미래에너지원으로 기대되는 해양 바이오 에너지

새로운 기후체제가 출범하게 되면서 세계 각국은 온실가스 감축 의무를 부담하게 되었다. 이에 따라서 각국은 화석연료 사용을 줄이거나 중단시키고 이에 대체하는 에너지개발에 총력을 집중하고 있다. 특히 우리나라는 전체 산업에서 중화학비중이 80%나 차지하고 있다. 이런 에너지 다소비국에서  다른 나라보다도 온실가스 배출을 획기적으로 감축시킬 대체에너지 개발은 가장 큰 당면과제라고 할 수 있다.
이런 대체에너지로써 해양 바이오 에너지가 최근 유력한 미래 에너지원으로 부각되고 있다. 더욱이 삼면이 리아스식 연안해역으로 되어 있고 배타적 경제수역이 국토면적의 2.3배에 달하고 있는 우리나라는 해조류 생산에 최적합지역으로 알려져 있다.

우리나라는 세계 4위의 해조류 생산국이면서 세계적 선두그룹의 기술력을  보유하고 있다. 해조류 양식은 비료, 농약을 사용하는 친환경이면서 식량자원 확보문제와도 충돌할 가능성은 거의 없다.
육상작물은 ha당 생산량이 180톤인데 반해 해조류는 565톤으로 3배 이상 높다. 생산주기 1년에 육상식물은 1-2회에 불과하나 해조류는  4- 6회가 가능하다. 더욱이 해양조류 바이오연료가 육상작물 바이오 연료보다 효율이 높기 때문에 육상작물 대비 단위면적당 100~150배나 생산효율을 높일 수 있다고 한다. 그래서 향후 저탄소 녹색성장의 핵심동력으로 각광받게 될 것으로  전망하고 있다.
국립수산과학원은 미역, 다시마 등 갈조류에서 자동차 연료용 바이오에탄올 추출 기술을 개발해 갈조류 1t에서 자동차 연료용 바이오에탄올 23ℓ를 추출하는 데 성공하였다. 바이오연료는 메탄올, 바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오가스, 기타 고형 연료 등으로 구분된다. 이들은 모두가 전력 생산이나 수송수단의 연료로 쓰일 수 있으면서 각종 원자재를 만드는 재료로 사용할 수 있다. 더욱이 온실가스를 흡수할 수 있는 능력이 뛰어나 기후변화에 대응하는 수단이 되기도 한다.
 
한편 전남 해양수산과학원 해조류연구센터는 기존 품종보다 생산성이 높은 슈퍼 다시마 양식 기술을 개발하였다. 슈퍼 다시마는 고수온 품종으로 1년 내내 양식이 가능하며, 생산량 또한 기존 품종보다 3.3배 높다고 한다. 이러한 품종 개량 연구는 해양 바이오 연료 에너지 확보에 큰 도움이 될 것이다. 그리고 SK에너지는  우뭇가사리를 이용한 바이오 부탄올 생산기술을 개발하고 있다.
이와 같이 해조류를 이용한 바이오에너지 생산기술이 크게 개발됨에 따라서 정부가 직접 나서서 해조류 생산단지를 조성하여 나가겠다는 계획을 발표하였다.

지난 4월, 농식품부에서는 ‘해조류 바이오매스의 그린 에너지화 및 통합적 활용’이라는 로드맵을 발표하였다. 올해부터는 바다 숲 조성사업을 본격적으로 추진하기 위해 매년 100억원씩 국비를 투입하여 해조류 바이오매스 생산기반을 지속적으로 구축해 나간다는 계획이다.
한편 한국생산기술연구원은 2009년을 기점으로 2020년까지의 13년에 걸친 3단계 에 걸쳐 바이오 에너지 대량생산체제를 구축한다는 전략을 수립하여 시행하고 있다. 2020년 이후에는 휘발유 대체 비율을 20%에서 40%까지 끌어 올리고, 세계 시장 진출을 겨냥한 수출전략상품으로 발전시켜 나가겠다는 것이다.  
제1단계(2009년부터 2012년까지)
- 당화 발효 기초 원천기술을 확립하고 동시에 해조류 대량 양산에 적합한 국내외 재배지 확보

제2단계 (2012년부터 2015년까지)
- 양산기술을 통해 확보된 바이오연료보급체계 확립

제3단계(2016년부터 2020년까지)
 국내 휘발유 소비량의 20%를 바이오에너지로 대체

3세대 해조류 바이오 에너지가 대체 에너지로 크게 부각되어
바이오 에너지는 곡물계를 1세대, 목질계를 2세대, 해조류계를 3세대로 구분한다. 그렇지만 1세대 곡물계는 당, 전분질, 식물성 기름, 동물성기름 등에서 얻어지는 에너지로 식량자원과 직접적인 연관을 갖고 있어 식량부족현상을 심화시킨다는 비난을 모면할 수 없다. 즉 브라질의 경우 원유가격의 상승에 따라 더 많은 바이오에탄올의 생산에 사탕수수가 사용되면서 국제 설탕가격이 폭등하는 원인이 되었다는 비난을 받아왔다.
2세대인 목질계 바이오 에너지는 공정상 수반되는 리그닌을 제거하기 위한 전 처리공정이 요구되고 있어 공정비용 부담이 크다고 한다. 그래서 차세대 바이오 에너지로 ‘해조류바이오에탄올’이 주목받고 있다.
 
최근 일본에서도‘아폴로 & 포세이돈 구상 2025’을 발표하였다. 일본의 배타적 경제수역(EEZ) 3분의 1에 해당하는 해역에 6,500만 톤의 해양생물자원 ‘모자반’을 양식해 바이오에탄올 등 바이오 연료를 연간 2000만kL생산한다는 계획이다. 이는 휘발유 1400만kL에 상당하는 에너지로 일본에서 사용하고 있는 에너지 연간 소비량의 약 4분의 1에 해당된다.
이와 함께 해수에 용해돼 있는 우라늄 등 희소금속을 해조에 농축시키도록 개량해 해조에서 1,950톤의 우라늄(일본 원자력발전에 사용하는 우라늄의 40%)과 메탄, 디메틸에테르(DME)등 생산하여 자원대국으로 만들겠다는 구상이다. 이와 같은 계획이 성공적으로 추진되어 2020년까지 에너지의 20%를  대체시켜 나가겠다는 계획이다.

해양 바이오 연료는 크게 바이오에탄올, 바이오디젤, 바이오 메탄으로 분류된다. 바이오에탄올은 대형해조류 등에 함유된 탄수화물을 분해하여 에탄올을 생산하는 것이다. 바이오매스로부터 얻어진 에탄올은 기존의 내연기관에 적용하여 상용화 할 수 있다는 장점이 있다. 또한 공연비를 낮게 유지할 수 있고, 증발잠열이 높고, 화염온도가 낮기 때문에 수송용 대체연료로서 기대치가 높다.
바이오 메탄은 복합 유기물을 분해하여 메탄 및 이산화탄소를 생성하거나, 생성된 이산화탄소나 수소를 메탄으로 전환하여 연료를 생성해 내는 것이다. 그렇지만 다시마류를 원료로 할 경우 기존에 바이오메탄 원료로 사용된 지상생물보다 비용이 2~10배 더 높은 단점이 있다. 꼬시래기속과 다시마속과 같은 거대조류는 메탄가스를 생산하기 위한 탁월한 기질을 갖고 있어 앞으로 대체에너지로서 기대되는 에너지원이 될 수 있을 것이다.
바이오디젤은 다량의 오일을 축적할 수 있는 미세조류를 화학반응을 거쳐 바이오디젤로 전환하는 것이다. 현재 바이오디젤을 생산하기에 우수한 잠재력을 가진 해양 미세조류가 확인되어 개발중에 있다. 현재 바이오디젤 생산이 미흡한 수준이나 앞으로 석유자원의 고갈과 가격 급등을 고려 할 때 개척할 여지가 큰 분야라고 할 수 있다.

해조류는 크게 대형조류와 미세조류로 구분된다. 대형조류에는 미역, 다시마 등의 갈조류와 김, 우뭇가사리, 꼬시래기 등의 홍조류, 그리고 파래 등 녹조류가 있다. 미세조류에는 클로렐라, 스피루리나 등으로 구성되어 있다.
해양조류를 이용한 바이오연료는 광합성 작용을 이용해 탄수화물과 지방원료에서 바로 바이오연료를 추출한다. 때문에 이산화탄소 배출량을 80%까지 줄일 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로 대형 해조류는 바이오에탄올 원료로 사용되며 미세조류는 바이오디젤 생산과 동시에 경우에 따라서 바이오에탄올 생산도 가능하다.

해조류는 종류에 따라 다소 차이는 있지만 일반적으로 섬유질을 많이 포함하고 있는 벽면과 다양한 당류를 포함하는 물질로 채워져 있다. 해조류 섬유는 주로 셀룰로오스로서 복합재료의 보강재 혹은 종이를 만드는데 사용될 수 있다. 내부 추출물은 정제되어 휘발유, 디젤 등의 연료, 플라스틱, 약 등을 만드는 화학재료 및 식품으로 이용될 수 있다.
바이오복합재료는 천연섬유를 보강재로 한 고분자복합재료로서 주로 목재, 천연섬유 등과 같은 식물계 셀룰로오스를 보강재로 이용한디. 유럽 북미 및 일본에서는 자동차의 내, 외장재로 실용화되고 있다.
일반적으로 자동차나 건축 산업에 많이 사용되고 있는 고분자복합재료는 대부분 유리섬유를 보강재로 사용하고 있다. 그런데 유리섬유는 인체에 유해하며 재활용이 어렵다. 그래서 최근 인체에 유해한 유리 섬유의 사용량을 줄이기 위해 천연섬유를 보강재로 사용하는 바이오복합재료를 실용화 단계에 들어섰다.
바이오복합재료는 유리섬유 강화 고분자복합재료에 비해 약 30% 이상 경량이다. 때문에 자동차 부품에 적용될 경우, 연비 향상에 의한 에너지절약을 기대할 수 있다.
또한 천연섬유는 유리섬유와 달리 기계에 대한 마모율도 적고 가벼워서 제조공정에서도 80%의 생산에너지를 절감할 수 있다. 더욱이  천연섬유의 가격은 유리섬유의 약 4분의 1 정도이다.
이와 같이 많은 강점을 갖고 있는 해조류 바이오 에너지가 우리나라에서 대량을 생산될 수 있는 기반을 마련한다고 하니 우리나라도 머지않아 에너지 자원국이 될 수 있는 기대감을 갖게 한다.
여하튼 삼면이 바다로 둘러쌓인 우리나라가 태양에너지, 풍력에너지, 해양 에너지를 널리 활용하여 신재생에너지를 많이 생산하는 자원부국으로 등극하기를 기원한다.  

환경전문기자 김종서