바이오에너지

루돌프 디젤은 1890년대에 압축점화 엔진을 개발했고, 최초의 성공적인 모델은 1897년에 완성됐다. 1900년 파리 만국박람회에서는 프랑스 정부의 요청으로 프랑스 오토 회사가 만든 작은 디젤 엔진이 땅콩기름으로 작동하는 모습이 시연됐다. 이 엔진은 일반 기름용으로 설계됐지만, 개조 없이 식물성 기름으로 작동했다.

바이오매스와 바이오연료는 오랫동안 저장해 필요할 때 언제든 쓸 수 있어, 나라들이 일 년 내내 에너지 안보를 확보하는 데 도움이 됩니다. 하지만 이는 바이오연료 종류에 따라 다르며, 예외도 있습니다. 저장 가능 기간은 연료, 조성, 저장 조건에 따라 크게 달라지고, 일부 바이오연료는 다른 것보다 훨씬 덜 안정적입니다 ^{[58-64,66,68]}.

예를 들어, 목재 펠릿과 기타 고체 바이오매스는 습기, 온도, 환기, 취급 방식의 영향을 특히 많이 받습니다. 조건이 나쁘면 생물학적 분해, 에너지 함량 손실 또는 자연 발열이 생길 수 있지만, 건조하고 제대로 환기되는 곳에 보관하면 품질을 지킬 수 있습니다 ^[60,61].

HVO(수소처리 식물성 기름) 같은 장기 보관용 바이오연료는 산화에 매우 강하며, 적절한 저장 조건이 유지된다는 전제에서 공급업체들에 따르면 분해되기 전 약 10년간 보관할 수 있다고 합니다 ^A. 독립 연구도 HVO가 비교적 안정적이라는 점을 뒷받침하며, 바이오디젤 - 디젤 혼합물에 들어갔을 때도 그렇습니다 ^[64]. FAME(지방산 메틸 에스터) 바이오디젤의 안정성은 지방산 조성에 크게 좌우됩니다: 포화 FAME은 대체로 불포화 FAME보다 더 안정적이고 더 오래가지만, 이를 만드는 데 쓰인 폐기물에 따라 달라집니다. 따라서 바이오연료를 만드는 데 쓰인 원래 원료는 저장 가능 기간에 큰 영향을 줄 수 있습니다 ^[62,63].

바이오디젤은 쉽게 생분해되지만, 저장 중 품질 저하는 생분해성 자체보다 주로 산화와 오염 때문에 일어납니다. 열과 공기, 빛, 물 또는 특정 금속에 노출되면 분해가 빨라질 수 있지만, 항산화제와 알맞은 저장 조건은 이를 늦출 수 있습니다 ^[58,62,63]. 한 연구에 따르면 바이오디젤은 분해가 시작되기 전 6개월간 보관할 수 있고, 1년 뒤에는 엔진에 바로 쓰기 어려울 수 있습니다 ^[58,59].

바이오연료를 섞으면(예: FAME 바이오디젤을 석유 디젤이나 HVO와 섞는 것) 안정성을 높이고 저장 기간을 늘리며, 일반 엔진에 바로 넣어 쓸 수 있는 연료로서의 성능도 유지할 수 있지만, 결과는 사용한 연료와 혼합 비율에 따라 달라집니다 ^{[58,59,62,64]}.

특별히 만든 나노 바이오디젤에는 산화에 취약해지는 것을 줄이는 나노입자가 들어 있어, 훨씬 더 오래 안정적으로 유지될 수 있습니다 ^[59]. 또 연료 연소와 에너지 효율을 높이고 일부 오염물질을 줄일 수도 있습니다. 하지만 효과는 물질, 농도, 연료, 엔진에 따라 다르며, 일부 조성은 질소산화물 배출을 늘릴 수 있습니다 ^B.

바이오연료는 일반 화석연료보다 보관 가능 기간이 짧습니다(하지만 HVO는 눈에 띄는 예외입니다). 그래도 풍력/태양광 에너지로 생기는 간헐성 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다: 수년이 아니라 몇 달 저장한 바이오연료라도, 충분한 재고와 장비가 있다면 바람이 약하거나 태양광 발전량이 낮은 기간에 즉시 가동할 수 있는 예비 전력과 에너지 안보를 제공할 수 있습니다 ^[23,66,68]. 원료와 공급망이 지속 가능하게 관리된다면, 탄소 중립과 더 넓은 배출 감축 노력에 기여할 수 있습니다 ^{[19-22,72-76]}.

^A HVO 연료를 오래 안전하게 보관하는 방법 | Vectec

^B 바이오디젤 연소 및 연소 후 단계에서 나노기술의 활용 | Renewable and Sustainable Energy Reviews

바이오에너지가 자동으로 탄소 중립인 것은 아닙니다. 기후 영향은 원료, 재성장, 토지나 물질이 다른 용도로 쓰였다면 어떻게 됐을지, 공급망 배출, 그리고 배출된 CO₂를 다시 흡수하는 데 걸리는 시간에 따라 달라집니다. 폐기물과 잔재물 경로는 배출이 비교적 적을 수 있지만, 토지 이용 변화나 천천히 다시 자라는 숲을 베는 일은 몇 년 또는 몇십 년 동안 이어지는 탄소 부채를 만들 수 있습니다.

참조: 지속 가능한 바이오연료를 위한 탄소 회계 - 분석 | IEA

브라질에서는 대두와 사탕수수 생산을 포함한 농업을 위해 수백만 헥타르의 열대우림, 사바나와 기타 토착 생태계가 개간됐다.

Trase는 브라질의 2020년 대두 수확이 최근의 산림 파괴와 토착 식생 전환 562,000헥타르 - 5,620제곱킬로미터 - 와 관련 있다고 분석했다. 여기에는 아마존 약 76,400헥타르와 대서양림 23,600헥타르가 포함됐지만, 대부분은 세하두와 팜파스에서 일어났다. 대두와 사탕수수의 핵심 생산지인 세하두 생물군계는 특히 광범위한 토지 전환을 겪었다^[82,83]. 이 수치는 브라질의 대두 생산이 상당한 열대우림 지역을 포함해 수천 제곱킬로미터 규모의 토지 전환과 연결돼 있음을 보여준다.

대두와 사탕수수는 모두 브라질의 바이오연료 산업과 연결돼 있다^[78,80,81]. 브라질 사탕수수의 약 절반은 에탄올로 가공된다^C. 대두는 주로 동물 사료용으로 재배되지만, 부산물로 나오는 대두유가 이 나라 바이오디젤의 약 70%를 공급한다^D. 남아메리카 전역에서 대두 재배 면적은 2000년 2,640만 헥타르에서 2019년 5,510만 헥타르로 두 배 이상 늘었다^[82]. 이런 작물의 확대는 작물이 토착 식생을 대체하는 곳에서는 직접, 기존 농지로 확장하면서 소 방목이나 다른 활동을 새로 개간된 지역으로 밀어내는 곳에서는 간접적으로 산림 파괴를 일으킬 수 있다^[78-82,84].

브라질에서 대두와 관련된 산림 파괴는 사탕수수를 위해 직접 개간된 면적보다 훨씬 크다^[80-83]. 2009년부터 사탕수수 농생태 구역화(ZAE Cana) 정책은 아마존과 판타나우 같은 핵심 생물군계에서 사탕수수 확대를 제한했다 (하지만 이 정책은 2019년에 폐지돼 산림 파괴 우려를 키웠다) ^[81]. 따라서 사탕수수 재배는 역사적으로 아마존 밖의 중부와 남부 지역, 흔히 기존 농지나 황폐한 목초지 또는 세하두에 집중됐다. 그래서 아마존 열대우림 감소에 직접 기여한 정도는 소 사육이나 대두보다 훨씬 작다. 그래도 세하두나 목초지로의 확장은 토착 식생을 대체하거나 다른 농업 활동을 밀어내 더 넓은 산림 파괴 압력에 보탤 수 있다^[78,80,81]. 실제로 2010년의 한 모델링 연구는 사탕수수-에탄올 확대가 주로 소 목초지를 산림 지역 쪽으로 밀어내면서 2020년까지 약 50,000 km² (500만 헥타르)의 산림 파괴에 간접적으로 기여했을 수 있다고 전망했다^[85].

따라서 바이오연료 수요는 사탕수수 에탄올과 바이오디젤용 대두유 수요를 늘려 산림 파괴에 기여할 수 있다. 하지만 영향을 받은 전체 면적을 바이오연료 탓으로만 돌릴 수는 없다: 대두는 동물 사료와 식품도 공급하고, 사탕수수는 설탕도 공급하며, 전환된 식생의 상당수는 열대우림이 아니라 사바나나 초원이다. 그래도 대두 관련 전환 규모와 두 작물에 따른 직접적·간접적 영향을 고려하면, 정확히 바이오연료만의 총계는 아니더라도 브라질 열대우림 수천 제곱킬로미터가 부분적으로 바이오연료 작물 공급을 위해 개간됐다는 것은 합리적인 규모 추정치다^[78-84].

^C 브라질 사탕수수의 설탕과 에탄올 배분 | Reuters

^D 브라질 바이오디젤의 약 70%는 대두에서 나온다 | Reuters

추가 읽을거리:

브라질의 사탕수수 붐이 아마존 열대우림에 새로운 위협이 되다 | Sierra Club

브라질의 사탕수수 증가는 바이오연료 수요를 충족하면서 산림 파괴를 일으키지 않을 수 있다: 연구 | Mongabay

정정: 유럽 항공사들이 공개 발표한 SAF 약속과 공급 계약의 약 55%는 동물성 지방, 폐식용유 및 기타 폐유를 포함한 폐유와 지방에서 나올 것으로 예상됩니다. 이는 영상에서 말한 것처럼 이미 사용 중인 연료가 아니라, 계약과 계획된 계약을 설명한 것입니다.

BECCS는 바이오매스가 다시 자라면서 실제로 대기 중 CO₂를 제거하고, 그 CO₂ 중 과정 전체에서 배출되는 양보다 더 많은 양이 영구 저장될 때만 순배출량을 음수로 만들 수 있습니다. 실제로는 바이오에너지 시설에서 나오는 배출량만으로 결정되지 않습니다. 공급망과 토지 이용에서 나오는 배출량, 그리고 장기 탄소 균형도 중요합니다. 여기에는 식생과 토양에서 빠져나가는 탄소; 바이오매스가 다시 자라는 데 걸리는 시간; 재배와 비료, 수확, 가공, 운송에서 나오는 배출량; CO₂를 포집하고 압축하고 주입하는 데 쓰는 에너지, 그리고 포집 시스템이 잡아내지 못하는 CO₂가 포함됩니다. 메탄과 아산화질소 같은 다른 온실가스도 포함해야 합니다. 따라서 최종 균형은 고려하는 원료, 토지 관리, 포집률, 에너지원, 기간에 따라 달라집니다 ^{[72-76,97-102,118-121]}.

장기 저장을 위해 포집한 CO₂는 보통 압축한 뒤 염수층이나 고갈된 석유·가스 저장층 같은 깊고 다공성인 암석층에 주입합니다. 실제로 CO₂는 큰 지하 동굴이나 광산 갱도를 그냥 채우는 것이 아니라 암석 안의 아주 작은 공간을 차지합니다. CO₂를 가둬 두려면 신중한 부지 선정, 안전한 우물, 압력 관리, 모니터링, 장기 관리가 꼭 필요합니다 ^{[118,127,128]}.

가장 큰 누출 우려는 포집한 CO₂가 운송이나 주입 중에, 또는 나중에 단층, 균열, 손상됐거나 제대로 밀봉되지 않은 우물을 통해 빠져나가는 것입니다. 문헌 [125-128] 의 근거는 주로 가능한 누출 경로, 통제 실험, 모델링, 위험 평가에 관한 것이며; 잘 관리되는 상업용 저장 부지에서 누출이 흔하다는 뜻은 아닙니다. 제대로 선정하고 모니터링하는 지질층은 주입된 CO₂의 거의 전부를 아주 오랫동안 가둘 것으로 예상되지만, 위험을 0으로 볼 수는 없습니다. 빠져나간 CO₂는 대기에서 제거했다고 주장하는 총량에서 빼야 하며, 계속된 모니터링과 보완 조치로 해결해야 합니다.

미세조류는 경작이 불가능하거나 황폐화됐거나 염분이 많거나 다른 용도로 가치가 낮은 땅의 개방형 연못이나 밀폐형 광생물반응기에서 키울 수 있어, 일반 식량 작물과 직접 경쟁하지 않아도 된다. 하지만 적합한 곳에는 충분한 빛, 물, 영양분, CO₂가 필요하며, 필요한 땅의 양은 조류의 종류, 지역 기후, 재배 방식에 따라 달라진다. 조류는 빨리 자라고 일반적인 바이오연료 작물보다 같은 면적에서 더 많은 연료를 만들 수 있어, 전체 토지 필요량은 훨씬 적을 수 있다 ^[129-134].

해조류는 농지도 담수도 필요 없다. 해조류 양식장은 물고기와 무척추동물에게 임시 서식지를 만들고, 남는 영양분을 흡수하며, 지역의 산소와 pH 수준을 높이고, 파도의 에너지를 줄일 수 있다. 생물다양성 측면의 이점은 기르는 종, 양식장 규모와 배치, 물의 흐름, 위치, 수확 방식에 따라 달라진다. 해초밭 같은 기존 서식지를 해치거나 외래종을 들여오는 일은 피하면서, 신중하게 장소를 고르면 이런 이점을 최대한 키울 수 있다 ^[135-140].

미생물 연료전지는 박테리아를 이용해 폐수 속 유기물을 분해하고, 그 과정에서 나온 전자를 전극으로 옮겨 전류를 만듭니다. 이 유기물을 제거하면 폐수를 정화하는 데 도움이 되지만, MFC만으로는 보통 모든 처리 단계를 맡지 못합니다: 남은 유기물, 영양분, 병원균을 제거하려면 추가 처리가 여전히 필요할 수 있습니다 ^[141-144].

실제로 가장 큰 경제적 이점은 다른 곳에서 쓸 수 있는 많은 잉여 전력을 만드는 것보다, 처리에 필요한 전기를 줄이는 데서 나올 수 있습니다. 기존 폐수 처리는 물에 산소를 주입하는 데 상당한 에너지를 씁니다. MFC는 이 폭기의 일부를 줄이면서 폐수의 화학 에너지 일부를 전기로 회수해, 처리장의 전체 에너지 수요를 낮출 가능성이 있습니다. 이런 이점들이 합쳐지면 결국 폐수 처리를 더 저렴하게 만들 수 있습니다. 하지만 지금은 높은 건설비와 재료비 때문에, 상업 규모에서 이것이 꾸준히 입증되지는 않았습니다 ^[141-143].

그 단계에 이르기 위해 MFC가 전력 생산을 최대화할 필요는 없을지도 모릅니다. 다시 말해, 전기를 가장 많이 만드는 시스템이 꼭 가장 경제적인 처리 시스템은 아닙니다. 한 기술경제성 연구에서는 더 저렴한 전극 재료가 전기 생산량은 적더라도 더 비용 효율적인 폐수 처리를 제공할 수 있다고 밝혔습니다 ^E. 이는 실용적인 MFC 개발에서는 최대 전력 생산보다 저렴한 처리를 우선하는 편이 도움이 될 수 있음을 보여줍니다.

하지만 전력 생산량은 여전히 낮으며, 특히 폐수가 더 깨끗해져 박테리아가 먹을 유기물이 적어질수록 그렇습니다. 더 큰 시스템은 전극과 멤브레인 비용, 오염, 고르지 않은 성능, 장기 신뢰성 문제도 해결해야 합니다. 1,000리터 규모의 파일럿 연구는 이 기술이 실제 도시 폐수로 작동할 수 있음을 보여줬지만, 부분 처리와 적은 전력 생산에 그쳤습니다. 따라서 현재 MFC는 주요 전력원이기보다는 폐수 처리와 소규모 에너지 회수를 결합하는 실험적 방법에 주로 머물러 있습니다 ^[141-144].

^E 더 비용 효율적인 처리를 위해 전력 희생하기: 미생물 연료전지 설계를 위한 기술경제적 접근 | Chemosphere