삼성경제연구소 ‘미국의 바이오에너지 개발현황과 시사점’

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2006-02-20 13:13

서울--(뉴스와이어)--고유가 현상이 장기화되면서 대체에너지 기술개발이 활성화될 전망.

최근의 고유가 현상은 주요 소비국의 석유확보 경쟁과 생산능력 제한이라는 구조적인 요인에 따른 것으로 중ㆍ장기적으로 지속될 전망. 이에 따라 다양한 신ㆍ재생에너지의 개발ㆍ보급이 더욱 활성화될 전망. 신ㆍ재생에너지 개발이 시작된 1970년대에는 석유위기 극복이 주 목적이었으나, 현재는 CO₂배출량 감축목표 달성 등 환경적 목적도 강함.

부시 미 대통령은 2006년 국정연설에서 석유의존도 완화를 위한 대체에너지 개발구상(Advanced Energy Initiative, AEI)을 천명. 미국이 "석유 중독증"에 걸렸다고 진단하고, 대체에너지 R&D 투자를 22% 증액하겠다고 선언. 대체에너지 기술개발을 통해 2025년까지 중동산 원유 수입량의 75%를 감축할 계획. AEI는 주거용 전력(청정화력발전, 태양광, 풍력, 원자력)과 운송용 연료(하이브리드 전지, 수소연료전지) 분야의 기술개발에 집중할 계획. 부시대통령은 특히 바이오에탄올3)을 "6년 내에 (화석연료 대비) 가격경쟁력을 가진 상용화 가능 연료"로 거론.

*신ㆍ재생에너지의 종류
「신에너지 및 재생에너지 개발ㆍ이용ㆍ보급 촉진법」은 11종류의 신ㆍ재생 에너지를 규정▶ 태양에너지, 바이오에너지, 풍력, 수력, 연료전지, 가스화에너지, 해양에너지,폐기물에너지, 지열에너지, 수소에너지, 기타 대통령령에 의한 에너지

바이오에너지는 신ㆍ재생에너지 중 수력발전과 함께 가장 널리 활용 중. 주요 선진국의 총 1차 에너지4) 중 신ㆍ재생에너지의 비중은 3~7% 수준. 신ㆍ재생에너지 중에서 바이오에너지의 비중은 30~60%로 높은 편.

바이오에너지 산업의 개요

바이오에탄올이 미래 바이오에너지의 핵심
바이오에너지는 바이오매스(Biomass)5)의 연소 또는 생물학적 공정처리과정에서 발생. 바이오매스는 원리적으로 석탄, 석유 등 화석연료와 동일한 유형의 자원. 화석연료는 수억 년 전의 바이오매스가 지각작용을 통해 변형된 것. 바이오매스는 성상에 따라 고체, 액체 및 바이오가스로 구분. 폐가구 등 도시에서 발생하는 목재 폐기물 및 기타 생물성 생활폐기물도 기술발전에 따라 바이오에탄올 생산의 원료로 사용가능할 전망. 생활폐기물은 현재는 별도의 재생에너지원으로 분류되며, 주로 소각에 의한 열에너지 형태로 사용 중

액체 바이오매스가 미래의 핵심 바이오에너지 자원
현재 대부분의 바이오에너지는 고체바이오매스의 직접 연소를 통해 생산. 주요 OECD 국가의 경우, 바이오에너지 중 고체의 비중이 80% 이상. 그러나 고체 연소방식은 에너지 효율이 낮고 산업적 활용사례도 거의 없어, 생물공정을 통해 액체 바이오매스로 전환시키는 연구가 활발. 바이오가스의 경우 에너지효율은 높은 편이지만, 폐기물매립지나 천연적인 부생가스 용출지역 등으로 활용처가 제한된다는 것이 단점. 고체 바이오매스에서 수소를 생산하는 기술도 개발 중이나, 경제성이 크게 부족한 것으로 평가됨

액체 바이오연료의 상업화는 바이오디젤이 앞선 반면, 발전 잠재력은 바이오에탄올이 더 높음. 바이오디젤은 석유계 디젤과 혼합하여 사용하며, 기존 디젤엔진에서도 사용가능하므로 비교적 단기간 내에 보급이 확대. 선진국에서는 석유계 디젤에 바이오디젤을 10~20% 섞은 혼합연료 형태로 시중에 유통. 반면, 바이오디젤은 바이오에탄올 대비 추출가능한 원재료가 제한적이며 연소 시 오염물질 배출도 많은 것이 단점. 바이오에탄올은 전통적으로는 곡물의 녹말성분을 발효시켜 제조하지만 곡물가격이 높기 때문에 값싼 원료를 선정하는 것이 중요. 바이오에탄올은 현재 가솔린의 옥탄가를 높이는 첨가제로 주로 사용. 기존 첨가제인 MTBE가 발암물질이므로 선진국에서는 바이오에탄올의 생산추이에 따라 MTBE의 사용을 단계적으로 금지할 계획.

바이오에너지는 융ㆍ복합 산업
바이오에너지의 가치사슬은 자원확보, 공정처리, 활용의 3단계로 구분되며, 농림ㆍ에너지ㆍ바이오테크ㆍ화학ㆍ유통산업이 융ㆍ복합된 구조. 자원확보 단계에서는 농작물 또는 에너지식물의 경작기술, 환경친화적인 수거 및 토양보존 기술, 경제적인 수거ㆍ보관 시스템 구축 등이 중요. 공정처리는 바이오매스에서 액체 바이오연료를 추출하는 단계로서, 탄수화물의 분해효소 및 발효미생물 개발 등 바이오테크 기술이 핵심. 활용단계에서는 생산된 바이오연료가 에너지용으로 소비되거나, 산업소재용으로 사용하기 위해 추가적인 공정에 투입됨. 핵심 바이오연료인 바이오에탄올 및 기타 부산물을 바이오정유공정(Biorefinery)에서 처리할 경우, 다양한 화학소재의 생산이 가능

재생가능한 에너지원으로서 가까운 미래에 화석연료 수준의 경제성 확보가 가능할 전망. 원료가 풍부하며, 가격이 매우 낮거나 심지어는 음의 가격을 형성. 지구상의 총 바이오매스는 약 750억 톤 이며, 이 중 작물이 20억 톤. 잡초 등 일부 바이오매스는 수집ㆍ운송비 이외의 추가비용이 없으며 일부 농업ㆍ생활 폐기물들은 오히려 수거수수료를 받을 수도 있음. 미 에너지성에 의하면, 바이오에탄올 1단위의 에너지량은 생산에 투입된 총 에너지 대비 약 134%로 에너지효율 측면에서도 경제성이 있음. 2002년 기준, 옥수수 전분에서 에탄올을 생산하는 원가는 갤런 당 평균 2.75달러로, 석유계 에탄올 생산단가의 약 2배에 달함. 옥수수 여물의 수확 및 운송비용 약 0.73달러 포함. 미국은 6년 이내에 석유계 에탄올 대비 가격경쟁력이 있는 갤런 당 1.07 달러까지 옥수수 기반 에탄올의 생산원가를 감축할 계획.

미국의 바이오에너지 개발현황

2000년「바이오매스 R&D법」제정을 계기로 바이오에너지 개발을 본격화. 바이오에너지 국가비전을 제정하고 각종 개발 프로그램을 가동. 넓은 국토와 풍부한 산림ㆍ농산물 자원을 바탕으로 바이오자원의 에너지화를 강력히 추진 중. 미국의 연간 바이오에너지 사용량은 56,719ktoe13)로 2위인 캐나다 대비 약 5배이며, 특히 액체 바이오매스는 OECD 30개국 총 사용량의 74%. 2003년 기준 미국 운송용 연료의 2.5%를 바이오에너지에서 충당. 대두유에서 생산된 바이오디젤은 2001년에 12.5백만 갤런에서 2004년에는 25백만 갤런으로 3년만에 두 배가 확대. 2004년 바이오에탄올 생산량은 34억 배럴이며, 시설용량은 44억 배럴. 20개 주에 81개의 바이오에탄올 공장이 있으며, 16개 공장이 건설 중. 에탄올 생산에 사용되는 곡물(주로 옥수수)의 양도 2001년 7.5%에서 2014년에는 14%까지 확대될 전망

바이오매스 관련 R&D에만 연간 150백만 달러 이상을 투자. 양대 주무부서인 에너지성과 농업성이 각각 90~110백만 달러 및 약 60만 달러의 R&D 자금을 집행. 특히 리그닌, 셀룰로오스 등 식물섬유질에서 에탄올을 생산하는 기술에 투자를 집중. 현재는 옥수수 단일작물에 대한 의존도가 높아, 다양한 에너지 식물 및 풍부한 산림자원의 활용을 늘리기 위한 목적. 2010년까지 대규모의 상업용 바이오정유공정(Biorefinery) 건설을 목표로 산업계의 공정기술 개발에도 집중 지원. 학계나 공공연구기관 중심으로 이루어지는 BT, NT 등 기초분야의 R&D 지원형태와는 달리 정부와 산업계의 공동출자 연구를 장려. 기초 및 상업화 연구가 혼재하는 성격 상 일부비용을 산업계에서 부담하며, 기술개발의 위험도가 높을수록 정부부담 비중이 높아지는 구조

바이오에너지 기술개발 및 보급 활성화를 위한 다양한 지원정책을 시행. 바이오연료 생산자에게는 생산보조금 지급, 설비투자비의 일부 보전 등 경제적 인센티브와 함께 바이오연료의 의무사용 등 강제규정도 병행. 소비자에게는 바이오연료에 대한 각종 세금공제 등으로 구매를 장려. 연방정부는 관련품목을 공공조달 시 우선구매하도록 법제화

시사점

정부-산업계 공동으로 바이오에너지 기술개발 강화
바이오에너지 분야의 기술개발은 정부-민간의 공동 프로젝트로 추진하는 것이 효과적. 한국은 효소분해 및 미생물발효 등 바이오에너지 관련 기술분야에서 전통적으로 기술력이 높아 핵심기술 확보 가능성이 상대적으로 높음. 화학공정 기술 역시 세계적인 수준에 있어서 바이오에너지 산업 육성의 가능성이 높은 편. 처음부터 상업용 공정개발을 목표로 정부와 산업계의 공동 기술개발 프로젝트를 추진. CDMA 기술에서 정부-민간의 공동투자가 큰 성공을 거둔 경험을 상기

정부는 산업자원부와 농림부를 중심으로 종합적인 추진체계 구축이 필요. 바이오에너지의 산업화는 기술개발 뿐만 아니라 자원의 안정적인 확보가 필수적인 요소. 따라서 자원측면 및 에너지화 기술측면에서의 접근이 동시에 필요. 관련법규인「신에너지 및 재생에너지 개발ㆍ이용ㆍ보급촉진법」은 산업자원부를 주무부서로 하여, 주로 기술개발 및 에너지산업 측면에서 접근. 미국의 「Biomass R&D법」과 같이 바이오에너지 개발ㆍ보급을 위한 특별법 제정을 통해 정부의 추진체계를 강화할 필요성이 높음. 국내 바이오매스 자원에 대한 현황파악 및 자원확보ㆍ관리 계획을 작성. 바이오에너지 기술로드맵은 2002년 작성된 「국가기술지도」에 포함되어 있으나 시간 경과를 고려하여 중간 점검이 필요

바이오에너지 보급을 조기에 활성화
세제지원 및 공공구매를 확대하고, 다양한 활용시장을 개발. 기존 석유계 연료첨가제를 단계적으로 바이오에탄올로 전환하도록 유도. 대형 정유사에 대한 바이오연료의 제조 쿼터제 도입을 공론화할 필요. 산자부는 2006년부터 정유사들에게 바이오디젤을 각각 5%, 20% 섞은 BD5 및 BD20 연료를 자발적으로 도입하도록 장려할 계획이지만 정유사들의 준비ㆍ참여가 부족한 상태. 국산 바이오에너지 제품 및 장치에 대해 공공구매 시 우선구매 품목으로 지정하여 시장의 조기형성을 유도. 연료전지, 차세대 자동차 등 차세대 성장동력산업의 기술개발과 연계하여 바이오연료의 활용처를 개발.

국내실정에 맞는 에너지작물 개발 및 경작시스템 구축
국내 기후 및 토양환경에 적합한 에너지 작물의 개발 및 보급을 촉진. 특히 옥수수나 Switchgrass는 미국의 기후환경에 적합한 작물로 한국의 환경과는 다를 수 있어 국내용 에너지작물의 개발이 필수적. 에너지작물을 위한 농경 면적의 확대방안이 필요. 새만금 간척지 등 신규 확보되는 국토에 에너지작물의 재배가능성 검토. 에너지안보 차원에서 값싼 해외농경지 확보에 국가적 투자가 필요. 바이오에탄올 생산비의 상당부분이 수거ㆍ보관ㆍ운송 등 자원확보 단계에서 소요되므로 경작지와 공정을 연계하는 정교한 시스템 구축이 필수. 효율적인 수거ㆍ건조용 기계산업, 농가의 수거시스템 및 물류연계체계 구축, 수율향상을 위한 경작기술 보급 등 다각적인 대책이 필요. 수확 후 잔류물을 과도하게 수거할 경우 토양손실 등 부작용이 우려되므로 적절한 통제와 관리 시스템이 함께 연구되어야 함. 바이오기술, 에너지기술, 농업기술 등이 종합적으로 연계되어 추진.....삼성경제연구소 고유상 수석연구원

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