해양바이오에너지 연구개발 현황

1. 해양바이오에너지 연구의 중요성

화석연료의 고갈과 기후변화의 문제는 대체에너지로서의 신재생에너지 개발을 촉진하는 이유이다. 신재생에너지 가운데 생명자원을 활용한 바이오에너지는 화석연료와 유사한 속성을 지녀 새로운 기계설비 등 추가적인 인프라 개발이 필요없고 기존의 것을 이용할 수 있다는 장점이 있기 때문에 최근까지 상대적으로 활발한 연구개발 활동과 성과를 보이고 있다. 최근까지 바이오에너지 개발에 사용되고 있는 원료는 콩, 옥수수, 사탕수수, 갈대 목재 등으로 주로 육상생물자원을 대상으로 한다. 그러나 이들은 인간의 식량자원이거나, 또는 가축의 사료로 사용되기 때문에 ①다량의 바이오매스를 에너지 생산에 이용함으로써 식량부족 문제 및 벌목에 따른 이산화탄소 흡수율 감소를 야기할 수 있을 뿐만 아니라, ②다량의 바이오매스 경작 과정에서 식량 생산을 위한 경작지를 침해하기 때문에, 식량자원과 경쟁해야 하며, 이는 결과적으로 또 다른 정책문제를 초래할 가능성이 높다. 반면, 조류(Algae)와 같은 해양생명자원은 생장이 빨라 연 2-5회 까지 경작이 가능할 뿐만 아니라, 지구 표면적의 71%를 차지하는 광활한 해양을 경작지로 하므로, 식량자원과 경합할 필요가 없다. 또한, 해양바이오에너지 생산의 원료가 되는 조류는 이산화탄소 흡수율이 높아 온실가스 저감에도 우수한 효과를 기대할 수 있다. 따라서 다양한 국가들은 장기적 관점에서 해양에서 기인한 해양생명자원을 활용한 바이오에너지 개발을 위해 노력하고 있다. 이 연구에서는 신재생에너지 개발의 근본적인 이유와 해양바이오에너지 개발에 대한 다양한 관점에서의 선행연구들을 살펴보고자 한다.

2. 신재생에너지 개발의 필요성

지구온난화는 화석연료의 사용 및 산림면적 축소 등 직간접적인 원인에 의해 발생되는 지구의 평균온도 상승현상을 말한다. 2013년의 Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 보고서에 의하면 지난 약 150년 사이 지구의 평균 온도는 약 0.85℃ 상승 하였으며, 21세기 말에 이르면 현재보다 1.5-2℃ 이상 높아질 가능성이 매우 높다. 유사하게 IPCC에서 2007년 발표한 IPCC 제4차보고서에 의하면, 21세기 백 년 동안 지구의 평균온도는 최하 1.1-2.9℃, 최대 2.4-6.4℃까지 상승할 수 있다고 예고한 바 있다. 그리고 지구온난화의 발생 원인으로 지목되고 있는 대상 가운데 가장 신빙성이 높은 것은 대기 중 온실가스 농도증가이다. 기후변화 현상 중 지구온난화 문제에 따른 지속적인 빙하, 영구 동토층, 해빙의 감소는 전 지구적인 해수면 상승은 물론, 강수량 패턴의 변화 등을 초래하는 것으로 알려져 있다. 이에 따라 기후변화라는 전지구적 이슈에 대응하기 위한 국제사회의 다양한 대응방안이 도출되고 있는데, 이 가운데 핵심적인 정책은 온실가스 배출량 감소 정책이다. 온실가스 배출량 감축을 위해서는 국제기구인 IPCC를 중심으로 기후변화 예측모델을 개발하는 등 다양한 정보들을 산출하고 있으며, 국제적인 협약 등을 통해 기후변화의 가속화를 막기 위한 노력을 기울이고 있다. 이에 대한 대표적인 사례로 교토의정서(Kyoto Protocol)가 있다. 이는 유엔기후변화협약의 이행을 위해 만들어진 국가 간 이행 협약으로 선진국들에 대한 구체적인 온실가스 감축목표를 설정하였다. 우리나라를 포함한 대부분의 국가들이 2020년 발효될 새 기후협약체제 하에서는 의무감축 대상국에 포함될 가능성이 높은 만큼 실효성 있는 감축 정책을 추진해야 하는 과제를 안고 있다. 따라서 실질적인 온실가스 저감을 위한 구체적인 대안을 마련해야 할 필요성은 여전히 유효하다. 이와 관련된 우리나라의 정책으로는 2011년 온실가스 배출권거래제를 입법화 하였으며, 향후 정책수요가 폭발적으로 증가할 것이 예상된다. 또한 이를 적극적으로 대비하기 위한 유효한 방법 가운데 현재까지 개발된 기술범주 내에서는 에너지의 선순환구조에 의한 신재생에너지 개발이 가장 유효한 정책대안이 될 수 있다. 기존의 화석에너지는 채굴한 화석연료를 연소하는 것이기 때문에, 이 과정에서 CO2 등 온실가스 발생을 피할 수 없다. 반면 신재생에너지는 온실가스가 발생하지 않거나, 지구상 온실가스를 생물학적으로 포집하여 다시 활용하는 방식을 적용하기 때문에 온실가스의 순증가 없이 에너지를 사용할 수 있다. 또한, 대부분의 신재생에너지에 관한 선행연구들에서는 해양바이오에너지 개발의 원료가 되는 조류(Algae)가 온실가스 흡수에 탁월한 효과를 보인다고 보고하고 있다. 따라서 해양바이오에너지 개발을 위해 생산하는 조류 등은 그 자체로 지구온난화 문제해결을 위한 대안으로서도 유효할 것으로 판단된다.

기후변화의 문제가 화석연료의 사용으로 인해 발생하는 온실가스의 발생을 억제하기 위한 목적인 반면, 화석연료의 고갈 문제는 화석연료 그 자체의 고갈로 인해 발생하는 문제를 해결하기 위한 대체에너지원 개발이 필요하다는 점에서 신재생에너지 개발의 이유가 된다. 대표적인 화석연료인 석유의 매장량 예측과 석유자원의 고갈문제는 이미 1940년대 이후부터 지속적으로 논의되어 왔다. 석유매장량의 정확한 추정의 문제는 관련 연구자들 간 논쟁이 있지만, 머지않은 장래에 석유자원이 고갈될 것이라는 결론은 모든 연구에서 도출되고 있는 동일한 연구 결과이다. 이와 같은 석유에너지의 고갈이 문제가 되는 것은 석유에너지가 최근까지 지속적으로 성장하고 있는 지구경제를 뒷받침하기 위한 기본전제가 되어왔기 때문이다. 화석연료 고갈은 우리나라와 같이 에너지의 대외 의존도가 높은 국가에서 상시적인 에너지 위기를 가져올 수 있는 이슈이기 때문에 에너지 안보의 측면에서의 전략마련이 시급한 상황이다. 이미 우리나라를 비롯한 세계 각국은 1970년대의 2차례 석유파동을 경험하였고, 2000년대 이후 고유가 상황 등에서 확인된 바와 같이 에너지 위기는 국가 기간산업에 상당한 문제를 야기할 수 있다. 특히 우리나라를 비롯한 전 세계의 산업경제에 심각한 타격을 준 1973년과 1978년의 석유파동 등의 문제는 한정된 석유자원이 특정지역에서만 생산됨으로 인해 발생한 위기라는 점에서 언제든 유사 상황이 발생할 수 있기 때문에 에너지 안보 차원에서 이에 대한 대책이 필요한 상황이다. 그러므로 신재생에너지의 전략적 큰 틀은 ①온실가스 배출 억제 및 친환경에너지, ②에너지 안보 확보, ③성장가능성이 큰 미래산업으로 요약할 수 있다.

3. 해양바이오에너지 개발의 필요성

 해양바이오에너지는 해양생물자원을 활용해 생산할 수 있는 재생 가능한 에너지를 뜻한다. 인류가 화석연료 고갈의 문제로부터 에너지 문제를 인식하기 시작하면서, 다양한 형태의 바이오에너지 개발을 위한 노력을 진행하였다. 현재까지는 주로 육상자원(콩, 옥수수, 사탕수수 등)으로부터 바이오에너지를 얻어내는 연구개발을 진행하였는데, 바이오에너지 생산을 위해 소비하는 육상자원이 식량자원과 겹치면서 육상자원 이용의 한계에 직면하고 있다. 따라서 인류는 시각을 해양으로 돌려 해양산업과의 접목을 통해 해양자원으로부터 에너지를 얻고자 하는 정책과 연구들이 전 세계적으로 시작되었다. 특히 해양바이오에너지 생산에 원료가 되는 해양생명자원은 인류가 식량으로 사용하는 육상생명자원들과 경쟁하지 않기 때문에 장기적으로 효용성이 높다. 해양은 지구표면적의 71%를 차지하는 광활한 면적을 보유하고 있기 때문에 바이오에너지 생산을 위한 해양생명자원 재배에 있어서도 식량작물의 경작지 공유가 필요 없는 장점이 있다. 특히 해양생명자원 가운데 대형해조류는 단위면적당 원료 생산량이 많을 뿐만 아니라, 육상생명자원에 비해 성장속도가 상대적으로 빨라 원료로서의 경쟁력이 높다고 볼 수 있다. 따라서 해양바이오에너지는 소위 곡물 자원을 이용한 1세대 바이오에너지, 작물의 줄기나 폐목재 등을 사용하는 2세대 바이오에너지에 이어 미래의 제3세대  바이오에너지(3rd generation bioenergy)로 인식되고 있다.

해양에는 지구 전체에서 서식하고 있는 생명종 가운데 80% 이상의 생명체가 서식하고 있는데 비해, 상업적으로 활용되고 있는 종은 약 1% 미만에 불과해 향후 바이오에너지원으로 사용될 수 있는 후보 소재를 확보할 수 있는 가능성이 높다는 점도 중요한 장점이 될 수 있다. 또한 해양생명자원은 해양의 극한 환경 속에서 치열한 생존경쟁을 통해 살아남은 개체들로서 육상생명자원과 다르거나 특이한 생체구조를 갖고 있는 경우가 많아 에너지소재로 발굴할 수 있는 확률이 매우 높다. 해양바이오에너지의 원료로는 여러 해양생물들이 논의되고 있지만, 향후 10년-15년 사이에 대규모 생산이 가능할 것으로 예측되고 있는 것은 조류를 이용한 바이오에너지이다. 조류는 크게 대형해조류(Macro-algae-김, 미역, 다시마 등)와 미세조류(Microalgae-식물플랑크톤)로 구분할 수 있으며, 만일 바이오매스(biomass) 가 대량으로 확보되기만 한다면, 이론적으로 거의 모든 수송용 액체에너지를 생산할 수 있는 것으로 알려져 있다. 육상과 해양에 존재하는 조류는 이미 1970년대 말에 신재생에너지 생산원료로 주목받았다. 조류의 장점인 높은 생산성에 따른 상대적으로 높은 경제성뿐만 아니라 장기적으로는 화석연료의 대체를 통해 온실가시 배출을 억제할 수 있는 가능성이 큰 것으로 기대되고 있다.

4. 한국의 연구개발 동향

우리나라의 경우 1988년부터 2004년까지 바이오분야 95개 과제에 370억 원을 투자하였으며 그 중 247억 원을 정부에서 지원했다. 1999년까지는 육상식물을 이용한 바이오에탄올, 메탄가스화 기술개발 및 바이오수소 생산기술개발 등이 주요 분야였다. 2006년 1월에 6.7% 에탄올 함유 휘발유 규격 개정안을 마련하였고, 2006년 8월에 시작된 바이오에탄올 유통시스템 실증연구는 2년간 지속되어 석유품질관리원(주관), 바이오에탄올 업계, 정유업계 등이 참여하여 실증에 성공하였다. 그러나 현재까지 상용화되지 못하고 있는 실정이므로 상용화 법제화를 위한 정부의 각별한 관심이 요구된다. 반면 바이오디젤의 경우에는 시범보급사업(’02.5~’05.12)에 이어 2006년 7월부터 아시아에서 최초로 상용화를 개시했다. 그러나 대부분의 원료는 뉴욕과 동남아의 선물시장에서 확보하여 전량 수입했으므로 에너지 주권이 확보되었다라고 볼 수 없다. 우리 정부는 2011년까지 대체 에너지 비중을 5% 수준으로 끌어올린다는 계획 아래 다양한 신·재생에너지 확보 전략을 마련해 추진했지만 현재까지도 우리나라의 신재생에너지 공급량은 1차 에너지 총 소비량의 2%대에 불과한 실정이다.

해양바이오에너지와 관련하여 우리나라에서는 1990년 초반부터 미세조류와 관련한 수집, 동정 및 배양의 기초조건 설정과 같은 기초적인 연구개발이 시작되었다. 1990년대 중·후반에 들어 축산폐수 처리를 위한 남세균의 배양 연구, 해양 미세조류의 성장 및 식용 EPA/DHA 생산에 관한 연구, 미세조류를 활용한 이산화탄소의 생물학적 포집 연구 등 미세조류를 활용한 연구의 폭이 다소 넓어졌다. 2000년대 초반에 들어서는 미세조류의 생명공학적 활용에 연구의 중심이 옮겨가 생화학적 조성 및 항산화에 관한 연구, 미세조류의 면역증강 관련 연구 및 유용물질에 관한 연구 등 1990년대에 비해 활발한 연구가 진행되었다. 이와 관련하여 해양바이오에너지에 관한 연구는 2007년부터 해조류 바이오에탄올 연구가 한국생산기술원과 한국해양연구원(현 한국해양과학기술원)에서 시작되어 해조류 바이오에너지의 본격적인 괘도 진입이 이뤄졌다. 이를 계기로 2009년부터는 정부로부터 연구비를 지원받아 미세조류를 활용하는 연구프로그램이 인하대학교, KAIST, 한국에너지기술연구원 등에서 본격적으로 시작되었다. 다만 현재까지 지원되는 국내의 미세조류 바이오에너지의 연구개발비는 전체 신재생에너지 분야에서도 미미한 수준이며, 기술혁신을 희망하는 정도의 연구비 지원은 아직 부족한 것이 현실이다.

해양바이오에너지 생산기술은 원료확보에서 정제공정에 이르기까지 고효율 품종 탐색, 대량배양기술개발, 원료공급체제 확보, 당화발효효소의 탐색/추출/정제/대량배양 기술개발, 바이오디젤 고효율 촉매 개발, 상용공정설계, 부산물이용 등 다양한 종류의 요소기술이 필요하다. 육상식물에 비해 해조류를 이용한 바이오에너지 추출 연구는 시작 단계이기는 하나, 해양바이오에너지의 국가적 성공여부가 바이오매스의 안정적 확보와 지속적 확보를 위한 노력에 달려있다는 점을 감안할 때, 조류는 중요한 바이오에너지원의 대안이 될 수 있다. 그러므로 정부의 과감한 투자에 따른 우수한 전문인력 양성 및 원천기술 확보 등은 해양바이오에너지 생산을 위한 기술선점 부분에서 대단히 중요한 사안이다.

5. 중국의 연구개발 동향

 중국 정부는 국립신재생에너지센터(China National Renewable Energy Center, CNREC)설립을 2002년에 발표하여 신재생에너지 정책, 국제기구 및 정부간 협력프로그램, 태양광·풍력·바이오에너지 등의 개발 로드맵 작성, 정보수집 및 분석 등의 역할 등을 센터에서 수행하고 있다. 중국의 바이오에너지 개발에 있어 최대 장점은 광활한 경작지 및 다양한 기후대로 인하여 바이오매스 생산량 및 다양성에서의 우위를 보유하고 있다는 것이다. 중화인민공화국 중화인민정부 공식 홈페이지 내 법령정보를 보면 재생에너지 이용을 촉진하기 위한 재생에너지법이 제정 공고되어 있다. 재생에너지법 제16조에 따르면 바이오매스 에너지의 개발, 이용 및 관련 작물의 생산 장려규정을 두고 있으며, 또한 에너지 수송을 취급하는 기업은 반드시 새로운 에너지원을 고려하여 수송망을 정비하도록 명시되어 있다. 특히 여러 가지 에너지원 중 바이오에너지는 중국의 농촌 에너지 현황 및 에너지 구조 개선을 위해 가장 중요한 위치를 점하고 있는 것으로 평가받고 있다. 중국의 에너지 수급 안정성 및 환경개선, 농업과 농촌의 발전 측면에서 바이오에너지의 중요성을 인식하고 있다. 또한 중국의 국가에너지국 주관하에 바이오매스 에너지 산업육성 12차 5개년(2011~2015년) 계획 수립에 따라 구체적인 생산량 목표를 수립하였고, 그 결과 2010년 바이오매스 액체 연료 생산량 목표는 200만톤 수준에 불과하였으나 2020년에는 2010년 대비 약 5배 높은 수준인 1,000만톤으로 상향 예측되었다. 현재 감자 등 식량계 바이오매스 바이오에탄올 위주의 정책을 추진하고 있으나, 한국수출입은행의 2010년 신재생에너지 분야별 산업현황과 해외진출/수출화 전략에 따르면 중국은 바이오디젤 개발 연구 투자를 확대하여 2020년 바이오디젤 사용량을 약 200만톤으로 확대할 계획이다.

중국은 BE10(10% 에탄올 혼합)을 규정 시행 중이고, 세계 4위의 생산국이므로 향후 큰 폭의 수요증가가 기대되고 있다. 이러한 배경에는 급속한 경제 발전과 더불어 석유, 석탄 등의 에너지 수요의 급증을 들 수 있다. 2004년 중국의 석유 수입량은 3억 1000만 톤으로 수입의존도가 이미 38.7%에 달했으며, IEA(국제에너지기구)에 따르면 2010년, 2020년도 중국의 석유 수입의존도는 각각 61%와 76.9%에 달할 것이라고 예측되었다. 이에 중국정부는 바이오에너지를 이용한 발전 설비용량을 점차 늘려 화석에너지인 1차 에너지의 비중을 낮추고 있다. 이에 따른 정책적 지원으로 원료기지 구축 지원금 제공, 세금감면 등 지원 강도를 높이고 있다. 다만 중국의 약점으로 볼 수 있는 점은 바이오에너지 원료가 풍부하지만 분포가 분산되어있고 운송업체의 부재로 대량수집이 어려운 점과 바이오에너지 원료 생산과 식량소비가 사실상 경합관계에 있어 생산 확대에 대한 정부의 태도가 다소 보수적이라는 점을 들 수 있다.

따라서 현재까지 중국에서 연구개발이 활발하지 않은 해양바이오에너지의 원료인 해조류 및 미세조류를 활용한 해양바이오에너지 생산은 육상 바이오에너지의 대안으로서 큰 역할을 할 수 있을 것이다.

■ 한중해양과학공동연구센터 www.ckjorc.org