바이오 디젤 03 미세조류(Microalgae)

바이오 디젤 03 미세조류(Microalgae)

 

3. 미세조류(Microalgae)

 

미세조류에 대해 조금만 더 이야기해 보겠습니다.

 

1) 생산 과정(Production Cycle)

 

Algae 배양을 위해서는 물, 태양, CO2 이외에 질소, 인, 유황 등 양소(nutrients)가 필요합니다.[1]

 

그리고 대량 배양이 되면, oil과 기타 의약, 화학, 사료 등에 사용되는 다른 공급 원료(feedstock)로 분리되어 추출되는 과정을 거치게 됩니다.

 

2) 배양

 

배양시설의 종류는 크게 수로형 연못, 광생물 반응기, 발효 탱크로 나눠볼 수 있습니다.

 

수로형 연못(Pond)은 개방형 배양시스템으로 단독 또는 몇 개의 channel이 연결되어 순환하도록 구성됩니다. 깊이는 0.3m 정도되며, Algae의 증산을 위해 공급되는 CO2가 대기 중으로 손실되므로 광합성 효율이 상대적으로 낮다는 단점이 있습니다.

 

광생물반응기(photobioreactor)는 수로형 연못과 달리 폐쇄형 배양시스템입니다. Algae 배지 저장기(medium reservoir)와 광수집기(solar collator)로 구성되며 태양광을 이용하여 대규모 scale up 방식으로 제작됩니다.

 

발효탱크(fermentation tank)는 Plastic 또는 steel 재질의 tank에서 algae를 배양하는 방법입니다. 깊이 2m 이상으로 수로형 연못보다 깊습니다.

 

3) 추출

 

대량 배양된 algae는 dewatering으로 algae와 물을 분리한 후 헥산(hexane)으로 반응시키는 과정을 거쳐 algae oil을 추출하게 됩니다.[2]

 

공정	공정내용	사용장비	비고
분리	배양기에서 Algae와 물의 분리	필터	.
건조	분리된 Algae를 건조기에서 건조	Dryer	바이오에탄올 공정은 건조 후 별도의 공정을 요함
반응	Algae를 헥산과 반응시킴	저장탱크	.
분리	반응된 Algae에서 헥산이 포함된 oil과 algae cake를 분리	원심분리기	오일과 cake를 분리하는 과정으로 cake도 헥산 분리를 위한 공정을 가함
증류	Oil에서 헥산을 제거	증류기	헥산 완전제거 및 헥산 회수
추출	헥산을 제거한 crude oil 추출	저장탱크	.

 

이러한 과정을 통하게 되면 Algae에서 약 40%의 oil, 50%의 algae cake(사료 등으로 사용) 및 10% 불순물(loss)이 발생하게 됩니다.

 

4) 미세조류 vs 곡물(Corn, soybean)

 

Algae 생산을 위한 land 필요 면적은 bio ethanol 생산을 위한 corn 또는 soybean 생산 면적 대비 훨씬 적습니다.

미국에서 생산 중인 bioenergy 작물의 토지면적과 비교[3]하면 아래와 같습니다.

 

Crop	Total Land in Cultivation(㎢)	Alage Land Required(㎢)
Sugarcane	227,250	22,700
Oil palm	138,547	9,896
Maize	1,580,300	26,338
Rapeseed	308,053	2,282
Total	2,254,150	61,216
Total(%)	100%	2.7%

 

그 외에 Corn 또는 soybean 등 전분(starch)에서 oil을 생산하는 경우 해당 곡물가격의 상승에 따른 수익성이 저하될 수 있으며, 기아문제가 존재하는데 음식으로 연료를 만든다는 윤리적 논란이 발생할 수 있습니다. 그러나 미세조류에서 생산하는 경우 이러한 논란에서 한 걸음 벗어날 수 있다는 장점이 있습니다.

 

5) 미세조류를 활용한 바이오 디젤 기술의 상용화

 

하지만 중요한 것은 상용화 가능여부일 겁니다. 미국, 독일, 이스라엘 등 세계 각국의 기업들에서는 이미 상용화를 하고 있습니다.

 

상용화 예를 들면, 미국의 Algae 기업인 Solarzyme Inc.에서 bio diesel을 생산하여 미국 해군에 283,000ℓ을 납품하였고, 항공사인 United Airline에도 신재생 항공유(renewable jet fuel)을 2014년부터 매년 20MN gallons(약 70,000MTs) 납품하기로 계약 체결(non-binding)하였습니다.

 

미세조류 바이오매스가 현재 소규모로 생산되고 있지만 2030년까지 전체 에너지 공급의 2.5%를 차지할 것으로 예상됩니다.

 

6) 상용화 문제점

 

그럼 이렇게 좋은 걸 왜 별로 안하는가라는 질문을 할 수 있습니다. 결국 가격문제입니다. 미세조류를 이용한 바이오 연료는 화석연료 보다 가격경쟁력 없습니다.

 

미세조류를 이용한 바이오 디젤 생산 비용은 USD 1.48~5.38/ℓ[4]인데, 한국해양연구원 기술의 비용은 3,500원/ℓ입니다. 2013년까지 2,000원 이하로 생산단가를 낮추는 기술 개발을 목표로 하고 있습니다.

 

석유가 USD 80/배럴일 경우, 바이오 디젤 생산 비용은 USD 0.55/ℓ를 넘으면 경제적 관점에서 채산성 없다고 합니다.

 

가장 효율적인 원자력은 물론 가장 많이 사용하고 있는 화석연료 보다 낮은 생산성은 현재 모든 그린 에너지의 공통 문제점입니다.

 

7) 한국에서의 미세조류 사업

 

다소 오래된 자료이지만 참고삼아 한국에서의 미세조류 사업을 살펴보면 대략 다음과 같습니다.

 

정부는 1998년 교육과학기술부의 21세기 프론티어 연구개발사업의 일환으로 지속적으로 연구 및 생산 추진하고 있습니다. 2011년 신에너지 및 재생에너지 개발•이용•보급 촉진법 제정으로 지식경제부에서 지원을 하고 있습니다.  또한 2011년 해외자원개발사업법 개정에 따라 대상 자원에 algae bio diesel이 추가되어 무역보험공사의 해외자원펀드보험 대상이 되었습니다.

 

공공기관에서는 한국해양연구원, 에너지경제연구원, 한국생명공학연구원 등에서 algae 생산 및 연구를 진행 중 입니다. KAIST, 인하대학교, 경북대학교 등에서 pond에 algae 배양 중이라고 합니다.

 

기업들 중에는 TAC, 그린에너지코리아, NLP 등에서 algae 배양 및 연구 중입니다. 2011.11월 남부발전에서 NLP와 공동으로 algae 배양 실증연구단지 준공식 개최하였습니다. 여기에서는 2015년 준공예정인 삼척화력발전소에서 배출되는 CO2를 선순환시킬 예정이라고 합니다.

 

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[1] The Promise and Challenge of Algae asRenewable Sources of Biofuels, U.S. Department of Energy, 2010.09.08
[2] ‘미세조류 바이오디젤 발전소 특별자산펀드,’ 남상원, 2011.12월; TAC 인용
[3] The Promise and Challenge of Algae asRenewable Sources of Biofuels, U.S. Department of Energy, 2010.09.08; FAO 2007 data 인용
[4] [찾아라, 에너지 블루오션] 해조류•미세조류는 '바이오 연료의 寶庫,' 한국일보, 2011.04.25; 한국에너지기술연구원 인용