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[바이오디젤의 천연자원 “피마자”]

[1. 바이오디젤 원료의 배경]

친환경 에너지로 현재 가장 많이 사용되고 있는 바이오디젤은 다양한 동,식물성 유지로 만들어 지고 있다.

사람들이 먹을수 잇는 식용 유지, 팜유, 대두유, 유채유, 해바라기기름, 폐식용유등등

모든 식용 기름에서부터 버려지는 동물성 지방에서 나온 유지조차 바이오디젤의 원료로 사용되고 있다

그러나, 석유의 생산량과 소모량에 비해서는 터무니 없이 적은 량으로 석유 자체를 대체하기 보다는

그래도 섞어쓰면서 조금이라도 환경적인 문제를 해결 해 보려는 노력을 하는 것이다.

이러한 바이오디젤이 초창기 1세대, 식용 동, 식물성 유지에서 제조를 시작하였지만,

수요가 늘어남에 따라 2세대, 비식용 동,식물성 유지를 화학적 반응을 거쳐 바이오디젤을 만들어 사용하고 있으며,

더 나아가 3세대, 미세조류를 대량 양식하여 유지를 추출하거나,

쓰레기를 먹어서 분해하는 곤충을 키워 그 곤충의 지방성분으로 바이오디젤을 제조하는 단계 까지 이르렀다.

물론 현재 대부분의 바이오디젤 생산량은 아직 1세대의 원료활용에 집중하고 있다

그러나, 많은 수요가 예측되고 경제적 가치가 상승함에 따라

2세대 비식용 동식물성 유지의 활용에 점점 상용화 과정이 현실화 되고 있다.

[2. 피마자 란 어떤 식물인가] 

"이런 비식용 식물성 유지 원료중에 이번에 다룰 내용은 “피마자” 이야기"

피마자(문화어: 피마주) 또는 아주까리라고 불리는 대극과에 속하는 한해살이풀이다.

피마자속에 피마자 1종만 있다.

인도·소아시아·북아프리카 원산으로 원산지에서는 여러해살이풀이다.

우리나라에서도 시골에가면 많이 자라고 있었으며, 1년생으로서 그 씨앗으로 여러 가지 약재를 생산하고 있었다

피마자/아주까리는 재배품종이 많은데 식생이나 형태는 개체에 따라 크게 차이가 난다.

어떤 것은 다년생으로 작은 나무 크기인가 하면, 어떤 것은 아주 작은 일년생이기도 하다.

잎 모양과 색도 다양하며 육종가들이 관상용으로 키우기도 한다.

온대지방에서는 일년생 초본식물이지만 열대지방이나 지중해성 기후에서는 다년생 초본식물이다.

온대지방에서는 2-3 m 남짓까지 자란다.

줄기는 납질로 덮였고 속은 비었다.

줄기에는 마디가 20개 내외로 있는데, 각 마디에는 긴 잎자루가 있는 잎이 어긋난다.

키가 2 미터 정도로 크게 자라고, 잎은 어긋나며 손바닥 모양이다.

줄기는 속이 비어 있다. 꽃은 8~9월에 노란색으로 피고, 열매는 겉에 가시가 있고 안에 씨 세 개가 들어 있다.

씨에는 얼룩무늬가 있는데, 이 씨로 기름을 짠다.

피마자 씨 에는 리친(RICIN/리신, 라이신)이라는 독성 단백질이 포함되어 있다.

독성이 있어 씨앗 20알 정도면 성인 치사량이다.

먹고 짧게는 몇 시간, 길게는 사흘 안에 증상이 나타나는데,

제대로 치료하면 완전히 회복할 수 있지만 치료하지 않으면 3-5일 내에 사망에 이를 수도 있다.

아주까리는 야생에도 흔하여 주변에서 쉽게 구할 수 있고

매우 독성이 강해서 암살이나 독살 범죄에 자주 사용되곤 한다.

그래서 미국 등지에서는 아주까리를 재배하려면 허가를 받아야 한다.

단, 기름을 짤 때 열을 가하면 독성이 모두 사라지므로 사용 피마자유는 안전하다고 할수 있다

피마자 씨앗에는 대부분의 씨앗의 지방 성분 보다 많은 34~58%의 유지가 들어 있으며,

불건성유이고 점도가 매우 높으며 열에 대한 변화가 적고 응고점이 낮다.

이 기름을 짜내어 우리는 피마자유(캐스터오일/Castor Oil)라고 하며 다양한 용도로 사용하였다.

기원 전 2000년 무렵부터 인도에서는 피마자 씨 기름을 등불의 기름으로 썼으며,

설사약으로도 사용하고, 포마드, 인주, 공업용 윤활유, 인조기죽과 페인트 니스를 만들거나,

프린트 잉크 제조에도 사용하였다.

피마자유는 높은 온도에서도 잘 분해되지 않고 낮은 온도에서도 굳지 않고 점도를 유지하므로

현대에는 우수한 공업용 윤활유나 브레이크액 등 유압오일로도 널리 쓰인다.

공기 중에 오래 두어도 굳어서 마르거나 산화되지 않기에

기계 윤활유 화장품이나 산화방지제나 식품보존제 등 다양한 공업 용도로 이용된다.

우리에겐 익숙한,

이상화 시인이 쓴 <빼앗긴 들에도 봄은 오는가>에

"아주까리 기름을 바른 이가 지심 매던 그 들이라 다 보고 싶다." 하는 싯귀가 있기도 하다.

기름을 짜고 남은 찌꺼기도 질 좋은 유박 비료로 사용할 수 있다.

이 유박 비료는 식물 영양이 풍부하고 냄새도 나지 않고 가격도 비교적 싼 매우 좋은 유기농용 비료지만,

사람이나 동물에는 치명적인 리친(RICIN/리신, 라이신)이 들었기 때문에 도시 화단 등에서 사용하려면 주의해야 한다.

[3. 피마자유의 바이오 연료화]

현재 전 세계적으로 매년 피마자유 200만 톤을 사용할 만큼 대표적인 공업용 유지이며,

세계 피마자 생산량은 인도, 중국, 브라질 순으로 많이 생산된다.

피마자유의 국제 가격은 보통 킬로그램당 0.9달러 남짓으로 콩기름의 3배쯤이다.

세계 총 생산량 중 90% 이상을 인도에서 생산한다.

피마자유의 산업적 경제적 가치가 높아지며 북미지역에서 생산량을 늘리고 있고

원래 병충해에도 강하며 비료를 주거나 큰 농업기술이 필요치 않고 재배가능 지역이 넓어 점점 생산량이 늘어나고 있다

이러한 피마자유를 바이오디젤 원료로 사용한다면,

비식용 식물의 유지사용 측면에서 세계식량 가격에 영향을 주지않고 친 환경바이오 연료 생산량을 늘릴수 있는

좋은 선례가 될것이라고 생각한다.

사실 팜유, 대두유 등 식용 기름으로 바이오디젤을 만들어 그 수요가 늘면

결국 식용기름의 가격이 오르는 부작용이 수반 되기 때문에

함부로 바이오디젤 생산량을 늘리지 못하는 원인이 되기고 한다.

피마자 기름으로 바이오디젤을 만들 수 있는 기술적인 문제는 이미 검토가 끝났다.

피마자유의 기본적인 속성을 보면

유리지방산(FFA) : 0.264%

밀도(DENSITY) : 962.8

비중(Specific Gravity) : 0.9628

열량(Calorific Value) : 35,684

점도(Viscosity) : 109.53

발화점(Fire Point) : 335℃

인화점(Flash Point) : 298℃

혼탁점(Cloud Point) : 15.8℃

피마자유를 메탄올과 KOH 촉매를 사용하여, 에스테르 교환하여 얻은

피마자유의 메칠에스테르는 점도, 산가, 밀도, 인화점 등이 기존의 디젤과 유사하다.

또한 피마자유는 용해성이 좋아 가열없이 반응을 진행 할수 잇다.

바이오디젤의 화학적 명칭이 FAME(Fatty Acid Methyl Ester)라고 하며

유지와  촉매 하에서 에스테르 반응하여 생성시키는 물질로서,

이미 식용이던 비식용이던 기술적 문제는 모두 해결 된 상태이다.

물론 원료에 따라 사전 처리 과정이 차이는 있지만,

큰 틀에서는 무리없이 바이오에너지로 만들 수 있는 기술력은 이미 검증이 되어 있는 상태이다

더욱이 한가지 유지가 아닌 다양한 원료를 섞어서 부족한 물량을 채워서 바이오디젤 제조를 한다고 하여도

화학적 공정에 대한 문제는 이미 다 검토 되었다고 본다.

"문제는 식물성유지의 원자재 생산량이다"

시골 길가나 개천 변에 아무렇지 않게 자라고 있던 피마자도 이제는 소중한 환경 지원이며,

열대지방으로 갈수록 다년생으로 생산량을 늘릴수 있는 요소가 많아 다시한번

눈여겨 봐야할 환경 작물 중 하나이다

[바이오에탄올 이야기]

현재 지구상에는 마른 무게로 약 1.8~2조 톤의 바이오메스가 존재 합니다

그중 약 10%에 해당되는 2,000억톤의 바이오매스가 광합성에 의해 매년 임산물과 농산물 형태로 생성되고 있습니다.

즉 지구상에서 태양으로부터 받은 0.1%의 에너지가 바이오매스로 축적 되고 있는 것입니다

이는 화석연료 소비량의 10배에 해당하는 많은 량입니다

다시말하면,

수집 가능한 폐기물 바이오매스를 에너지로 전환할수 있다면 엄청난 량의 바이오에너지 개발이 가능하며,

이는 전 세계 연간 소비되는 에너지의 약 30%를 충당 할수 있는 량으로 추정할수 있다

물론 이러한 에너지 활용이 실현 되기 위해서는 다양한 기술과 환경문제, 식량문제들이 해결 되어야

비로소 인류에 필요한 에너지의 역할을 할수 있을 것이다.

여러 가지 바이오매스의 에너지화 과정 중 이번에는 바이오에탄올에 관한 이야기를 하고자 합니다

1. 바이오에탄올이란 무엇인가?

바이오 에탄올이란 곡물을 발효시켜 얻는 에탄올을 말합니다.

주로 옥수수, 카사바, 사탕수수, 사탕무 등을 효모에 의해 발효시키면 에탄올로 전환이 가능합니다.

그뿐만 아니라, 나무, 볏짚, 해조류 등에서도 에탄올을 생산할 수 있습니다.

바이오 에탄올은 다양한 자원에서 에탄올을 얻을 수 있고,

화석연료에 비해 환경문제에 대해 상대적으로 자유롭다는 장점이 있어 새로운 에너지 자원으로 주목받고 있습니다.

바이오 에탄올은 주로 식물성 원료를 사용하기 때문에 지속가능성 측면에서 화석연료보다 높은 평가를 받고 있습니다.

사용한 곡물은 다시 심으면 되기 때문에 에너지 자원의 고갈이 없다고 봐도 무방하며,

이 과정에서도 환경오염을 야기하지도 않습니다.

또한 곡물이 에탄올로 전환될 때 발생하는 이산화탄소도 식물의 성장 과정에서 광합성 작용으로 회수되는 등

긍정적인 점이 많습니다.

2. 바이오에탄올 사용 장단점

최근 바이오 에탄올은 재료가 되는 농산물의 품종 개량과 관련 생산기술의 발전 등으로 생산 원가가 하락하는 추세입니다.

또한, 휘발유 가격 상승, 세금 지원 등이 이뤄지며 바이오 에탄올은 경제적인 측면에서 경쟁력을 점차 갖추고 있습니다.

그러나 바이오 에탄올의 높은 친수성으로 인한 단점도 있는데요.

방수가 되지 않는 곳에 바이오 에탄올을 저장하면 ‘상 분리’ 현상이 일어나 연료로 쓸 수 없게 되기도 하고,

유통과정에서 고무나 금속 부품을 부식시키기도 합니다.

그러므로 바이오 에탄올은 해상 운송, 보관, 유통 과정에 있어서 추가 시설이 필요하다는 단점이 있습니다. 

바이오 에탄올도 사용 한계점도 분명합니다.

바이오 에탄올은 휘발유와 성격이 다르기 때문에

휘발유에 바이오 에탄올을 섞는 비중이 높을수록 이에 대응하는 별도의 설계가 필요합니다.

이는 자동차 부품의 소재를 전부 바꿔야 한다는 것을 의미합니다.

연료 계통의 금속을 열화 시키거나, 고무나 합성수지 등을 부풀게 만들 염려가 있기 때문입니다.

또한 바이오 에탄올의 농도가 높아질수록 엔진 내부의 금속 부품도 재질 변경이 필요하다는 문제가 있습니다.

3. 바이오에탄올 사용 효과

바이오 에탄올은 사탕수수, 옥수수, 밀 등에 함유된 당분을 발효시켜 제조됩니다.

휘발유에 혼합되어 사용되기 때문에 사용 범위가 더 넓다는 장점이 있는데요.

바이오 디젤과 마찬가지로 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(NO2) 등 온실가스를 줄일 수 있으며,

이산화황(SO2), 질소산화물 등의 배기가스 감축 효과 또한 얻을 수 있습니다.

미국 뿐만 아니라 온실가스 감축 효과와 연계하여

전 세계적으로 64개 국가에서 도로용 연료에 재생에너지 혼합 프로그램을 가지고 있으며

대부분의 나라는 바이오에탄올 중심의 혼합 프로그램을 가지고 있으나,

한국을 비롯한 소수의 나라만이 바이오디젤만 의무 혼합비율을 강제하고 있습니다.

4. 바이오에탄올 사용 실례

브라질의 경우 2015년부터 최대 27%까지 에탄올 의무혼합을 실시하고 있으며,

중국은 9개 성에서 10% 의무혼합을 실시하고 있는데 2020년 전체 국가로 이를 확대하고자 하였으나

현재 유보한 상황입니다

베트남은 2018년부터 새롭게 5%의 바이오에탄올을 혼합하는 의무 부과 제도를 도입하였고,

유럽에서는 27개 나라에서,

북남미 국가 중에서는 13개국,

아시아-태평양 지역에서는 12개국,

아프리카와 인도양 인근 11개국,

비유럽 연합 국가 중 2개국에서 바이오에탄올 의무혼합을 실시하고 있습니다

한편, 국내의 경우 도로용 자동차용 휘발유에 바이오에탄올을 혼합하여 사용되지 않고 있으나,

국내 인프라(정유사, 저유소 및 주유소 등) 적용성 실증을 완료된 상태이며, 관련법을 이미 개정하여 공표하였다

* 석유제품 연소 설비의 근본적인 구조 변경 없이 석유제품을 대체하여 사용할 수 있는 연료

(석유사업법 제2조제11호)

** 생물자원을 변환시켜 이용하는 바이오에너지로서 대통령령으로 정하는 기준 및 범위에 해당하는 에너지

(신재생에너지법 제2조)

5. 바이오 에탄올 활용의 문제점

농지를 식량을 위해 사용할것인가 연료를 위해 사용할것인가?

곡물회사 CARGILL의 CEO 입장 : 농지사용가치는 순위는 첫째 식량, 둘째 사료, 셋째 연료을 주장

1) 농지를 연료 생산용으로 사용하는 ㄱ서이 장기적으로 가능한가?

2) 농지를 사용하던 농업인들의 생계에 위협이 될까?

3) 바이오연료 생산을 중가하면 과연 온실가스는 줄일수 있을까?

4) 바이오연료 생산에 필요한 에너지량이 실제로 화석 에너지보다 적을까?

5) 경지와 기후에 영향을 받은 개도고이 무역에서 차지하는 비중이 어떻게 변활까?

6) 바이오연료 열품은 애그프레이션을 가속화 시킬까?

* 애그플레이션 : 곡물가격이 상승하는 영향으로 일반물가가 상승하는 현상

재생 가능한 바이오매스로부터 주로 생물학적 방법으로 합성된 바이오에탄올로서

휘발유에 혼합하여 사용하기에 충분한 성능을 가진 석유대체연료이며, 바이오에너지가 분명합니다

바이오에탄올 합성에 사용하는 원료인 바이오매스는

식물체로써 전분질계, 당질계 및 목질계 등을 원료로 활용하여 생산합니다

바이오에탄올은 기존 가솔린과 혼합하여 사용하기 때문에 가솔린 엔진, 석유정제, 유통 인프라를

최소한의 설비 변경만으로 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있습니다

또한,

바이오에탄올은 수송용 연료에 혼합하여 사용하며 국내에서는 아직 의무 혼합비율에 대한 규정이 없지만

전 세계적으로 신재생에너지 연료 혼합의무화(RFS) 시행에 따라 휘발유에 혼합하여 사용하고 있어

이러한 표준화 정책(RFS)에 동행하여 추진 해야 할 것 입니다

* RFS(Renewable Fuel Standard)

: 도로용 자동차 연료(휘발유, 경유, CNG 등)에 바이오연료(바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오가스 등)를

강제적으로 의무 혼합하게 하는 제도

미국의 경우 수송용 연료의 성능 향상을 위해 사용하던 MTBE (Methyl Tertiary Butyl Ether)를 사용금지하면서

이에 대한 대안으로 바이오에탄올 사용이 대두되기도 하였습니다.

이에, 우리나라에서는 전면적 상용화를 위해서는 시범보급사업 등을 통한 정부 정책, 공급자 및 사용자 등에 대한

수용성 검증이 필요합니다

결국 

바이오에너지, 바이오에탄올의 선택은 우리의 몫 입니다