바이오-연료 에너지 기술이 온실가스 저감에 미치는 영향
2019-10-04
org.kosen.entty.User@16a57008
김영일(a337yi)
1. 개요
바이오에너지(bioenergy, 혹은 바이오-연료 에너지)는 생물의 바이오매스(biomass)를 원료로 만든 에너지를 총칭한다. 동, 식물, 균류 등 생물유기물의 바이오매스를 고체, 액체, 기체의 형태의 바이오에너지로 전환하여 인류가 이용 할 수 있다. 바이오에너지는 열발전, 전기 생산, 가정용 에너지와 교통 수송용 연료로 사용이 가능한 화석연료의 대체재로 큰 장점을 가지나, 환경적, 경제적인 관점에서 단점을 가진단 특징이 있다[1].
바이오에너지기술(bioenergy technology)은 바이오매스 원료로부터 석유에서 추출가능한 물질을 생산하는 기술로 정의할 수 있다[2]. 이 기술로 생산된 바이오에너지는 석유계 연료에 비해 적은 오염물질을 배출하게 되어 대기 환경 개선에 실질적인 도움을 줄 수 있다. 물론 바이오에너지 사용시, 이산화탄소가 대기로 방출되나, 방출된 이산화탄소는 바이오매스 생장시 대기로부터 흡수한 이산화탄소임을 고려해야 한다. 바이오매스의 생산은 지속적인 재생산성을 가지고 있어서, 화석연료의 채취, 사용과 같은 원료의 고갈 문제가 없다. 그러나 다량의 바이오매스 원료의 생산을 위해 동남아와 브라질의 산림 지역의 파괴를 일으켜 바이오에너지의 부정적 효과가 부각되기도 한다[2]. 이와 같이 바이오에너지의 개발과 사용은 장단점의 존재와, 이들 장단점의 균형지점(trade off)이 있음을 상기하여야 한다. 어떤 사회, 자연 조건에서 바이오에너지가 대기 및 토지 오염, 기후변화, 육상/수상 생태계 보전, 식량의 공급 등과 같은 문제에 덜 민감한, 긍정적 효과를 포함하는지에 대한 적절한 평가가 필요하다[1].
본 보고서에서는 바이오에너지 사용이 미치는 중요 영향 중, 온실가스 배출에 대해 집중적으로 알아보았다. 산업혁명 이후 급속도로 증가한 이산화탄소 등의 온실가스는 지구 온난화의 주범으로 주목받아 왔다. 자원고갈의 문제가 없는 바이오에너지는 온실가스 저감을 위한 장점을 가지고 있기 때문에, 바이오에너지가 지구온난화 해결에 기여할 수 있는 장점이 분명히 있다. 본론에서는 바이오에너지의 이해를 돕기 위해 바이오에너지 원료와 생산 기술에 대해 알아 보았고, 바이오에너지 개발로 인한 환경에 미치는 장점과 단점, 바이오에너지가 온실가스 저감에 미치는 효과, 그리고 마지막으로 미래 바이오에너지 사용 예측에 대해 기술해 보았다.
2. 주요 내용
2.1. 바이오에너지 원료
바이오에너지의 원료로 에너지 작물(energy crops)이 가장 많이 알려져 있다. 에너지 생산만을 목적으로 하여 재배하는 작물을 총칭하여 에너지작물이라 하는데, 옥수수, 사탕수수, 팜(palm, 종려나무 혹 야자나무) 등의 농산물계 종류와 삼림에서 얻게되는 목질계 종류로 나눌 수 있다. 목질계 바이오매스는 농산물계에 비해 대체적으로 수분이 적은 상태로 연소에 의해 열을 얻는 에너지 자원으로써 적합하다. 이외에 육상에서 얻을 수 있는 농임산 부산물, 유기성 폐기물이 바이오에너지 원료로 쓰인다. 육상 원료의 특성에 맞게 에너지 전환기술을 적용하여 가정용, 수송용 등의 연료를 생산할 수 있다[2].
또다른 형태의 바비오에너지 원료는 조류(algae)이다. 조류는 수환경에서 자라는 생물로, 조류 중 바다에서 생육하는 해조류가 주요 바이오에너지 생산 원료로 사용될 수 있다. 해조류는 1~10일 이내에서 빠르게 재생산되고, 해조류찌꺼기 또한 에너지 생산에 활용 될 수 있단 면에서 바이오에너지 원료로써 활용도가 높다. 해조류는 주로 바이오에탄올, 바이오디젤 생산에 이용할 수 있다. 다만 물이 부족한 건조한 지역의 경우, 물의 공급이 원할하지 못해 조류생산에 대한 제약과 조류 생산시 다른 수생생태계에 나쁜 영향을 줄 수 있단 단점이 있다[1].
2.2. 바이오에너지 생산 기술
바이오에너지 생산 기술은 바이오 에너지 원료를 바이오에너지로 전환하는 기술을 말하는 것으로, 세부적으로 적접연소법, 열화학적 변환법, 생물화학적 변환법, 바이오디젤 제조기법 등의 기술이 있다.
(1) 직접연소법: 바비오매스를 직접 연소하여 열을 얻는 것을 말한다. 열에너지를 사용해 전력을 생산하는 방법도 여기에 포함된다[2].
(2) 열화학적 변환법: 열분해, 고압액체화, 가스화 등의 방법이 모두 포함된다. 열분해와 고압액체화는 고압의 무산소 상태에서 가열하여 바이오매스를 탄소 및 액체로 바꾸는 것을 의미한다. 가스화는 바이오매스를 다양한 가스가 존재하는 상태에서 가열 반응하여 가스를 얻는 기술을 일컫는다[2].
(3) 생물화학적 변환법: 메탄 발효를 통해 바이오 메탄을 생산하는 것과 알코올 발효를 통해 바이오에탄올을 생산하는 것을 포함한 기술이다. 바이오 메탄은 수분을 대량 포함한 유기물 폐기물의 처리에 의해 주로 생산된다. 또한 미생물의 알코올 발효 기능을 이용하여 바이오매스 내 당을 바이오 알코올로 전환할 수 있다. 바이오 알코올 생산의 주요 원료는 옥수수, 사탕수수가 쓰인다[2]. 옥수수, 사탕수수는 인류의 식량으로도 쓰이는 작물로 가격에 따른 원료수급의 문제를 안고 있다[1].
(4) 바이오디젤 제조기법: 식물성 기름을 화학반응에 의한 분해방법으로 고분자인 식물성 기름을 저분자인 물질로 바꿈으로 디젤유와 비슷하게 만드는 기술을 말한다[1].
2.3. 바이오에너지의 장점
바이오에너지 사용의 가장 큰 장점은 화석연료(주로 석유에너지)의 사용율을 낮출 수 있다는데 있다. 최근 발전된 바이오에너지 생산 기술에 기반한 열, 액체, 가스 바이오 에너지 생산이 가능해 짐에 따라, 에너지의 지속가능성은 점점 높아져가고 있다 말할 수 있다. 이들 바이오에너지는 가정용, 산업용, 수송용으로 모두 사용이 가능하다[3]. 특히 수송용으로 이용할 경우 휘발유와 디젤유를 대체하여 이용하거나, 이들 석유류에 일부 첨가하여 이용하게 된다. 첨가하는데 이용할 수 있다.
바이오에너지는 석유에너지에 비해 공해물질이 매우 적어 대기 환경 개선에 도움이 된다. 대기로 배출되는 이산화탄소양을 살펴보면, 바이오에너지 사용에 따른 이산화탄소 증감 효과는 크지 않을 것이란 예측이다. 화석연료를 사용할 경우, 대기로 이산화탄소의 배출만 이루어지지만, 바이오에너지 원료 식물은 대기로부터 흡수한 이산화탄소를 합성해 생장하였기에, 바이오에너지의 사용이 이산화탄소를 증가시키지 않는다. 현재 전 세계적으로 수질, 대기, 토양 오염과 기후변화 등 많은 환경 문제가 인류의 생존을 위협할 요인들로 뽑히고 있다. 그러므로 청정 바이오에너지를 개발하고 활용하는 기술을 확대해 가는 것이 밝은 미래를 위한 전진으로 평가받을 수 있다.
지금까지, 숫불 등과 같이 가정용(요리 및 난방에 사용)으로 사용되는 전통적인 바이오에너지는 총 바이오에너지의 약 80%를 차지하고 있는 것으로 알려졌다. 전세계 약 27억명의 인구가 이와 같은 에너지 사용 방식을 고수하고 있다고 한다. 대부분 아프리카 개발도상국에서 이루어지는 전통적인 방식의 바이오에너지 사용은 환경 친화적이지 못하고, 천연 삼림의 파괴 등의 문제를 낳고 있다. 하지만, 최근 개발된 바이오매스 연소 주방용 레인지는 연소시 발생하는 유해한 대기 오염 물질을 90% 이상 줄일 수 있다고 한다[1]. 이와 같은 발전된 환경정화 기술은 바이오에너지의 장점을 더욱 부각시켜서 인류의 복지를 증진 시킬 수 있다.
2.4. 바이오에너지의 단점
바이오에너지의 사용이 환경적인 면에 미치는 영향은 다소 복잡한 까닭에, 바이오에너지의 종류, 생산과정, 그리고 규모에 따라 다양한 단점이 존재한다. 많은 바이오에너지의 사용은 결국 화석연료의 사용을 감소시키나, 바이오에너지 원료 작물의 재배, 생산에 따른 환경문제가 발생하게 된다. 이러한 환경문제는 토지 이용 및 관리시 야기되는 것으로 대표적으로 토양의 산성화, 가뭄의 증가, 주변 호소의 부영양화 등을 들 수 있다[1].
바이오에너지 원료 작물의 생산을 위한 농경지 개발 시, 육상 생태계에 교란이 일어나게 되고, 대기-육상 생태계간 이산화탄소 순환이 바뀌게 됨으로 온실가스의 총 배출량이 변하게 된다[4]. 농경지 개발 등에 의한 토지피복 변화는 토지 표면의 거칠기, 증발산 등의 생지화학적 요인들을 변화시키기 때문에 지역적 혹은 광역적 기후에 영향을 미치게 된다. 이러한 생지화학 요인의 변화가 기후에 미치는 요인의 크고 작음은 지리적 특성이나 생물군계(biome)의 종류에 따라 다르다[5]. 메탄가스, 아산화질소 가스, 블랙카본(black carbon) 등의 비이산화탄소 온실가스는 바이오에너지 원료 작물의 생산을 위해 경작지에 투입한 비료 등의 인위적 활동에 의한 결과이다[6]. 특히 경작지 확대는 삼림으로 이용하던 지역의 개간으로 이어질 수 있음으로 삼림에 의한 이산화탄소 흡수량에 대한 손실이 일어나게 된다. 더욱이 숲의 나무들을 바이오에너지로 사용하게 되면, 최종적으로 화석연료에 의한 이산화탄소 배출량보다 더 많은 배출이 이루어질 가능성이 있다[7].
이 외에도 바이오에너지 생산 공정에 투입되는 에너지와, 저장, 운송 등에 들어가는 석유 및 기타 에너지의 사용이 요구되고, 이로 인한 결과로 온실가스 배출이 일어난다. 마지막으로, 옥수수와 같은 인간의 주요 곡물을 바이오에너지의 원료로 사용할 시, 식량확보와 비료의 분배에 대한 어려움, 농업 경제의 와해 등의 사회, 경제적 악영향이 나타날 수 있다[8].
2.5. 바이오에너지의 온실가스 저감효과
바이오에너지의 개발과 관련 산업의 육성은 많은 사회, 경제, 환경요인에 영향을 미치게 되기 때문에 바이오에너지가 기후변화에 미치는 영향을 정확히 정량화한다는 것은 어려운 일일 것이다[1]. 바이오에너지의 사용은 결국 지구온난화의 속도를 늦출수 있는 효과가 크단 주장이 있다. 이러한 긍정적 효과는 바이오에너지를 화석연료로 대체할 시 온실가스 배출량을 줄일 수 있는데서 오는 것이며, 이로 인해 결국 자원에 대한 더 효율적인 관리가 가능하게 된다. 화석연료의 경우 지구온난화에 미치는 영향은 오랜 기간 영구적인 것이지만, 바이오에너지에 의한 영향은 매우 임시적이다. 바이오에너지 원료의 탄소 저장량이 감소하지 않는한 바이오에너지의 사용은 지구온난화를 줄일 수 있는 긍정적인 효과를 기대할 수 있다[1].
사실 바이오에너지 원료 확보를 위한 삼림의 이용은 이전 삼림 전체의 탄소 저장량에 비해 탄소량이 증가 혹은 감소하는 결과를 낳을 수 있다. 삼림 관리의 적용, 자연적인 생물/무생물 과정에 변화 경향이 결정될 수 있다. 삼림 지역의 탄소 흡수 능력의 향상은 대기의 온실가스를 줄이는 장점을 가져올 수 있다. 모형 연구에 의한 결과, 조림 사업의 적극적 시행으로 바이오에너지 원료 재배지의 탄소 흡수능력 향상이 가능함을 알 수 있었다[1]. 바이오에너지가 화석연료를 대체할 수 있는 기간 동안의 삼림지역 온실가스 배출량을 예측한다면 온실가스 저감을 위한 더 구체적 노력이 가능할 것이다[9].
바이오에너지 생산 기술에 이산화탄소 포집 기술을 포함한 공정 시스템을 적용할 시, 바이오에너지 생산시 발생할 온실가스를 상당부분 감소시킬 수 있을 것이다. 고비용으로 인한 공정 시스템 도입의 경제적 타당성은 불분명하나, 이 시스템이 운용시 2050년에 연간 2~10 Gt의 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있다고 예측되었다[10].
2.6. 미래 바이오에너지의 사용
미래로 갈수록 바이오에너지 사용이 크게 확대될 것이란 예상이다. IPCC SRREN 시나리오에 의하면, 바이오에너지는 2050년에 이르러 연간 80~190 EJ (EJ: 1018 joules)의 에너지를 전세계에 공금할 것으로 예측되었다. 이를 사용 종류로 나누어보면, 전통적 가정용 연료로 쓰이는 바이오에너지 요구량은 2050년 연간 34 EJ 수준에서 안정화되거나 조금 더 감소할 것이며, 교통, 수송부분 연료는 2008년부터 꾸준히 증가하여 2050년에는 연간 18~20 EJ에 이를 것으로 내다보았다. 또한, 열발전, 산업용으로 쓰는 바이오에너지는 2008년 연간 18 EJ에서 2050년엔 2~4배 증가한 수준인 36~72 EJ에 이를 것이라 예측되었다[1]. 지금까지 바이오에너지 원료의 공급은 재배 농장에 주로 의지하고 있었기에 곡물 농산업과 축산업의 생산량과 바이오에너지 생산량은 상반되게 발전되었단 견해이다. 하지만 일부 과학자들은 미래 토지 면적당 곡물 생산량의 증가와 곡물 사료 수요의 감소가 이어지면, 상대적으로 더 많은 바이오에너지 원료가 확보될 것이고, 이에 따라 바이오에너지의 개발과 사용이 가속화 될 것으로 내다보았다[11].
3. 결론
석유에너지를 대체할 수 있는 재생에너지원으로 바이오에너지가 거의 유일한 것으로 평가되어 왔다. 최근 들어 바이오에너지 작물의 재배와 바이오에너지 생산 설비, 공정 기술의 발전이 이어짐에 따라 바이오에너지의 생산량이 늘어나게 되었고, 고유가로 인해 특히 수송면에서 바이오에너지의 소비가 급격히 이루어지게 되었다[1]. 바이오에너지는 이산화탄소의 배출을 줄임으로 온실가스량 저감에 상당히 기여할 수 있을 것이라 판단된다. 특히 화석 에너지 사용과 원자력 발전 비중이 높은 우리나라의 경우, 바이오에너지의 이용확대는 미래 기후변화에 대한 효율적인 대처 방식이 될 것임이 분명하다. 이러한 사실에도 불구하고 국내의 바이오에너지 보급의 정부 투자가 그동안 부족한 것으로 알려져 있다[12]. 바이오에너지의 개발, 보급, 효율적 사용을 위한 적극적인 정책은 국내 온실가스 저감을 위해 꼭 필요하단 결론이다.
References
1. Creutzig, F. et al. Bioenergy and climate change mitigation: an assessment. GCB Bioenergy 7: 916-944. 2015.
2. 이진원, 박창훈. 바이오에너지의 종류와 생산방법. News & Information for Chemical Engineers 29: 493-499. 2011.
3. Batidzirai, B. et al. Harmonising bioenergy resource potentials - methodological lessons from review of state of the art bioenergy potential assessments. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16: 6598–6630. 2012.
4. Berndes, G. et al. Bioenergy and land use changestate of the art. Wiley Interdisciplinary Reviews: Energy and Environment 2: 282–303. 2013.
5. Bonan, G. Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. Science 320: 1444–1449. 2008.
6. Cai, Z. et al. Nitrous oxide and dinitrogen emissions from soil under different water regimes and straw amendment. Chemosphere 42: 113–121. 2001.
7. Pingoud, K. et al. Global warming potential factors and warming payback time as climate indicators of forest biomass use. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change 17: 369–386. 2012.
8. German, L. et al. The local social and environmental impacts of smallholder-based biofuel investments in Zambia. Ecology and Society 16:12. 2011.
9. Lippke, B. et al. Life cycle impacts of forest management and wood utilization on carbon mitigation: knowns and unknowns. Carbon Management 2: 303–333. 2011.
10. Lenton,T. and Vaughan, N. The radiative forcing potential of different climate geoengineering options. Atmospheric Chemistry and Physics 9: 5539–5561. 2009.
11. Dornburg, V. et al. Bioenergy revisited: key factors in global potentials of bioenergy. Energy and Environmental Science 3:258–267. 2010.
12. 강희찬. 기후변화협약과 바이오에너지. News & Information for Chemical Engineers 27: 674-677. 2009.
바이오에너지(bioenergy, 혹은 바이오-연료 에너지)는 생물의 바이오매스(biomass)를 원료로 만든 에너지를 총칭한다. 동, 식물, 균류 등 생물유기물의 바이오매스를 고체, 액체, 기체의 형태의 바이오에너지로 전환하여 인류가 이용 할 수 있다. 바이오에너지는 열발전, 전기 생산, 가정용 에너지와 교통 수송용 연료로 사용이 가능한 화석연료의 대체재로 큰 장점을 가지나, 환경적, 경제적인 관점에서 단점을 가진단 특징이 있다[1].
바이오에너지기술(bioenergy technology)은 바이오매스 원료로부터 석유에서 추출가능한 물질을 생산하는 기술로 정의할 수 있다[2]. 이 기술로 생산된 바이오에너지는 석유계 연료에 비해 적은 오염물질을 배출하게 되어 대기 환경 개선에 실질적인 도움을 줄 수 있다. 물론 바이오에너지 사용시, 이산화탄소가 대기로 방출되나, 방출된 이산화탄소는 바이오매스 생장시 대기로부터 흡수한 이산화탄소임을 고려해야 한다. 바이오매스의 생산은 지속적인 재생산성을 가지고 있어서, 화석연료의 채취, 사용과 같은 원료의 고갈 문제가 없다. 그러나 다량의 바이오매스 원료의 생산을 위해 동남아와 브라질의 산림 지역의 파괴를 일으켜 바이오에너지의 부정적 효과가 부각되기도 한다[2]. 이와 같이 바이오에너지의 개발과 사용은 장단점의 존재와, 이들 장단점의 균형지점(trade off)이 있음을 상기하여야 한다. 어떤 사회, 자연 조건에서 바이오에너지가 대기 및 토지 오염, 기후변화, 육상/수상 생태계 보전, 식량의 공급 등과 같은 문제에 덜 민감한, 긍정적 효과를 포함하는지에 대한 적절한 평가가 필요하다[1].
본 보고서에서는 바이오에너지 사용이 미치는 중요 영향 중, 온실가스 배출에 대해 집중적으로 알아보았다. 산업혁명 이후 급속도로 증가한 이산화탄소 등의 온실가스는 지구 온난화의 주범으로 주목받아 왔다. 자원고갈의 문제가 없는 바이오에너지는 온실가스 저감을 위한 장점을 가지고 있기 때문에, 바이오에너지가 지구온난화 해결에 기여할 수 있는 장점이 분명히 있다. 본론에서는 바이오에너지의 이해를 돕기 위해 바이오에너지 원료와 생산 기술에 대해 알아 보았고, 바이오에너지 개발로 인한 환경에 미치는 장점과 단점, 바이오에너지가 온실가스 저감에 미치는 효과, 그리고 마지막으로 미래 바이오에너지 사용 예측에 대해 기술해 보았다.
2. 주요 내용
2.1. 바이오에너지 원료
바이오에너지의 원료로 에너지 작물(energy crops)이 가장 많이 알려져 있다. 에너지 생산만을 목적으로 하여 재배하는 작물을 총칭하여 에너지작물이라 하는데, 옥수수, 사탕수수, 팜(palm, 종려나무 혹 야자나무) 등의 농산물계 종류와 삼림에서 얻게되는 목질계 종류로 나눌 수 있다. 목질계 바이오매스는 농산물계에 비해 대체적으로 수분이 적은 상태로 연소에 의해 열을 얻는 에너지 자원으로써 적합하다. 이외에 육상에서 얻을 수 있는 농임산 부산물, 유기성 폐기물이 바이오에너지 원료로 쓰인다. 육상 원료의 특성에 맞게 에너지 전환기술을 적용하여 가정용, 수송용 등의 연료를 생산할 수 있다[2].
또다른 형태의 바비오에너지 원료는 조류(algae)이다. 조류는 수환경에서 자라는 생물로, 조류 중 바다에서 생육하는 해조류가 주요 바이오에너지 생산 원료로 사용될 수 있다. 해조류는 1~10일 이내에서 빠르게 재생산되고, 해조류찌꺼기 또한 에너지 생산에 활용 될 수 있단 면에서 바이오에너지 원료로써 활용도가 높다. 해조류는 주로 바이오에탄올, 바이오디젤 생산에 이용할 수 있다. 다만 물이 부족한 건조한 지역의 경우, 물의 공급이 원할하지 못해 조류생산에 대한 제약과 조류 생산시 다른 수생생태계에 나쁜 영향을 줄 수 있단 단점이 있다[1].
2.2. 바이오에너지 생산 기술
바이오에너지 생산 기술은 바이오 에너지 원료를 바이오에너지로 전환하는 기술을 말하는 것으로, 세부적으로 적접연소법, 열화학적 변환법, 생물화학적 변환법, 바이오디젤 제조기법 등의 기술이 있다.
(1) 직접연소법: 바비오매스를 직접 연소하여 열을 얻는 것을 말한다. 열에너지를 사용해 전력을 생산하는 방법도 여기에 포함된다[2].
(2) 열화학적 변환법: 열분해, 고압액체화, 가스화 등의 방법이 모두 포함된다. 열분해와 고압액체화는 고압의 무산소 상태에서 가열하여 바이오매스를 탄소 및 액체로 바꾸는 것을 의미한다. 가스화는 바이오매스를 다양한 가스가 존재하는 상태에서 가열 반응하여 가스를 얻는 기술을 일컫는다[2].
(3) 생물화학적 변환법: 메탄 발효를 통해 바이오 메탄을 생산하는 것과 알코올 발효를 통해 바이오에탄올을 생산하는 것을 포함한 기술이다. 바이오 메탄은 수분을 대량 포함한 유기물 폐기물의 처리에 의해 주로 생산된다. 또한 미생물의 알코올 발효 기능을 이용하여 바이오매스 내 당을 바이오 알코올로 전환할 수 있다. 바이오 알코올 생산의 주요 원료는 옥수수, 사탕수수가 쓰인다[2]. 옥수수, 사탕수수는 인류의 식량으로도 쓰이는 작물로 가격에 따른 원료수급의 문제를 안고 있다[1].
(4) 바이오디젤 제조기법: 식물성 기름을 화학반응에 의한 분해방법으로 고분자인 식물성 기름을 저분자인 물질로 바꿈으로 디젤유와 비슷하게 만드는 기술을 말한다[1].
2.3. 바이오에너지의 장점
바이오에너지 사용의 가장 큰 장점은 화석연료(주로 석유에너지)의 사용율을 낮출 수 있다는데 있다. 최근 발전된 바이오에너지 생산 기술에 기반한 열, 액체, 가스 바이오 에너지 생산이 가능해 짐에 따라, 에너지의 지속가능성은 점점 높아져가고 있다 말할 수 있다. 이들 바이오에너지는 가정용, 산업용, 수송용으로 모두 사용이 가능하다[3]. 특히 수송용으로 이용할 경우 휘발유와 디젤유를 대체하여 이용하거나, 이들 석유류에 일부 첨가하여 이용하게 된다. 첨가하는데 이용할 수 있다.
바이오에너지는 석유에너지에 비해 공해물질이 매우 적어 대기 환경 개선에 도움이 된다. 대기로 배출되는 이산화탄소양을 살펴보면, 바이오에너지 사용에 따른 이산화탄소 증감 효과는 크지 않을 것이란 예측이다. 화석연료를 사용할 경우, 대기로 이산화탄소의 배출만 이루어지지만, 바이오에너지 원료 식물은 대기로부터 흡수한 이산화탄소를 합성해 생장하였기에, 바이오에너지의 사용이 이산화탄소를 증가시키지 않는다. 현재 전 세계적으로 수질, 대기, 토양 오염과 기후변화 등 많은 환경 문제가 인류의 생존을 위협할 요인들로 뽑히고 있다. 그러므로 청정 바이오에너지를 개발하고 활용하는 기술을 확대해 가는 것이 밝은 미래를 위한 전진으로 평가받을 수 있다.
지금까지, 숫불 등과 같이 가정용(요리 및 난방에 사용)으로 사용되는 전통적인 바이오에너지는 총 바이오에너지의 약 80%를 차지하고 있는 것으로 알려졌다. 전세계 약 27억명의 인구가 이와 같은 에너지 사용 방식을 고수하고 있다고 한다. 대부분 아프리카 개발도상국에서 이루어지는 전통적인 방식의 바이오에너지 사용은 환경 친화적이지 못하고, 천연 삼림의 파괴 등의 문제를 낳고 있다. 하지만, 최근 개발된 바이오매스 연소 주방용 레인지는 연소시 발생하는 유해한 대기 오염 물질을 90% 이상 줄일 수 있다고 한다[1]. 이와 같은 발전된 환경정화 기술은 바이오에너지의 장점을 더욱 부각시켜서 인류의 복지를 증진 시킬 수 있다.
2.4. 바이오에너지의 단점
바이오에너지의 사용이 환경적인 면에 미치는 영향은 다소 복잡한 까닭에, 바이오에너지의 종류, 생산과정, 그리고 규모에 따라 다양한 단점이 존재한다. 많은 바이오에너지의 사용은 결국 화석연료의 사용을 감소시키나, 바이오에너지 원료 작물의 재배, 생산에 따른 환경문제가 발생하게 된다. 이러한 환경문제는 토지 이용 및 관리시 야기되는 것으로 대표적으로 토양의 산성화, 가뭄의 증가, 주변 호소의 부영양화 등을 들 수 있다[1].
바이오에너지 원료 작물의 생산을 위한 농경지 개발 시, 육상 생태계에 교란이 일어나게 되고, 대기-육상 생태계간 이산화탄소 순환이 바뀌게 됨으로 온실가스의 총 배출량이 변하게 된다[4]. 농경지 개발 등에 의한 토지피복 변화는 토지 표면의 거칠기, 증발산 등의 생지화학적 요인들을 변화시키기 때문에 지역적 혹은 광역적 기후에 영향을 미치게 된다. 이러한 생지화학 요인의 변화가 기후에 미치는 요인의 크고 작음은 지리적 특성이나 생물군계(biome)의 종류에 따라 다르다[5]. 메탄가스, 아산화질소 가스, 블랙카본(black carbon) 등의 비이산화탄소 온실가스는 바이오에너지 원료 작물의 생산을 위해 경작지에 투입한 비료 등의 인위적 활동에 의한 결과이다[6]. 특히 경작지 확대는 삼림으로 이용하던 지역의 개간으로 이어질 수 있음으로 삼림에 의한 이산화탄소 흡수량에 대한 손실이 일어나게 된다. 더욱이 숲의 나무들을 바이오에너지로 사용하게 되면, 최종적으로 화석연료에 의한 이산화탄소 배출량보다 더 많은 배출이 이루어질 가능성이 있다[7].
이 외에도 바이오에너지 생산 공정에 투입되는 에너지와, 저장, 운송 등에 들어가는 석유 및 기타 에너지의 사용이 요구되고, 이로 인한 결과로 온실가스 배출이 일어난다. 마지막으로, 옥수수와 같은 인간의 주요 곡물을 바이오에너지의 원료로 사용할 시, 식량확보와 비료의 분배에 대한 어려움, 농업 경제의 와해 등의 사회, 경제적 악영향이 나타날 수 있다[8].
2.5. 바이오에너지의 온실가스 저감효과
바이오에너지의 개발과 관련 산업의 육성은 많은 사회, 경제, 환경요인에 영향을 미치게 되기 때문에 바이오에너지가 기후변화에 미치는 영향을 정확히 정량화한다는 것은 어려운 일일 것이다[1]. 바이오에너지의 사용은 결국 지구온난화의 속도를 늦출수 있는 효과가 크단 주장이 있다. 이러한 긍정적 효과는 바이오에너지를 화석연료로 대체할 시 온실가스 배출량을 줄일 수 있는데서 오는 것이며, 이로 인해 결국 자원에 대한 더 효율적인 관리가 가능하게 된다. 화석연료의 경우 지구온난화에 미치는 영향은 오랜 기간 영구적인 것이지만, 바이오에너지에 의한 영향은 매우 임시적이다. 바이오에너지 원료의 탄소 저장량이 감소하지 않는한 바이오에너지의 사용은 지구온난화를 줄일 수 있는 긍정적인 효과를 기대할 수 있다[1].
사실 바이오에너지 원료 확보를 위한 삼림의 이용은 이전 삼림 전체의 탄소 저장량에 비해 탄소량이 증가 혹은 감소하는 결과를 낳을 수 있다. 삼림 관리의 적용, 자연적인 생물/무생물 과정에 변화 경향이 결정될 수 있다. 삼림 지역의 탄소 흡수 능력의 향상은 대기의 온실가스를 줄이는 장점을 가져올 수 있다. 모형 연구에 의한 결과, 조림 사업의 적극적 시행으로 바이오에너지 원료 재배지의 탄소 흡수능력 향상이 가능함을 알 수 있었다[1]. 바이오에너지가 화석연료를 대체할 수 있는 기간 동안의 삼림지역 온실가스 배출량을 예측한다면 온실가스 저감을 위한 더 구체적 노력이 가능할 것이다[9].
바이오에너지 생산 기술에 이산화탄소 포집 기술을 포함한 공정 시스템을 적용할 시, 바이오에너지 생산시 발생할 온실가스를 상당부분 감소시킬 수 있을 것이다. 고비용으로 인한 공정 시스템 도입의 경제적 타당성은 불분명하나, 이 시스템이 운용시 2050년에 연간 2~10 Gt의 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있다고 예측되었다[10].
2.6. 미래 바이오에너지의 사용
미래로 갈수록 바이오에너지 사용이 크게 확대될 것이란 예상이다. IPCC SRREN 시나리오에 의하면, 바이오에너지는 2050년에 이르러 연간 80~190 EJ (EJ: 1018 joules)의 에너지를 전세계에 공금할 것으로 예측되었다. 이를 사용 종류로 나누어보면, 전통적 가정용 연료로 쓰이는 바이오에너지 요구량은 2050년 연간 34 EJ 수준에서 안정화되거나 조금 더 감소할 것이며, 교통, 수송부분 연료는 2008년부터 꾸준히 증가하여 2050년에는 연간 18~20 EJ에 이를 것으로 내다보았다. 또한, 열발전, 산업용으로 쓰는 바이오에너지는 2008년 연간 18 EJ에서 2050년엔 2~4배 증가한 수준인 36~72 EJ에 이를 것이라 예측되었다[1]. 지금까지 바이오에너지 원료의 공급은 재배 농장에 주로 의지하고 있었기에 곡물 농산업과 축산업의 생산량과 바이오에너지 생산량은 상반되게 발전되었단 견해이다. 하지만 일부 과학자들은 미래 토지 면적당 곡물 생산량의 증가와 곡물 사료 수요의 감소가 이어지면, 상대적으로 더 많은 바이오에너지 원료가 확보될 것이고, 이에 따라 바이오에너지의 개발과 사용이 가속화 될 것으로 내다보았다[11].
3. 결론
석유에너지를 대체할 수 있는 재생에너지원으로 바이오에너지가 거의 유일한 것으로 평가되어 왔다. 최근 들어 바이오에너지 작물의 재배와 바이오에너지 생산 설비, 공정 기술의 발전이 이어짐에 따라 바이오에너지의 생산량이 늘어나게 되었고, 고유가로 인해 특히 수송면에서 바이오에너지의 소비가 급격히 이루어지게 되었다[1]. 바이오에너지는 이산화탄소의 배출을 줄임으로 온실가스량 저감에 상당히 기여할 수 있을 것이라 판단된다. 특히 화석 에너지 사용과 원자력 발전 비중이 높은 우리나라의 경우, 바이오에너지의 이용확대는 미래 기후변화에 대한 효율적인 대처 방식이 될 것임이 분명하다. 이러한 사실에도 불구하고 국내의 바이오에너지 보급의 정부 투자가 그동안 부족한 것으로 알려져 있다[12]. 바이오에너지의 개발, 보급, 효율적 사용을 위한 적극적인 정책은 국내 온실가스 저감을 위해 꼭 필요하단 결론이다.
References
1. Creutzig, F. et al. Bioenergy and climate change mitigation: an assessment. GCB Bioenergy 7: 916-944. 2015.
2. 이진원, 박창훈. 바이오에너지의 종류와 생산방법. News & Information for Chemical Engineers 29: 493-499. 2011.
3. Batidzirai, B. et al. Harmonising bioenergy resource potentials - methodological lessons from review of state of the art bioenergy potential assessments. Renewable and Sustainable Energy Reviews 16: 6598–6630. 2012.
4. Berndes, G. et al. Bioenergy and land use changestate of the art. Wiley Interdisciplinary Reviews: Energy and Environment 2: 282–303. 2013.
5. Bonan, G. Forests and climate change: forcings, feedbacks, and the climate benefits of forests. Science 320: 1444–1449. 2008.
6. Cai, Z. et al. Nitrous oxide and dinitrogen emissions from soil under different water regimes and straw amendment. Chemosphere 42: 113–121. 2001.
7. Pingoud, K. et al. Global warming potential factors and warming payback time as climate indicators of forest biomass use. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change 17: 369–386. 2012.
8. German, L. et al. The local social and environmental impacts of smallholder-based biofuel investments in Zambia. Ecology and Society 16:12. 2011.
9. Lippke, B. et al. Life cycle impacts of forest management and wood utilization on carbon mitigation: knowns and unknowns. Carbon Management 2: 303–333. 2011.
10. Lenton,T. and Vaughan, N. The radiative forcing potential of different climate geoengineering options. Atmospheric Chemistry and Physics 9: 5539–5561. 2009.
11. Dornburg, V. et al. Bioenergy revisited: key factors in global potentials of bioenergy. Energy and Environmental Science 3:258–267. 2010.
12. 강희찬. 기후변화협약과 바이오에너지. News & Information for Chemical Engineers 27: 674-677. 2009.