목재 바이오매스 연료의 현재와 미래

탄소중립이 중요해진 시대에 화석연료로서 석유와 석유와 관련된 여러 산업/시스템들이 옛 것으로 치부되기 시작했다. 전기차와 전기에너지로 대표되는 이른바 친환경 기술은 석유와 관련된 여러 시스템을 교체할 필요성을 강하게 제기하고 있으나, 이미 널리 활용되고 있는 시스템이 짧은 기간내에 교체되기 힘들며, 기존의 연료를 여전히 활용할 수밖에 없는 항공기, 선박, 터빈 등과 같은 시스템들도 있다. 이렇게 기존의 화석 원료를 직접적으로 대체할 수 있는 액체, 기체 등의 연료를 공급할 수 있는 원료로서 공기중의 탄소를 고정화하는 식물체, 즉 바이오매스가 가장 가능성이 높은 원료라고 할 수 있는데, 국제에너지기구(IEA)는 바이오매스에서 유래한 바이오연료가 앞으로 신재생 에너지원으로서 또는 탄소중립적인 에너지원으로서 중요함을 지속적으로 강조하고 있다. 식물 원료의 직접 연소, 가스화를 통한 알코올 등 다양한 제품 생산, 바이오가스, 수송연료 등이 현재 알려진 바이오연료 활용 방법이다.

현재 상업적으로 사용되고 있는 석유 대체/혼합 액체 바이오연료는 바이오디젤, 바이오에탄올이 있으며, 2027년부터 국제 규제에 따라 의무 사용이 시작될 지속가능항공유도 바이오연료의 한 갈래이다. 이들 액체 바이오연료는 수송연료로서 바이오디젤과 지속가능항공유(HEPA)는 식용유, 팜유 등 유지를 원료로 하며, 바이오에탄올은 곡물, 사탕수수 등을 원료로 하며, 지속가능항공유(ATJ)는 바이오에탄올을 원료로 사용한다. 생산 공정이 단순하며 비교적 경제성 확보가 용이하여 많이 사용되고 있으나, 식용 원료로부터 생산되는 바이오디젤, 지속가능항공유(HEPA, ATJ)는 원료 확보에 한계가 있으며 경작되는 식량 자원과의 경쟁은 윤리적, 사회적 논란을 불러일으킨다. 이러한 식용 원료의 문제를 극복할 수 있는 풍부한 원료 자원중 하나로 목재, 초본 등으로 구성되는 비식용 바이오매스 자원이 있는데, 기타 해조류, 제지 부산물, 건축 폐기물, 가구 등 생활/산업 폐기물도 있다. 식용 자원의 한계를 극복하기 위해 비식용 바이오매스 자원을 활용하겠다는 것은 오래된 전략이었으며, 주로 목재, 초본 원료로부터 바이오에탄올을 생산하는 당 원료를 얻는 것을 목적으로 연구가 진행되었다. 비식용 바이오매스는 단순히 당을 공급하는 원료로 사용할 수도 있으나, 풍부한 탄소원으로서 전성분을 활용하여 석유를 대체하는 원료를 공급할 수도 있는데, 열분해 기술은 이러한 석유 대체 바이오원유(biocrude)를 생산하는 효율적인 방법이 될 수 있다.

그림 1. 바이오매스 열분해를 통한 다양한 석유 대체 원료 생산.

목재 원료의 열분해를 통해 바이오원유를 생산하는 공정 기술은 2000년대 이후로 파일럿 규모 이상으로 연구 개발이 진행되고 있으나 상업적으로 활용된 사례는 없다. 목재 원료의 열분해 공정 기술 관련 대표적인 기업으로 캐나다의 다이나모티브(Dynamotive)가 있으며 2000년대 초중반에 200톤/일 규모의 목재 기반 열분해오일 생산 공정을 확보하였다. 다이나모티브의 기술은 여러 후발 업체들의 개발을 위한 참고 사례가 되었으며, 지속적으로 휘발유, 경유, 항공유 등 다양한 활용처를 목표로 삼았으나, 결국 실제 상업화에는 도달하지 못했다. 또다른 캐나다 기업인 엔신(Ensyn)도 열분해 공정을 이용한 바이오연료 생산을 진행하고 있으며, 핀란드의 포르툼(Fortum), 네덜란드의 BTG-BTL(Biomass Techonlogy Group Bioliquids B.V.), 노르웨이의 바이오진(Biozin) 등이 파일럿 규모 이상으로 열분해 공정 개발을 진행하고 있다. 그 외에 스웨덴에서 허니웰(Honeywell) UOP가 열분해 공정 개발을 진행하고 있는데, 이러한 노력들은 주로 목재 자원이 풍부한 북유럽, 북아메리카를 중심으로 진행되고 있으며, 향후 분명한 상업적 성과가 있을 것으로 믿고 투자가 지속되고 있는 것이다.

아래 표1에서는 목재 및 목재 성분중 리그닌으로부터 얻어지는 열분해오일과 일반적인 석유 원유의 특성을 비교한 것이다. 목재 유래 바이오원유는 석유와 비교하여 아세트산, 페놀류 등 함산소 화합물이 많이 존재하여 산소 함량이 높고 산성 특성을 보인다. 목재 열분해오일은 페놀계 화합물과 함께 저분자 화합물의 양이 많은 편이며, 목재 성분중 리그닌의 분해 오일은 페놀계 화합물이 많다. 상대적으로 갈조류와 같은 해조류의 열분해 오일은 저분자의 함산소 화합물이 많이 포함되어 있다. 많이 언급되지는 않으나, 바이오매스의 열분해오일은 석유 원유와 비교하여 저분자 화합물이 많아서 정유 공정과 유사한 화학 공정을 거친 후에는 경질 유분과 비슷한 특성을 가지는 경우가 많다. 이것은 바이오원유의 화학적 전환 과정에서 고분자 화합물들이 분해되거나 고체 탄소 화합물로 전환되기 때문인 것으로 추정되는데, 고분자 화합물을 활용하는 방법을 찾는 것이 바이오매스 열분해 기술의 상업적 활용을 위해 중요한 기술이라고 보기도 한다.

표1. 다양한 바이오매스 열분해오일 비교.

현재 바이오원유 생산 및 활용 기술은 여전히 파일럿 규모 정도의 실증 및 소량 제품 활용에 머무르고 있는데, 이는 무엇보다 열분해로 생산된 바이오원유가 그 자체로서는 안정성이 낮고 기존 석유 제품을 대체하기 어렵기 때문이다. 석유와 유사하게 만들기 위한 다양한 후단 공정 기술이 제안되었는데, 특히 수소를 첨가하여 석유 유사 원료를 제조하는 수첨탈산소 기술이 많이 개발되고 있다. 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서는 이러한 수첨탈산소 공정을 이용하여 갤런당 2.74달러의 휘발유 생산 비용, 3.12달러의 경유 생산 비용을 달성할 수 있음을 보고한 바 있다.⁵⁾ Technical Report, NREL/TP-5100-80291 (2021년 6월). 경제성있는 공정을 확보하기 위해서는 주로 원료 확보 및 전처리, 열분해 공정 운전 관련 비용을 절감하는 기술 개발이 필요하다고 결론지었다. 수소 사용에 따른 비용은 의외로 가장 큰 비용 결정 요인이 아닌데, 이는 바이오매스는 탄소, 수소, 산소로 구성된 특성상 수소를 생산하는 공정의 원료로 사용될 수 있으므로, 수소가 반응공정내에서 자체적으로 생산될 수 있기 때문이다.

바이오매스의 열분해 기술은 단순한 공정으로 활용 가능성이 높다고 판단되어 그동안 국내의 많은 기업들과 연구 기관들이 관심을 보여왔는데, 기업으로는 대경에스코가 20톤/일 규모 공정을 운전하고 있으며, 연구 기관으로는 한국에너지기술연구원, 한국기계연구원, 한국생산기술연구원 등이 오랫동안 관련 기술 개발을 수행해왔다. 바이오원유의 수첨탈산소 업그레이딩 기술에 대해서는 한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원 등이 오랫동안 연구해오며 기술을 축적해왔으며, 여러 대학에서도 관련 기술에 대해 관심을 가지고 연구했다. 국내에서 이런 기술에 대해 많은 축적이 이루어져 왔으며 어느 정도 실증을 진행할 준비도 되어있는 것으로 판단된다. 따라서, 관련 기업에서 온실가스 감축 등에 대한 다양한 수요를 고려하여 실제 사업화를 위한 단계를 조금씩 진행해본다면, 2050년 탄소중립을 구현하기 위한 석유 업계의 한가지 기술적인 수단이 될 수 있을 것으로 기대된다.

1) BTG(Biomass Technology Group; https://www.btgworld.com/en/)사에서 생산한 열분해오일.

2) Energy Conversion and Management 2020, 213, 112728: 상분리후 수분층 제거후 오일층 분석.

3) Korean Journal of Chemical Engineering 2016, 33, 2691: 탈수 공정후 오일층 분석.

4) Crude Oil Properties - Kolmetz Handbook of Process Equipment Design, 2016.

5) Technical Report, NREL/TP-5100-80291 (2021년 6월).