클로렐라로 만든 제2의 바이오디젤이 온다!

클로렐라로 만든 제2의 바이오디젤이 온다!

과학향기

2020년경의 주유소를 상상해보자. 그곳에는 자동차가 사용할 수 있는 연료가 총집합돼 있을 것이다. 지금 우리가 사용하는 휘발유와 경유처럼 석유에서 정제한 기름부터 콩과 유채 등에서 뽑아낸 바이오디젤(Biodiesel), 그리고 클로렐라(미세조류) 오일로부터 생산한 바이오디젤까지. 우리는 가격과 환경성을 따져서 가장 알맞은 연료를 구입하면 된다.

물론 2010년의 주유소에서도 바이오디젤을 만날 수 있다. 2006년부터 바이오디젤이 2% 섞인 경유가 판매되기 때문이다. 바이오디젤은 대부분 콩기름이나 유채유와 같은 식물성 기름으로 만들어, 고갈 위험이 없고 환경오염도 적다. 이런 장점 덕분에 우리나라를 포함한 여러 나라에서 친환경연료로 바이오디젤이 환영받고 있다.

하지만 식물로 만든 바이오디젤을 부정적으로 보는 사람도 많다. 식량으로 자동차연료를 만들어 먹거리 가격이 올라갔기 때문이다. 바이오연료 개발 붐이 일었던 지난 10년 동안 사람들은 콩, 유채, 해바라기씨 같은 곡물로 바이오디젤을 만들었다. 결국 식용작물 가격은 치솟았고 동시에 사료 값도 올라갔다. 육류와 유제품 가격까지 올라갔으니 자동차연료 때문에 사람이 먹을 것에 타격을 준 셈이다.

바이오디젤 생산이 오히려 환경을 파괴시킨다는 지적도 있다. 바이오디젤이 인기를 얻자 사람들은 아마존 삼림이나 동남아시아의 열대우림을 깎아내고 팜이나 야자 등 바이오디젤의 원료를 심었다. 친환경 연료를 만들려고 멀쩡한 숲을 파괴했던 것이다. 이런 문제를 막고자 최근에는 미세조류(Microalgae)가 바이오디젤의 원료로 주목받고 있다.

그런데 미세조류는 무엇일까? 조류(Algae)는 육상식물이 아니면서 물과 이산화탄소, 태양광으로 광합성하는 생물을 의미한다. 이 중에서 눈에 보이지 않는 클로렐라, 스피루리나 등을 미세조류(Microalgae)라 부른다. 반면 눈에 보이는 미역, 다시마 등은 거대조류(Macroalgae)로 분류된다. 미세조류는 지질(오일) 성분이 많아 바이오디젤의 원료로, 거대조류는 탄수화물 성분이 많아 에탄올 생산 원료로 주목받고 있다.

미세조류는 황무지나 해안가에서 대량으로 배양할 수 있다. 그래서 삼림을 파괴하지 않아도 얻을 수 있고, 식량이 아니라 식량가격에도 영향을 주지 않는다. 또 육상식물보다 빨리 자라고 1년 내내 수확할 수 있다. 단위면적당 생산성도 다른 식용작물보다 50~100배 이상 높다.

바이오디젤을 만들 수 있는 미세조류의 하나로 클로렐라가 꼽힌다. 이 식물은 1970년대부터 미국항공우주국(NASA)과 러시아에서 우주식으로 사용했고, 한국과 일본에는 기능성 건강식품으로 알려져 있다. 1980년대 중반에 등장했던 녹색의 라면, ‘클로렐라 라면’를 아는 사람이라면 미세조류가 무엇인지 대충 짐작할 수 있으리라 생각한다.

그런데 클로렐라로 어떻게 바이오디젤을 만든다는 것일까? 그 방법은 다음과 같다. 우선 바이오디젤을 만들 수 있는 클로렐라를 만들기 위해 이산화탄소와 물, 약간의 미네랄이 섞인 배양액을 만든다. 만들어진 배양액을 태양광이 잘 드는 옥외에 두면 클로렐라를 얻을 수 있다. 배양액에서 물을 제거하고 건조시키면 미세조류 바이오매스(지질 함량 최대 50%)가 만들어진다. 여기서 헥산 같은 유기용매로 지질(오일)을 뽑아내고, 메탄올과 산성촉매를 부어 가열하면 자동차연료로 쓸 수 있는 바이오디젤이 완성된다.

석탄으로 전기를 생산할 때 나오는 배기가스로 미세조류 바이오디젤을 생산하는 과정. 자료제공 : 한국에너지기술연구원

미세조류의 먹이가 이산화탄소라는 점도 중요한 포인트다. 지구온난화를 유발하는 기체인 이산화탄소를 줄이는 데 사용할 수 있기 때문이다. 석탄발전소처럼 고농도의 이산화탄소를 배출하는 곳에서 미세조류를 키우면 온실가스도 줄이고 친환경에너지도 얻을 수 있다.

공기 중에 포함된 이산화탄소가 0.03% 정도뿐인 반면 석탄발전 배기가스에는 이산화탄소가 10% 정도 들어있어 미세조류의 먹이로 사용하기 좋다. 특히 우리나라 전력생산량의 40%를 담당하는 화력발전소는 주로 해안가에 위치하고 있다. 화력발전소 근처 황무지나 해안가에 미세조류를 배양하면 ‘일석이조’의 효과를 얻을 수 있다.

그러나 모든 미세조류가 석탄발전 배기가스에서 잘 자라는 것은 아니다. 석탄발전 배기가스에는 이산화탄소뿐 아니라 황산화물, 질소산화물, 일산화탄소, 먼지 등이 포함돼 있기 때문이다. 따라서 이런 환경에도 잘 자랄 수 있는 미세조류를 찾는 것이 중요하다.

전 세계 바이오연료 시장규모는 2010년 현재 20조원 정도다. 2015년에는 그 규모가 53조원 증가할 것으로 보인다. 기존 식용작물로 늘어나는 수요을 맞출 수 없다는 이야기다. 그래서 전 세계 과학자들은 미세조류 바이오디젤 연구를 활발히 진행하고 있다. 액손모빌사는 2009년 미세조류 바이오연료 분야에 6억 달러를 투자한다고 발표했고, 영국 BP사는 미국 애리조나 주립대학과 미세조류 공동연구를 수행하고 있다.

대표적인 공익재단인 미국 빌게이트 재단도 2008년 사파이어에너지사에 1억 달러 규모를 지원해 미래에너지원 개발을 도왔다. 미국 에너지부(Department of Energy)도 2009년도부터 8,000만 달러 규모의 종합 R&D프로그램을 시작했다. 핀란드, 프랑스, 스코틀랜드 등도 미세조류 바이오연료 프로젝트를 적극적으로 지원한다.

한국에도 한국에너지기술연구원 등의 정부출연연구소가 중심이 돼 미세조류 개발기술, 고농도 배양기술, 바이오디젤 전환기술 등을 개발하고 있다. 한국에너지기술연구원은 ‘연소배기가스 R&D 실증설비’에서 배출되는 석탄발전 연소배가스를 이용해 클로렐라 바이오디젤을 생산하고 있다.

석유는 연료뿐 아니라 다양한 화학제품을 만드는 데도 사용된다. 이를 대체하려면 미세조류 바이오매스로 화학제품을 만들 원료를 뽑아낼 수 있어야 한다. 따라서 한국과 미국의 연구자들은 ‘바이오정유’(Biorefinery) 기술도 연구하고 있다. 석유처럼 연료로도 사용하고 화학제품의 원료로도 쓸 수 있도록 하려는 것이다. 이 기술이 완성되면 미세조류 바이오매스로 바이오디젤, 바이오가솔린과 같은 연료를 만들고, 남은 부산물로 바이오복합소재, 수소, 전기, 열 등을 생산할 수 있게 된다.

2008년 5월처럼 석유 가격이 배럴당 130달러 이상으로 높아졌던 상황을 떠올려 보면, 또 석유의 매장량과 환경유해성을 생각하면 누구나 새로운 친환경 연료개발이 빨리 이뤄져야 함을 깨달을 수 있다. 현재 연구중인 새로운 연료가 좋은 성과를 거두길 기대해보자. 그리고 연료의 목록에 미세조류 바이오디젤도 포함시켜놓도록 하자. 먼 훗날 석유가 없어진 틈을 미세조류 바이오디젤이 채우고 있을지도 모르니까 말이다.

글 : 오유관 한국에너지기술연구원 바이오에너지연구센터 선임연구원

과학향기 출처 : KISTI의 과학향기