1. 개요
바이오 디젤(Biodiesel Fuel)은 식물성 기름이나 동물성 기름을 화학 처리를 통해 경유와 유사한 연료를 제조하여 석유 기반인 경유를 대체하거나 혼합해서 사용하는 연료.2. 역사
바이오 디젤은, 바이오 에탄올이 휘발유보다 늦게 쓰인 것과는 반대로, 석유 디젤보다 더 일찍 쓰였다. 이는 루돌프 디젤이 자신이 직접 제작한 디젤연료로 땅콩기름을 사용했는데, 후에 석유에서 정제된 디젤이 발견됨에 따라 기존의 디젤은 바이오 디젤이란 명칭이 붙게 되었다고 한다. 디젤 엔진이 경유 기반으로 바뀐 이유가 바이오 디젤의 연료 특성에서 디젤엔진의 핵심 요소인 압축착화와 잘 안맞기 때문.3. 분류
바이오 디젤은 바이오 에탄올처럼 혼합 비율에 따라 분류된다. 경유 질량에서 바이오디젤이 차지하는 비율이 n%이면 BDn인 식이다.- 100% 바이오 디젤은 BD100
- 20% 바이오 디젤 혼합은 BD20
- 5% 바이오 디젤 혼합은 BD5
- 2% 바이오 디젤 혼합은 BD2
4. 제조방법과 특성
원료인 기름을 촉매와 섞고 에스터교환(transesterification) 반응과 자유 지방산 제거를 하면 만들어진다.비교적 간단한 공정을 거치기 때문에 수공업 자가 제조도 가능하고[1] 일부 국가에서는 가정용 바이오 디젤 반응기를 판매하고 한국에서도 자가 제조하는 용자들이 있다. 하지만 한국에서는 2010년 대법원 판례에서 자가소비용 바이오디젤 제조도 불법으로 50만원의 벌금형이 선고되며 산업통상자원부에 등록하지 않은 자가 제조도 불법이다. 물론 자가 제조 금지의 가장 큰 이유는 유류세를 걷을 수 없기 때문이겠지만 소규모 자가 제조는 순도를 보장할 수 없어 그다지 권장되지는 않는다. 제조 과정에서 에스터 반응이 불충분하면 점도가 크게 높아져 배관이 막히고 촉매 세척 과정과 수분 제거 과정이 불충분하면 배관 부식이나 폭발까지 일으킬 수 있어 순도가 중요하기 때문이다.
난이도 자체는 학교 실험실에서 재현할 수 있는 수준이나 상당한 노동력을 투입해야 한다. 또한 바이오 디젤은 어는점이 일반 경유보다 높고 5℃ 이하 저온에서는 유동성이 떨어져 100%의 바이오디젤을 사용하는 경우는 드물고 일반 경유와 섞어서 사용한다.
5. 제조 원료
5.1. 식물성 기름
콩기름, 유채기름, 유칼립투스, 팜유, 코코넛 오일 같은 식물성 기름을 원료로 사용하는 것. 문제는 원료 식물 재배를 위해서는 세계적으로 산림파괴와 개간이 일어나고 있으며 애그플레이션(곡물 수요 증가로 인한 가격 상승으로 물가 상승 현상)으로 생산비가 폭증했다. 한국의 현실도 바이오 디젤 원료의 70%이상을 수입하고 있으며 그나마 자체 생산가능한 작물이 유채이나 유휴 경작지를 모두 활용해도 경유 수요의 2.2%, 최대한 경작지를 늘려도 수요의 7.5% 정도로 턱없이 모자라는 상황. 더욱이 대규모 경작지를 가진 국가들[2]과 비교해 한국 상황에선 원가 경쟁력을 가질 수 없다.5.2. 동물성 기름
소기름, 돼지기름, 고래기름등 동물성 기름을 원료로 사용하는 것. 그나마 대량 생산이 가능한 식물성 기름과 달리 증산에 한계가 있고 식물 재배 대비 효율이 나쁘다.[3] 때문에 기껏해야 폐식용유를 정제해 쓰는 상황. 다만 한국의 현실상 한국산 원료의 대부분이 폐식용유다.[4] 특히 정제 기술 발달로 수거량이 늘면서 2013년 폐식용유만 15만톤을 수거해서 원료로 쓰고 도축장 내 동물 유지 및 식당 삼겹살 기름 수거도 폭발적으로 증가하여 12000t 정도가 사용되고 있다.5.3. 해양 미세조류
일부 중성지방 생산 비율이 높은 해양 미세조류를 원료로 사용하는 것. 그리고 한국의 현실에서 마지막 희망. 육상작물에 비해 해양 미세조류의 단위면적당 기름 생산량이 수배에 달하며[5] 성장속도가 빨라 연중 20회 이상 생산이 가능하다.
2009년부터 해양 미세조류를 이용한 바이오디젤 생산 연구를 진행해 응용단계에 도달한 상태로 2011년 해양바이오디젤이 국가품질기준을 통과했다. 2012년 '해양미세조류 대량배양 실증배양장'을 준공하였으며 단계적으로 2019년 석유 5만톤 대체 규모로 늘려 장기적으로 2030년 연간 석유 500만톤 대체 규모로 늘릴 계획이다. 문제는 경제성으로 2011년 기준 바이오 디젤 1리터당 3500원 수준으로 장기적으로 기술 개발과 대량 생산으로 원가가 지속적으로 낮아지고 있다. 2015년 생산한 해양 바이오 디젤 혼합유로 자동차 주행시험에 성공하였고 2019년 바이오디젤의 생산단가를 경유가격과 같은 수준인 리터당 1달러로 낮추는 상용화도 진행중이다. 다만 셰일 가스 등으로 인해 저유가가 이어지는지라 연구개발의 동력이 영 시원찮아진 것이 문제.
5.4. 목질계 바이오매스
미생물로 하여금 목질계 바이오메스를 구성하는 약 65~70%의 포도당과 약 30~35%의 자일로스를 분해시켜 디젤원료로 쓸 미생물 오일을 만들게 하는 것. 하지만 자연계에 존재하는 미생물들은 포도당 분해에는 효과적지만 자일로스는 이용할 수 없다는 한계를 가지고 있었는데, KIST 측에서 유전자 가위를 이용해 이성화 효소를 사용하는 자일로스 대사경로로 미생물의 대사경로를 재설계하고, 그 재설계 개체 중에서 능력이 우수한 개체를 선별해 재배양하는 작업을 해서 미생물 오일 생산수율을 2배 가까이 향상시킨 기술이 글로벌 체인지 바이올로지 바이오에너지 최신호에 기재되었다. 기사 이 방법을 쓴다면 농업, 벌목 작업등으로 발생하는 톱밥, 잔가지, 짚 등은 물론이고 골판지 상자 같은 폐지 등도 사용 가능하다는 것. 다만 공장 생산 단계에까지 들어간 비슷한 원리의 바이오 에탄올과 달리 아직은 실험실 단계이다.6. 한국의 현황
2002년부터 시범 보급돼온 BD20은 제한적으로 사용하였고 2006년부터 일반 주유소에서 식물성 기름 유래의 0.5%를 혼합한 BD0.5로 판매를 하였고 화물, 고속버스 회사 등에 한해 자가 주유시설에서 BD20을 허용하였다. 2006년 당시 경유 원가 대비 바이오디젤 원가가 1.8배여서 정부에서 면세 혜택을 주면서 저런 처참한 비율이 나온 것. 이후 매년 0.5%포인트씩 높여 2010년까지 2%, 2012년 3%로 비율을 늘려 간다는 계획이었다.세수문제와 원료 수급문제로 결국 2010년 이후 BD2.0 (2% 혼합)으로 유지됐고 2012년 바이오 디젤의 면세를 폐지한 대신에 바이오 디젤 혼합의무화로 전환하였다. 2015년에 신재생연료 의무혼합제도(Renewable Fuels Standards, RFS)가 시행 예정으로 장기적으로 혼합 비율을 5%정도로 높일 계획.
다만 면세 폐지 및 CNG 차량의 도입, BD20으로 발생한 엔진 결함으로 BD20주유소는 하나씩 문을 닫아, 현재 남아있는 BD20용 주유소는 없다. 엔진 결함에 대해서는 단점 항목에 후술.
경유에 혼합하는 바이오 디젤과 비슷하게 휘발유에 혼합하여 활용하려는 것이 바이오 에탄올로 역시 RFS 제도 대상이다. 해당 문서 참고.
한편, 한국에서는 치킨집 폐식용유 등을 바이오 디젤의 원료로 쓰고 있는데, 연간 16만 톤의 폐식용유가 쓰인다고 한다. 폐식용유 대부분이 바이오 디젤 원료로서 수거되고 있으며, 상인들 입장에서는 비용을 지불하고 버리던 것을 kg당 500원 안팎에 되팔 수 있다.#
7. 단점
바이오 수송연료의 궁극적이고 가장 치명적인 단점은 농경지뿐만 아니라 질소와 인 자원을 비롯한 비료의 소모량이다. 이 문제점은 농경지가 따로 필요하지 않은 미세조류를 포함한 바이오매스도 포함된다. 특히 인의 경우는 생명 활동의 핵심인 핵산과 ATP의 재료인데, 상온에서 기체 phase를 가지고 있지 않은 원소라 탄소나 질소와 달리 자연적인 순환 메커니즘이 없는 원소다.[6] 70억 명 이상이나 되는 지구의 인구를 유지하기 위해 매년 수억 톤씩이나 채굴되고 있지만 인 또한 매장량이 한정된 자원이다. 인 고갈이 일어난다면 현대 농경기술을 통한 대량 식량생산이 불가능해지며, 현재 전 세계 소모량을 본다면 오히려 석유보다 일찍 고갈될 확률이 높다고 한다. 즉, 비료를 사용해서 연료를 생산한다는 것은 석유 고갈을 막기 위해 인류의 식량생산과 직결된 인을 고갈시키는 것과 다름없다. 1 kg의 바이오연료를 생산하고자 할 때 0.71 kg의 인이 필요한다는 것을 감안하면 바이오 연료는 절대로 석유를 대체할 수 없다.심지어 연소과정을 통해 에너지를 얻는 방식 자체가 문제가 되고 있는데 지구온난화로 인해 연소 부산물인 이산화 탄소 자체가 독성 폐기물 취급을 받기 시작한 것이다. 전기자동차로의 급격한 산업 변화는 이제 필수로 간주되고 있으며 이로 인해 연료를 어디서 어떻게 얻고 있건 모든 내연기관은 사실상 퇴장을 앞두고 있는 상황이라 바이오 디젤 역시 이러한 변화 속에서 쓸려나갈 수 밖에 없을 것으로 보인다.
또한 바이오 디젤 자체가 정작 디젤엔진과는 상성이 좋지 않다.[7] 일반적인 경유보다 흡습성이 커서 엔진 연료계통 부품의 수명에 영향을 주는데다가, 어는점이 높아 가뜩이나 동절기에 시동이 안걸리는 디젤엔진에 무리를 더 줄 수 있기 때문. 국내에서 BD20 판매가 중단된 이유중 하나다.
위에서 연료계통 부품의 수명에 영향을 준다고 했었는데, 근본적으로 바이오 디젤 자체가 대부분의 기계 부품 재료의 부식을 가속화 시키는 성질을 가지고 있기 때문이다. 그나마 폴리에틸렌이나 스테인리스강, 알루미늄에는 영향을 끼치지 않는데 이 재료들은 디젤엔진의 부품 재료로는 부적합하다. 그나마 알루미늄 정도만이 합금이거나 도금처리된 형태로 디젤엔진의 실린더 블록으로 쓰이고 있다.[8]
[1] 중고등학교 실험실에 있는 설비와 약품 만으로도 만들 수 있다.[2] 미국이나 멕시코, 브라질, 중국, 인도, 아프리카와 같은 나라들.[3] 소의 에너지 효율은 '1%', 먹인 사료의 1% 만이 소의 몸무게가 되므로 차라리 사료 작물을 원료로 하는 게 효율적이다.[4] 식물성 기름 생산은 통계에 안 잡힐 정도로 소량이고 미세조류는 연구 단계.[5] 종류에 따라 다르지만 연간 1만 평방미터 당 최대 98,500리터의 바이오 연료를 생산할 수 있는데 1세대 원료 중 가장 효율이 높은 오일 팜(야자유)보다 약 16배 이상 많은 생산량이다.[6] 이 인을 순환시키는 것이 분해자(세균, 바이러스)인데, 다른 원소에 비해 순환 속도가 매우 느리다.[7] 특히 디젤 엔진의 연료계통이 CRDi로 바뀌면서 디젤엔진의 연료 민감도가 매우 높아졌다. 바이오 디젤 도입의 부진의 큰 원인 중 하나.[8] 엔진의 생산성 증대를 위해 독소전 중이던 1940년대 소련의 T-34/76에서부터 시작되었다. 단 여기에 쓰는 하르키우 V-2 엔진의 경우 알루미늄 특성상 당연히 잔고장이 잦은것으로 악명높다.