변화협약과 고유가 등으로 세계적으로 주목을 받고 있는 대체연료입니다.

현재 상용화가 되어 있는 대표적 바이오 연료로는 바이오 디젤과 바이오 에탄올 등이 있습니다. 그러나 아직은 단독으로 사용되기 보다는 화석연료와 혼합 사용을 주로 하고 있습니다.

최근 자료는 아니지만, 참고 삼아 정리하면 다음과 같습니다.

.	바이오 디젤 (Bio Diesel)	바이오 에탄올 (Bio Ethanol)
원재료	식물성 유지: 야자유, 대두유, 유채유, 해바라기유, 옥수수유, 코코넛 기름 동물성 기름: 우지(牛脂), 돈지(豚脂), 가금유지, 어유 등 폐식용유 미세조류	포도당: 사탕무(유럽), 사탕수수(브라질) 녹말: 옥수수, 밀(미국), 보리(유럽) 셀룰로오스: 섬유소, 목질소(lignin) 미세조류
대체유	경유	휘발유
종류	B1~B100 - 혼합비율에 따른 분류	E10, E20, E85, E100 등 - E10[3]이 널리 사용
생산 보급	미국이 가장 앞서고 있음 독일, 오스트리아 등 유럽 중심 - 전세계 생산의 2/3	브라질, 미국, 중국 등 중심
생산규모[4](2005) (백만리터)	독일: 1,921 프랑스: 557 미국: 284 이탈리아: 227 체코: 136	미국: 16,214 브라질: 16,067 중국: 3,800 인도: 1,700 프랑스: 910

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[1] ‘Intro to Clean Energy: Biofuel,’ 삼정 KPMG, April 2009; Photon International 재인용
[2] ‘Intro to Clean Energy: Biofuel,’ 삼정 KPMG, April 2009; Crop America 재인용
[3] 10% 에탄올 + 90% 휘발류
[4] ‘Intro to Clean Energy: Biofuel,’ 삼정 KPMG, April 2009; Worldwatch Institute 재인용