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옥수수, 미생물이 에너지가 된다!?

바이오 에너지의 세계





미국에서 옥수수를 자동차용 연료로 사용한다는 이야기를 들어보셨나요? 옥수수와 자동차의 만남이라니 참 낯선데요. 이 만남이 바로 옥수수를 주원료로 한 발효 알코올을 통해 가능하답니다. 연료로 사용되는 발효 알코올은 바로 바이오 에탄올로 바이오 에너지의 일종입니다. 이번 기사에서는 곡물로 만들 수 있는 새로운 에너지! ‘바이오 에너지에 대해 알아보도록 하겠습니다.


 

바이오매스란 무엇일까?


 

바이오 에너지(Bioenergy)란 간단히 말해 바이오매스를 연료로 해 얻는 에너지를 말합니다. 바이오 에너지를 알기 위해서는 바이오매스가 무엇인지 먼저 알아야 합니다.





바이오매스(Biomass) 자연에서 얻을 수 있는 에너지로 모든 유기 생물체를 말합니다. 대표적인 예로 앞서 말한 옥수수 등의 곡물을 비롯해 식물, 동물 분뇨, 음식물 쓰레기, 유기성 폐수, 식물 줄기 등이 있습니다. 생각보다 많은 것들이 바이오매스에 속합니다. 바이오매스를 통해 얻은 에너지는 형태와 용도에 따라 바이오가스, 바이오에탄올, 바이오디젤, 수소 등으로 나눌 수 있습니다. 바이오 에너지는 기존의 연료에서 열, 전기 등을 새롭게 만들어 낼 수 있어 석유, 석탄 자원의 공급 한계 문제를 해결할 수 있습니다



또한 바이오에너지로 발생하는 이산화탄소는 대기 배출 효과가 크지 않아 지구온난화 문제 해결에도 힘을 더할 수 있습니다. 바이오에너지는 2016년 기준 전 세계 재생에너지의 72%를 차지하고 있으며, 2035년까지 전체 공급량의 약 52%를 차지할 것으로 기대됩니다. 바이오 에너지는 앞으로 재생에너지 중에서도 가장 중요한 역할을 할 것입니다. 오늘은 바이오에너지 중 바이오에탄올, 바이오가스, 미생물연료전지에 대해 살펴보겠습니다.


 

맛있는 옥수수, 에너지에 양보하세요!

바이오에탄올

 




바이오에탄올은 사탕수수, , 옥수수, 감자와 같은 녹말작물을 발효시켜 차량 연료제로 사용됩니다. 처음에 소개한 미국 옥수수도 바로 바이오에탄올이죠. 바이오매스 안의 탄수화물을 글루코스(포도당)로 전환시켜, 이를 발효해 만드는 바이오에탄올은 환경오염물질이 없고 석탄, 석유 같은 자원이 아닌 식물에서 얻을 수 있기에 재생 가능한 에너지입니다. 가솔린과 달리 유해물질이 배출되지 않으니 차량용 연료로 이보다 더 친환경적인 대체 에너지가 없겠죠


그래서 미국은 2000년대에 들어 옥수수를 이용한 바이오에탄올을 보급했다고 합니다. 현재 가장 널리 사용되는 바이오에탄올 원료는 사탕수수입니다. 사탕수수가 많이 생산되는 브라질에서는 이미 차량 70% 정도가 이를 연료 첨가제로 사용할 만큼 일반화되어 있다고 합니다.


 

음식물 쓰레기의 미생물을 이용한다!

바이오가스



 

바이오 가스는 농업 쓰레기, 일반 쓰레기, 음식물 쓰레기 등의 원료 속 유기물이 산소가 없는 환경에서 분해되면서 생산되는 기체 혼합물입니다. 이는 혐기성 박테리아의 혐기성 소화에 의해 이루어집니다. 바이오 가스는 메탄이 50~70%, 이산화탄소가 30~50%, 그 외 질소, 산소, 수소 등으로 구성돼 있습니다. 바이오가스 생성에는 미생물이 큰 역할을 합니다. 이 미생물들은 통성미생물(절대 혐기성 미생물)과 광합성 미생물이 있습니다. 통성미생물은 공기 중에 존재하면서 유기물에서 수소를 만들어냅니다. 광합성 미생물은 빛에너지를 이용해 바이오매스로부터 수소를 생산합니다. 바이오 가스는 압축이 가능하며 전기자동차 구동에 사용할 수 있습니다. 바이오가스 생성 시스템은 소규모로 축산물 쓰레기용 메탄 발효 장치, 대규모로 전력 소비량이 많은 제지·펄프 공장이 있습니다.



 

미생물로 만드는 전기에너지

미생물 연료전지


 

미생물 연료전지는 오수, 폐수 등에 포함된 유기물의 화학에너지를 미생물을 촉매로 이용해 전기에너지로 변환하는 것입니다. 축산 폐수, 하수 슬러지, 제지공정 폐수와 같은 유기성 폐수에는 많은 에너지가 함유돼 있습니다. 미생물 연료전지는 그 속의 유기성 물질을 분해하면서 전기에너지로 변환시키는 것이죠. 폐수 처리와 전기 생산을 동시에 할 수 있는 일석이조의 효과를 얻을 수 있습니다. 그럼 미생물 연료전지는 어떻게 전기에너지를 생성할까요?

 

 


 

미생물이 유기물을 산화시키면 이때 발생하는 전자와 수소이온이 양극과 음극을 오가면서 물, 전기를 만들게 됩니다. 미생물연료전지는 일반적으로 산화전극부와 환원전극부로 구성되어 있습니다. 산화전극부에는 미생물이 산화전극에 부착되어 전자공여체로써 제공된 기질을 분해합니다. 미생물은 산화반응을 통해 에너지를 얻어 성장하며 그 과정에서 전자와 수소이온을 생성하게 됩니다. 이때 얻어진 전자는 산화전극에서 환원전극으로 이동하며, 수소이온은 분리 막을 통과해 환원전극부로 전달됩니다. 환원전극에서는 전달된 전자, 수소이온, 산소와 같은 전자수용체를 이용해 환원반응이 일어나게 됩니다.

 

미생물연료전지는 혐기성 미생물의 신진대사 과정에서 발생하는 전자를 회수하는 것이기 때문에 슬러지 발생량도 상당히 줄일 수 있습니다. 미생물연료전지 기술은 전기에너지를 만들어내는 것뿐만 아니라 하수 처리 비용 및 슬러지 발생량 저감 등 생각보다 많은 환경적, 경제적 이익을 우리에게 가져다줍니다.




 

이처럼 바이오에너지는 친환경적인 방법으로 에너지를 생산할 수 있습니다. 하지만 한계점도 있죠. 바이오매스를 이용하여 에너지를 생산할 때 넓은 면적의 토지가 필요하다는 점과 지속적으로 한 종류의 생물체만을 이용하여 에너지를 생산할 경우 생물 다양성을 파괴할 수 있다는 것입니다.




 

하지만 이런 한계에도 불구하고 바이오 에너지의 발전 가능성과 지속성은 기대할만한 가치가 있습니다. 바이오에너지는 화석 연료 고갈, 원자력의 안정성, 높은 비용 등 기존 에너지의 문제점들을 해결할 수 있고 에너지 사용에 따른 환경오염 영향도 줄일 수 있습니다. 2016년을 기준으로 기후변화 대응에 대한 189개국의 국가별 기여 방안을 살펴보면 173개국이 재생에너지 목표를 가지고 있고 146개국이 재생에너지 지원 정책을 시행하고 있습니다. 실제 식량 자급률이 낮은 국가에서는 바이오에탄올 활용도 제고 일환으로 재배하고 남는 식물 줄기나 셀룰로스, 리그닌 등으로부터 에탄올을 얻는 연구가 진행되고 있습니다. 앞으로 바이오에너지 보편화를 통한 지속가능한 발전을 위해 세계가 함께 노력하고, 투자할 것입니다.

 

바이오에너지는 우리가 충분히 주목할 가치가 있는 미래입니다. 



 

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