화학에너지가 청정 바이오에너지로 ‘뜬다’    

2013년 글로벌 3천억달러 규모… 국내 대기업·중소기업 바이오매스 생산 경쟁 

“강동구가 해바라기씨를 활용해 바이오디젤(Biodiesel)을 만들어 보는 ‘바이오에너지 생산 체험농장 프로그램’을 최근 개설해 큰 인기를 모았다. 암사동 132일대에 2,120m2 규모로 조성된 체험농장은 지난해부터 봄에는 유채씨, 가을에는 해바라기씨를 이용해 바이오디젤을 만드는 프로그램을 운영했다. 지난해 처음 개장한 체험 농장에는 총 118회 동안 3,840명이 다녀갈 정도로 높았다.” 

강동구는 2006년부터 전국 지방자치단체 최초로 폐식용유를 활용한 바이오디젤을 만들어 구청 청소차량 31대에 사용, 연간 1억3,000만원의 비용을 절약하는 등 친환경 정책을 실천하고 있다. 

바이오디젤은 식물에서 추출한 기름으로 만든 친환경 무공해 연료로 순수한 상태 또는 경유와 혼합해 난방용, 자동차용 연료로 쓰인다. 식물 씨앗을 압착하는 방법으로 기름을 만드는데 보통 1,500m2당 유채기름은 85ℓ, 해바라기기름은 105ℓ를 채취할 수 있다. 

바이오 화학산업, 신ㆍ재생에너지의 새 패러다임으로 각광 

화석연료의 고갈과 지구 온난화라는 문제에 직면한 인류는 신ㆍ재생에너지 개발의 필연적인 과제에 당면해 있다. 

이런 환경 속에서 원료의 대부분을 석유에 의존하고 있고 온실가스 배출량이 가장 많은 산업 중 하나인 ‘화학산업’이 위기이다. 하지만 ‘화학산업’이 ‘바이오; 를 만나면서 기회가 되고 있다. 

바이오 화학산업은 BT(Bio Technology)와 CT(Chemical Technology)의 융합기술로, 바이오매스(biomass)를 원료로 에너지나 화학제품을 생산하는 산업을 말한다. 특히 바이오매스는 지속적으로 생산할 수 있고 친환경적이기 때문에 바이오화학기술은 석유를 대체하여 지속가능한 성장을 유도할 수 있는 기반기술로 인식되고 있다.

하지만, 국내 바이오산업의 기술수준은 일부 발효기술을 제외하면 세계 수준에 크게 못 미치는 실정이다. 이는 연구개발 및 사업화의 바로미터라 할 수 있는 특허출원에 그대로 나타나는데, 그 한 예로 바이오기술을 활용한 카프로락탐(Caprolactam)의 제조기술이 각광을 받고 있다. 

카프로락탐은 현재는 석유화학 원료를 사용해 화학적 공정에 의하여 제조하는데, 최근 네덜란드, 독일, 미국에서는 바이오매스에서 유래한 당(Sugar)을 원료로 발효기술을 이용해 라이신(Lysine)을 제조하고, 이로부터 생물학적 효소를 이용하여 제조하는 기술을 개발하고 있다.

카프로락탐은 나일론의 원료로 사용되는 외에 타이어코드, 필름, 엔지니어링 플라스틱 등에 광범위하게 사용되는데, 현재 약 120억달러로 추산되는 세계 시장규모는 계속 커질 전망이다. 

바이오 기술을 활용한 카프로락탐 제조기술에 관련된 특허출원을 조사한 결과, 한국특허청에는 2007년, 2008년, 2009년에 각 1건씩 모두 3건이 출원되었는데 모두 외국인 출원(미국 미시건대학 1건, 독일 바스프사 2건)이고, 내국인 출원은 국내는 물론 외국에도 전혀 없는 것으로 나타났다. 

반면, 세계 주요국 특허청에는 모두 26건이 출원된 것으로 조사되었는데, 2005~2008년에는 연간 1~3건에 불과하다가 2009년 들어 8건으로 급격히 증가했다. 

이렇듯 바이오화학산업은 세계적으로 아직까지 성장 초기 단계에 있지만 앞으로 저탄소 녹색기술에 대한 수요에 힘입어 큰 폭의 성장세가 예상되고 있다. 따라서 원유를 전량 수입에 의존하면서도 현재 세계 5위의 석유화학산업 강국으로 도약한 한국은, 이제 그 저력을 바이오화학산업으로 전환하는데 발휘해야 한다는 주문이 일고 있다. 

신성장산업 바이오·에너지 글로벌 기업 경쟁 거세질것

올해 글로벌 기업들은 시장주도권 확보를 위한 공격경영 및 본원적 경쟁력 강화 전략을 펼칠 것으로 전망됐다.

삼성경제연구소가 발표한 ‘2011년 글로벌 기업의 경영 이슈’ 보고서에 따르면 올해 글로벌 기업들은 거시적인 차원에서 글로벌 저성장 기조가 장기화되고 지역 간 성장격차가 확대될 뿐 아니라 기업 간 경쟁이 예전보다 더 격화될 것으로 예상했다. 아울러 원자재가격 상승에 따른 신흥국 인플레이션 발생 등 위험 요인이 산적해 있으며 신성장산업으로 각광받고 있는 바이오·에너지·인프라 산업의 경쟁도 치열해질 것으로 예상했다.

이 같은 예상은 삼성경제연구소가 구미와 일본 등의 선진기업 23개사, 중국·인도·멕시코 등의 신흥국 기업 10개사 등 33개사의 주요 동향을 분석한 결과를 근거로 하고 있다.

이번 조사 결과를 토대로 연구소는 △융·복합을 통한 신성장산업 선점 △신흥국 시장 진출을 필수 전략화 △신흥국 기업의 선진국기업 인수합병(M&A) 확산 △제품·서비스의 스마트화 △경영체제의 유연성 제고 등 5개 경영 이슈를 도출했다.

연구소는 5개 경영 이슈에 대응하기 위해 국내 기업들은 글로벌 선진기업의 견제와 신흥국 기업의 도전에 맞서는 노력을 기울여야 하며 이를 위해 시장주도권 경쟁에 과감하게 투자하고 창조적 조직문화 등으로 적극 대처해야 한다고 지적했다. 또 개방형 혁신을 통해 조직 내외부의 자원과 역량을 자유롭게 동원해 신기술·신비즈니스 모델을 혁신해야 하며 현지발 핵심 역량을 창출해야 하고 체계적·전문적인 위기 대응 시나리오를 확보해야 한다고 덧붙였다.

바이오매스(생물유기체)에서 얻는 신에너지원 

바이오에너지는 태양광을 이용하여 광합성되는 유기물(주로 식물체) 및 동 유기물을 소비하여 생성되는 모든 생물 유기체 (바이오매스)의 에너지를 말한다.  

바이오에너지 생산기술이란 동・생물 유기체를 각종 가스, 액체 혹은 고형연료로 변환하거나 이를 연소하여 열, 증기 혹은 전기를 생산하는데 응용되는 화학, 생물, 연소공학 등이다.  

특히 바이오매스는 태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체를 일컫는다. 

따라서 바이오매스자원은 곡물, 감자류를 포함한 전분질계의 자원과 초본, 임목과 볏짚, 왕겨와 같은 농수산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원과 사탕수수, 사탕무와 같은 당질계의 자원은 물론 가축의 분뇨, 사체와 미생물의 균체를 포함하는 단백질계의 자원까지를 포함하는 다양한 성상을 지니게 된다. 이들 자원에서 파생되는 종이, 음식찌꺼기 등의 유기성폐기물도 포함한다. 

화학적합성 공정에서 바이오매스로 이동

최근의 바이오에너지 기술을 살펴보면 지금까지 바이오매스 자원을 이용하여 주로 연료(Eg. Bio-Ehyanol, Hydrogen Etc.)나 화학원료 (Eg. Organic Acid, Other Platform Chemical) 생산기술은 석유자원(Protrochemical Feedstocks)를 이용한 화학적 합성공정에 의존하였으나 이로 인한 환경문제 및 자원고갈 등의 문제가 대두됨 따라 공해 유발형 및 고에너지 소비형 화학원료 생산공정을 재생 가능한 자원 (Renewable Feedstocks)인 바이오매스(Biomass)를 이용한 생물공학적 발효공정으로 대체하여 탈공해 및 저공해의 청정생물공학기술(Green- Biotechnology)을 이룩하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.  

생물유기체(바이오매스)를 구성하는 탄수화물은 석유를 구성하는 탄화수소와 마찬가지로 이론적으로는 화학이다. 

생물공학기술을 응용하여 우리 일상생활에 쓰이는 거의 모든 화학제품을 만들 수 있고, 다만 탄탄한 인프라를 구축하고 값싸게 공급되는 석유화학제품을 경제성 면에서 극복하지 못하고 있을 뿐이다. 

일례로 미국의 카킬사(Cargill Corp.)는 네바라스카 주에 건설된 Biorefinery에서 옥수수를 원료로 Lactic acid(젖산)를 포함한 수개의 화학제품과 생분해성 플라스틱인 Polylactic Acid를 생산하기 시작했다.  

이같은 바이오매스를 이용한 범용 화학제품의 생산은 비 연료유용 석유(나프타)의 소비를 절약할 뿐만 아니라 공정자체의 에너지소비를 줄일수 있어 석유소비를 절감하며, 유화계 플라스틱 등을 대체하여 환경오염을 줄일 수 있다.  

특히 Biorefinery 기술이란 목질계 바이오연료 및 화학원료 생산기술이며, 식물체 등 바이오매스를 원료로 BT(Bio-Technology)를 이용하여 바이오 연료류(에탄올,부탄올, 아세톤 등)와화학원료(젖산, 숙신산)를 만드는 기술과 이를 실현한 플랜트를 말한다. 

해외 기술개발현황 및 동향

우선 해외현황을 보면 1980년대 미국 및 EU는 폐기물의 단순처리 목적으로 소규모 매립장을 다수 설치하였으나 메탄 방출에 의한 지구 온난화 등 환경문제가 심각했다. 

1990년대에는 매립장에서 발생하는 메탄 (LFG: Land Fill Gas, 매립지가스) 을 회수하여 에너지원으로 활용하는 공정을 상용화하였으며 대규모 매립장을 대상으로 주로 설치하여 전기를 생산하고 있다. 

미국은 정부주도의 상용화 기술개발과 보급을 추진하고 있는데, 현재는 연료용 알코올 보급 (28.1억 Gal, 2003), 바이오디젤 보급(2,000만 Gal, 2003), LFG 이용(1998, 360개소, 730MW)에 주력하고 있다. 

1999년 대통령령으로 ‘바이오 연료/화학원료 개발촉진 (제 13134호)’을 선언하고 2010년까지 바이오 에너지 공급을 3배 확충했으며, 구체안은 목질계 알콜 연료, 바이오매스 가스화 발전, Biorefinery 기술개발 상용화와 에너지 작물 재배 기반의 확충을 포함하고 있다. 

유럽은 EU 차원의 기술개발/실증시험 사업과 이미 상당히 발전되고 있는 바이오 에너지를 (바이오디젤, 발전 사업자)공급사업자를 중심으로 보급확대가 일어나고 있으며 온실가스 저감 차원에서 기술개발,보급 확대를 천명했다. 

EU는 현재 바이오디젤 보급이 활발(110만 Ton, 프랑스 2003년) LFG 이용 (400개소, 670MW, 1999), 메탄가스발전시설(100개소, 240MW, 2000)의 실적으로 2010년 E U Campaign For Take-Off (도약의 캠페인) 에 총 대체에너지의 70% 이상을 바이오 에너지 공급할 예정이다. 

EU는 나무를 이용한 지역 열병합발전으로 22백만 Toe/년, 쓰레기 소각열 발전으로 2.1 GW의 전력설비 가동,  폐수의 메탄가스화는 기존의 기술이지만 고농도 유기성 폐기물 (축산분뇨, 하수슬러지, 음식쓰레기 등)의 메탄가스화 기술이 개발되어 1988년 이후 EU 지역에만도 약 100기의 메탄가스화 장치가 보급되어 약 240 MWe의 분산형 전력 및 열을 공급하고 있다. 

EU는 2010년 까지 1,000 MWe의 메탄가스 발전을 보급할 계획- 세계 최초 바이오가스 열차 운행(스웨덴, 2005.10) : 바이오가스 : 늪이나 습지에서 유기물의 Micro-Bacteria의 분해로 생성해 EU의 2005년 바이오가스 Barometer(2004년 생산량 400만 Toe 초과)가 되고 있다.   

바이오에너지 생산량은 영국 독일 프랑스 순이며, 주로 이용하는 것은 열생산(주로 하수처리시설), 발전(주로 쓰레기처리시설), 차량 사용(프랑스, 스웨덴), 천연가스 공급망에 이용(네덜란드)하고 있다.  

메탄 및 바이오에탄올의 시장 규모는 소규모이긴 하지만 90-97년간 연 평균 10%의 성장률을 나타내었으며, 지구 온난화와 연계하여 앞으로 급격히 성장할 것으로 예상되며 미국과 EU는 모두 현재 총 1차 에너지 소비의 3% 내외를 차지하는 바이오매스 에너지 공급을 2010년까지 3배로 늘리는 계획이다.  

인도 에너지자원기구(TERI)의 바이오디젤 상용화 연구에 향후 10년간 940만 USD 투자(2006.2)하고 연간 900만ℓ의 바이오디젤 생산 예정이다.  

브라질은 사탕수수 알콜 180억 ㎘ /년 (115억 Toe /년), 프랑스는 밀가루 전분 150만 ㎘/년의 알콜을, 그리고 EU 국가전역에 연간 약 140만톤의 채종유를 이용한 바이오 디젤이 자동차용 연료로 공급되고 있다. 

바이오에탄올, 바이오수소생산 추가 

국내 기술개발현황을 보면 자원에서 파생되는 종이, 음식찌꺼기등의 유기성폐기물도 포함하고 있으며, 1999년까지 바이오에탄올, 메탄가스화 기술개발 위주로 추진되었으며 1990년대 이후 LFG 이용기술, 바이오수소생산 기술개발 등이 주요 분야로 추가했다.  

현재 전분계 에탄올 연속생산 기술은 실용화 가능 단계에 와있다. 목질계 에탄올 연속생산 기술은 기반기술 확립 단계이며 유가 상승 시 추가 기술개발 및 상용화가 가능한 상태다. 

고율 메탄발효 공정은 상용화 단계로서 보급이 추진 (각종 산업폐수, 음식물 쓰레기 처리)되고 있다. 

국내는 향후 매립지가스(LFG)의 에너지이용기술 개발, LFG이용 발전 시스템 개발(100㎥/h 이상 LFG 포집)ㆍ한전기공, 국내 최초 수도권 매립지 매립가스 자원화 시설인 50MW급 에코에너지 시운전 수주(환경부 주관, 2005.11)해 바이오 수소 제조기술개발ㆍ유기성 폐자원을 이용한 생물학적 수소생산 기술개발할 예정이다.  

바이오디젤은 BD5(경유 95%+바이오디젤 5%)인 경우, 정유사 및 경유 수입 업체에 혼합책임을 부여하고 전 경유 차량에 사용이 가능 하도록 기존의 경유 규격을 개정하여 보급한다. BD20(경유 80%+바이오디젤 20%)인 경우, 석유 대체연료 규격을 제정하여 버스, 트럭 등 자가 정비 가능업체에 보급할 계획이다. 정유업계의 BD5양산 준비기간 및 바이 오업계의 사 업 지속성을 위해 시범보급 사업을 6개월 연장했다.  

한국에너지기술연구원, 세계 최대 팜유 생산국인 말레이시아의 팜오일위원회(MPBO)와 바이오디젤 기술 공동개발에 관한 협정 체결했으며, 석유대체연료사업법 시행령 일부개정령 공포(산자부, 2006.2.14)ㆍ바이오혼합연료와 알코올 혼합연료유 원액이 석유대체연료에 포함ㆍ수입시, 수입부과금 14~16원/ℓ으로 인상한 바 있다. 

바이오에탄올은 휘발유 규격을 개정 하여 MTBE 대체재로 바이오에탄올을 최대 6.7%까지 전 휘발유차량에 사용 가능케 했으며 E10 (휘발유 90%+바이오에탄올10%) 초과의 경우, 자동차 제작사의 적용차량(FFV) 개발 시점에 맞추어 품질규격을제정 예정이다. 

FV(Flexible Fuel Vehicle)는 휘발유, 에탄올 조성에 관계없이 사용할 수 있는 연료 가변형 자동차이다. 바이오 에탄올의 수급을 위한 정책연구 로 ‘해외 바이오 에탄올의 도입타당성 분석연구(’05.7~12)’를 수행ㆍ주유소 유통단계에서 발생가능한 문제점을 파악하기 위하여, 실증연구를 추진 예정이다. 

지식경제부는 브라질 정부에 바이오에탄올 수입의사 전달했고, 알코올을 최우선적인 대체연료로 고려하여 양국 협력 관계를 구축했다.  

기술개발결과 및 실용화 

전분계 에탄올 연속생산 기술은 실용화 가능 단계이다. 목질계 에탄올 연속생산 기술은 기반기술 확립 단계이며 유가 상승시 추가 기술개발 및 상용화가 가능하다.  

고율 메탄발효 공정은 상용화 단계로서 보급이 추진되고 있다. (각종 산업폐수, 음식물 쓰레기 처리) 

LFG 이용 기술개발의 결과로 2개 대규모 프로젝트 (서울 상암, 부산 생곡)가 해외 컨설팅 회사와 협력하여 보급이 추진되고 있으며 향후 급격한 보급확산이 예상되며, 바이오디젤 및 바이오 수소분야는 대학, 연구소 등을 중심으로 기초연구 수행하고 있다.  

화학이 바이오를 만나 신재생에너지로 재탄생

바이오디젤, 바이오매스(Mass) 등 석유 대체 에너지원으로 각광

“강동구가 해바라기씨를 활용해 바이오디젤(Biodiesel)을 만들어 보는 ‘바이오에너지 생산 체험농장 프로그램’을 최근 개설해 큰 인기를 모았다. 암사동 132일대에 2120m2 규모로 조성된 체험농장은 지난해부터 봄에는 유채씨, 가을에는 해바라기씨를 이용해 바이오디젤을 만드는 프로그램을 운영했다. 지난해 처음 개장한 체험 농장에는 총 118회 동안 3,840명이 다녀갈 정도로 높았다.” 

강동구는 2006년부터 전국 지방자치단체 최초로 폐식용유를 활용한 바이오디젤을 만들어 구청 청소차량 31대에 사용, 연간 1억3,000만원의 비용을 절약하는 등 친환경 정책을 실천하고 있다. 

바이오디젤은 식물에서 추출한 기름으로 만든 친환경 무공해 연료로 순수한 상태 또는 경유와 혼합해 난방용, 자동차용 연료로 쓰인다. 식물 씨앗을 압착하는 방법으로 기름을 만드는데 보통 1,500m2당 유채기름은 85ℓ, 해바라기기름은 105ℓ를 채취할 수 있다. 

바이오 화학산업, 신ㆍ재생에너지의 새 패러다임으로 각광 

화석연료의 고갈과 지구 온난화라는 문제에 직면한 인류는 신ㆍ재생에너지 개발의 필연적인 과제에 당면해 있다. 

이런 환경 속에서 원료의 대부분을 석유에 의존하고 있고 온실가스 배출량이 가장 많은 산업 중 하나인 ‘화학산업’이 위기이다. 하지만 ‘화학산업’이 ‘바이오를 만나면서 기회가 되고 있다. 

바이오 화학산업은 BT(Bio Technology)와 CT(Chemical Technology)의 융합기술로, 바이오매스(biomass)를 원료로 에너지나 화학제품을 생산하는 산업을 말한다. 특히 바이오매스는 지속적으로 생산할 수 있고 친환경적이기 때문에 바이오화학기술은 석유를 대체하여 지속가능한 성장을 유도할 수 있는 기반기술로 인식되고 있다.

하지만, 국내 바이오산업의 기술 수준은 일부 발효기술을 제외하면 세계 수준에 크게 못 미치는 실정이다. 이는 연구개발 및 사업화의 바로미터라 할 수 있는 특허출원에 그대로 나타나는데, 그 한 예로 바이오기술을 활용한 카프로락탐(Caprolactam)의 제조기술이 각광을 받고 있다. 

카프로락탐은 현재는 석유화학 원료를 사용해 화학적 공정에 의하여 제조하는데, 최근 네덜란드, 독일, 미국에서는 바이오매스에서 유래한 당(Sugar)을 원료로 발효기술을 이용해 라이신(Lysine)을 제조하고, 이로부터 생물학적 효소를 이용하여 제조하는 기술을 개발하고 있다. 

카프로락탐은 나일론의 원료로 사용되는 외에 타이어코드, 필름, 엔지니어링 플라스틱 등에 광범위하게 사용되는데, 현재 약 120억달러로 추산되는 세계 시장규모는 계속 커질 전망이다. 

바이오 기술을 활용한 카프로락탐 제조기술에 관련된 특허출원을 조사한 결과, 한국특허청에는 2007년, 2008년, 2009년에 각 1건씩 모두 3건이 출원되었는데 모두 외국인 출원(미국 미시건대학 1건, 독일 바스프사 2건)이고, 내국인 출원은 국내는 물론 외국에도 전혀 없는 것으로 나타났다. 

반면, 세계 주요국 특허청에는 모두 26건이 출원된 것으로 조사되었는데, 2005~2008년에는 연간 1~3건에 불과하다가 2009년 들어 8건으로 급격히 증가했다. 

이렇듯 바이오화학산업은 세계적으로 아직까지 성장 초기 단계에 있지만 앞으로 저탄소 녹색기술에 대한 수요에 힘입어 큰 폭의 성장세가 예상되고 있다. 따라서 원유를 전량 수입에 의존하면서도 현재 세계 5위의 석유화학산업 강국으로 도약한 한국은, 이제 그 저력을 바이오화학산업으로 전환하는데 발휘해야 한다는 주문이 일고 있다. 

신성장산업 바이오・에너지 글로벌 기업 경쟁 거세질것

올해 글로벌 기업들은 시장주도권 확보를 위한 공격경영 및 본원적 경쟁력 강화 전략을 펼칠 것으로 전망됐다.

삼성경제연구소가 발표한 ‘2011년 글로벌 기업의 경영 이슈’ 보고서에 따르면 올해 글로벌 기업들은 거시적인 차원에서 글로벌 저성장 기조가 장기화되고 지역 간 성장격차가 확대될 뿐 아니라 기업 간 경쟁이 예전보다 더 격화될 것으로 예상했다. 아울러 원자재가격 상승에 따른 신흥국 인플레이션 발생 등 위험 요인이 산적해 있으며 신성장산업으로 각광받고 있는 바이오・에너지・인프라 산업의 경쟁도 치열해질 것으로 예상했다.

이 같은 예상은 삼성경제연구소가 구미와 일본 등의 선진기업 23개사, 중국・인도・멕시코 등의 신흥국 기업 10개사 등 33개사의 주요 동향을 분석한 결과를 근거로 하고 있다.

이번 조사 결과를 토대로 연구소는 ▲융・복합을 통한 신성장산업 선점 ▲신흥국 시장 진출을 필수 전략화 ▲신흥국 기업의 선진국기업 인수합병(M&A) 확산 ▲제품・서비스의 스마트화 ▲경영체제의 유연성 제고 등 5개 경영 이슈를 도출했다.

연구소는 5개 경영 이슈에 대응하기 위해 국내 기업들은 글로벌 선진기업의 견제와 신흥국 기업의 도전에 맞서는 노력을 기울여야 하며 이를 위해 시장주도권 경쟁에 과감하게 투자하고 창조적 조직문화 등으로 적극 대처해야 한다고 지적했다. 또 개방형 혁신을 통해 조직 내외부의 자원과 역량을 자유롭게 동원해 신기술・신비즈니스 모델을 혁신해야 하며 현지발 핵심 역량을 창출해야 하고 체계적・전문적인 위기 대응 시나리오를 확보해야 한다고 덧붙였다.