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바이오알콜의 차량 연료로 활용 현황 및 전망

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2014-07-29 03:07:13

본문

1. 서론

온난화에 따른 기후 변화가 인류의 생존을 위협하는 중대 이슈로 부각됨에 따라 온난화 해결을 위해 CO2 배출을 줄이기 위한 국제 사회의 노력이 가속화되고 있다. 국제 에너지 기구(IEA) 분석에 따르면 기후 변화 문제 해결을 위해 감축해야 할 CO2 양은 약 4.3×1010t CO2 이며 이중 약 37%를 수송 부문에서 감축해야 할 것으로 예측되었다. 이와 같은 수송 부문에서의 CO2 감축은 차량 엔진 효율 개선, 수소 연료전지 또는 전기 자동차 등의 도입 등과 함께 수송용 바이오연료의 보급 확대가 필요한 것으로 나타났다(그림 1).

글 / 이진석 (한국에너지기술연구원)
출처 / 오토저널 4월호

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수송용 바이오연료는 기 구축된 수송 인프라(차량 및 연료 유통 망(주유소))을 통해 직접 보급이 가능하므로 보급 확대가 매우 용이하다는 장점이 있다. 따라서 2000년대 중반 이후 기후변화 문제가 국제사회의 중요 이슈로 부각됨에 따라 바이오연료의 중요성이 재평가되면서 보급이 가파르게 증가하고 있다. 현재 수송 부문에서의 바이오연료 점유율은 약 3%이며 에탄올과 바이오디젤로 보급되고 있다.

에탄올이 전체 바이오연료의 약 80%를 차지하고 있으며 가솔린 차량이 많은 미국과 브라질을 중심으로 에탄올 연료가 주로 활용되고 있지만 점차 다른 지역에서도 바이오
에탄올 보급이 활성화될 것으로 전망된다(그림 2).

본 고에서는 에탄올을 포함한 바이오알콜 연료의 활용현황과 보급 확대를 위한 핵심 이슈 도출 및 점검을 통한 향후 전망에 대해 기술하고자 한다.

2. 바이오알콜의 CO2 저감 효과

바이오알콜은 이론적으로 보면 광합성에 의해 CO2를 흡수하여 성장한 식물을 원료로 생산되므로(CO2 순환 사이클 성립) 석유로부터 만들어지는 휘발유와 달리 대기중 CO2를 증가시키는 효과가 없다 (그림 3). 하지만 실제 바이오연료의 CO2 저감 효과를 산출하기 위해서는 바이오알콜 연료를 만드는데 투입한 에너지를 모두 고려한 전주기 분
석(Life Cycle Analysis, LCA)이 필요하다. 바이오알콜의 LCA에 따르면 사용된 원료 또는 에탄올 생산 공정에 적용된 에너지원에 따라 CO2 저감 효과가 달라지는 것으로 나타났다 (그림 4).

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즉 사탕수수 또는 목질계 원료로부터 만들어진 에탄올은 CO2 저감 효과가 80% 내외로 옥수수 에탄올에 비해 매우 높았으며 동일한 옥수수 원료로부터 만들어진 에탄올의 경우에도 에탄올 생산 공정에 사용된 에너지원에 따라 CO2 저감 효과 차이가 큰 것으로 나타났다. (그림 4)에 나타낸 바와 같이 옥수수 농장에서 발생한 옥수수대 등 부산물을 에탄올 생산 공정 에너지원으로 활용할 경우 CO2 저감율은 52%로 현재 미국 에탄올 생산 공정의 평균 CO2 저감율인 19%에 비해 약 2.7배 높아졌다.

3. 바이오알콜의 연료 특성

에탄올은 약 35%의 산소를 포함하고 있어 에너지 잠재량은 가솔린의 65.8%로 낮지만 옥탄가(RON)는 110으로 가솔린보다 약 12% 높다(표 1). 이 때문에 휘발유에 에탄올을 혼합하면 희박연소가 가능하여 일산화탄소 배출을 10~30% 줄일 수 있다. 하지만 에탄올은 비극성 화합물인 탄화수소로 이루어진 휘발유와 달리 분자내 하이드록시 그룹(Hydroxy Group, -OH)이 있어 분자간 수소 결합을 지닌다. 이로 인해 물에 잘 녹는 친수성을 가지며 수분 혼입시 상 분리 문제가 발생 가능하다. 또한 에탄올은 알루미늄
등 일부 금속 및 고무 등 소재에 대해 부식 및 팽윤 등의 문제가 종종 발생하여 연료로 사용시 주의가 필요하다. 수분 혼입 부분에 대해서는“국내 에탄올 혼합연료 보급 실증 평가”에서 자세히 기술하기로 한다.

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부탄올은 에탄올에 비해 산소 함량이 낮아 에너지함량은 높은 반면 물에 대한 용해도는 낮아 차량연료로서 보다 우수한 물성을 갖는다. 또한 에탄올과 달리 현재 차량에 적용되는 대부분의 소재에 대한 부식성이 낮아 휘발유에 10% 이상 고함량 혼합하더라도 부식 문제가 없다. 이러한 장점 때문에 국내외 일부 기업들을 중심으로 부탄올을 에탄올 대신 차량연료로 활용하는 방안에 대해 적극 검토하고 있다.

4. 에탄올의 차량 연료로 활용 현황

앞서 기술한 바와 같이 에탄올은 휘발유에 비해 에너지 함량이 낮을 뿐만 아니라 차량 소재에 대한 부식 가능성 때문에 브라질을 제외한 모든 국가에서는 10% 이하 저함량 에탄올 혼합 휘발유를 차량연료로 사용하고 있다 (표 2).

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에탄올 혼합율이 매우 낮은 EU의 일부 국가들과 일본은 수분 혼입에 따른 상분리 문제를 방지하기 위해 ETBE로 전환하여 휘발유에 혼합하기도 한다. 수송 부문에서 보다 적극적인 CO2 감축을 위해 고함량 바이오에탄올 혼합 연료를 사용할 수 있는 전용 차량(Flexible Fuel Vehicle, FFV)도 개발되어 미국과 브라질을 중심으로 보급되고 있다. FFV는 엔진 연료계 부품의 에탄올 대응소재 사용, 연료 특성 변화에 따른 엔진 ECU의 재 매핑, 저온 시동성 강화 대책 등이 요구된다. 브라질의 FFV는 기존 휘발유 차량 대비 압축비 증대(9.4 → 10.5), 냉시동 보조장치 장착(18℃ 이하의 저온, 연료중의 휘발유 함량 15% 이하에서는 보조탱크 내의 순수 휘발유로 시동), 연료계 부품의 내부식성 재료 채용(연료필터, 펌프 등), 새로운 전자 제어장치(에탄올 함량 변화에 따른 공연비 변화 자동 보정), 새로운 연료 인젝터(내부식성 향상, 에탄올의 낮은 발열량에 따른 연료유량 증대), 가열 산소센서 등을 수정하여 개발하였으며, 브라질 휘발유(25% 에탄올 혼합 휘발유)과 100% 함수 에탄올을 임의로 사용할 수 있다.

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이에 따라 순수 에탄올 사용시에는 휘발유 대비 최고 속도, 순간 가속도 등이 개선되고, HC, CO, NOx 등의 배출가스도 동등한 것으로 알려져 있다. (그림 5)는 에탄올 함량 변화에 따른 차량 적합성을 나타낸다. 에탄올 10%까지의 혼합은 현행 휘발유 차량의 수정 없이 사용이 가능하나 혼합율이 높아질수록 수정을 요하는 부위가 증가함을 볼 수 있다.

5. 저농도 에탄올 혼합연료의 차량 성능 평가

(그림 6)에 한국에너지기술연구원에서 실험한 베이스 휘발유 대비 에탄올 3, 5, 10% 혼합 휘발유(E3, E5, E10)의 THC, CO, NOx 등의 배출특성을 나타낸다. 그림에 의하면, 에탄올 혼합비율이 증가할수록 THC 배출농도가 감소하는 경향을 나타내며, CO의 경우에는 E3를 제외하고는 베이스 휘발유에 비하여 감소하는 경향을 나타내고 있다. NOx는 E3, E5의 경우에는 베이스 휘발유와 동일한 배출농도를, E10의 경우에는 다소 감소하는 결과를 나타내고 있다.

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베이스 휘발유에 대비한 E3, E5, E10의 연비 특성을 나타낸 (그림 7)에 의하면, 에탄올 혼합비율이 증가할수록 연비가 다소 감소하는 경향을 나타내며, 이는 에탄올의 낮은 발열량에 기인한다.

이들 연비 및 배출가스 시험결과에서 볼 수 있는 바와 같이, 에탄올 혼합율이 증가하면 THC, CO, NOx 등 모든 배출가스가 대체적으로 감소하는 경향을, 연비는 약간 감소하는 경향을 나타내나, 이들의 절대값 변화는 크지 않기 때문에 전반적으로 볼 때에 바이오에탄올 10%까지의 혼합은 연비나 배출가스 특성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단해도 좋을 것으로 생각된다.

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현재 모든 에탄올 연료 경제성 분석에서는 에탄올 잠재 에너지 양 기준으로 경제성을 분석하고 있지만 정확한 검토를 위해서는 차량 실 연비에 의한 비교가 필요하다. 2005년도에 한국에너지기술연구원에서 분석한 실 차량 연비 분석 결과는 (표 3)에서와 같이 실측값이 이론값보다 감소폭이 작았으며, 이는 에탄올 혼합에 의한 옥탄가 증가에 따른 연비 개선 효과가 있었음에 기인하는 것으로 생각된다.

따라서 에탄올의 차량연료로서의 경제성 분석에 있어서 단순히 에탄올의 에너지 함량에 기준하면 에탄올의 연료 경제성을 정확히 반영하지 못함을 보여준다.

6. 국내 에탄올 혼합연료 보급 실증 연구

앞에서 기술한바와 같이 저농도 에탄올 혼합 휘발유는 일반 차량에 사용 가능하지만 수분 혼입에 의한 상 분리 문제가 차량연료로 활용의 주 장애요인이 된다. 상분리가 발생하면 옥탄가 저하로 연료기능을 상실하게 된다. 상 분리 발생이 가능한 최저수분 혼입 양은 휘발유의 에탄올 혼합율에 비례하는 것으로 나타났다 (표 4).

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이러한 상 분리 문제는 차량 연료 탱크에서보다는 주유소 탱크에서 발생 가능성이 높으므로 차량에서의 문제라기 보다는 연료 유통 과정(주유소)에서 연료 품질이 적절히 유지 가능한가에 대한 문제이다. 이와 같은 필요성에 대응하기 위해 한국석유품질관리원은 정유사, 에탄올 생산업체와 공동으로 국내 유통망에 대한 3%와 5% 에탄올 혼합연료 (E3, E5)의 유통 적합성 조사를 위한 실증 연구를 수행하였다. 동 연구 결과에 따
르면 주유소 탱크에 대한 적절한 수분 관리 조치가 이루어진다면 저농도 에탄올 혼합 휘발유도 유통 가능한것으로 나타났다.

이러한 연구결과를 바탕으로 정부에서는 바이오에탄올 혼합연료의 의무 보급(Renewable Fuel Standards, RFS)을 추진중이며 동 시행 계획에 따르면 2015년부터 일부 지자체를 선정하여 E3의 시범 보급을 시행한 후 2017년부터 전국 보급으로 확대할 계획이며 2020년까지 휘발유 소비량의 5%를 에탄올로 대체 보급할 예정이다.

7. 차세대 알콜 연료의 개발 현황

현재 보급중인 에탄올은 향후 급증할 알콜 연료 수요를 충족하는데 두 가지 주 장애요인이 있다. 첫 번째는 현재 에탄올은 모두 곡물로부터 만들어져 에탄올 생산이 급증함에 따라 원료인 곡물의 가격 폭등 문제를 야기한 바 있다. 이러한 문제를 해소하기 위해 식용으로 활용이 불가능한 볏짚, 폐목재 등의 목질계 원료로부터 에탄올을 생산하기 위한 기술 개발이 진행되고 있다. 미국 등에서는 목질계 에탄올 생산 공정 상용화를 위한 실증연구를 진행중이며 2015년 이후 상용화 예정이다.

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앞에서 기술한 바와 같이 일반 차량에서는 에탄올 혼합율을 10% 이내로 제한하고 있지만 온난화 문제 해결을 위해서는 바이오연료 혼합율이 보다 높아져야 한다. 이러한 필요성 대응을 위해 에탄올에 비해 연료 물성이 우수한 부탄올 생산 및 활용 기술 개발도 활발히 진행되고 있다. 현재 바이오알콜은 모두 미생물 이용생산 공정을 채택하고 있지만 바이오부탄올은 에탄올에 비해 미생물에 대한 독성이 강해 상용화 공정 개발
에 어려움을 겪고 있다. 바이오부탄올 양산 공정이 개발된다면 수송 부문에서의 바이오알콜 연료는 부탄올로 점차 대체될 것으로 예상된다.

부탄올의 차량 배출가스 영향을 살펴 보면, (그림 8)에서와 같이 바이오부탄올의 혼합율 변화에 따라 차량 배출가스중의 NOx와 알데하이드는 다소 증가하나, CO와 HC는 차량에 따라 증가 또는 감소하는 등 일정한 성향을 보이고 있지 않다.

8. 결론

바이오연료는 현재 구축된 수송 인프라에서 직접 적용 가능하다는 장점이 있어 수송 부문에서의 CO2 감축을 위한 핵심 수단으로 인식되고 있다. 특히 바이오에탄올은 현재 사용중인 바이오연료의 약 80%를 차지하고 있으며 향후에도 높은 점유율을 가질 것으로 예상된다. 하지만 에탄올은 차량 연료로 적합성이 낮아 일반 차량에서는 10%이하로 혼합 사용되고 있다. 온난화 문제 해결을 위해서는 수송 부문에서 바이오연료 점유율이 약 27%로 높아져야하며 이러한 목표는 현재의 에탄올의 일반 차량 적용으로는 달성 불가능하다.

따라서 미국, 브라질 등에서는 85% 이상의 고함량 에탄올 혼합 연료 전용 차량이 개발되어 운용되고 있다. 또한 일반 차량에 대한 바이오연료 적용율을 높이기 위해 고함량 혼합이 가능한 Long Chain 알콜(예 : 부탄올)의 양산 기술개발도 진행되고 있다. 이러한 차량 기술개발과 병행하여 알콜 연료 수급 안정성을 높이기 위해 현재 원료로 사용중인 곡물을 목질계 바이오매스와같은 비식용원료로 대체하는 기술 개발이 국내외
에서 진행되고 있으며 4~5년내 상용화 가능할 것으로 전망된다.
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