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2세대 바이오연료 기술 개발 현황과 전망

이진석 한국에너지기술연구원 바이오에너지연구센터

1 서론

1) 수송용 바이오연료의 필요성

최근 석유자원 고갈과 기후변화 문제가 지속 성장사회 실현에 주 장애요인으로

대두됨에 따라 이에 효과적으로 대응하기 위한 수단으로서 재생에너지의 중요성이

부각 되고 있다 이러한 재생에너지중 바이오매스로부터 생산되는 바이오에너지는

타 재생에너지의 적용이 불가능한 수송 부문에서 직접 적용 가능하여 석유 에너지의

직접 대체 효과가 높다는 장점이 있다

즉 현재 차량 연료로 사용되는 휘발유와 경유는 자원이 한정된 석유로부터 만들어

지므로 석유 고갈에 대한 우려가 항상 있다 따라서 이러한 원료의 고갈 문제를

해결하기 위해서는 자원 고갈 걱정이 없는 재생 에너지의 활용이 필요하다 바이오연료

이외에도 태양광 풍력 수소 등 다양한 재생에너지가 있지만 이러한 재생에너지는

전용 차량과 보급 인프라의 구축이 필요하다는 문제가 있다 즉 태양광 풍력 등은

전기를 생산하므로 전기 자동차 그리고 수소의 경우에는 수소 또는 연료전지로

구동되는 자동차의 개발이 각각 필요하며 전기 또는 수소를 차량에 공급하기 위한

충전소도 많은 장소에 설치되어야 한다 하지만 이러한 자동차의 개발 보급과

충전소의 설치에는 많은 비용이 소요되므로 이러한 재생에너지원을 사용하는 차량은

단기적인 해결책은 될 수 없다 하지만 바이오연료는 기존의 차량연료인 휘발유

경유 등과 혼합하여 사용할 경우 현재 운행 중인 차량과 기 구축된 주유소를 그대로

사용할 수 있으므로 가장 경제적이다 또한 바이오연료의 제조에 원료로 사용되는

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식물은 자라는 과정에서 이산화탄소를 흡수하므로 바이오연료의 사용시 대기 중

이산화탄소 농도 증가 효과가 낮아 지구 온난화 문제 해결에 도움이 될 뿐만 아니라

자원의 고갈 문제도 없다 ([그림 1])

[그림 1] 바이오연료의 재생성과 CO2 립성

2) 수송용 바이오연료 기술의 개요

현재 식물로부터 만들어진 바이오연료에는 휘발유 대체연료인 바이오에탄올과 경유

대체연료인 바이오디젤 등이 있다 이러한 수송용 바이오연료 기술은 차량의 엔진

기술이 발전하여 보다 고품질의 연료의 적용 필요성이 높아짐에 따라 바이오매스를

생물학적 또는 열화학적 방법으로 반응시켜 보다 양질의 차량용 바이오연료 전환

기술로 발전하고 있다 현재 구축된 주유소와 차량에 직접 활용 가능한 바이오연료

생산에 사용된 원료에 따라 곡물을 이용하는 1세대 바이오연료 기술 비식용

섬유소계 바이오매스를 원료로 하는 2세대 바이오연료 기술 그리고 새로운 수송

인프라의 도입이 필요한 수소 등을 생산하는 3세대 바이오연료기술로 분류 가능

하며 현재 곡물원료로부터 생산된 1세대 바이오연료인 에탄올과 바이오디젤만이

실제 사용되고 있다 ([그림 2])

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[그림 2] 수송용 바이오연료의 기술 계통도 (1)

2) 수송용 바이오연료의 국내외 시장 현황 및 전망

기후변화와 석유 자원 고갈 문제에 대응하려는 선진국들의 적극적인 바이오연료

보급 지원 정책 시행에 따라 2000년대 초반부터 바이오연료의 보급은 가파르게

증가하고 있다 이러한 수송용 바이오연료의 보급은 기술 개발 어려움으로 인해

2010년대 중반까지는 곡물 기반 바이오연료 보급이 중심을 이루지만 이후부터는

비식용 원료로부터 만들어진 2세대 바이오연료가 2030년대까지 지속적으로 증가

하여 2030년대 중반에는 전체 수송 연료 소비량의 약 23를 대체할 것으로 예측

되었다 ([그림 3])

국내에서도 녹색성장을 위해 적극적인 신재생에너지 보급 확대를 추진하기 위한

마스터 플랜을 마련하였으며 동 계획에 따르면 수송용 바이오연료의 보급은

2030년까지 2008년 보급량 대비 36배를 늘리는 것으로 되어 있다 ([그림 4])

이와 같은 바이오연료의 보급 확대를 위해서는 현재 사용되는 곡물 기반 원료로는

불가능하며 따라서 국내 실정에 맞는 비식용 원료의 발굴 및 동 원료를 활용한

바이오연료 생산 기술의 개발이 필요하다

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[그림 3] 2세 바이오연료 보 망 (자료 McKinsey 2007)

수송용

바이오연료

열

전기

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

2008 2010 2015 2020 2030

X10

3 t

oe

[그림 4] 국내 바이오에 지 시장 망 (2)

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2 2세대 바이오연료 기술 개발 현황과 전망

1) 2세대 바이오연료란

앞에서 기술한 바와 같이 현재 사용되고 있는 바이오에탄올과 바이오디젤은 모두

옥수수 유채 콩 등의 곡물로부터 생산되고 있어 바이오연료 생산이 증가함에 따라

원료 부족 및 식량 가격의 폭등의 문제를 야기하여 앞으로 늘어나는 수송용 바이오

연료의 수요를 충족시킬 수 없다는 문제점이 있다 따라서 식용으로 사용이 불가능한

농임산 부산물인 볏짚 폐목재 등 목질계 원료와 속성 경작이 가능한 속성수 및

해양 바이오매스 등 그동안 검토되지 않은 새로운 원료의 발굴이 필요하다 이러한

2세대 바이오연료 생산 원료 확보 방안을 [그림 5]에 나타냈다 이러한 섬유소계

바이오매스를 원료로 생산되는 2세대 수송용 연료(목질계 에탄올 부탄올 BtL 등)는

현재 1세대 바이오연료 또는 석유계연료에 비해 가격 경쟁력이 없지만 기술 개발

속도가 가속화 되고 있으므로 앞으로 5-10년 내에 상용화 가능할 것으로 기대된다

이러한 2세대 바이오연료 생산 기술이 상용화되면 현재 1세대 바이오연료 보급에

따른 주 문제점인 원료 수급 불안정성 및 연료의 경제성 등 문제가 해결 가능하므로

보급이 크게 늘어날 것으로 예상된다

2)목질계 기반 2세대 바이오연료 기술 개발 현황

[그림 5] 바이오매스 자원 확보 략 (4)

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효소생산

983099983099목질계

바이오매스 전처리Ⅰ

전처리Ⅱ

(당화) 발효 농축 연료용 알콜

lt99 이상gt

가 바이오알콜

차량용 연료로 사용 가능한 2세대 바이오알콜에는 에탄올과 부탄올 등이 있으며

목질계 원료로부터 바이오에탄올 또는 부탄올을 생산하기 위해서는 다음과 같은

동일한 단위공정을 거치게 된다 즉 2세대 바이오알콜 생산 공정은 1) 목질계 원료로

부터 사용 성분의 분리 및 단당류로 전환하는 전처리 2) 생성 당의 알콜 발효 3)

발효 알콜의 농축 등으로 구성된다 ([그림 6]) 현재까지 경제성 있는 2세대

바이오알콜 생산 공정은 개발되지 못하였으며 현재 상용 공정의 전단계인 실증

공정 연구가 진행되고 있다

[그림 6] 목질계 바이오알콜 생산 공정도

2세대 바이오알콜 생산 비용에서 원료비 비중이 가장 높으므로 수율 높은 전처리

기술의 개발이 상용화에 가장 중요하다 또한 발효 공정은 에탄올과 부탄올의 발효

특성이 달라 각각 다른 기술개발이 진행되고 있다 2세대에탄올 발효 기술은

기본적으로 기 개발된 전분질계 에탄올 생산 기술의 적용이 가능하지만 공정의

경제성을 개선하기 위해서는 일부 보완 기술의 개발이 필요하다 즉 목질계 당에는

5탄당인 자일로스가 일부 포함되어 있으며 이러한 5탄당도 함께 에탄올로 전환할

수 있는 미생물 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다 이러한 미생물은

에탄올 발효 균주인 Saccharomyces 또는 Zymomonas에 자일로스 분해 유전자를

도입한 유전자 재조합 균주 개발과 성장속도가 높은 E-coli에 5 6탄당의 에탄올

발효 유전자를 도입한 유전자 조합 균주 개발 등의 연구가 진행되고 있으며 유전자

조합 에탄올 발효 균주의 경우 상용화 공정 적용을 위한 시험공정 단계에 있다

이외에도 섬유소계 원료의 당화액에는 전분질계 원료와 달리 발효를 억제하는 다양한

독성성분이 포함되어 있어 이들에 대해 내성을 갖는 생물촉매의 확보가 필요하지만

이 부분에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 수준에 있다

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바이오에탄올과 동일한 원료를 사용하여 생산되는 바이오부탄올은 에탄올에 비해 연료

물성(높은 에너지 함량 낮은 부식성과 증기압 등)이 우수하여 차량연료로서 장점이

많은 것으로 평가된다 부탄올의 생산시 에탄올 아세톤 부틸레이트 등이 부산물로

생성되므로 이들의 생성을 최소화하는 것이 부탄올의 생산 수율을 높이는데 중요하며

이러한 부산물의 생성 반응 경로를 block한 유전자 조합 균주들이 개발되었다 하지만

부탄올은 미생물에 대한 독성이 매우 강해 발효에 의해 생산되는 부탄올의 농도가 매우

낮지만 이러한 내성 향상에 대한 연구는 상대적으로 결과가 미흡하다 따라서 부탄올

생산성과 최종 농도를 높일 수 있는 미생물 촉매 및 발효 공정의 개발과 저에너지 소비형

분리 정제 기술의 개발이 부탄올 생산 공정의 상용화에 핵심 사항으로 부각되고 있다

나 BtL (Biomass to Liquid fuel)

경유 대체연료로 사용돠는 바이오디젤은 식물성 기름만을 원료로 사용하는데 비해

BtL은 모든 종류의 바이오매스를 원료로 사용하므로 원료 제한이 없다는 장점이

있다 이러한 장점 때문에 2세대 바이오디젤로 불리는 BtL은 섬유소계 바이오매스를

열분해하여 합성가스로 전환한 후 가스 정제 및 Fischer Tropsch 합성에 의해

생산된다 ([그림 7]) 이 기술은 연구단계이지만 이미 상용화된 석탄 가스화에

의한 액상연료 생산 기술(CtL)의 연장선상에 있는 것으로 평가된다 F-T 디젤유는

경유에 비해 황과 방향족 성분이 없고 세탄가가 높아 연료로서 물성이 우수하여

현재 차량에 장착된 디젤엔진에 대해 완벽한 호환성을 갖는다 하지만 BtL 기술은

매우 복잡한 엔지니어링 프로젝트이어서 상용화를 위해서는 많은 기술적 문제들이

해결되어야 하며 현재 파일롯 실증 연구 단계에 있다

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Wood(Biomass)

1 Tonwood

Gasification Fischer-TropschSynthesis

Biosyngas240 L

FT Wax210 L210 L

BTLBTL--DieselDiesel

LightFT Product

Electricity amp Heatfrom off-gas

[그림 7] F-T 디젤의 생산 반응 (4)

3) 해조류 기반 바이오연료 기술개발 현황

해조류로부터 바이오연료 생산은 지상 식물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술에

비해 여러 가지 잠재 장 을 가진다 첫째 부분의 해조류는 목질계 원료와

마찬가지로 비식용이어서 원료 수 이 비교 안정하다는 이다 두 번째로 지상

식물의 경우 한정된 토지를 활용해야 하므로 바이오연료 수요가 증가하면 경지의

확보에 어려움을 겪을 수 있지만 해조류는 해양을 활용하므로 경지 확보 어려움이

다는 이다 세 번째로 지상 식물의 규모 경작시 문제가 되는 물의 충분한

공 문제가 해조류 양식에서 근본 으로 없다는 장 이 있다 이외에도 해조류는

주로 연안 양식으로 행하여지고 성장 과정에서 바닷물 의 유 무기 양분을 흡수

하므로 연안의 부 양화 문제를 해결할 수 있다는 장 등이 있다 하지만 재

세계 으로 사업의 타당성 검토 기 단계이므로 아직 많은 부분이 검증되지

않아 불확실성이 높다는 은 상용화에 주 걸림돌이다 이러한 해조류에는 김 미역

다시마와 같은 거 조류와 식물성 랭크톤인 미세조류로 다시 나뉘며 다양한

연료 생산에 활용 가능하다 ([그림 8])

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[그림 8] 해조류로부터 바이오연료 생산 계통도 (5)

가 바이오알콜

수중 식물인 거대조류는 서식 환경에 맞게 진화하여 육상식물과는 다른 구조를

갖고 있다 즉 육상식물과 가장 중요한 구조적 차이는 리그닌이 없다는 점이며 이

외에도 해조류는 육상 식물에 거의 존재하지 않는 갈락탄 등 다양한 당 성분이

다량 포함되어 있어 이러한 원료 특성에 맞는 바이오연료 전환 기술의 개발이

필요하다 해조류 원료 양산에 대한 불확실성 때문에 전 세계적으로 거대조류로부터

바이오연료 생산 기술 개발은 거의 진행되지 않고 있다 하지만 우리나라는 동 분야

기술의 선점을 위해 적극적으로 원료 양산 및 연료 전환 기술 개발 프로그램을

기획 추진하고 있다

나 바이오디젤

일부 미세조류는 오일을 포함하고 있어 이를 추출하여 경유 대체연료를 생산하기

위한 연구가 진행되고 있다 이러한 미세조류는 산업체에서 배출되는 CO2를 회수

하는 방안과 연계할 경우 CO2 회수와 청정연료 생산을 동시에 할수 있다는 장점

때문에 미국 EU 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 한국

에너지기술연구원 생명공학연구원 등의 정부 출연 연구소와 대학 등에서 효율적인

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미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

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참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

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식물은 자라는 과정에서 이산화탄소를 흡수하므로 바이오연료의 사용시 대기 중

이산화탄소 농도 증가 효과가 낮아 지구 온난화 문제 해결에 도움이 될 뿐만 아니라

자원의 고갈 문제도 없다 ([그림 1])

[그림 1] 바이오연료의 재생성과 CO2 립성

2) 수송용 바이오연료 기술의 개요

현재 식물로부터 만들어진 바이오연료에는 휘발유 대체연료인 바이오에탄올과 경유

대체연료인 바이오디젤 등이 있다 이러한 수송용 바이오연료 기술은 차량의 엔진

기술이 발전하여 보다 고품질의 연료의 적용 필요성이 높아짐에 따라 바이오매스를

생물학적 또는 열화학적 방법으로 반응시켜 보다 양질의 차량용 바이오연료 전환

기술로 발전하고 있다 현재 구축된 주유소와 차량에 직접 활용 가능한 바이오연료

생산에 사용된 원료에 따라 곡물을 이용하는 1세대 바이오연료 기술 비식용

섬유소계 바이오매스를 원료로 하는 2세대 바이오연료 기술 그리고 새로운 수송

인프라의 도입이 필요한 수소 등을 생산하는 3세대 바이오연료기술로 분류 가능

하며 현재 곡물원료로부터 생산된 1세대 바이오연료인 에탄올과 바이오디젤만이

실제 사용되고 있다 ([그림 2])

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[그림 2] 수송용 바이오연료의 기술 계통도 (1)

2) 수송용 바이오연료의 국내외 시장 현황 및 전망

기후변화와 석유 자원 고갈 문제에 대응하려는 선진국들의 적극적인 바이오연료

보급 지원 정책 시행에 따라 2000년대 초반부터 바이오연료의 보급은 가파르게

증가하고 있다 이러한 수송용 바이오연료의 보급은 기술 개발 어려움으로 인해

2010년대 중반까지는 곡물 기반 바이오연료 보급이 중심을 이루지만 이후부터는

비식용 원료로부터 만들어진 2세대 바이오연료가 2030년대까지 지속적으로 증가

하여 2030년대 중반에는 전체 수송 연료 소비량의 약 23를 대체할 것으로 예측

되었다 ([그림 3])

국내에서도 녹색성장을 위해 적극적인 신재생에너지 보급 확대를 추진하기 위한

마스터 플랜을 마련하였으며 동 계획에 따르면 수송용 바이오연료의 보급은

2030년까지 2008년 보급량 대비 36배를 늘리는 것으로 되어 있다 ([그림 4])

이와 같은 바이오연료의 보급 확대를 위해서는 현재 사용되는 곡물 기반 원료로는

불가능하며 따라서 국내 실정에 맞는 비식용 원료의 발굴 및 동 원료를 활용한

바이오연료 생산 기술의 개발이 필요하다

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[그림 3] 2세 바이오연료 보 망 (자료 McKinsey 2007)

수송용

바이오연료

열

전기

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

2008 2010 2015 2020 2030

X10

3 t

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[그림 4] 국내 바이오에 지 시장 망 (2)

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2 2세대 바이오연료 기술 개발 현황과 전망

1) 2세대 바이오연료란

앞에서 기술한 바와 같이 현재 사용되고 있는 바이오에탄올과 바이오디젤은 모두

옥수수 유채 콩 등의 곡물로부터 생산되고 있어 바이오연료 생산이 증가함에 따라

원료 부족 및 식량 가격의 폭등의 문제를 야기하여 앞으로 늘어나는 수송용 바이오

연료의 수요를 충족시킬 수 없다는 문제점이 있다 따라서 식용으로 사용이 불가능한

농임산 부산물인 볏짚 폐목재 등 목질계 원료와 속성 경작이 가능한 속성수 및

해양 바이오매스 등 그동안 검토되지 않은 새로운 원료의 발굴이 필요하다 이러한

2세대 바이오연료 생산 원료 확보 방안을 [그림 5]에 나타냈다 이러한 섬유소계

바이오매스를 원료로 생산되는 2세대 수송용 연료(목질계 에탄올 부탄올 BtL 등)는

현재 1세대 바이오연료 또는 석유계연료에 비해 가격 경쟁력이 없지만 기술 개발

속도가 가속화 되고 있으므로 앞으로 5-10년 내에 상용화 가능할 것으로 기대된다

이러한 2세대 바이오연료 생산 기술이 상용화되면 현재 1세대 바이오연료 보급에

따른 주 문제점인 원료 수급 불안정성 및 연료의 경제성 등 문제가 해결 가능하므로

보급이 크게 늘어날 것으로 예상된다

2)목질계 기반 2세대 바이오연료 기술 개발 현황

[그림 5] 바이오매스 자원 확보 략 (4)

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효소생산

983099983099목질계

바이오매스 전처리Ⅰ

전처리Ⅱ

(당화) 발효 농축 연료용 알콜

lt99 이상gt

가 바이오알콜

차량용 연료로 사용 가능한 2세대 바이오알콜에는 에탄올과 부탄올 등이 있으며

목질계 원료로부터 바이오에탄올 또는 부탄올을 생산하기 위해서는 다음과 같은

동일한 단위공정을 거치게 된다 즉 2세대 바이오알콜 생산 공정은 1) 목질계 원료로

부터 사용 성분의 분리 및 단당류로 전환하는 전처리 2) 생성 당의 알콜 발효 3)

발효 알콜의 농축 등으로 구성된다 ([그림 6]) 현재까지 경제성 있는 2세대

바이오알콜 생산 공정은 개발되지 못하였으며 현재 상용 공정의 전단계인 실증

공정 연구가 진행되고 있다

[그림 6] 목질계 바이오알콜 생산 공정도

2세대 바이오알콜 생산 비용에서 원료비 비중이 가장 높으므로 수율 높은 전처리

기술의 개발이 상용화에 가장 중요하다 또한 발효 공정은 에탄올과 부탄올의 발효

특성이 달라 각각 다른 기술개발이 진행되고 있다 2세대에탄올 발효 기술은

기본적으로 기 개발된 전분질계 에탄올 생산 기술의 적용이 가능하지만 공정의

경제성을 개선하기 위해서는 일부 보완 기술의 개발이 필요하다 즉 목질계 당에는

5탄당인 자일로스가 일부 포함되어 있으며 이러한 5탄당도 함께 에탄올로 전환할

수 있는 미생물 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다 이러한 미생물은

에탄올 발효 균주인 Saccharomyces 또는 Zymomonas에 자일로스 분해 유전자를

도입한 유전자 재조합 균주 개발과 성장속도가 높은 E-coli에 5 6탄당의 에탄올

발효 유전자를 도입한 유전자 조합 균주 개발 등의 연구가 진행되고 있으며 유전자

조합 에탄올 발효 균주의 경우 상용화 공정 적용을 위한 시험공정 단계에 있다

이외에도 섬유소계 원료의 당화액에는 전분질계 원료와 달리 발효를 억제하는 다양한

독성성분이 포함되어 있어 이들에 대해 내성을 갖는 생물촉매의 확보가 필요하지만

이 부분에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 수준에 있다

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바이오에탄올과 동일한 원료를 사용하여 생산되는 바이오부탄올은 에탄올에 비해 연료

물성(높은 에너지 함량 낮은 부식성과 증기압 등)이 우수하여 차량연료로서 장점이

많은 것으로 평가된다 부탄올의 생산시 에탄올 아세톤 부틸레이트 등이 부산물로

생성되므로 이들의 생성을 최소화하는 것이 부탄올의 생산 수율을 높이는데 중요하며

이러한 부산물의 생성 반응 경로를 block한 유전자 조합 균주들이 개발되었다 하지만

부탄올은 미생물에 대한 독성이 매우 강해 발효에 의해 생산되는 부탄올의 농도가 매우

낮지만 이러한 내성 향상에 대한 연구는 상대적으로 결과가 미흡하다 따라서 부탄올

생산성과 최종 농도를 높일 수 있는 미생물 촉매 및 발효 공정의 개발과 저에너지 소비형

분리 정제 기술의 개발이 부탄올 생산 공정의 상용화에 핵심 사항으로 부각되고 있다

나 BtL (Biomass to Liquid fuel)

경유 대체연료로 사용돠는 바이오디젤은 식물성 기름만을 원료로 사용하는데 비해

BtL은 모든 종류의 바이오매스를 원료로 사용하므로 원료 제한이 없다는 장점이

있다 이러한 장점 때문에 2세대 바이오디젤로 불리는 BtL은 섬유소계 바이오매스를

열분해하여 합성가스로 전환한 후 가스 정제 및 Fischer Tropsch 합성에 의해

생산된다 ([그림 7]) 이 기술은 연구단계이지만 이미 상용화된 석탄 가스화에

의한 액상연료 생산 기술(CtL)의 연장선상에 있는 것으로 평가된다 F-T 디젤유는

경유에 비해 황과 방향족 성분이 없고 세탄가가 높아 연료로서 물성이 우수하여

현재 차량에 장착된 디젤엔진에 대해 완벽한 호환성을 갖는다 하지만 BtL 기술은

매우 복잡한 엔지니어링 프로젝트이어서 상용화를 위해서는 많은 기술적 문제들이

해결되어야 하며 현재 파일롯 실증 연구 단계에 있다

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Wood(Biomass)

1 Tonwood

Gasification Fischer-TropschSynthesis

Biosyngas240 L

FT Wax210 L210 L

BTLBTL--DieselDiesel

LightFT Product

Electricity amp Heatfrom off-gas

[그림 7] F-T 디젤의 생산 반응 (4)

3) 해조류 기반 바이오연료 기술개발 현황

해조류로부터 바이오연료 생산은 지상 식물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술에

비해 여러 가지 잠재 장 을 가진다 첫째 부분의 해조류는 목질계 원료와

마찬가지로 비식용이어서 원료 수 이 비교 안정하다는 이다 두 번째로 지상

식물의 경우 한정된 토지를 활용해야 하므로 바이오연료 수요가 증가하면 경지의

확보에 어려움을 겪을 수 있지만 해조류는 해양을 활용하므로 경지 확보 어려움이

다는 이다 세 번째로 지상 식물의 규모 경작시 문제가 되는 물의 충분한

공 문제가 해조류 양식에서 근본 으로 없다는 장 이 있다 이외에도 해조류는

주로 연안 양식으로 행하여지고 성장 과정에서 바닷물 의 유 무기 양분을 흡수

하므로 연안의 부 양화 문제를 해결할 수 있다는 장 등이 있다 하지만 재

세계 으로 사업의 타당성 검토 기 단계이므로 아직 많은 부분이 검증되지

않아 불확실성이 높다는 은 상용화에 주 걸림돌이다 이러한 해조류에는 김 미역

다시마와 같은 거 조류와 식물성 랭크톤인 미세조류로 다시 나뉘며 다양한

연료 생산에 활용 가능하다 ([그림 8])

- 9 -

[그림 8] 해조류로부터 바이오연료 생산 계통도 (5)

가 바이오알콜

수중 식물인 거대조류는 서식 환경에 맞게 진화하여 육상식물과는 다른 구조를

갖고 있다 즉 육상식물과 가장 중요한 구조적 차이는 리그닌이 없다는 점이며 이

외에도 해조류는 육상 식물에 거의 존재하지 않는 갈락탄 등 다양한 당 성분이

다량 포함되어 있어 이러한 원료 특성에 맞는 바이오연료 전환 기술의 개발이

필요하다 해조류 원료 양산에 대한 불확실성 때문에 전 세계적으로 거대조류로부터

바이오연료 생산 기술 개발은 거의 진행되지 않고 있다 하지만 우리나라는 동 분야

기술의 선점을 위해 적극적으로 원료 양산 및 연료 전환 기술 개발 프로그램을

기획 추진하고 있다

나 바이오디젤

일부 미세조류는 오일을 포함하고 있어 이를 추출하여 경유 대체연료를 생산하기

위한 연구가 진행되고 있다 이러한 미세조류는 산업체에서 배출되는 CO2를 회수

하는 방안과 연계할 경우 CO2 회수와 청정연료 생산을 동시에 할수 있다는 장점

때문에 미국 EU 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 한국

에너지기술연구원 생명공학연구원 등의 정부 출연 연구소와 대학 등에서 효율적인

- 10 -

미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

- 11 -

참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

- 3 -

[그림 2] 수송용 바이오연료의 기술 계통도 (1)

2) 수송용 바이오연료의 국내외 시장 현황 및 전망

기후변화와 석유 자원 고갈 문제에 대응하려는 선진국들의 적극적인 바이오연료

보급 지원 정책 시행에 따라 2000년대 초반부터 바이오연료의 보급은 가파르게

증가하고 있다 이러한 수송용 바이오연료의 보급은 기술 개발 어려움으로 인해

2010년대 중반까지는 곡물 기반 바이오연료 보급이 중심을 이루지만 이후부터는

비식용 원료로부터 만들어진 2세대 바이오연료가 2030년대까지 지속적으로 증가

하여 2030년대 중반에는 전체 수송 연료 소비량의 약 23를 대체할 것으로 예측

되었다 ([그림 3])

국내에서도 녹색성장을 위해 적극적인 신재생에너지 보급 확대를 추진하기 위한

마스터 플랜을 마련하였으며 동 계획에 따르면 수송용 바이오연료의 보급은

2030년까지 2008년 보급량 대비 36배를 늘리는 것으로 되어 있다 ([그림 4])

이와 같은 바이오연료의 보급 확대를 위해서는 현재 사용되는 곡물 기반 원료로는

불가능하며 따라서 국내 실정에 맞는 비식용 원료의 발굴 및 동 원료를 활용한

바이오연료 생산 기술의 개발이 필요하다

- 4 -

[그림 3] 2세 바이오연료 보 망 (자료 McKinsey 2007)

수송용

바이오연료

열

전기

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

2008 2010 2015 2020 2030

X10

3 t

oe

[그림 4] 국내 바이오에 지 시장 망 (2)

- 5 -

2 2세대 바이오연료 기술 개발 현황과 전망

1) 2세대 바이오연료란

앞에서 기술한 바와 같이 현재 사용되고 있는 바이오에탄올과 바이오디젤은 모두

옥수수 유채 콩 등의 곡물로부터 생산되고 있어 바이오연료 생산이 증가함에 따라

원료 부족 및 식량 가격의 폭등의 문제를 야기하여 앞으로 늘어나는 수송용 바이오

연료의 수요를 충족시킬 수 없다는 문제점이 있다 따라서 식용으로 사용이 불가능한

농임산 부산물인 볏짚 폐목재 등 목질계 원료와 속성 경작이 가능한 속성수 및

해양 바이오매스 등 그동안 검토되지 않은 새로운 원료의 발굴이 필요하다 이러한

2세대 바이오연료 생산 원료 확보 방안을 [그림 5]에 나타냈다 이러한 섬유소계

바이오매스를 원료로 생산되는 2세대 수송용 연료(목질계 에탄올 부탄올 BtL 등)는

현재 1세대 바이오연료 또는 석유계연료에 비해 가격 경쟁력이 없지만 기술 개발

속도가 가속화 되고 있으므로 앞으로 5-10년 내에 상용화 가능할 것으로 기대된다

이러한 2세대 바이오연료 생산 기술이 상용화되면 현재 1세대 바이오연료 보급에

따른 주 문제점인 원료 수급 불안정성 및 연료의 경제성 등 문제가 해결 가능하므로

보급이 크게 늘어날 것으로 예상된다

2)목질계 기반 2세대 바이오연료 기술 개발 현황

[그림 5] 바이오매스 자원 확보 략 (4)

- 6 -

효소생산

983099983099목질계

바이오매스 전처리Ⅰ

전처리Ⅱ

(당화) 발효 농축 연료용 알콜

lt99 이상gt

가 바이오알콜

차량용 연료로 사용 가능한 2세대 바이오알콜에는 에탄올과 부탄올 등이 있으며

목질계 원료로부터 바이오에탄올 또는 부탄올을 생산하기 위해서는 다음과 같은

동일한 단위공정을 거치게 된다 즉 2세대 바이오알콜 생산 공정은 1) 목질계 원료로

부터 사용 성분의 분리 및 단당류로 전환하는 전처리 2) 생성 당의 알콜 발효 3)

발효 알콜의 농축 등으로 구성된다 ([그림 6]) 현재까지 경제성 있는 2세대

바이오알콜 생산 공정은 개발되지 못하였으며 현재 상용 공정의 전단계인 실증

공정 연구가 진행되고 있다

[그림 6] 목질계 바이오알콜 생산 공정도

2세대 바이오알콜 생산 비용에서 원료비 비중이 가장 높으므로 수율 높은 전처리

기술의 개발이 상용화에 가장 중요하다 또한 발효 공정은 에탄올과 부탄올의 발효

특성이 달라 각각 다른 기술개발이 진행되고 있다 2세대에탄올 발효 기술은

기본적으로 기 개발된 전분질계 에탄올 생산 기술의 적용이 가능하지만 공정의

경제성을 개선하기 위해서는 일부 보완 기술의 개발이 필요하다 즉 목질계 당에는

5탄당인 자일로스가 일부 포함되어 있으며 이러한 5탄당도 함께 에탄올로 전환할

수 있는 미생물 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다 이러한 미생물은

에탄올 발효 균주인 Saccharomyces 또는 Zymomonas에 자일로스 분해 유전자를

도입한 유전자 재조합 균주 개발과 성장속도가 높은 E-coli에 5 6탄당의 에탄올

발효 유전자를 도입한 유전자 조합 균주 개발 등의 연구가 진행되고 있으며 유전자

조합 에탄올 발효 균주의 경우 상용화 공정 적용을 위한 시험공정 단계에 있다

이외에도 섬유소계 원료의 당화액에는 전분질계 원료와 달리 발효를 억제하는 다양한

독성성분이 포함되어 있어 이들에 대해 내성을 갖는 생물촉매의 확보가 필요하지만

이 부분에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 수준에 있다

- 7 -

바이오에탄올과 동일한 원료를 사용하여 생산되는 바이오부탄올은 에탄올에 비해 연료

물성(높은 에너지 함량 낮은 부식성과 증기압 등)이 우수하여 차량연료로서 장점이

많은 것으로 평가된다 부탄올의 생산시 에탄올 아세톤 부틸레이트 등이 부산물로

생성되므로 이들의 생성을 최소화하는 것이 부탄올의 생산 수율을 높이는데 중요하며

이러한 부산물의 생성 반응 경로를 block한 유전자 조합 균주들이 개발되었다 하지만

부탄올은 미생물에 대한 독성이 매우 강해 발효에 의해 생산되는 부탄올의 농도가 매우

낮지만 이러한 내성 향상에 대한 연구는 상대적으로 결과가 미흡하다 따라서 부탄올

생산성과 최종 농도를 높일 수 있는 미생물 촉매 및 발효 공정의 개발과 저에너지 소비형

분리 정제 기술의 개발이 부탄올 생산 공정의 상용화에 핵심 사항으로 부각되고 있다

나 BtL (Biomass to Liquid fuel)

경유 대체연료로 사용돠는 바이오디젤은 식물성 기름만을 원료로 사용하는데 비해

BtL은 모든 종류의 바이오매스를 원료로 사용하므로 원료 제한이 없다는 장점이

있다 이러한 장점 때문에 2세대 바이오디젤로 불리는 BtL은 섬유소계 바이오매스를

열분해하여 합성가스로 전환한 후 가스 정제 및 Fischer Tropsch 합성에 의해

생산된다 ([그림 7]) 이 기술은 연구단계이지만 이미 상용화된 석탄 가스화에

의한 액상연료 생산 기술(CtL)의 연장선상에 있는 것으로 평가된다 F-T 디젤유는

경유에 비해 황과 방향족 성분이 없고 세탄가가 높아 연료로서 물성이 우수하여

현재 차량에 장착된 디젤엔진에 대해 완벽한 호환성을 갖는다 하지만 BtL 기술은

매우 복잡한 엔지니어링 프로젝트이어서 상용화를 위해서는 많은 기술적 문제들이

해결되어야 하며 현재 파일롯 실증 연구 단계에 있다

- 8 -

Wood(Biomass)

1 Tonwood

Gasification Fischer-TropschSynthesis

Biosyngas240 L

FT Wax210 L210 L

BTLBTL--DieselDiesel

LightFT Product

Electricity amp Heatfrom off-gas

[그림 7] F-T 디젤의 생산 반응 (4)

3) 해조류 기반 바이오연료 기술개발 현황

해조류로부터 바이오연료 생산은 지상 식물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술에

비해 여러 가지 잠재 장 을 가진다 첫째 부분의 해조류는 목질계 원료와

마찬가지로 비식용이어서 원료 수 이 비교 안정하다는 이다 두 번째로 지상

식물의 경우 한정된 토지를 활용해야 하므로 바이오연료 수요가 증가하면 경지의

확보에 어려움을 겪을 수 있지만 해조류는 해양을 활용하므로 경지 확보 어려움이

다는 이다 세 번째로 지상 식물의 규모 경작시 문제가 되는 물의 충분한

공 문제가 해조류 양식에서 근본 으로 없다는 장 이 있다 이외에도 해조류는

주로 연안 양식으로 행하여지고 성장 과정에서 바닷물 의 유 무기 양분을 흡수

하므로 연안의 부 양화 문제를 해결할 수 있다는 장 등이 있다 하지만 재

세계 으로 사업의 타당성 검토 기 단계이므로 아직 많은 부분이 검증되지

않아 불확실성이 높다는 은 상용화에 주 걸림돌이다 이러한 해조류에는 김 미역

다시마와 같은 거 조류와 식물성 랭크톤인 미세조류로 다시 나뉘며 다양한

연료 생산에 활용 가능하다 ([그림 8])

- 9 -

[그림 8] 해조류로부터 바이오연료 생산 계통도 (5)

가 바이오알콜

수중 식물인 거대조류는 서식 환경에 맞게 진화하여 육상식물과는 다른 구조를

갖고 있다 즉 육상식물과 가장 중요한 구조적 차이는 리그닌이 없다는 점이며 이

외에도 해조류는 육상 식물에 거의 존재하지 않는 갈락탄 등 다양한 당 성분이

다량 포함되어 있어 이러한 원료 특성에 맞는 바이오연료 전환 기술의 개발이

필요하다 해조류 원료 양산에 대한 불확실성 때문에 전 세계적으로 거대조류로부터

바이오연료 생산 기술 개발은 거의 진행되지 않고 있다 하지만 우리나라는 동 분야

기술의 선점을 위해 적극적으로 원료 양산 및 연료 전환 기술 개발 프로그램을

기획 추진하고 있다

나 바이오디젤

일부 미세조류는 오일을 포함하고 있어 이를 추출하여 경유 대체연료를 생산하기

위한 연구가 진행되고 있다 이러한 미세조류는 산업체에서 배출되는 CO2를 회수

하는 방안과 연계할 경우 CO2 회수와 청정연료 생산을 동시에 할수 있다는 장점

때문에 미국 EU 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 한국

에너지기술연구원 생명공학연구원 등의 정부 출연 연구소와 대학 등에서 효율적인

- 10 -

미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

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참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

- 4 -

[그림 3] 2세 바이오연료 보 망 (자료 McKinsey 2007)

수송용

바이오연료

열

전기

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

2008 2010 2015 2020 2030

X10

3 t

oe

[그림 4] 국내 바이오에 지 시장 망 (2)

- 5 -

2 2세대 바이오연료 기술 개발 현황과 전망

1) 2세대 바이오연료란

앞에서 기술한 바와 같이 현재 사용되고 있는 바이오에탄올과 바이오디젤은 모두

옥수수 유채 콩 등의 곡물로부터 생산되고 있어 바이오연료 생산이 증가함에 따라

원료 부족 및 식량 가격의 폭등의 문제를 야기하여 앞으로 늘어나는 수송용 바이오

연료의 수요를 충족시킬 수 없다는 문제점이 있다 따라서 식용으로 사용이 불가능한

농임산 부산물인 볏짚 폐목재 등 목질계 원료와 속성 경작이 가능한 속성수 및

해양 바이오매스 등 그동안 검토되지 않은 새로운 원료의 발굴이 필요하다 이러한

2세대 바이오연료 생산 원료 확보 방안을 [그림 5]에 나타냈다 이러한 섬유소계

바이오매스를 원료로 생산되는 2세대 수송용 연료(목질계 에탄올 부탄올 BtL 등)는

현재 1세대 바이오연료 또는 석유계연료에 비해 가격 경쟁력이 없지만 기술 개발

속도가 가속화 되고 있으므로 앞으로 5-10년 내에 상용화 가능할 것으로 기대된다

이러한 2세대 바이오연료 생산 기술이 상용화되면 현재 1세대 바이오연료 보급에

따른 주 문제점인 원료 수급 불안정성 및 연료의 경제성 등 문제가 해결 가능하므로

보급이 크게 늘어날 것으로 예상된다

2)목질계 기반 2세대 바이오연료 기술 개발 현황

[그림 5] 바이오매스 자원 확보 략 (4)

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효소생산

983099983099목질계

바이오매스 전처리Ⅰ

전처리Ⅱ

(당화) 발효 농축 연료용 알콜

lt99 이상gt

가 바이오알콜

차량용 연료로 사용 가능한 2세대 바이오알콜에는 에탄올과 부탄올 등이 있으며

목질계 원료로부터 바이오에탄올 또는 부탄올을 생산하기 위해서는 다음과 같은

동일한 단위공정을 거치게 된다 즉 2세대 바이오알콜 생산 공정은 1) 목질계 원료로

부터 사용 성분의 분리 및 단당류로 전환하는 전처리 2) 생성 당의 알콜 발효 3)

발효 알콜의 농축 등으로 구성된다 ([그림 6]) 현재까지 경제성 있는 2세대

바이오알콜 생산 공정은 개발되지 못하였으며 현재 상용 공정의 전단계인 실증

공정 연구가 진행되고 있다

[그림 6] 목질계 바이오알콜 생산 공정도

2세대 바이오알콜 생산 비용에서 원료비 비중이 가장 높으므로 수율 높은 전처리

기술의 개발이 상용화에 가장 중요하다 또한 발효 공정은 에탄올과 부탄올의 발효

특성이 달라 각각 다른 기술개발이 진행되고 있다 2세대에탄올 발효 기술은

기본적으로 기 개발된 전분질계 에탄올 생산 기술의 적용이 가능하지만 공정의

경제성을 개선하기 위해서는 일부 보완 기술의 개발이 필요하다 즉 목질계 당에는

5탄당인 자일로스가 일부 포함되어 있으며 이러한 5탄당도 함께 에탄올로 전환할

수 있는 미생물 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다 이러한 미생물은

에탄올 발효 균주인 Saccharomyces 또는 Zymomonas에 자일로스 분해 유전자를

도입한 유전자 재조합 균주 개발과 성장속도가 높은 E-coli에 5 6탄당의 에탄올

발효 유전자를 도입한 유전자 조합 균주 개발 등의 연구가 진행되고 있으며 유전자

조합 에탄올 발효 균주의 경우 상용화 공정 적용을 위한 시험공정 단계에 있다

이외에도 섬유소계 원료의 당화액에는 전분질계 원료와 달리 발효를 억제하는 다양한

독성성분이 포함되어 있어 이들에 대해 내성을 갖는 생물촉매의 확보가 필요하지만

이 부분에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 수준에 있다

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바이오에탄올과 동일한 원료를 사용하여 생산되는 바이오부탄올은 에탄올에 비해 연료

물성(높은 에너지 함량 낮은 부식성과 증기압 등)이 우수하여 차량연료로서 장점이

많은 것으로 평가된다 부탄올의 생산시 에탄올 아세톤 부틸레이트 등이 부산물로

생성되므로 이들의 생성을 최소화하는 것이 부탄올의 생산 수율을 높이는데 중요하며

이러한 부산물의 생성 반응 경로를 block한 유전자 조합 균주들이 개발되었다 하지만

부탄올은 미생물에 대한 독성이 매우 강해 발효에 의해 생산되는 부탄올의 농도가 매우

낮지만 이러한 내성 향상에 대한 연구는 상대적으로 결과가 미흡하다 따라서 부탄올

생산성과 최종 농도를 높일 수 있는 미생물 촉매 및 발효 공정의 개발과 저에너지 소비형

분리 정제 기술의 개발이 부탄올 생산 공정의 상용화에 핵심 사항으로 부각되고 있다

나 BtL (Biomass to Liquid fuel)

경유 대체연료로 사용돠는 바이오디젤은 식물성 기름만을 원료로 사용하는데 비해

BtL은 모든 종류의 바이오매스를 원료로 사용하므로 원료 제한이 없다는 장점이

있다 이러한 장점 때문에 2세대 바이오디젤로 불리는 BtL은 섬유소계 바이오매스를

열분해하여 합성가스로 전환한 후 가스 정제 및 Fischer Tropsch 합성에 의해

생산된다 ([그림 7]) 이 기술은 연구단계이지만 이미 상용화된 석탄 가스화에

의한 액상연료 생산 기술(CtL)의 연장선상에 있는 것으로 평가된다 F-T 디젤유는

경유에 비해 황과 방향족 성분이 없고 세탄가가 높아 연료로서 물성이 우수하여

현재 차량에 장착된 디젤엔진에 대해 완벽한 호환성을 갖는다 하지만 BtL 기술은

매우 복잡한 엔지니어링 프로젝트이어서 상용화를 위해서는 많은 기술적 문제들이

해결되어야 하며 현재 파일롯 실증 연구 단계에 있다

- 8 -

Wood(Biomass)

1 Tonwood

Gasification Fischer-TropschSynthesis

Biosyngas240 L

FT Wax210 L210 L

BTLBTL--DieselDiesel

LightFT Product

Electricity amp Heatfrom off-gas

[그림 7] F-T 디젤의 생산 반응 (4)

3) 해조류 기반 바이오연료 기술개발 현황

해조류로부터 바이오연료 생산은 지상 식물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술에

비해 여러 가지 잠재 장 을 가진다 첫째 부분의 해조류는 목질계 원료와

마찬가지로 비식용이어서 원료 수 이 비교 안정하다는 이다 두 번째로 지상

식물의 경우 한정된 토지를 활용해야 하므로 바이오연료 수요가 증가하면 경지의

확보에 어려움을 겪을 수 있지만 해조류는 해양을 활용하므로 경지 확보 어려움이

다는 이다 세 번째로 지상 식물의 규모 경작시 문제가 되는 물의 충분한

공 문제가 해조류 양식에서 근본 으로 없다는 장 이 있다 이외에도 해조류는

주로 연안 양식으로 행하여지고 성장 과정에서 바닷물 의 유 무기 양분을 흡수

하므로 연안의 부 양화 문제를 해결할 수 있다는 장 등이 있다 하지만 재

세계 으로 사업의 타당성 검토 기 단계이므로 아직 많은 부분이 검증되지

않아 불확실성이 높다는 은 상용화에 주 걸림돌이다 이러한 해조류에는 김 미역

다시마와 같은 거 조류와 식물성 랭크톤인 미세조류로 다시 나뉘며 다양한

연료 생산에 활용 가능하다 ([그림 8])

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[그림 8] 해조류로부터 바이오연료 생산 계통도 (5)

가 바이오알콜

수중 식물인 거대조류는 서식 환경에 맞게 진화하여 육상식물과는 다른 구조를

갖고 있다 즉 육상식물과 가장 중요한 구조적 차이는 리그닌이 없다는 점이며 이

외에도 해조류는 육상 식물에 거의 존재하지 않는 갈락탄 등 다양한 당 성분이

다량 포함되어 있어 이러한 원료 특성에 맞는 바이오연료 전환 기술의 개발이

필요하다 해조류 원료 양산에 대한 불확실성 때문에 전 세계적으로 거대조류로부터

바이오연료 생산 기술 개발은 거의 진행되지 않고 있다 하지만 우리나라는 동 분야

기술의 선점을 위해 적극적으로 원료 양산 및 연료 전환 기술 개발 프로그램을

기획 추진하고 있다

나 바이오디젤

일부 미세조류는 오일을 포함하고 있어 이를 추출하여 경유 대체연료를 생산하기

위한 연구가 진행되고 있다 이러한 미세조류는 산업체에서 배출되는 CO2를 회수

하는 방안과 연계할 경우 CO2 회수와 청정연료 생산을 동시에 할수 있다는 장점

때문에 미국 EU 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 한국

에너지기술연구원 생명공학연구원 등의 정부 출연 연구소와 대학 등에서 효율적인

- 10 -

미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

- 11 -

참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

- 5 -

2 2세대 바이오연료 기술 개발 현황과 전망

1) 2세대 바이오연료란

앞에서 기술한 바와 같이 현재 사용되고 있는 바이오에탄올과 바이오디젤은 모두

옥수수 유채 콩 등의 곡물로부터 생산되고 있어 바이오연료 생산이 증가함에 따라

원료 부족 및 식량 가격의 폭등의 문제를 야기하여 앞으로 늘어나는 수송용 바이오

연료의 수요를 충족시킬 수 없다는 문제점이 있다 따라서 식용으로 사용이 불가능한

농임산 부산물인 볏짚 폐목재 등 목질계 원료와 속성 경작이 가능한 속성수 및

해양 바이오매스 등 그동안 검토되지 않은 새로운 원료의 발굴이 필요하다 이러한

2세대 바이오연료 생산 원료 확보 방안을 [그림 5]에 나타냈다 이러한 섬유소계

바이오매스를 원료로 생산되는 2세대 수송용 연료(목질계 에탄올 부탄올 BtL 등)는

현재 1세대 바이오연료 또는 석유계연료에 비해 가격 경쟁력이 없지만 기술 개발

속도가 가속화 되고 있으므로 앞으로 5-10년 내에 상용화 가능할 것으로 기대된다

이러한 2세대 바이오연료 생산 기술이 상용화되면 현재 1세대 바이오연료 보급에

따른 주 문제점인 원료 수급 불안정성 및 연료의 경제성 등 문제가 해결 가능하므로

보급이 크게 늘어날 것으로 예상된다

2)목질계 기반 2세대 바이오연료 기술 개발 현황

[그림 5] 바이오매스 자원 확보 략 (4)

- 6 -

효소생산

983099983099목질계

바이오매스 전처리Ⅰ

전처리Ⅱ

(당화) 발효 농축 연료용 알콜

lt99 이상gt

가 바이오알콜

차량용 연료로 사용 가능한 2세대 바이오알콜에는 에탄올과 부탄올 등이 있으며

목질계 원료로부터 바이오에탄올 또는 부탄올을 생산하기 위해서는 다음과 같은

동일한 단위공정을 거치게 된다 즉 2세대 바이오알콜 생산 공정은 1) 목질계 원료로

부터 사용 성분의 분리 및 단당류로 전환하는 전처리 2) 생성 당의 알콜 발효 3)

발효 알콜의 농축 등으로 구성된다 ([그림 6]) 현재까지 경제성 있는 2세대

바이오알콜 생산 공정은 개발되지 못하였으며 현재 상용 공정의 전단계인 실증

공정 연구가 진행되고 있다

[그림 6] 목질계 바이오알콜 생산 공정도

2세대 바이오알콜 생산 비용에서 원료비 비중이 가장 높으므로 수율 높은 전처리

기술의 개발이 상용화에 가장 중요하다 또한 발효 공정은 에탄올과 부탄올의 발효

특성이 달라 각각 다른 기술개발이 진행되고 있다 2세대에탄올 발효 기술은

기본적으로 기 개발된 전분질계 에탄올 생산 기술의 적용이 가능하지만 공정의

경제성을 개선하기 위해서는 일부 보완 기술의 개발이 필요하다 즉 목질계 당에는

5탄당인 자일로스가 일부 포함되어 있으며 이러한 5탄당도 함께 에탄올로 전환할

수 있는 미생물 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다 이러한 미생물은

에탄올 발효 균주인 Saccharomyces 또는 Zymomonas에 자일로스 분해 유전자를

도입한 유전자 재조합 균주 개발과 성장속도가 높은 E-coli에 5 6탄당의 에탄올

발효 유전자를 도입한 유전자 조합 균주 개발 등의 연구가 진행되고 있으며 유전자

조합 에탄올 발효 균주의 경우 상용화 공정 적용을 위한 시험공정 단계에 있다

이외에도 섬유소계 원료의 당화액에는 전분질계 원료와 달리 발효를 억제하는 다양한

독성성분이 포함되어 있어 이들에 대해 내성을 갖는 생물촉매의 확보가 필요하지만

이 부분에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 수준에 있다

- 7 -

바이오에탄올과 동일한 원료를 사용하여 생산되는 바이오부탄올은 에탄올에 비해 연료

물성(높은 에너지 함량 낮은 부식성과 증기압 등)이 우수하여 차량연료로서 장점이

많은 것으로 평가된다 부탄올의 생산시 에탄올 아세톤 부틸레이트 등이 부산물로

생성되므로 이들의 생성을 최소화하는 것이 부탄올의 생산 수율을 높이는데 중요하며

이러한 부산물의 생성 반응 경로를 block한 유전자 조합 균주들이 개발되었다 하지만

부탄올은 미생물에 대한 독성이 매우 강해 발효에 의해 생산되는 부탄올의 농도가 매우

낮지만 이러한 내성 향상에 대한 연구는 상대적으로 결과가 미흡하다 따라서 부탄올

생산성과 최종 농도를 높일 수 있는 미생물 촉매 및 발효 공정의 개발과 저에너지 소비형

분리 정제 기술의 개발이 부탄올 생산 공정의 상용화에 핵심 사항으로 부각되고 있다

나 BtL (Biomass to Liquid fuel)

경유 대체연료로 사용돠는 바이오디젤은 식물성 기름만을 원료로 사용하는데 비해

BtL은 모든 종류의 바이오매스를 원료로 사용하므로 원료 제한이 없다는 장점이

있다 이러한 장점 때문에 2세대 바이오디젤로 불리는 BtL은 섬유소계 바이오매스를

열분해하여 합성가스로 전환한 후 가스 정제 및 Fischer Tropsch 합성에 의해

생산된다 ([그림 7]) 이 기술은 연구단계이지만 이미 상용화된 석탄 가스화에

의한 액상연료 생산 기술(CtL)의 연장선상에 있는 것으로 평가된다 F-T 디젤유는

경유에 비해 황과 방향족 성분이 없고 세탄가가 높아 연료로서 물성이 우수하여

현재 차량에 장착된 디젤엔진에 대해 완벽한 호환성을 갖는다 하지만 BtL 기술은

매우 복잡한 엔지니어링 프로젝트이어서 상용화를 위해서는 많은 기술적 문제들이

해결되어야 하며 현재 파일롯 실증 연구 단계에 있다

- 8 -

Wood(Biomass)

1 Tonwood

Gasification Fischer-TropschSynthesis

Biosyngas240 L

FT Wax210 L210 L

BTLBTL--DieselDiesel

LightFT Product

Electricity amp Heatfrom off-gas

[그림 7] F-T 디젤의 생산 반응 (4)

3) 해조류 기반 바이오연료 기술개발 현황

해조류로부터 바이오연료 생산은 지상 식물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술에

비해 여러 가지 잠재 장 을 가진다 첫째 부분의 해조류는 목질계 원료와

마찬가지로 비식용이어서 원료 수 이 비교 안정하다는 이다 두 번째로 지상

식물의 경우 한정된 토지를 활용해야 하므로 바이오연료 수요가 증가하면 경지의

확보에 어려움을 겪을 수 있지만 해조류는 해양을 활용하므로 경지 확보 어려움이

다는 이다 세 번째로 지상 식물의 규모 경작시 문제가 되는 물의 충분한

공 문제가 해조류 양식에서 근본 으로 없다는 장 이 있다 이외에도 해조류는

주로 연안 양식으로 행하여지고 성장 과정에서 바닷물 의 유 무기 양분을 흡수

하므로 연안의 부 양화 문제를 해결할 수 있다는 장 등이 있다 하지만 재

세계 으로 사업의 타당성 검토 기 단계이므로 아직 많은 부분이 검증되지

않아 불확실성이 높다는 은 상용화에 주 걸림돌이다 이러한 해조류에는 김 미역

다시마와 같은 거 조류와 식물성 랭크톤인 미세조류로 다시 나뉘며 다양한

연료 생산에 활용 가능하다 ([그림 8])

- 9 -

[그림 8] 해조류로부터 바이오연료 생산 계통도 (5)

가 바이오알콜

수중 식물인 거대조류는 서식 환경에 맞게 진화하여 육상식물과는 다른 구조를

갖고 있다 즉 육상식물과 가장 중요한 구조적 차이는 리그닌이 없다는 점이며 이

외에도 해조류는 육상 식물에 거의 존재하지 않는 갈락탄 등 다양한 당 성분이

다량 포함되어 있어 이러한 원료 특성에 맞는 바이오연료 전환 기술의 개발이

필요하다 해조류 원료 양산에 대한 불확실성 때문에 전 세계적으로 거대조류로부터

바이오연료 생산 기술 개발은 거의 진행되지 않고 있다 하지만 우리나라는 동 분야

기술의 선점을 위해 적극적으로 원료 양산 및 연료 전환 기술 개발 프로그램을

기획 추진하고 있다

나 바이오디젤

일부 미세조류는 오일을 포함하고 있어 이를 추출하여 경유 대체연료를 생산하기

위한 연구가 진행되고 있다 이러한 미세조류는 산업체에서 배출되는 CO2를 회수

하는 방안과 연계할 경우 CO2 회수와 청정연료 생산을 동시에 할수 있다는 장점

때문에 미국 EU 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 한국

에너지기술연구원 생명공학연구원 등의 정부 출연 연구소와 대학 등에서 효율적인

- 10 -

미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

- 11 -

참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

- 6 -

효소생산

983099983099목질계

바이오매스 전처리Ⅰ

전처리Ⅱ

(당화) 발효 농축 연료용 알콜

lt99 이상gt

가 바이오알콜

차량용 연료로 사용 가능한 2세대 바이오알콜에는 에탄올과 부탄올 등이 있으며

목질계 원료로부터 바이오에탄올 또는 부탄올을 생산하기 위해서는 다음과 같은

동일한 단위공정을 거치게 된다 즉 2세대 바이오알콜 생산 공정은 1) 목질계 원료로

부터 사용 성분의 분리 및 단당류로 전환하는 전처리 2) 생성 당의 알콜 발효 3)

발효 알콜의 농축 등으로 구성된다 ([그림 6]) 현재까지 경제성 있는 2세대

바이오알콜 생산 공정은 개발되지 못하였으며 현재 상용 공정의 전단계인 실증

공정 연구가 진행되고 있다

[그림 6] 목질계 바이오알콜 생산 공정도

2세대 바이오알콜 생산 비용에서 원료비 비중이 가장 높으므로 수율 높은 전처리

기술의 개발이 상용화에 가장 중요하다 또한 발효 공정은 에탄올과 부탄올의 발효

특성이 달라 각각 다른 기술개발이 진행되고 있다 2세대에탄올 발효 기술은

기본적으로 기 개발된 전분질계 에탄올 생산 기술의 적용이 가능하지만 공정의

경제성을 개선하기 위해서는 일부 보완 기술의 개발이 필요하다 즉 목질계 당에는

5탄당인 자일로스가 일부 포함되어 있으며 이러한 5탄당도 함께 에탄올로 전환할

수 있는 미생물 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다 이러한 미생물은

에탄올 발효 균주인 Saccharomyces 또는 Zymomonas에 자일로스 분해 유전자를

도입한 유전자 재조합 균주 개발과 성장속도가 높은 E-coli에 5 6탄당의 에탄올

발효 유전자를 도입한 유전자 조합 균주 개발 등의 연구가 진행되고 있으며 유전자

조합 에탄올 발효 균주의 경우 상용화 공정 적용을 위한 시험공정 단계에 있다

이외에도 섬유소계 원료의 당화액에는 전분질계 원료와 달리 발효를 억제하는 다양한

독성성분이 포함되어 있어 이들에 대해 내성을 갖는 생물촉매의 확보가 필요하지만

이 부분에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 수준에 있다

- 7 -

바이오에탄올과 동일한 원료를 사용하여 생산되는 바이오부탄올은 에탄올에 비해 연료

물성(높은 에너지 함량 낮은 부식성과 증기압 등)이 우수하여 차량연료로서 장점이

많은 것으로 평가된다 부탄올의 생산시 에탄올 아세톤 부틸레이트 등이 부산물로

생성되므로 이들의 생성을 최소화하는 것이 부탄올의 생산 수율을 높이는데 중요하며

이러한 부산물의 생성 반응 경로를 block한 유전자 조합 균주들이 개발되었다 하지만

부탄올은 미생물에 대한 독성이 매우 강해 발효에 의해 생산되는 부탄올의 농도가 매우

낮지만 이러한 내성 향상에 대한 연구는 상대적으로 결과가 미흡하다 따라서 부탄올

생산성과 최종 농도를 높일 수 있는 미생물 촉매 및 발효 공정의 개발과 저에너지 소비형

분리 정제 기술의 개발이 부탄올 생산 공정의 상용화에 핵심 사항으로 부각되고 있다

나 BtL (Biomass to Liquid fuel)

경유 대체연료로 사용돠는 바이오디젤은 식물성 기름만을 원료로 사용하는데 비해

BtL은 모든 종류의 바이오매스를 원료로 사용하므로 원료 제한이 없다는 장점이

있다 이러한 장점 때문에 2세대 바이오디젤로 불리는 BtL은 섬유소계 바이오매스를

열분해하여 합성가스로 전환한 후 가스 정제 및 Fischer Tropsch 합성에 의해

생산된다 ([그림 7]) 이 기술은 연구단계이지만 이미 상용화된 석탄 가스화에

의한 액상연료 생산 기술(CtL)의 연장선상에 있는 것으로 평가된다 F-T 디젤유는

경유에 비해 황과 방향족 성분이 없고 세탄가가 높아 연료로서 물성이 우수하여

현재 차량에 장착된 디젤엔진에 대해 완벽한 호환성을 갖는다 하지만 BtL 기술은

매우 복잡한 엔지니어링 프로젝트이어서 상용화를 위해서는 많은 기술적 문제들이

해결되어야 하며 현재 파일롯 실증 연구 단계에 있다

- 8 -

Wood(Biomass)

1 Tonwood

Gasification Fischer-TropschSynthesis

Biosyngas240 L

FT Wax210 L210 L

BTLBTL--DieselDiesel

LightFT Product

Electricity amp Heatfrom off-gas

[그림 7] F-T 디젤의 생산 반응 (4)

3) 해조류 기반 바이오연료 기술개발 현황

해조류로부터 바이오연료 생산은 지상 식물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술에

비해 여러 가지 잠재 장 을 가진다 첫째 부분의 해조류는 목질계 원료와

마찬가지로 비식용이어서 원료 수 이 비교 안정하다는 이다 두 번째로 지상

식물의 경우 한정된 토지를 활용해야 하므로 바이오연료 수요가 증가하면 경지의

확보에 어려움을 겪을 수 있지만 해조류는 해양을 활용하므로 경지 확보 어려움이

다는 이다 세 번째로 지상 식물의 규모 경작시 문제가 되는 물의 충분한

공 문제가 해조류 양식에서 근본 으로 없다는 장 이 있다 이외에도 해조류는

주로 연안 양식으로 행하여지고 성장 과정에서 바닷물 의 유 무기 양분을 흡수

하므로 연안의 부 양화 문제를 해결할 수 있다는 장 등이 있다 하지만 재

세계 으로 사업의 타당성 검토 기 단계이므로 아직 많은 부분이 검증되지

않아 불확실성이 높다는 은 상용화에 주 걸림돌이다 이러한 해조류에는 김 미역

다시마와 같은 거 조류와 식물성 랭크톤인 미세조류로 다시 나뉘며 다양한

연료 생산에 활용 가능하다 ([그림 8])

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[그림 8] 해조류로부터 바이오연료 생산 계통도 (5)

가 바이오알콜

수중 식물인 거대조류는 서식 환경에 맞게 진화하여 육상식물과는 다른 구조를

갖고 있다 즉 육상식물과 가장 중요한 구조적 차이는 리그닌이 없다는 점이며 이

외에도 해조류는 육상 식물에 거의 존재하지 않는 갈락탄 등 다양한 당 성분이

다량 포함되어 있어 이러한 원료 특성에 맞는 바이오연료 전환 기술의 개발이

필요하다 해조류 원료 양산에 대한 불확실성 때문에 전 세계적으로 거대조류로부터

바이오연료 생산 기술 개발은 거의 진행되지 않고 있다 하지만 우리나라는 동 분야

기술의 선점을 위해 적극적으로 원료 양산 및 연료 전환 기술 개발 프로그램을

기획 추진하고 있다

나 바이오디젤

일부 미세조류는 오일을 포함하고 있어 이를 추출하여 경유 대체연료를 생산하기

위한 연구가 진행되고 있다 이러한 미세조류는 산업체에서 배출되는 CO2를 회수

하는 방안과 연계할 경우 CO2 회수와 청정연료 생산을 동시에 할수 있다는 장점

때문에 미국 EU 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 한국

에너지기술연구원 생명공학연구원 등의 정부 출연 연구소와 대학 등에서 효율적인

- 10 -

미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

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참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

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바이오에탄올과 동일한 원료를 사용하여 생산되는 바이오부탄올은 에탄올에 비해 연료

물성(높은 에너지 함량 낮은 부식성과 증기압 등)이 우수하여 차량연료로서 장점이

많은 것으로 평가된다 부탄올의 생산시 에탄올 아세톤 부틸레이트 등이 부산물로

생성되므로 이들의 생성을 최소화하는 것이 부탄올의 생산 수율을 높이는데 중요하며

이러한 부산물의 생성 반응 경로를 block한 유전자 조합 균주들이 개발되었다 하지만

부탄올은 미생물에 대한 독성이 매우 강해 발효에 의해 생산되는 부탄올의 농도가 매우

낮지만 이러한 내성 향상에 대한 연구는 상대적으로 결과가 미흡하다 따라서 부탄올

생산성과 최종 농도를 높일 수 있는 미생물 촉매 및 발효 공정의 개발과 저에너지 소비형

분리 정제 기술의 개발이 부탄올 생산 공정의 상용화에 핵심 사항으로 부각되고 있다

나 BtL (Biomass to Liquid fuel)

경유 대체연료로 사용돠는 바이오디젤은 식물성 기름만을 원료로 사용하는데 비해

BtL은 모든 종류의 바이오매스를 원료로 사용하므로 원료 제한이 없다는 장점이

있다 이러한 장점 때문에 2세대 바이오디젤로 불리는 BtL은 섬유소계 바이오매스를

열분해하여 합성가스로 전환한 후 가스 정제 및 Fischer Tropsch 합성에 의해

생산된다 ([그림 7]) 이 기술은 연구단계이지만 이미 상용화된 석탄 가스화에

의한 액상연료 생산 기술(CtL)의 연장선상에 있는 것으로 평가된다 F-T 디젤유는

경유에 비해 황과 방향족 성분이 없고 세탄가가 높아 연료로서 물성이 우수하여

현재 차량에 장착된 디젤엔진에 대해 완벽한 호환성을 갖는다 하지만 BtL 기술은

매우 복잡한 엔지니어링 프로젝트이어서 상용화를 위해서는 많은 기술적 문제들이

해결되어야 하며 현재 파일롯 실증 연구 단계에 있다

- 8 -

Wood(Biomass)

1 Tonwood

Gasification Fischer-TropschSynthesis

Biosyngas240 L

FT Wax210 L210 L

BTLBTL--DieselDiesel

LightFT Product

Electricity amp Heatfrom off-gas

[그림 7] F-T 디젤의 생산 반응 (4)

3) 해조류 기반 바이오연료 기술개발 현황

해조류로부터 바이오연료 생산은 지상 식물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술에

비해 여러 가지 잠재 장 을 가진다 첫째 부분의 해조류는 목질계 원료와

마찬가지로 비식용이어서 원료 수 이 비교 안정하다는 이다 두 번째로 지상

식물의 경우 한정된 토지를 활용해야 하므로 바이오연료 수요가 증가하면 경지의

확보에 어려움을 겪을 수 있지만 해조류는 해양을 활용하므로 경지 확보 어려움이

다는 이다 세 번째로 지상 식물의 규모 경작시 문제가 되는 물의 충분한

공 문제가 해조류 양식에서 근본 으로 없다는 장 이 있다 이외에도 해조류는

주로 연안 양식으로 행하여지고 성장 과정에서 바닷물 의 유 무기 양분을 흡수

하므로 연안의 부 양화 문제를 해결할 수 있다는 장 등이 있다 하지만 재

세계 으로 사업의 타당성 검토 기 단계이므로 아직 많은 부분이 검증되지

않아 불확실성이 높다는 은 상용화에 주 걸림돌이다 이러한 해조류에는 김 미역

다시마와 같은 거 조류와 식물성 랭크톤인 미세조류로 다시 나뉘며 다양한

연료 생산에 활용 가능하다 ([그림 8])

- 9 -

[그림 8] 해조류로부터 바이오연료 생산 계통도 (5)

가 바이오알콜

수중 식물인 거대조류는 서식 환경에 맞게 진화하여 육상식물과는 다른 구조를

갖고 있다 즉 육상식물과 가장 중요한 구조적 차이는 리그닌이 없다는 점이며 이

외에도 해조류는 육상 식물에 거의 존재하지 않는 갈락탄 등 다양한 당 성분이

다량 포함되어 있어 이러한 원료 특성에 맞는 바이오연료 전환 기술의 개발이

필요하다 해조류 원료 양산에 대한 불확실성 때문에 전 세계적으로 거대조류로부터

바이오연료 생산 기술 개발은 거의 진행되지 않고 있다 하지만 우리나라는 동 분야

기술의 선점을 위해 적극적으로 원료 양산 및 연료 전환 기술 개발 프로그램을

기획 추진하고 있다

나 바이오디젤

일부 미세조류는 오일을 포함하고 있어 이를 추출하여 경유 대체연료를 생산하기

위한 연구가 진행되고 있다 이러한 미세조류는 산업체에서 배출되는 CO2를 회수

하는 방안과 연계할 경우 CO2 회수와 청정연료 생산을 동시에 할수 있다는 장점

때문에 미국 EU 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 한국

에너지기술연구원 생명공학연구원 등의 정부 출연 연구소와 대학 등에서 효율적인

- 10 -

미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

- 11 -

참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

- 8 -

Wood(Biomass)

1 Tonwood

Gasification Fischer-TropschSynthesis

Biosyngas240 L

FT Wax210 L210 L

BTLBTL--DieselDiesel

LightFT Product

Electricity amp Heatfrom off-gas

[그림 7] F-T 디젤의 생산 반응 (4)

3) 해조류 기반 바이오연료 기술개발 현황

해조류로부터 바이오연료 생산은 지상 식물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술에

비해 여러 가지 잠재 장 을 가진다 첫째 부분의 해조류는 목질계 원료와

마찬가지로 비식용이어서 원료 수 이 비교 안정하다는 이다 두 번째로 지상

식물의 경우 한정된 토지를 활용해야 하므로 바이오연료 수요가 증가하면 경지의

확보에 어려움을 겪을 수 있지만 해조류는 해양을 활용하므로 경지 확보 어려움이

다는 이다 세 번째로 지상 식물의 규모 경작시 문제가 되는 물의 충분한

공 문제가 해조류 양식에서 근본 으로 없다는 장 이 있다 이외에도 해조류는

주로 연안 양식으로 행하여지고 성장 과정에서 바닷물 의 유 무기 양분을 흡수

하므로 연안의 부 양화 문제를 해결할 수 있다는 장 등이 있다 하지만 재

세계 으로 사업의 타당성 검토 기 단계이므로 아직 많은 부분이 검증되지

않아 불확실성이 높다는 은 상용화에 주 걸림돌이다 이러한 해조류에는 김 미역

다시마와 같은 거 조류와 식물성 랭크톤인 미세조류로 다시 나뉘며 다양한

연료 생산에 활용 가능하다 ([그림 8])

- 9 -

[그림 8] 해조류로부터 바이오연료 생산 계통도 (5)

가 바이오알콜

수중 식물인 거대조류는 서식 환경에 맞게 진화하여 육상식물과는 다른 구조를

갖고 있다 즉 육상식물과 가장 중요한 구조적 차이는 리그닌이 없다는 점이며 이

외에도 해조류는 육상 식물에 거의 존재하지 않는 갈락탄 등 다양한 당 성분이

다량 포함되어 있어 이러한 원료 특성에 맞는 바이오연료 전환 기술의 개발이

필요하다 해조류 원료 양산에 대한 불확실성 때문에 전 세계적으로 거대조류로부터

바이오연료 생산 기술 개발은 거의 진행되지 않고 있다 하지만 우리나라는 동 분야

기술의 선점을 위해 적극적으로 원료 양산 및 연료 전환 기술 개발 프로그램을

기획 추진하고 있다

나 바이오디젤

일부 미세조류는 오일을 포함하고 있어 이를 추출하여 경유 대체연료를 생산하기

위한 연구가 진행되고 있다 이러한 미세조류는 산업체에서 배출되는 CO2를 회수

하는 방안과 연계할 경우 CO2 회수와 청정연료 생산을 동시에 할수 있다는 장점

때문에 미국 EU 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 한국

에너지기술연구원 생명공학연구원 등의 정부 출연 연구소와 대학 등에서 효율적인

- 10 -

미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

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참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

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[그림 8] 해조류로부터 바이오연료 생산 계통도 (5)

가 바이오알콜

수중 식물인 거대조류는 서식 환경에 맞게 진화하여 육상식물과는 다른 구조를

갖고 있다 즉 육상식물과 가장 중요한 구조적 차이는 리그닌이 없다는 점이며 이

외에도 해조류는 육상 식물에 거의 존재하지 않는 갈락탄 등 다양한 당 성분이

다량 포함되어 있어 이러한 원료 특성에 맞는 바이오연료 전환 기술의 개발이

필요하다 해조류 원료 양산에 대한 불확실성 때문에 전 세계적으로 거대조류로부터

바이오연료 생산 기술 개발은 거의 진행되지 않고 있다 하지만 우리나라는 동 분야

기술의 선점을 위해 적극적으로 원료 양산 및 연료 전환 기술 개발 프로그램을

기획 추진하고 있다

나 바이오디젤

일부 미세조류는 오일을 포함하고 있어 이를 추출하여 경유 대체연료를 생산하기

위한 연구가 진행되고 있다 이러한 미세조류는 산업체에서 배출되는 CO2를 회수

하는 방안과 연계할 경우 CO2 회수와 청정연료 생산을 동시에 할수 있다는 장점

때문에 미국 EU 등을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며 국내에서도 한국

에너지기술연구원 생명공학연구원 등의 정부 출연 연구소와 대학 등에서 효율적인

- 10 -

미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

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참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

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미세조류 이용 바이오연료 생산 기술 개발을 위해 핵심 애로기술인 광생물반응기

개발 등에 대한 연구를 진행하고 있으며 [그림 9]에는 한국에너지기술연구원에서

개발중인 미세조류 바이오연료 생산 공정 개념도를 나타냈다

[그림 9] 미세조류 배양에 의한 바이오연료 생산 공정도

3 요약

수송용 바이오연료는 기후변화와 석유 자원 고갈 문제를 해결하는데 효과적인

방안으로 인식되고 있다 이러한 중요성을 인식한 선진국에서는 바이오연료 보급

확대를 위한 각종 지원정책을 시행하고 있으며 그 결과 수송용 바이오연료의 보급은

가파르게 증가하고 있으며 앞으로도 이러한 추세는 가속화 될 것으로 전망된다

국내에서도 2030년까지 수송용 바이오연료의 소비를 획기적으로 높인다는 계획을

발표한 바 있으며 이와 같은 국내외에서의 바이오연료 보급 확대 움직임으로 바이오매스

원료의 확보가 중요 이슈가 되고 있다 현재 육상에서 확보할 수 있는 농임산 부산물의

활용이 우선적으로 추진되고 있지만 해조류 등과 같은 신개념 바이오매스의 활용

방안도 적극 검토되고 있다 이러한 바이오매스들은 각각 다른 물리화학적 특성을

가져 각각 다른 연료 전환 기술의 적용이 필요하며 이러한 기술들은 2010년대

중반 이후 순차적으로 실용화될 전망이다

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참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007

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참고문헌

1 산업자원부 ldquo신재생에너지 RDampD 전략 2030 (수송용 바이오)rdquo 2007

2 지식경제부 ldquo제 3차 신재생에너지 보급 기본계획rdquo 2008

3 한국공학한림원 ldquo바이오에너지 기술 실용화 촉진전략rdquo 2008

4 WIP Biofuel technology handbook pp 105 (2006)

5 Eriksen N 3rd generation biofuels 2007