제2세대 바이오연료

Second-generation biofuels

첨단 바이오 연료로도 알려진 2세대 바이오 연료는 다양한 종류의 비식품 바이오매스로 제조할 수 있는 연료다. 이러한 맥락에서 바이오매스는 특히 연료의 공급원으로 사용되는 식물 물질과 동물 배설물을 의미한다.

1세대 바이오 연료는 설탕-starch feedstock(예: 사탕수수, 옥수수)과 식용유 공급원료(예: 유채, 콩기름)로 만들어지는데, 이는 일반적으로 바이오에탄올과 바이오디젤로 전환된다. [1]

2세대 바이오 연료는 다른 공급원료로 만들어지기 때문에 그것들로부터 유용한 에너지를 추출하기 위해 다른 기술이 필요할 수 있다. 2세대 사료작물로는 리그노셀룰로오스 바이오매스나 목질작물, 농업잔류물 또는 폐기물 등이 있으며, 식량생산에 부적합한 한계지대에서 재배되는 전용 비식품 에너지 작물도 있다.

2세대 바이오 연료라는 용어는 공급원을 바이오 연료로 가공하는 데 사용되는 '첨단' 기술뿐만 아니라 비식품 작물, 바이오매스 및 폐기물을 적합한 경우 공급원으로 사용하는 기술에도 느슨하게 사용된다. 이것은 상당한 혼란을 야기한다. 따라서 2세대 피드스톡과 2세대 바이오연료 가공 기술을 구분하는 것이 중요하다.

2세대 바이오연료의 개발은 바이오연료 생산을 위한 농지나 농작물을 식량공급의 손상으로 전환하는 위험에 관한 식품 대 연료 딜레마 이후 자극을 받아왔다. 바이오 연료와 식품 가격 논쟁은 광범위한 관점을 포함하고 있으며, 문학에서 오랫동안 논란이 되어왔다.

소개

제2세대 바이오연료 기술은 1세대 바이오연료 생산에 식품작물을 사용함으로써 발생하는 식품안전에 대한 우려 때문에 비식품 바이오연료 공급원 사용이 가능하도록 개발되었다.[2] 식용 식품 바이오매스를 생물연료 생산으로 전환하는 것은 이론적으로 식품과 토지 사용과의 경쟁을 유발할 수 있다.

1세대 바이오에탄올은 식물에서 유래한 설탕을 에탄올에 발효시켜 생산하는데, 맥주나 와인 제조에 사용되는 것과 유사한 과정을 사용한다(에탄올 발효 참조). 이를 위해서는 사탕수수, 옥수수, 밀, 사탕무와 같은 사료 작물을 사용해야 한다. 우려되는 것은 이러한 식량 작물이 바이오 연료 생산에 사용될 경우 일부 국가에서 식량 가격이 상승하고 식량 부족이 발생할 수 있다는 점이다. 옥수수, 밀, 사탕무도 비료의 형태로 높은 농업 투입을 요구할 수 있는데, 이는 달성할 수 있는 온실가스 감축을 제한한다. 유채유, 팜유, 또는 다른 식물유로부터 트랜세스터화하여 생산되는 바이오디젤도 1세대 바이오연료로 간주된다.

제2세대 바이오연료 공정의 목표는 일단 식재료를 채취하면 남겨지는 줄기, 잎, 껍질 등 현재 작물의 잔류 비식품 부분으로 구성된 바이오매스(biomass)와 식용으로 사용되지 않는 다른 작물(비-f)을 활용하여 지속가능하게 생산할 수 있는 바이오연료의 양을 확대하는 것이다.우드 작물), 예를 들어 스위치그래스, 풀, 자트로파, 통곡물 옥수수, 곡물이 거의 없는 오수캐스투스, 곡물, 그리고 과일 압착으로 인한 과육 등의 산업 폐기물도 있다.[3]

2세대 바이오 연료 프로세스가 다루고 있는 문제는 이 목질이나 섬유질 바이오매스로부터 유용한 공급원을 추출하는 것인데, 이 바이오매스에서는 리긴, 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스 등에 의해 유용한 당분이 갇혀 있다. 모든 식물은 리닌, 헤미셀룰로스, 셀룰로오스 등을 함유하고 있다. 이것들은 복합 탄수화물이다. 리그노셀룰로스 에탄올은 효소, 증기 가열 또는 다른 전처리제를 사용하여 셀룰로오스로부터 설탕 분자를 자유롭게 하여 만들어진다. 이 당분들은 발효되어 1세대 바이오에탄올 생산과 같은 방식으로 에탄올을 생산할 수 있다. 이 과정의 부산물은 리닌이다. 리긴은 탄소중립 연료로 연소되어 가공 공장 및 주변 가정과 사업체를 위한 열과 전력을 생산할 수 있다. 열수질 매체의 열화학 공정(액화작용)은 연료를 대체하거나 증가시킬 수 있는 잠재력이 있는 광범위한 공급 원료로부터[4] 액체 기름 제품을 생산할 수 있다. 그러나 이 액체 제품들은 디젤이나 바이오디젤 표준에 미치지 못한다. 하나 이상의 물리적 또는 화학적 과정을 통해 액화 제품을 개량하면 연료로 사용하기 위한 특성이 개선될 수 있다.[5]

제2세대 기술

다음의 하위섹션은 현재 개발 중인 주요 2세대 노선을 설명한다.

열화학적 경로

탄소 기반 물질은 산소, 공기 및/또는 증기(가스화)가 없는 경우 고온에서 가열될 수 있다.

이러한 열화학 공정은 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 기타 탄화수소를 포함한 기체와 물을 혼합하여 산출한다. 열분해 또한 단단한 차자를 생산한다. 가스는 에탄올, 합성 디젤, 합성 가솔린 또는 제트 연료를 포함한 다양한 연료로 발효되거나 화학적으로 합성될 수 있다.[6]

150–374 °C 지역의 낮은 온도 과정도 있는데, 첨가물을 사용하거나 첨가물을 사용하지 않고 물의 바이오매스를 분해하여 당분을 생성한다.

가스화

주요기사 : 기체화

석탄, 원유 등 재래식 사료용 가스화 기술이 잘 구축돼 있다. 2세대 가스화 기술로는 산림과 농업 잔류물의 가스화, 폐목재, 에너지 작물, 흑주 등이 있다.[7] 일반적으로 출력은 예를 들어 추가 합성을 위한 승이다. 디젤 연료, 바이오메타놀, 바이오DME(디메틸에테르), 디메틸에테르 또는 바이오메탄(합성 천연가스)[8]의 촉매변환을 통한 가솔린 등 피셔-트로프슈 제품. 승라는 또한 열 생산과 가스 모터 또는 가스 터빈을 통한 기계 및 전력 생성에 사용될 수 있다.

열분해

주요 기사: 열분해

열분해술은 산소가 없을 때 높은 온도에서 유기물을 분해하는 데 있어 잘 확립된 기술이다. 2세대 바이오 연료 애플리케이션 숲과 농업 잔류물에서는 목재 폐기물 및 에너지 작물을 연료 오일 애플리케이션용 바이오 오일 등의 생산을 위한 공급 원료로 사용할 수 있다. 바이오오일은 일반적으로 원유를 대체할 정유 공급원료로 적합하게 만들기 위해 상당한 추가 처리가 필요하다.

토리프랙션

주요 기사: 토리프랙션

Torrefaction은 일반적으로 200~320 °C 사이의 온도에서 열분해의 일종이다. 피드와 출력은 열분해와 동일하다.

열액화

주요 기사: 열액화

열수액화란 습한 물질을 가공할 수 있는 열분해와 비슷한 과정이다. 이 프로세스는 일반적으로 최대 400 °C의 적당한 온도로 대기압보다 높다. 광범위한 물질을 다루는 능력은 열수액화 작용을 연료와 화학 생산 공급원료를 생산하는 데 사용할 수 있게 한다.

생화학적 경로

주요 기사: 생화학

현재 다른 애플리케이션에서 사용되고 있는 화학적, 생물학적 공정은 2세대 바이오 연료에 적용되고 있다. 생화학적 공정은 일반적으로 리닌, 헤미셀룰로스, 셀룰로오스를 분리하는 가수분해 과정을 가속화하기 위해 전처리법을 채택한다. 이 성분들이 분리되면 셀룰로오스 분수는 알코올로 발효될 수 있다.[6]

사료용 가축은 에너지 작물, 농업 및 산림 잔류물, 식품 산업 및 시립 생물과 당분을 함유한 기타 바이오매스다. 제품에는 알코올(에탄올, 부탄올 등)과 운송용 탄화수소가 포함된다.

바이오 연료의 종류

다음의 2세대 바이오 연료가 개발 중에 있지만, 이들 바이오 연료의 대부분은 기존 공급원료, 1세대 및 2세대 바이오 연료와 관련된 공정에서 동일한 방법을 사용하여 승라와 같은 중간 생산물에서 합성된다. 눈에 띄는 특징은 궁극적인 오프 테이크(Off-take)가 아닌 중간 제품을 생산하는 데 관여하는 기술이다.

가스(보통 승)에서 액체 연료를 생산하는 공정을 기체 대 액체(GtL) 공정이라고 한다.[9] 바이오매스가 기체 생산의 원천인 경우, 그 과정을 바이오매스 투 리퀴드(BTL)라고도 한다.

촉매제를 사용한 승라로부터

  • 바이오메타놀은 인프라 변경 없이 메탄올 모터에 사용하거나 휘발유와 10~20%까지 혼합해 사용할 수 있다.[10]
  • 바이오DME는 촉매 탈수증을 이용해 바이오메타놀에서 생산하거나 직접 DME 합성을 이용해 승아에서 직접 생산할 수 있다. DME는 압축 점화 엔진에 사용될 수 있다.
  • 생물 유래 휘발유는 고압 촉매 응축 반응을 통해 DME에서 생산될 수 있다. 바이오에서 유래된 휘발유는 화학적으로 석유에서 유래된 가솔린과 구별할 수 없기 때문에 가솔린 풀에 혼합될 수 있다.[11]
  • 생물 수소는 전기를 생산하기 위해 연료 전지에 사용될 수 있다.
  • 혼합 알코올(즉, 에탄올, 프로판올, 부탄올의 혼합물, 펜탄올, 헵탄올, 옥탄올 일부 포함) 혼합 알코올은 여러 종류의 촉매를 가진 승아에서 생산된다. 몇몇은 메탄올에 사용되는 것과 비슷한 촉매를 사용했다.[12] 몰리브덴 황화[13] 촉매가 다우케미칼에서 발견돼 상당한 관심을 받고 있다.[14] 촉매 제형에 황화 코발트를 첨가하여 성능을 향상시키는 것으로 나타났다.[13] 몰리브데넘 황화 촉매는 잘[15] 연구되었지만 아직 널리 사용되는 것을 발견하지 못했다. 이러한 촉매들은 열화학 플랫폼에 있는 미국 에너지부의 바이오매스 프로그램에서 노력의 초점이 되어 왔다.[16] 고귀한 금속 촉매는 또한 혼합 알코올을 생산하는 것으로 나타났다.[17] 이 지역의 연구개발은 대부분 에탄올 생산에 집중돼 있다. 그러나 일부 연료는 혼합 알코올로 판매된다(Ecalene[18] 및 E4 Envirolene 참조).[19] 혼합 알코올은 알코올 함량이 높을수록 에너지 함량이 높기 때문에 순수 메탄올이나 에탄올보다 우수하다. 또 혼합할 때 알코올이 높을수록 휘발유와 에탄올의 호환성이 높아져 내수성이 높아지고 증발 가스도 줄어든다. 또한 알코올이 높을수록 에탄올보다 기화 열도 낮아 콜드 스타트(콜드 스타트)에 중요하다.(바이오매스에서 혼합 알코올을 생산하는 또 다른 방법은 바이오매스의 바이오매스(biomass)를 혼합 알코올 연료로 변환하는 것을 참조)
  • 사바티어 반응을 통한 바이오메탄(또는 바이오-SNG)

Fischer-Tropsch를 사용한 승라로부터

주요 기사: 피셔-트로프슈 공정

Fischer-Tropsch(FT) 프로세스는 기체와 액체 간(GtL) 프로세스다.[9] 바이오매스가 기체 생산의 원천인 경우, 그 과정을 바이오매스 투 리퀴드(BTL)라고도 한다.[20][21] 이 과정의 단점은 FT 합성을 위한 높은 에너지 투자고, 결과적으로 그 과정은 아직 경제적이지 않다는 것이다.

  • FT 디젤은 인프라 변경 없이 얼마든지 화석 디젤과 혼합할 수 있으며, 더욱이 합성 등유를 생산할[3] 수 있다.

생체투석

  • 생물 수소는 특정 조건에서 수소를 직접 생산하는 유기체로 이루어질 수 있다. 생물 수소는 전기를 생산하기 위해 연료 전지에 사용될 수 있다.
  • 대장균과 효모 등 숙주에 표현되는 재조합 경로를 통한 부탄올과 이소부탄올은 포도당을 탄소 및 에너지원으로 사용하는 발효의 중요한 산물일 수 있다.[22]
  • DMF(2,5-디메틸푸란) 최근 촉매 바이오매스-액체 공정을 이용해 과당과 포도당으로부터 DMF를 생산하는 발전이 그 매력을 높였다.

기타공정

  • HTU(Hydro Thermal Upgrade) 디젤은 습식 바이오매스에서 생산된다. 인프라 없이도 얼마든지 화석연료와 섞일 수 있다.[23]
  • 목재 디젤. 새로운 바이오 연료는 조지아 대학교에 의해 나무 찹으로부터 개발되었다. 오일을 추출한 다음 개조되지 않은 디젤 엔진에 첨가한다. 새 식물은 오래된 식물을 대체하기 위해 사용되거나 심어져 있다. 숯 부산물은 비료로 흙 속에 다시 넣는다. 톰 아담스 원장에 따르면, 탄소가 토양에 다시 주입되기 때문에, 이 생물연료는 사실 탄소중립만이 아니라 탄소중립이 될 수 있다. 탄소 음극은 공기 중의 이산화탄소를 감소시켜 온실 효과를 역전시킨다.[citation needed]

2세대 피드스톡

2세대 공급원료로 자격을 얻으려면 공급원이 인간의 소비에 적합하지 않아야 한다. 2세대 바이오 연료 공급원에는 특별히 재배된 먹을 수 없는 에너지 작물, 경작할 수 없는 기름, 농업 및 생활 폐기물, 폐유, 조류 등이 포함된다.[24] 그럼에도 불구하고 곡물이나 설탕 작물은 2세대 가공 기술의 공급원으로도 쓰인다. 에너지 공급원료로 바이오매스를 개발하는 적합성을 평가할 때는 토지 이용, 기존 바이오매스 산업 및 관련 전환 기술을 고려해야 한다.[25]

에너지 작물

주요 기사: 에너지 작물

식물은 리닌, 헤미셀룰로오스, 셀룰로오스로 만들어진다. 2세대 기술은 이 부품들 중 하나, 둘 또는 모두를 사용한다. 일반적인 리그노셀룰로스 에너지 작물로는 밀짚, 아룬도 도낙스, 미스캔투스 spp, 짧은 회전 코피스 포플러, 버드나무가 있다. 하지만, 각각의 곡물은 다른 기회를 제공하며, 어떤 작물도 '최고의' 혹은 '최악의'[26]로 여겨질 수 없다.

시 고형 폐기물

주요 기사: 에너지 낭비

시 고형폐기물은 매우 광범위한 재료로 구성되며, 총 폐기물 아리스팅이 증가하고 있다. 영국에서는 재활용 이니셔티브를 통해 폐기물이 곧바로 처리되는 비율이 감소하고 있으며, 재활용 수준은 매년 증가하고 있다. 그러나 가스화 또는 열분해를 통해 이 폐기물을 연료로 전환할 수 있는 중요한 기회가 남아 있다.[27]

녹색폐기물

주요기사:녹색폐기물

산림 잔여물이나 정원 또는 공원[28] 폐기물과 같은 녹색 폐기물을 다른 경로를 통해 바이오 연료를 생산하는데 사용할 수 있다. 예를 들어 생분해성 녹색 폐기물에서 포획된 바이오가스, 촉매 처리를 통한 바이오 연료로의 추가 처리를 위한 가스화 또는 승라로의 가수분해 등이 있다.

흑주

주요 기사: 블랙 주류와 톨 오일

진한 리그닌과 헤미셀룰로오스 성분이 함유된 크래프트 공정에서 사용된 사용후 조리용 술인 흑주는 바이오메타놀 또는 바이오DME와 같은 추가 합성을 위한 승라를 생산하기 위해 매우 높은 전환 효율과 온실가스 감축 잠재력으로[29] 가스를 첨가할 수 있다.

공정에서 발생하는 원고유 수율은 30-50 kg/t 펄프의 범위에 있다.[30]

온실가스 배출량

리그노셀룰로스 바이오 연료는 화석 석유(Börjesson)와 비교해 온실가스 배출을 60-90% 줄인다.P. 외 2013. Dagens och framtidens hållbara biodrividel)는 현재 최고가치가 60-80%인 1세대 바이오연료의 개선과 대등한 수준이다. 2010년 EU 내에서 사용되는 바이오 연료의 평균 절약량은 60%(Hamelinck)이다.C. et al. 2013 재생 에너지 발전 및 바이오 연료의 지속가능성, 유럽 위원회 보고서). 2013년 스웨덴에서 사용되는 바이오 연료의 70%가 66% 이상으로 배출량을 줄였다. (Energimyndigheten 2014) Hållbara biodrividel och flytande biobrancelen 2013).

상업개발

운영 중인 리그노셀룰로스 에탄올 생산 공장은 Iogen Corporation이 운영하는 캐나다에 위치해 있다.[31] 시범 규모 공장은 매년 약 70만 리터의 바이오에탄올을 생산한다. 상업 공장이 건설 중이다. 북아메리카와 전 세계적으로 많은 리그노셀룰로오스 에탄올 공장들이 추가로 제안되었다.

스웨덴 외른스콜드스비키에 있는 스웨덴 특산 셀룰로오스 밀레 돔스 파브리커는 켐렉의 블랙 주류 가스화 기술을 이용해 바이오레퍼니를 개발한다.[32] 2015년 위탁 시 바이오메타놀은 연간 14만t 또는 10만t의 바이오DME를 생산해 스웨덴의 운송용 경유 수입량의 2%를 대체하게 된다. 2012년 5월, 돔셰가 이 계획을 포기했다는 사실이 밝혀져, 이 노력을 효과적으로 죽였다.

영국에서는 INEOS 바이오와 브리티시 에어웨이즈와 같은 기업들이 각각 2013년과 2014년까지 건설될 예정인 첨단 바이오 연료 정유시설을 개발하고 있다. 바람직한 경제 여건과 정책 지원의 강력한 개선 아래, NNFCC의 예상에 따르면, 발전된 바이오 연료가 2020년까지 영국 운송 연료의 4.3%를 충족하고 거의 백만대의 자동차를 도로에서 빼내는 것과 같은 연간 320만톤의 이산화탄소를
절약할 수 있을 것으로 보인다.[26]

핀란드의 헬싱키, 2012년 2월 1일 – UPM은 핀란드 라페난타에서 원유로부터 바이오 연료를 생산하는 생물학적 피니머리에 투자한다. 산업 규모 투자는 세계 최초다. 생물다양성은 수송을 위해 매년 약 10만 톤의 고급 2세대 바이오디젤을 생산할 것이다. 생물재료를 만드는 공사는 UPM 카우카스 제분소에서 2012년 여름 착공해 2014년 완공될 예정이다. UPM의 총 투자액은 약 1억 5천만 유로에 이를 것이다.[33]

캘거리, 앨버타, 2012년 4월 30일 – 아이오젠 에너지 회사는 공동 소유주인 로열 더치셸 및 아이오젠 사와 전략 및 활동을 재정비하는 새로운 계획에 합의했다. Shell은 산업 규모의 첨단 바이오 연료 생산을 위한 상업적 해결책을 찾기 위해 여러 경로를 계속 탐색하고 있지만, 회사는 남부 매니토바주에 더 큰 규모의 셀룰로오스 에탄올 시설을 건설하기 위해 개발 중인 프로젝트를 추진하지 않을 것이다.[34]

인도에서는 인도 석유회사가 전국에 7개의 2세대 정유시설을 건설하기로 합의했다. 2G 바이오연료 공장 건설에 참여할 기업은 인도석유공사(IOCL), HPCL, BPCL 등이다.[35] 2018년 5월 인도 정부는 바이오 연료 정책을 발표했는데, 이 정책은 INR 5,000 크로어를 2G 바이오 파이널을 설치하는데 할당하였다. 인도의 석유 마케팅 회사들은 1만개의 크로아티아 생산 설비 투자금으로 12개의 정유소를 건설하는 과정에 있었다. [36]

참고 항목

참조

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외부 링크