바이오 디젤
- 영어: Biodiesel Fuel
1. 개요
식물성 기름이나 동물성 기름을 화학 처리를 통해 경유와 유사한 연료를 제조하여 석유 기반인 경유를 대체하거나 혼합해서 사용하는 연료.
2. 역사
사실 바이오 디젤은, 바이오 에탄올이 휘발유보다 늦게 쓰인 것과는 정 반대로, 석유 디젤보다 더 일찍 쓰였다.
이는 루돌프 디젤이 자신이 직접 제작한 디젤연료로 땅콩기름을 사용했는데, 후에 석유에서 정제된 디젤이 발견됨에 따라 기존의 디젤은 바이오 디젤이란 명칭이 붙게 되었다고 한다.
3. 분류
바이오 디젤 혼합 비율에 따라 분류 된다. 경유 질량에서 바이오디젤이 차지하는 비율이 n%이면 BDn인 식이다.
- 100% 바이오 디젤은 BD100
- 20% 바이오 디젤 혼합은 BD20
- 5% 바이오 디젤 혼합은 BD5
- 2% 바이오 디젤 혼합은 BD2
4. 제조방법과 특성
원료인 기름을 촉매와 섞고 에스터교환(transesterification) 반응과 자유 지방산 제거를 하면 만들어진다.
바이오 디젤 반응 공식. 1번은 '''기름''', 2번은 '''알콜''', 3번이 우리가 찾는 '''바이오 디젤'''이다. 4번은 부산물로 나오는 '''글리세롤'''. 출처.[1] 반응 후엔 디젤[2]과 글리세린[3]이 분리된다. 글리세린이 밀도가 낮아서 위에 뜬다. 방법은 무궁무진하다. 촉매도 여러가지. 논문들을 살펴보면 어지간한 기름은 변환할 수 있는 듯 하다. 단지 기름에 있는 지방산 성분이 문제라면 문제지... 지방산이 너무 많은 기름을 고른다면 만들어지라는 디젤은 안 만들어지고 웬 비누 거품이[4] 한가득 들어가 있을 거다. 그래서 대부분 지방산이 너무 많은 기름은 피한다.
비교적 간단한 공정을 거치기 때문에 수공업 자가 제조도 가능하고[5] 일부 국가에서는 가정용 바이오 디젤 반응기를 판매하고 국내에서도 자가 제조하는 용자들이 있다. 하지만 국내에서는 2010년 대법원 판례에서 자가소비용 바이오디젤 제조도 불법으로 50만원의 벌금형이 선고되어 산업통상자원부에 등록하지 않은 자가 제조도 불법이다. 물론 자가 제조 금지의 가장 큰 이유는 유류세를 걷을 수 없기 때문이겠지만 소규모 자가 제조는 순도를 보장할 수 없어 그다지 권장되지는 않는다. 제조 과정에서 에스터 반응이 불충분하면 점도가 크게 높아져 배관이 막히고 촉매 세척 과정과 수분 제거 과정이 불충분하면 배관 부식이나 폭발까지 일으킬 수 있어 순도가 중요하기 때문이다.
난이도 자체는 학교 실험실에서 재현할 수 있는 수준이나 상당한 노동력을 투입해야 한다. 특히 세척과 물기 제거. 수십번을 씻어내도 비눗기가 안 사라진다. 물도 잘 안 없어지고. 거기다 알콜. 식용유를 변환하는 거라면 거의 메탄올이 쓰이는데[6] 정말 밑도 끝도 없이 들어갈 것이다. 빈말 아니고 기름 몇 리터 만들자고 알콜도 리터단위로 퍼부어야 한다. 과정을 조금만 바꿔주면 비누로도 만들 수 있다. 어차피 글리세린이 에스터 교환 반응에서 부산물.
또한 바이오디젤은 어는점이 일반 경유보다 높고 5℃ 이하 저온에서는 유동성이 떨어져 100%의 바이오디젤을 사용하는 경우는 드물고 일반 경유와 섞어서 사용한다.
5. 제조 원료
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5.1. 식물성 기름
콩기름, 유채기름, 유칼립투스, 팜유 같은 식물성 기름을 원료로 사용하는 것. 문제는 원료 식물 재배를 위해서는 세계적으로 산림파괴와 개간이 일어나고 있으며 애그플레이션(곡물 수요 증가로 인한 가격 상승으로 물가 상승 현상)으로 생산비가 폭증했다. 한국의 현실도 바이오 디젤 원료의 70%이상을 수입하고 있으며 그나마 자체 생산가능한 작물이 유채이나 유휴 경작지를 모두 활용해도 경유 수요의 2.2%, 최대한 경작지를 늘려도 수요의 7.5% 정도로 턱없이 모자라는 상황. 더욱이 대규모 경작지를 가진 국가들[7]과 비교해 한국 상황에선 원가 경쟁력을 가질 수 없다.
5.2. 동물성 기름
소기름, 돼지기름, 고래기름등 동물성 기름을 원료로 사용하는 것. 그나마 대량 생산이 가능한 식물성 기름과 달리 증산에 한계가 있고 식물 재배 대비 효율이 나쁘다.[8] 때문에 기껏해야 폐식용유를 정제해 쓰는 상황. 다만 한국의 현실상 국내 원료의 대부분이 폐식용유다.[9] 특히 정제 기술 발달로 수거량이 늘면서 2013년 폐식용유만 15만톤을 수거해서 원료로 쓰고 도축장 내 동물 유지 및 식당 삼겹살 기름 수거도 폭발적으로 증가하여 12000t 정도가 사용되고 있다.
5.3. 해양 미세조류
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일부 중성지방 생산 비율이 높은 해양 미세조류를 원료로 사용하는 것. 그리고 '''한국의 현실에서 마지막 희망.''' 육상작물에 비해 해양 미세조류의 단위면적당 기름 생산량이 수배에 달하며[10] 성장속도가 빨라 연중 20회 이상 생산이 가능하다.
2009년부터 해양 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산 연구를 진행해 응용단계에 도달한 상태로 2011년 해양바이오디젤이 국가품질기준을 통과했다. 2012년 '해양미세조류 대량배양 실증배양장'을 준공하였으며 단계적으로 2019년 석유 5만톤 대체 규모로 늘려 장기적으로 2030년 연간 석유 500만톤 대체 규모로 늘릴 계획이다. 문제는 경제성으로 2011년 기준 바이오 디젤 1리터당 3500원 수준으로 장기적으로 기술 개발과 대량 생산으로 원가가 지속적으로 낮아지고 있다. 2015년 생산한 해양 바이오 디젤 혼합유로 자동차 주행시험에 성공하였고 2019년 바이오디젤의 생산단가를 경유가격과 같은 수준인 리터당 1달러로 낮추는 상용화도 진행중이다. 다만 셰일 가스 등으로 인해 저유가가 이어지는지라 연구개발의 동력이 영 시원찮아진 것이 문제.
그래도 언제 써먹을지모르는 대한민국의 히든카드 이기도 하다.
5.4. 목질계 바이오매스
미생물로 하여금 목질계 바이오메스를 구성하는 약 65~70%의 포도당과 약 30~35%의 자일로스를 분해시켜 디젤원료로 쓸 미생물 오일을 만들게 하는 것. 하지만 자연계에 존재하는 미생물들은 포도당 분해에는 효과적지만 자일로스는 이용할 수 없다는 한계를 가지고 있었는데, KIST 측에서 유전자 가위를 이용해 이성화 효소를 사용하는 자일로스 대사경로로 미생물의 대사경로를 재설계하고, 그 재설계 개체 중에서 능력이 우수한 개체를 선별해 재배양하는 작업을 해서 미생물 오일 생산수율을 2배 가까이 향상시킨 기술이 글로벌 체인지 바이올로지 바이오에너지 최신호에 기재되었다. 기사 이 방법을 쓴다면 농업, 벌목 작업등으로 발생하는 톱밥, 잔가지, 짚 등은 물론이고 골판지 상자 같은 폐지 등도 사용 가능하다는 것. 다만 공장 생산 단계에까지 들어간 비슷한 원리의 바이오 에탄올과 달리 아직은 실험실 단계이다.
6. 한국의 현황
2002년부터 시범 보급돼온 BD20은 제한적으로 사용하였고 2006년부터 일반 주유소에서 식물성 기름 유래의 0.5%를 혼합한 BD0.5로(...) 판매를 하였고 화물, 고속버스 회사 등에 한해 자가 주유시설에서 BD20을 허용하였다. 2006년 당시 경유 원가 대비 바이오디젤 원가가 1.8배여서 정부에서 면세 혜택을 주면서 저런 처참한 비율이 나온 것. 이후 매년 0.5%포인트씩 높여 2010년까지 2%, 2012년 3%로 비율을 늘려 간다는 계획이었다.
세수문제와 원료 수급문제로 결국 2010년 이후 BD2.0 (2% 혼합)으로 유지됐고 2012년 바이오 디젤의 면세를 폐지한 대신에 바이오 디젤 혼합의무화로 전환하였다. 2015년에 신재생연료 의무혼합제도(Renewable Fuels Standards, RFS)가 시행 예정으로 장기적으로 혼합 비율을 5%정도로 높일 계획.
다만 면세 폐지 및 CNG 차량의 도입으로 BD20주유소는 하나씩 문을 닫아, 현재 남아있는 BD20용 주유소는 없다.
경유에 혼합하는 바이오 디젤과 비슷하게 휘발유에 혼합하여 활용하려는 것이 바이오 에탄올로 역시 RFS 제도 대상이다. 해당 문서 참고.
7. 단점
하지만 바이오 수송연료의 궁극적 (그리고 제일 치명적인) 단점이 농경지뿐만 아니라 질소와 인 자원을 비롯한 비료의 소모량이다. 이 문제점은 농경지를 따로 필요하지 않은 미세조류를 포함한 바이오매스도 포함된다. 특히 인의 경우는 기체 phase를 가지고 있지 않은 원소라 탄소나 질소와 달리 자연적인 순환 메커니즘이 없는 원소다. 70억 명 이상이나 되는 지구의 인구를 유지하기 위해 매년 수억 톤씩이나 채굴되고 있지만 인 또한 매장량이 한정된 자원이다. 인 고갈이 일어난다면 현대 농경기술을 통한 대량 식량생산이 불가능해지며, 현재 전 세계 소모량을 본다면 오히려 석유보다 일찍 고갈될 확률이 높다고 한다. '''즉 비료를 사용해서 연료를 생산한다는 것은 석유 고갈을 막기 위해 인류의 식량생산과 직결된 인을 고갈시키는 것과 다름없다.''' 1 kg의 바이오연료를 생산하려면 0.71 kg의 인이 필요한다는 것을 감안하면 바이오연료는 '''절대로 석유를 대체할 수 없다.'''
심지어 최근엔 연소과정을 통해 에너지를 얻는 방식 자체가 문제가 되고 있는데 지구온난화로 인해 연소 부산물인 이산화탄소 자체가 독성 폐기물 취급을 받기 시작한 것이다. 전기자동차로의 급격한 산업 변화는 이제 필수로 간주되고 있으며 이로 인해 연료를 어디서 어떻게 얻고 있건 모든 내연기관 은 사실상 퇴장을 앞두고 있는 상황이라 바이도 디젤 역시 이러한 변화 속에서 쓸려나갈 수 밖에 없을 것으로 보인다.
[1] 정말 쉬운게 바이오 디젤 관련 논문에 나온 제조 과정 거의 대부분이 그냥 촉매하고 알콜(거의 메탄올 아님 에탄올)만 기름에 던져넣고 계속 끓여주고 나서 글리세린을 따로 분리하고 디젤만 따뜻한 물로 세척하면 끝이다.[2] 기름 분자 안의 지방산이 에스터로 변화된다. 이게 바이오 디젤.[3] 에스터교환 때 기름 안의 알콜이 알콜과 촉매와 반응해서 글리세린으로 변환된다. 이게 기름을 바이오 디젤로 변환할 때 중요한 부산물이다.[4] 지방산이 너무 많으면 지방산이 촉매랑 물과 비누화반응해서 비누가 된다. 반드시 제거해야 한다. 염기성 촉매를 쓴다면 제일 골치아픈 부분.[5] 중고등학교 실험실에 있는 설비와 약품 만으로도 만들 수 있다. 구하기 어려울 만한 게 있다면 핫플레이트 스터러(자동적으로 액체를 가열하면서 동시에 액체를 젓는 기구) 정도. 그 마저도 쉽게 제작가능하고, 굳이 인력으로 하고 싶다면 근성으로 할 수 있다.[6] 에탄올은 식물성 기름에서는 수율이 영 아니다.[7] 미국이나 브라질, 중국 같은 나라들.[8] 소의 에너지 효율은 '1%', 먹인 사료의 1% 만이 소의 몸무게가 되므로 차라리 사료 작물을 원료로 하는 게 효율적이다.[9] 식물성 기름 생산은 통계에 안 잡힐 정도로 소량이고 미세조류는 연구 단계.[10] 종류에 따라 다르지만 연간 1만 평방미터 당 최대 98,500리터의 바이오 연료를 생산할 수 있는데 1세대 원료 중 가장 효율이 높은 오일 팜(야자유)보다 약 16배 이상 많은 생산량이다.