유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산

공동연구 보고서

2011. 12

창 해 에 탄 올

발 간 등 록 번 호

2011-11-029-01

참 여 연 구 진

연구총괄 : 천 승 규(수도권매립지관리공사 녹색기술연구센터장)

연구책임 : 원 종 철(수도권매립지관리공사 에너지자원부장)

최 기 욱(㈜창해에탄올 창해연구소장)

연구참여

책임연구원 : 전은정(수도권매립지관리공사 에너지자원부 연구원)

정준성(㈜창해에탄올 창해연구소 선임연구원)

연 구 원 : 이진형

(수도권매립지관리공사 에너지자원부 과장)

윤수경, 박유리

(수도권매립지관리공사 에너지자원부 연구원)

김 율, 강경우

(㈜창해에탄올 창해연구소 선임연구원)

한민희, 문세권, 전형진

(㈜창해에탄올 창해연구소 연구원)

- i -

제 1 장 서 론 ·······················································································································1

1.1 연구 배경 및 목적 ···········································································································1

1.1.1 연구 배경 ······················································································································1

1.1.2 연구 목적 ······················································································································1

1.2 연구 범위 및 내용 ···········································································································2

1.3 추진방법 및 절차 ·············································································································2

1.3.1 추진방법 ························································································································2

1.3.2 추진절차 ························································································································3

제 2 장 바이오에탄올 생산관련 연구동향 및 기술현황 조사 ··································4

2.1 국내외 바이오에탄올 생산 및 기술 현황 ···································································4

2.1.1 미국 ································································································································4

2.1.2 브라질 ····························································································································6

2.1.3 중국 ································································································································8

2.1.4 일본 ································································································································9

2.1.5 한국 ······························································································································11

2.2 유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산 관련 연구동향 ·································13

2.2.1 대상폐기물별 바이오에탄올 생산기술 현황 ························································13

제 3 장 유기성폐기물 종류별 바이오에탄올 생산 연구 ··········································19

3.1 유기성폐기물 선정 및 기초 특성조사 ·······································································19

3.1.1 폐기물의 정의 및 종류 ····························································································19

3.1.2 국내 유기성폐기물 종류별 발생 및 처리현황 ····················································22

3.1.3 다양한 유기성폐기물 성분 분석을 통한 원료 선정 ··········································37

3.2 식음료폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산 ·····························································44

3.2.1 식음료폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산 기초 실험 ····································44

3.2.2 식음료폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산 및 공정 최적화 ··························49

3.3 폐목재를 이용한 바이오에탄올 생산 ·········································································53

3.3.1 전처리 공정 비교 ······································································································53

3.3.2 폐목재를 이용한 바이오에탄올 생산 기초 실험 ················································57

- ii -

3.3.3 바이오에탄올 생산을 위한 폐목재 전처리 최적화 ············································64

제 4 장 바이오에탄올 시작품 생산 및 품질평가, 활용방안 검토 ························69

4.1 유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 시작품 생산 ···············································69

4.1.1 식음료폐기물을 이용한 바이오에탄올 시작품 생산 ··········································69

4.1.2 폐목재를 이용한 바이오에탄올 시작품 생산 ······················································72

4.2 바이오에탄올 품질평가 ·································································································81

4.2.1 국내외 에탄올 품질기준 조사 및 품질기준(안) 검토 ········································81

4.2.2 폐자원 유래 바이오에탄올 시작품 품질평가 ······················································88

4.3 바이오에탄올 활용방안 검토 ·······················································································89

4.3.1 에탄올 용도 조사 ······································································································89

4.3.2 폐자원 유래 바이오에탄올 활용방안 제안 ··························································89

제 5 장 유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술평가 ·····························91

5.1 유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산 가능성 평가 ·····································91

5.1.1 음식물류폐기물(음폐수, 건음식물류폐기물 포함) ···············································91

5.1.2 식음료폐기물 ··············································································································92

5.1.3 폐목재 ··························································································································93

5.2 유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산 기술 경제성 평가 ···························95

5.2.1 경제성 분석방법 설정 ······························································································95

5.2.2 비용편익 분석항목 결정 ··························································································96

5.2.3 유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 통합공정의 경제성 평가 ····················97

제 6 장 유기성폐기물의 바이오에탄올화 CDM 사업 연계성 검토 ···················100

6.1 CDM 사업의 연계성 검토 목적 ················································································100

6.2 연구 범위 및 절차 ·······································································································100

6.3 온실가스 저감 기술 및 프로젝트 바운더리 ·························································101

6.3.1 연구 개요 ··················································································································101

6.4 적용 가능 방법론 검토 ·······························································································101

6.4.1 CDM 적용 가능한 원료 선정 ···············································································101

6.4.2 바이오에너지 관련 방법론 및 사례조사 ····························································105

6.4.3 적용 가능 방법론 선정 ··························································································109

6.4.4 방법론의 개정 및 신규 방법론 개발 ··································································112

- iii -

6.5 추가성 검토 ···················································································································116

6.5.1 CDM 추가성 입증 방안 ·························································································116

6.6 CDM사업 추진 가능성 검토 ····················································································128

6.6.1 국제 CDM 사업의 환경 변화 ···············································································128

6.6.2 목표관리제도하에서 CDM 사업에 대한 주요 고려 요인 분석 ·····················130

6.6.3 국제 CDM 사업의 환경 변화 ···············································································131

6.6.4 CDM 추진 시 주요 일정 및 소요시간 ·······························································134

6.6.5 CDM 추진 연계 가능성 종합 검토 ·····································································135

제 7 장 바이오에탄올 생산 실증실험시설 설치 검토 ············································138

7.1 공정 구성 검토 ·············································································································138

7.1.1 검토 배경 ··················································································································138

7.1.2 공정 구성시 고려 사항 ··························································································138

7.1.3 공정 구성 개념 ········································································································139

7.2 공정 검토 ·······················································································································141

7.2.1 Process Block Diagram ··························································································141

7.2.2 Material balance ······································································································143

7.2.3 Process Flow Diagram ··························································································144

7.2.4 Pilot Plant 구축 비용 ·································································································145

제 8 장 결론 및 제언 ·······································································································146

참고문헌 ·································································································································147

부록 1. 식음료폐기물 발생 및 처리현황 관련 설문조사지 ·····································148

부록 2. 유기성폐기물 특성 분석방법 ············································································150

부록 3. 바이오에탄올 시작품 품질평가 결과 ······························································154

- iv -

폐기물관리법상 폐기물의 분류 ··········································································19

폐기물의 분류(형태별, 배출원별, 특성별, 폐기물관리법상) ·························20

관리주체별 유기성폐기물의 종류 및 처리방법 ··············································21

국내 생활폐기물 및 음식물류폐기물의 연도별 발생 추이 ··························23

국내 음식물류폐기물의 지역별 발생추이 ························································24

2009년도 음식물류폐기물 처리현황 ··································································24

연도별 음폐수 발생량 추이 ················································································25

전국 배출원별 폐목재 발생추이 ········································································26

수도권매립지 폐목재 반입 추정량 추이 ··························································27

식품산업 품목군 ··································································································28

식품생산업체의 동물성잔재물 발생량 및 처리현황 ····································29

식품생산업체의 식물성잔재물 발생량 및 처리현황 ····································30

주류․주정 유기성폐기물 발생량 및 처리형태 ············································33

식음료폐기물 발생 및 처리현황 ······································································34

식음료폐기물 발생 및 처리현황 설문조사 결과 ··········································35

식음료폐기물 기초특성 분석결과 ··································································37

식음료폐기물 중 직당(DS) 분석결과(HPLC 이용) ·······································37

음식물류폐기물 및 음폐수 기초 특성 분석결과 ··········································38

음식물류폐기물 및 음폐수 중 직당(DS) 및 에탄올 분석결과(HPLC 이용) ······39

건 음식물류폐기물 성분 분석결과 ··································································40

폐목재 발생 비율(수도권매립지관리공사) ····················································41

파쇄전처리한 폐목재 성분분석 결과 ······························································42

부영양원 첨가제 특성 ························································································45

영양원 HPLC 당(DS)분석 결과 ········································································46

부영양원 첨가제 성분 함량 ··············································································46

최종 분석에탄올 수율(88hr경과 후 분석) ······················································48

최종발효 HPLC 6탄당 분석결과 ·····································································49

최종발효액 분석결과(88hr 경과 후 분석) ······················································51

최종발효액 HPLC 당(DS) 분석결과 ································································51

주요 전처리 기술의 특징 비교 ········································································54

강산처리공정의 장단점 특성 비교 ··································································55

- v -

황산 농도에 따른 당화율 ··················································································58

효소의 특성 ··········································································································60

전처리 및 당화 결과 ··························································································61

TGCR 에 대한 분석 결과 ·················································································62

TGCR 최적 조건 (범위 내) ···············································································63

TGCR 최적 조건 ·································································································63

전처리 및 당화 결과 ··························································································65

TGCR 에 대한 분석 결과 ·················································································66

TGCR 최적 조건 ·······························································································67

TGCR 최적 조건 그림 ·······················································································68

바이오매스에 따른 최적 조건 및 당화효소 사용량 ····································68

식음료폐기물 영양원첨가 전 후 분석결과 ······················································69

식음료폐기물 발효 경과시간별 분석결과 ························································69

식음료폐기물 발효 경과시간별 HPLC 당(DS) 분석결과 ······························70

시제품 생산 과정 ··································································································71

폐목재 사용량 ········································································································72

전처리 후 폐목재 고형물 회수율 ······································································74

전처리 및 건조 후 성분분석 결과 ····································································74

전처리 후 성분 별 회수율 ··················································································75

당화 및 발효 공정에 사용된 효소량 및 운전 온도 조건 ····························76

동시당화발효 결과 ······························································································76

에탄올 발효액 분석결과 ····················································································77

폐목재를 이용한 당화율, 발효율, TGCR ·······················································80

시제품 생산 과정 ································································································80

석유대체연료(바이오에탄올 연료유) 정의 관련 국내규정 ··························82

석유대체연료(바이오에탄올연료유) 품질기준 관련 국내규정 ····················83

석유제품의 품질기준 관련 국내규정 ······························································84

국외 함수․무수바이오에탄올(무변성) 품질기준 ··········································85

국외 무수바이오에탄올(변성) 품질기준 ··························································86

바이오에탄올 도입 국가의 에탄올 품질기준 항목 ······································87

국내 바이오에탄올 품질기준(안) ······································································87

폐자원 유래 바이오에탄올 시작품 품질평가 결과 ······································88

음식물류폐기물 등의 당 함량 및 에탄올 생산 가능량 ································91

- vi -

폐목재 종류별 당 조성 ························································································94

유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산기술의 경제성평가 항목 ········97

경제성 분석 적용 변수 ························································································98

연구 사업의 개요 ································································································101

바이오에너지 관련 방법론 ················································································105

AMS-I.G. 개요 ······································································································106

AMS-Ⅲ.T. 개요 ····································································································106

AM0089 개요 ·······································································································107

ACM0017 개요 ·····································································································107

ACM0017 적용 방법론 사업 목록 ···································································108

AMS-I.H 개요 ······································································································108

AMS-Ⅲ.AK. 개요 ································································································109

ACM0017 주요 개정 사항 - 적용성 ·····························································114

ACM0017 주요 개정 사항 - 프로젝트 경계 ···············································115

ACM0017 주요 개정 사항 - 저감량 산정 변수 ·······································115

연료에탄올 품질기준 (ASTM D 5798-99(‘04)) ············································117

자동차용 변성에탄올 품질기준 (ASTM D 4806-04a) ································117

연료에탄올 규격(국가석유청규격) ··································································118

연료에탄올 규격(prEN 15376) ········································································118

연료에탄올 규격 ································································································119

연료에탄올 품질기준(GB18351-20010) ···························································120

자동차용 휘발유 품질기준(품확법) ································································121

일반 CDM 사업 소요 일정 ···········································································131

ACM0017 방법론 분석 정리 ···········································································135

추가성 분석 결과 ····························································································136

Pilot plant 설비별 소요 예상 금액 ·································································145

- vii -

공동연구 추진체계 및 역할분담 ······································································2

연구 추진절차 ······································································································3

폐기물관리법상 폐기물 분류와 통계 작성상 폐기물 분류 비교 ············20

음폐수 처리현황(2008년도) ··············································································25

전국 배출원별 폐목재 발생추이 ····································································26

식품생산업체의 동물성잔재물 처리현황 ······················································29

식품생산업체의 식물성잔재물 처리현황 ······················································31

주류․주정사업장의 유기성폐자원 발생현황 ··············································33

주류․주정사업장의 유기성폐자원 처리현황 ··············································33

폐수처리장에서의 식음료폐기물 처리공정 ··················································36

음식물류폐기물(조성별 파쇄시료) 및 음폐수 시료 ····································38

음식물류폐기물의 당화 전, 후 DS 함량 그래프 ······································39

건 음식물류폐기물 시료 ················································································40

폐목재 시료 ······································································································41

DDGS와 농축액 ·······························································································45

식음료폐기물의 영양원 탐색 발효실험 방법 ············································47

기초 발효실험 CO2 분석결과 ·······································································48

부영양원 2%, 5%, 10%첨가량 별 발효 CO2 분석결과 ···························50

부영양원 10%, 15%, 20%첨가량 별 발효 CO2 분석결과 ·······················50

식음료폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산시스템 제안 ························52

농황산을 이용한 바이오에탄올 공정도 ······················································56

황산 처리 조건별 가수분해 결과 ································································58

발효, 증류, 탈수 설비(㈜창해에탄올 보유설비) ··········································70

식음료폐기물을 이용한 시제품 생산 물질수지 ··········································71

Bench 규모 발효 설비 ······················································································72

전처리 공정 Flow chart ··················································································73

전처리된 폐목재 ································································································74

폐목재를 이용한 당화 및 발효 Flow chart ················································75

Bench 규모 발효 설비 ······················································································75

동시당화발효에 따른 에탄올 농도 ································································77

폐목재 발효액 입도분포 ··················································································77

- viii -

증류 및 탈수공정 Flow chart ······································································78

증류 장치 및 Bench 규모 탈수 설비 ··························································79

폐목재를 이용한 시제품 생산 물질 수지 ··················································80

경제성 분석방법 ································································································95

CDM 가능성 검토 로직 ·················································································100

재생가능 바이오매스 정의 ············································································102

Clarification for project participants on when to request a revision,

Clarification to an approved methodology or deviation(EB 31, Annex 12) ··· 113

Guidance on criteria for consolidations and revision of methodologies

(EB 31, Annex 12) ··························································································113

추가성 검증 Tool 순서도 ··············································································116

경제적 추가성 입증 순서도 ··········································································122

국고채 및 회사채 평균 수익률 사례 ··························································123

투자분석 결과 사례 ······················································································124

EB 투자분석 지침서 ver.04에 따른 설비수명 ···········································125

경제성 분석 적용 변수 ················································································126

경제성 분석 결과 ··························································································126

경제성 분석 현금흐름표 ··············································································126

방법론 개정 절차 ··························································································134

신규 방법론 개발 절차 ··············································································135

유기성 폐기물을 이용한 공정 개념도 ························································141

물질수지 ············································································································143

분쇄 및 전처리 설비 ······················································································144

당화 및 발효 설비 ··························································································144

증류 및 탈수 설비 ··························································································145

- 1 -

제 1 장 서 론

1.1 연구 배경 및 목적

1.1.1 연구 배경

고유가와 에너지 안보, 지구온난화의 가속화 등을 배경으로 대체에너지 개발 필

요성이 확대됨에 따라, 화석연료를 대체하기 위한 신재생에너지 생산 기술개발의

중요성이 증대되고 있다.

신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 제2조 제1호에 따르면, “신에너지

및 재생에너지”(이하 “신재생에너지”라 한다)란 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하

거나 햇빛․물․지열(지열)․강수(강수)․생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에

너지를 변환시켜 이용하는 에너지로서, 우리나라에서는 8개 분야의 재생에너지(태양

열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 3개

분야의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지), 총11개 분야를 신재생에너

지로 지정하고 있다. 이 중 태양광을 이용하여 광합성되는 유기물(주로 식물체) 및

동 유기물을 소비하여 생성되는 모든 생물 유기체 즉, 바이오매스를 이용하여 생산

한 에너지를 바이오에너지라고 하며, 바이오에너지 가운데 수송용 액체연료는 바이

오에탄올, 바이오부탄올, 바이오디젤, BTL-디젤 등으로 구성되어 있다. 바이오에탄올

과 바이오디젤은 이미 상용화된 기술이 적용되고 있으며, BTL-디젤과 바이오부탄올

은 앞으로 수년내에 신산업으로 자리 잡을 것으로 예상된다.

바이오에너지 중 하나인 바이오에탄올은 현재 미국, 브라질을 중심으로 가솔린을

대체하는 에탄올 혼합 수송용 연료로서 많이 보급되고 있다. 그러나 바이오에탄올

생산비용 중 30%이상이 원료부분으로 많은 비중을 차지하고 있으며, 사탕수수, 옥

수수 등 전분질계를 원료로 하여 바이오에탄올을 생산하는 경우 식량부족 및 가격

폭등의 문제가 발생할 수 있으므로 대체 원료의 확보가 절실히 요구되고 있다.

따라서 바이오에탄올 생산을 위해 기존의 식량자원을 대체할 수 있는 원료로서

활용가능한 폐자원을 탐색 및 이를 이용한 바이오에탄올 생산 기술 개발이 필요하

다.

1.1.2 연구 목적

본 연구에서는 다양한 유기성폐기물(음식물류폐기물, 폐목재, 식음료폐기물 등)을

발굴하여 바이오에탄올 생산 가능성을 종합적으로 검토하여, 폐자원을 이용한 바이

오에탄올 생산방안을 제시하고자 한다.

- 2 -

1.2 연구 범위 및 내용

가. 문헌 및 사례조사

○ 유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산관련 연구동향 파악

○ 바이오에탄올 생산원료로 활용 가능한 유기성폐기물의 배출현황 및 특성조사

나. 유기성폐기물 종류별 바이오에탄올 생산연구

○ 유기성폐기물 선정 및 기초 특성조사

○ 음식물류폐기물, 폐목재, 식음료 산업폐기물 등 다양한 유기성폐기물을 이용한

바이오에탄올 생산 기초 실험

다. 유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산공정 최적화 연구

라. 바이오에탄올 시작품 생산 및 품질 평가, 활용방안 검토

마. 바이오에탄올 생산 기술 평가(기술성, 경제성)

바. 유기성폐기물의 바이오에탄올화 CDM 사업 연계성 검토

사. 바이오에탄올 생산 실증실험시설 설치 검토

1.3 추진방법 및 절차

1.3.1 추진방법

수도권매립지관리공사 녹색기술연구센터와 ㈜창해에탄올 창해연구소가 공동연구

협약체결에 따라 연구를 수행하였으며, 각 기관별 역할 분담은 과 같다.

수도권매립지관리공사

녹색기술연구센터

공동연구

추진

협약체결에

따른

연구진행

㈜창해에탄올

창해연구소

• 문헌 및 사례 조사(공통주관)

• 폐기물선정, 특성조사(공통)

• 바이오에탄올 품질평가,

활용 방안 검토

• CDM사업 연계성 검토

• 기술 경제성 평가

• 실증실험시설 설치 검토(공통)

• 결과 공유, 분석(공통)

• 문헌 및 사례 조사(공통)

• 폐기물선정,특성조사(공통주관)

• 바이오에탄올 생산 기초실험,

생산공정 최적화

• 바이오에탄올 시작품생산

• 실증실험시설 설치 검토(공통주관)

• 결과 공유, 분석(공통)

공동연구 추진체계 및 역할분담

1.3.2 추진절차

본 연구의 전체적인 추진절차는 와 같다.

공동연구 추진계획 수립

문헌 및 사례조사

• 유기성폐기물의 바이오에탄올화 연구동향 파악

• 유기성폐기물 배출현황 및 특성조사

유기성폐기물 종류별 바이오에탄올 생산 연구

• 대상 유기성폐기물 선정 및 기초특성 조사

• 선정된 유기성폐기물 이용한 에탄올 생산 기초실험

유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산공정 최적화 연구

바이오에탄올 시작품

생산 및 품질평가,

활용방안 검토

바이오에탄올 생산 기술

평가

유기성폐기물의

바이오에탄올화

CDM사업 연계성 검토

바이오에탄올 생산 실증실험시설 설치 검토

• 시설규모, 단위공정, 시설 설치비 및 운영비 등

최종결론 및 향후 연구방향 제안

연구 추진절차

- 4 -

제 2 장 바이오에탄올 생산관련 연구동향 및 기술현황 조사

2.1 국내외 바이오에탄올 생산 및 기술 현황

2.1.1 미국

(1) 바이오에탄올 생산 및 이용현황

미국 국내의 에탄올 생산량은 1997년에 492만 kL에서 2006년에 1,915만 kL에 달

해 최근 10년간 생산량이 4배에 가까이 증가했다. 2005년 이후에는 세계 제1의 에

탄올 생산국이 되었다.

미국 국내에서는 현재 에탄올 플랜트 건설이 증가하고 있다. 이러한 상태로 에탄

올 증산이 이어지면 에너지 정책법의 목표인 「2012년까지 2,800만 kL」를 몇 년

앞서 달성할 수 있을 것으로 전망되고 있다.

2005년 8월에 「에너지 정책법」(Energy Policy Act of 2005)이 성립되면서, 자동

차용 연료에 바이오에탄올 등의 사용을 의무화한「재생가능연료 기준」(Renewable

Fuels Standars)정해졌다. 이 결정에 따라 미국에서는 2012년까지 2,800만 kL(75억

갤런)의 바이오에탄올을 가솔린에 혼합시켜야 한다. 풍부하게 생산되는 옥수수를 원

료로 에탄올을 생산하여 E10과 E85를 국내에 보급하는 것이다. 이미 미네소타, 워

싱턴, 몬태나, 미주리, 하와이의 5개 주에서는 E2 또는 E10이 의무화된 상태이고,

다른 9개 주에서는 의무화를 검토하고 있는 중이다.

에너지도입을 의무화한 에너지 법안이 성립된 것은 원유의 중동의존도를 낮추고,

옥수수 농가를 보호하기 위한 것으로 원유가격의 계속적인 급등현상을 배경으로 하

고 있다. 그러나 MTBE(메틸 타셔리 부틸 에테르 : 에테르 화합물의 일종으로 메탄

올과 이소부틸렌을 가지고 제조함)를 에탄올로 전환한다는 건강피해를 방지한다는

목적이 크다. 미국전체의 약 2/3에 해당하는 주에서는 MTBE 사용금지 조치가 취해

지고 있으나, 나머지 1/3에 해당하는 주에서는 금지조치가 취해지고 있지 않다. 에

탄올은 MTBE을 대신하는 산소첨가제로서 미국 내에서 공급할 수 있는 자원이다.

앞으로 MTBE를 금지하는 주에서의 에탄올 수요가 늘어갈 것임에 틀림없다.

에탄올 혼합가솔린에 대한 보조정책도 활발하게 실시되고 있다. 바이오에탄올에

대한 물품세 공제와 보조금 지급, 소규모 에탄올 생산업자에 대한 세금공제 등을

통해 가솔린과의 가격차를 좁혀 에탄올의 가격경쟁력을 확보하여 사업투자를 촉진

한 바 있다. 이로써 바이오에탄올 붐이라고 불릴 정도로 연료 에탄올사업에 대한

투자가 가속화되었다. 대량생산을 위해 옥수수 대신 목질계 바이오매스를 이용한

기술개발 추진

- 5 -

∙2013년부터 상업적 공급 계획

∙옥수수를 원료로하여 2005년 1500만kl 보급 (휘발유 소비량의 2.8%)

∙2050년까지 바이오에너지로 해외 석유 수입분 완전 대체 목표

∙2004년 바이오에탄올 생산량은 34억 배럴

∙바이오매스 관련 R&D에만 연간 150백만 달러 이상을 투자

∙특히 리그닌, 셀룰로오스 등 식물 섬유질에서 에탄올을 생산하는 기술에 투자를 집중

∙현재 옥수수 단일 작물에 대한 의존도가 높아, 다양한 에너지 식물 및 풍부한

산림자원의 활용을 늘리기 위한 목적

∙미국 전체 옥수수 생산량을 모두 에탄올로 바꾸더라도 휘발유의 20%만 대체가능

(2) 관련 법규 및 제도

∙오일쇼크 직후인 1978년에 Energy Tax Act를 제정하여 에탄올 10% 이내를 함유

하는 가솔린에 대해 4$/gallon의 연방세 감세혜택을 주어 보급을 확대. (2004년

E6는 3$/gallon, E10은 5.2 $/gallon 감세)

∙주 정부는 바이오에너지에 대한 세제혜택 및 의무 사항 제정 (23개 주에서 에탄올에

대한 인센티브 혜택).

∙에너지부(DOE)에서 6개의 바이오에탄올 식물 프로젝트에 3억 8천 5백만달러 지원

∙휘발유와 혼합한 바이오 에탄올 1리터당 0.135달러, 휘발유와 혼합한 바이오디젤

1리터당 0.264달러의 세금 혜택

∙“에너지독립 및 안보에 관한 법률(2007)”에서는 2022년까지 1.360억리터의 재생에

너지 사용을 목표로 설정

(3) 상용화플랜트 등 시설 운영현황

바이오에탄올 개발을 통해 전체 수송연료의 30%를 에탄올로 대체추진중이며, 총

106개의 공장에서 에탄올을 생산한다. 81개소는 옥수수를 원료로 에탄올 생산하며,

총생산 Capacity 는 1,542만kL 이며 신규로 16개 공장을 건설 중이며, 이들의

Capacity는 434만 kL 이다.

2004년에 3,150만 톤의 옥수수를 가공하여 1,603만 kL 생산, 전 세계시장의 27%

를 차지한다. 미국 주 정부는 바이오에너지에 대한 세제혜택 및 의무사항 제정(23개

주에서 에탄올에 대한 인센티브 혜택)하였으며, 농업 폐기물 및 식물원료로부터 에

탄올을 추출하는 기술을 2012년까지 상용화하기 위해 ‘07년 예산에 150백만 불 투

입하였다.

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2.1.2 브라질

(1) 바이오에탄올 생산 및 이용현황

브라질은 2005년부터 에탄올 생산량 1위 자리를 미국에게 양보했으나, 에탄올 연

료이용률은 여전히 1위를 고수하고 있다. 2006년 에탄올 생산량은 미국에 이어

1,675 kL로서 브라질 국내에서는 E23(2007년 4월 현재)과 E100(함수에탄올)이 유통

되고 있다.

2002~2006년까지 5년간의 생산추이를 살펴보면 2002년에 1,262 kL였던 생산량이

2006년에는 1,675만 kL로서 그 동안 30%나 증산되었다. 브라질은 이와 같이 왕성한

생산력을 배경으로 에탄올 수출여력을 가진 유일한 국가로서 주목을 받고 있다.

브라질의 에탄올 수출량은 2000년 23만 kL에서 2005년 250만 kL로 비약적인 성

장을 거두었다. 그러나 만일 일본이 E3를 전국에 보급시키게 되면 약 200만 kL의

에탄올이 필요해지는데 브라질에만 의존할 경우, 2005년 수출량의 80%를 차지하게

된다. 브라질의 주요 에탄올 수출처는 북미와 유럽이 중심을 이루고 있어, 대량의

에탄올을 바로 일본에 수출하는 것이 쉬운 상황은 아니다. 에탄올 산업의 급성장을

확신하고 있는 브라질에서는 국내외 수요증가에 대응할 수 있도록 사탕수수 경작지

개발에 의한 에탄올 생산량의 증가, 에탄올 수송용 파이프라인의 정비, 수출용 항만

설비의 정비 등을 추진하고 있다.

국가 농업에너지 계획(The National Plan of Agroenergia)에서는 바이오에탄올의

수출확대정책을 내세우면서, 바이오에탄올 생산을 비롯한 경지확대를 2010년까지

200만ha, 2014년까지 100만ha로 증가시킬 계획을 발표한 바 있다.

∙저가의 사탕수수를 이용한 바이오에탄올 생산에 주력

∙브라질 전체 수송용 연료 중 20% 점유

∙전세계 공급량 중 44% 점유

∙2005 년 42 억 갤런의 에탄올 생산 (6.4 억 갤런을 인디아 미국으로 수출 )

(2) 관련 법규 및 제도

∙1931년에 에탄올 사용을 증진하는 공공정책이 최초로 수입되어, 정부차량에 10%

에탄올 혼합 가솔린이 사용되었고, 공공차량에 최소 5%의 에탄올 혼합 가솔린이

사용.

∙석유위기와 낮은 설탕가격에 따라서, 1975년도에 PROALCOOL을 제정하여 1977

년부터는 가솔린에 정규적으로 에탄올을 혼합 사용할 수 있도록 법제화.

∙브라질에서 생산되는 바이오에탄올은 무수 에탄올과 함수 에탄올로 나뉘는데 수

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분 0.4% 이하의 무수 에탄올을 가솔린에 혼합하여 일반 차량연료(가소홀)로 사용

하고 있음.

∙1979년에는 순수 에탄올차량 판매 시작(2005년까지 약 5백만 대).

∙1993년에 가솔린에 22% 무수에탄올 혼합이 법제화되었으며, 모든 수입자동차는

에탄올 혼합 가솔린에 적합하도록 재조정.

∙2001년 이후, 에탄올 생산량에 따란 혼합율을 20~25%로 변경할 수 있도록 법제화

∙2003년에는 에탄올과 가솔린의 함량이 변화해도 운행이 가능한 FFV(Flex Fuel

Vehicle)이 판매되기 시작하여, ‘05년 5월 현재 총 승용차 판매대수의 약 50%’

∙무수바이오에탄올 품질기준 : 에탄올 부피 99.3%이상, 20℃에서의 밀도 0.7915 g/

㎤ 이하, 외관은 무색투명해야 함.

∙바이오연료에 대한 조세감면 실시

(3) 상용화플랜트 등 시설 운영현황

브라질의 사탕수수 가공공장(sugar mill)은 당과 바이오에탄올을 동시에 생산하는

복합공장과 바이오에탄올만을 생산하는 전용공장 등 두 가지 방식으로 운영되고 있

다. 시장상황에 따라 당과 바이오에탄올의 출하량을 조절함으로써 이익을 극대화할

수 있는 장점이 있어 대부분이 복합공장 방식이다. 브라질의 사탕수수 가공공장은

반경 30 Km 내외에 조성된 사탕수수 농장과 연계되어 운영되며 현재 총 360여개의

사탕수수 가공공장이 운영 중에 있다. 이중 60%는 3개 메이저 그룹의 소유이고 나

머지 40%는 중소 규모의 개인사업자 소유이다.

현재 브라질은 가소홀차량, 에탄올전용차량, FFV, 디젤차량이 운행 중이다. 브라

질에서 생산되는 바이오에탄올은 무수에탄올과 함수에탄올로 나뉘는데, 수분이

0.4%이하의 무수에탄올은 가솔린에 혼합하여 일반 차량 연료(가소홀)로 사용되고

있으며 ‘05년 기준으로 가소홀차량 1,550만대가 운행 중이다. 무수에탄올은 전체 에

탄올 생산량의 약 60%를 차지하는데, ‘03년부터 바이오에탄올의 수급현황에 따라

혼합비는 20~25%까지 조절 할 수 있도록 되었으며 현재 혼합비는 25%이다. 함수에

탄올은 수분함량이 약 5%내외인 에탄올로 휘발유에 혼합하여 사용하는 무수에탄올

과는 달리 에탄올 전용차량에 사용되고 있다. 에탄올전용차량은 1979년부터 판매되

기 시작하여 현재까지 약 5백만대가 판매되었으나, 1980년대 후반부터 에탄올 부족

과 에탄올가격의 증가 등으로 판매가 급격히 저하되었다.

FFV는 2003년부터 판매되기 시작하여 현재 70만대가 보급되었으며, 순수함수에탄

올과 가소홀을 모두 사용할 수 있다는 장점으로 판매가 급증하여 2005년 기준 총

승용차 판매대수의 약 50%를 차지하고 있다.

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2.1.3 중국

(1) 바이오에탄올 생산 및 이용현황

중국은 옥수수를 원료로 하는 E10 보급을 추진하고 있다. 1993년부터 석유수입국

으로 전환되면서, 미국에 이어 제2의 석유소비국으로 전환되면서, 미국에 이어 제2

의 석유소비국으로 부상했다. 향후 경제성장에 따라 석유소비량이 더욱 증가할 것

으로 省의 에너지대책과 대체에너지 개발을 국책으로서 중시하고 있다. 이 가운데

에탄올 연료이용은 수입 석유의 삭감. 국내 농업진흥으로 이어지는 대체에너지 개

발을 위해 주력하고 있다. 2004년의 「차량용 에탄올 확대시험계획」에는 흑룡강성,

길림성, 하남성, 안휘성 등 27개 도시에 대한 에탄올 혼합가솔린 도입이 계획되어있

다. 중국 전체에서 E10 도입이 의무화되면, 필요한 에탄올은 연간 700만 kL로 추정

되고 있다. 2006년 중국의 에탄올 생산량은 385만 kL로서, 부족분을 보충하기 위한

에탄올 생산설비가 정비되고 있다.

(2) 관련 법규 및 제도

∙2005년부터 E10 의무화로 사용공표 및 보조지원

∙에탄올 생산업자 부가가치세 반환, 에탄올 소비세 5% 면제, 에탄올 톤당 100위안

전후의 이윤 보증 등

∙원료작물 재배 시 보조

∙에탄올에 대한 간접세 환급

∙흑룡강성 등 8개성에서 10% 혼합 의무화

∙몇몇 대도시에서 바이오연료 혼합비율을 규정하고 있으며, ‘06년 바이오에탄올 생

산자에게 1년에 1억 8,800만 달러를 보조하는 한편, 소비세의 5%를 감면

(3) 상용화플랜트 등 시설 운영현황

중국의 바이오에탄올 생산량은 2005년 9.2×105 톤(1.1×109 리터)으로 중국의 현

바이오연료정책에 따르면, 에탄올 생산량은 2010년까지 4×106톤 (4.8×109리터)로 증

가할 것으로 추정된다.

2006년 중국에는 4기의 에탄올 생산설비가 있으며 정부의 바이오연료에 대한 관

심과 함께, 각 성은 자체적으로 에탄올 생산설비를 갖출 것을 고려하고 있다. 또한

브라질의 에탄올 수입도 고려하고 있다. 2000년대 초 중국의 에탄올 수출은 큰 차

이로 에탄올 수입을 초과하였지만, 최근에는 그 차이가 점점 줄어들고 있는 실정이

다.

- 9 -

최근 바이오에탄올 사용의 급증으로 원료의 가격상승 및 부족현상 등이 발생하자

중국 정부는 바이오연료 생산을 위하여 양식과 곡물 생산지 전용을 금지하는 “부쟁

량(不爭糧), 부쟁지(不爭地)의 원칙”을 세우고 카사바(cassava), 단수수(sweet

sorghum)의 재배를 증가시킴과 동시에 동남아 등지의 카사바 등을 빠르게 확보하

고 있다. 베트남 등지에서는 에탄올 공장 등을 세워주는 조건으로 공동 투자도 하

고 있다.

중국 주정업계는 20,000~50,000 kL/년의 전통적 주정창이었는데 백주(배갈)의 소

비감소에도 불구하고 현재 호황을 누리고 있으며 바이오에탄올용 신규 주정창은 30

만 kL급으로 대형화 추세에 있다.

중국은 2020년까지 휘발유 및 디젤 소비의 10%를 바이오 연료로 공급할 예정이

므로 2,280만 톤의 바이오연료가 소비될 전망인데, 그때까지의 바이오연료 생산용량

은 1,100만 톤/년까지 확충될 예정이다. 따라서 나머지 50%의 부족량은 수입 및 해

외자원 개발로 충당 예정인 것으로 판단된다.

중국의 바이오에탄올 생산은 잉여 농산물(옥수수)를 소비할 목적으로 시작되었으

나 에탄올 생산이 늘어남에 따라 원료인 옥수수 수급 안정성 문제가 대두되어, 중

국정부는 식량자원의 에너지화에 따른 식량부족을 우려하여 곡물을 원료로 한 바이

오에탄올 확대 계획을 2007년 전면 중지하였다.

이를 대체하는 새로운 원료를 발굴하기 위해 노력하고 있으며, 신원료 후보로는

단수수, 카사바, 사탕수수 등이 있으며 이러한 원료는 사용할 경우 바이오에탄올 생

산량을 3천만 톤까지 늘릴 수 있을 것으로 분석된다. 또한 볏짚 등의 섬유소계 바

이오매스를 에탄올 생산 원료로 활용하는 기술개발을 시작하였으며 이러한 원료를

활용할 경우 최대 3억 7천만 톤의 바이오에탄올을 생산할 수 있을 것으로 기대하고

있다.

2.1.4 일본

(1) 바이오에탄올 생산 및 이용현황

교토의정서 목표달성계획을 보면 2010년도까지 원유환산 50만 kL의 바이오연료를

일본산 ·수입을 불문하고 도입한다는 목표가 기재되어 있으며, 이 목표달성이 시급

한 과제이다.

일본의 경우, 바이오에탄올을 비롯한 함산소화합물에 대해서는 자동차의 안전성

확보 및 배출가스 성상이나 인체에 대한 영향 등 환경면에서의 확보라는 관점에서

「휘발유 등의 품질확보 등에 관한 법률」에 있어 혼합 상한기준이 규정되어 있다.

이로서 가솔린에 대한 에탄올의 혼합 상한기준을 3% 혼합가솔린(E3)과 ETBE 혼합

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가솔린의 양쪽을 실증적으로 도입하여, 경제성, 안전성 등 여러 가지관점에서 확인

을 거치고 있는 단계이다.

일본산 바이오에탄올 경우는 지금까지 전국 7군데에서 바이오에탄올 생산, E3 제

조 이용에 관한 실증사업이 전개되고 있다. 현재로서는 비용 등의 경제성 및 유통

과 제조설비 등의 공급적인 이유로 인해 일부 지자체에서의 실증적 대응에 한정되

어 있으나, 기술 개발 면에서는 식량 이외에 목질 등의 셀룰로오스계 바이오매스를

이용하는 기술도 확립되고 있다.

또 바이오에탄올 혼합가솔린은 「자급자족」에너지로서의 가능성을 가지고 있는

데, 2007년도부터는 오키나와현과 미야코현에서 미야코시마産 사탕수수의 당밀을

원료로 하는 에탄올을 이용한 섬 전체차원의 E3 생산 및 유통 실증사업이 관계 府

省廳의 연계 하에 이루어지고 있다.

한편 석유연맹은 경제 산업성의 보조를 받아 2007년 4월부터 수도권(도쿄 都 , 가

나가와현, 사이다미현, 지바현) 50 군데의 급유소에서 ETBE를 배합한 가솔린 판매

를 개시한 상태이다. 앞으로 2010년까지 도입량을 단계적으로 늘려 원유환산으로

21만 kL의 바이오에탄올을 ETBT로 도입할 예정이다.

(2) 관련 법규 및 제도

∙2003년 에탄올을 3 vol%까지 혼합할 수 있도록 법률을 개정

∙2005년부터 단계적으로 E-3 도입 확대

∙수입 바이오에탄올에 대해 27.2% 관세 부과.

∙에탄올 혼합연료에 따른 인프라 투자에 30조 투입 예정.

∙원료자원이 풍부한 국가들과 협력 활발; 브라질의 Petrobras와 합작하여 안정적인

연료용 에탄올 공급 체계 확립 및 태국과 에탄올 생산 모델 사업에 대한 기본 협

정 체결 (2006년 5월)

∙무수바이오에탄올 품질기준 : 에탄올 부피 99.5%이상, 메탄올 부피 0.5% 이하, 수

분 무게 1,000 ppm 이하, 15℃에서의 밀도 0.792~0.796 g/cm3, 외관은 무색투명

해야 함.

∙교토의정서 이후 바이오연료 개발 및 사용을 추진 - ‘07년도 예산 중 9,250만 달

러를 바이오연료 생산에 투자하는 한편, 바이오연료 수입관세를 최근 27.2%에서

20.3%로 감소

(3) 상용화플랜트 등 시설 운영현황

만일 일본에서 휘발유에 바이오에탄올 3 부피 %혼합이 의무화된다면 연간 180만

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kL의 바이오에탄올이 필요하게 될 것이다. 혼합비율이 10 부피 %로 증가한다면, 필

요한 바이오에탄올 양은 600만 kL가 될 것이다.

일본은 세계에서 두 번째의 휘발유 소비국으로 2010년까지 연간 50만 kL의 수송

용 바이오연료 보급목표를 달성하기 하기 위해 1차적으로는 자국에서 발생하는 원

료를 사용하고 필요시 브라질로부터 바이오에탄올을 도입하는 방안을 검토 중이다.

자국 발생 원료로는 폐목재, 폐식용유 등이 1차 원료로 검토되고 있으며, 현재 폐목

재로부터 바이오에탄올 생산 기술 개발을 위해 일본정부는 해외에서 개발된 셀룰로

오스 에탄올 생산공정의 상용화방안을 검토하기 위한 실증연구를 지원하고 있다.

일본은 부족한 바이오에탄올 부분을 충당하기 위하여 2004년에는 브라질로부터

14.9만 kL의 바이오에탄올을 수입하였다. 세계 최대 에탄올 협동조합인 브라질의

Copersucar는 일본의 Kotoibuky Nenryo Co.에 에탄올 1.5만 kL를 판매하기로 계약

했으며, 2005년 5월 일본과 브라질은 바이오에탄올 생산 자본투자와 국내 인프라

구축 프로젝트에 5억 달러를 지원할 것을 계약하였다.

2.1.5 한국

(1) 바이오에탄올 생산 및 이용현황

국내에서도 1990년대 중반수입 원료(타피오카)를 사용한 차량용 바이오에탄올 생

산 기술을 개발하여 1kL/일 생산 규모의 파일롯 공장을 가동한 바 있다. 하지만 당

시에는 수송용 바이오연료에 대한 중요성이 크게 부각되지 않아 정부에서는 바이오

에탄올의 보급에 필요한 세금 감면 혜택 등을 부여하지 않아 상용화는 추진되지 못

하였다. 또한 여러 국내 연구기관들에서는 목질계 바이오매스로부터 바이오에탄올

을 생산하는 연구를 꾸준하게 수행하였으며 한국에너지기술 연구원에서는 1990년대

말 목질계 바이오매스로부터 연료용 바이오에탄올 생산을 위한 시험용 공정을 구축

한 바 있다. 하지만 바이오에탄올의 높은 생산 비용 문제로 후속 상용화 연구는 추

진되지 못하였다.

최근 고유가와 쿄토 협약 발효 등으로 국내에서도 차량용 바이오연료의 중요성이

다시 부각됨에 따라 바이오에탄올의 보급 타당성에 대한 검토 연구가 다시 시작되

었다. 그 결과 바이오에탄올은 현재 유통 구조에서 보급이 어려운 것으로 나타났다.

즉 바이오에탄올을 10% 이하 낮은 농도로 혼합한 가솔린은 소량의 수분이 혼입되

어도 상분리가 일어나 연료로서 사용이 어렵다는 문제점이 있어 바이오에탄올을 차

량연료로 유통시키기 위해서는 주유소 탱크에 대한 방수 시설 보완이 필요한 것으

로 밝혀졌다. 그러므로 유통구조 개선에 필요한 비용규모에 따라 바이오에탄올의

보급에 대한 경제적 타당성이 달라지므로 바이오에탄올 연료 보급 시 필요한 유통

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망 보완에 필요한 비용 산출 및 효율적인 유통망 구축 방안 도출을 위한 실증 연구

가 필요하다. 또한 바이오에탄올 농도가 낮은 경우 차량 연료의 증기압이 높아져

차량 안전성에 대한 검증 및 이에 대한 해결 방안도 모색되어야 할 것으로 밝혀졌

다.

따라서 이러한 문제에 대해 종합 검토를 위해 현재 한국석유품질평가원 주관으로

주유소 등 유통시설의 보완 자료 확보를 위한 실증 연구가 진행되고 있다. 이 연구

는 2009년에 완료되었으며 이후 국내에서도 시범사업을 통해 바이오에탄올 보급 방

안에 대해 본격적인 검토가 이루어질 것으로 예상된다.

(2) 관련 법규 및 제도

∙바이오에탄올 실증평가 연구 : 실증 평가사업이 2009년에 진행되어 주유기까지의

문제점을 검토한 결과 E5까지는 큰 문제가 없이 혼합사용이 가능한 것으로 결론

지었다. 그러나 시범보급 사업은 진행되지 않고 품질기준안이 고시되어 있지 않

음(2009년 현재), 음용사용 못하도록 하여 일본기준과 다름.

∙무수 바이오에탄올 품질기준안 마련 중(2011년 12월 현재).

∙유통부분 : 현재 주세법에 의해 엄격히 관리, 연료용도로 수입시의 대책은 아직

정립되지 않음, 향후 시범사업이 진행되면 문제점․대책수립 예정.

∙문제점 : 울산기지에서 수입될 때 연료용으로 지정되었음. 관세부분, 정부보조금,

세금문제 등 아직 법제화 되지 않음

(3) 상용화플랜트 등 시설 운영현황

에탄올은 주류의 주요 원료로서 주세, 교육세 및 부가가치세가 부가되는 국가의

주 세입원일 뿐만 아니라 전기, 전자 산업, 식품, 화장품, 의약품 등 보건산업의 기

초 원료로서의 범용성 확대와 최근에 대체 연료로서의 이용확대로 에탄올의 생산과

수요는 계속 증가하고 있다. 국내에서 생산하는 바이오에탄올(함수에탄올)은 전분질

원료를 직접 발효시켜 제조하는 발효주정과 국외에서 생산된 조주정(Crude alcohol)

을 수입하여 국내 품질기준에 맞게 재정제한 정제주정으로 나누어 생산되고 있다.

2006년 기준 국내 에탄올 총 생산량은 309,475 kL로 발효주정이 166,699 kL, 정제

주정이 142,776 kL 정도이며 대부분 음료용(93%)이고 일부 식품 첨가물(보존료), 연

초제조용, 의약품 및 추출용 등 산업용(7%)으로 사용되고 있다. 이러한 바이오에탄

올은 각종주류의 직접원료가 되는 물질이므로 국민보건과 국세보전 차원에서 제조

및 유통과정을 국가(국세청)에서 엄격하게 통제 관리하고 있다.

국내 바이오에탄올 생산원료는 2006년을 기준으로 쌀보리, 겉보리, 고구마, 밀, 현

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미가 있다(Table 6). 농진청은 바이오에탄올 생산에 적합한 고구마 품종 개발에도

적극 나서기로 했다. 신품종 개발로 10a당 수량을 2009년 3,000㎏에서 2013년에는

4,000㎏으로 끌어올린다는 목표다.

2008년 바이오에탄올용 고구마로 국내 최초로 개발된 〈대유미〉는 10a당 생산량

이 2,779㎏, 전분 수량은 739㎏에 달해 바이오에탄올용 원료로 사용할 경우 10a당

418ℓ를 생산할 수 있다.

에탄올 수입량은 2006년 기준으로 조주정 137,363 kL, 수입주정 10,265 kL로 전체

에탄올 생산량의 약 48%에 해당되며 수입 에탄올 수입처는 판매처의 단가에 의해

서 결정되지만 대부분 브라질과 중국에서 수입되고 일부 물량에 대해서는 호주에서

수입되기도 한다.

2.2 유기성폐기물을 이용한 바이오에탄올 생산 관련 연구동향

2.2.1 대상폐기물별 바이오에탄올 생산기술 현황

(1) 곡물(1세대 원료)을 이용한 바이오에탄올 생산

가. 옥수수

2000년 미국에서의 에탄올 생산 공장은 총 106개, 81개소에서는 옥수수를 원료로

하고 있으며 총 생산용량은 1,542만 kL이다. 또한 신규로 16개 공장을 건설 중이며,

이들의 용량은 434만 kL로 조사되었다. 2004년에는 3,150만 톤의 옥수수를 가공하여

1,063만 kL생산하는 등 전 세계 시장의 27%를 차지하는 것으로 나타났다.

옥수수를 이용한 바이오에탄올 생산기술은 대부분 효소 당화를 사용하고, 발효는

회분식 공정과 연속식 공정도 많이 사용하고 있다.

나. 사탕수수

브라질에서는 사탕수수를 원료로 연간 1,540만 kL의 에탄올을 생산하여 세계시장

의 40%를 차지하고 있으며, 320개 공장이 사탕수수 3.89억 톤을 처리하여 설탕을

2,740만 톤을 만들고, 나머지 50%를 활용하여 1,540만 kL를 생산하고 있으며, 2010

년에는 2,400만 kL를 생산할 예정이라고 한다.

사탕수수를 이용한 바이오에탄올 생산기술은 대부분 효소 당화를 사용하고, 발효

는 대부분 회분식 공정을 사용하고 있다.

다. 폐당밀

발효성 당류를 포함한 가장 대표적인 것은 廢糖密이 있다. 당농도를 약 22%로 묽

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게하여 누룩으로 하고 여기에 효모를 더해 알코올발효를 하는데, 먼저 효모를 건전

하고 충분히 발육시키기 위해 영양원이 풍부한 액에 미리 배양시킨 효모액을 만들

고 이것을 누룩 염산에 대해 5~10% 가한다. 5∼6일로 발효가 끝나면 이것을 증류

시켜 에틸알콜을 얻는다. 에틸알콜의 理論收量은 당의 약 50%(중량)이지만 실제로

는 당분 50~60%의 폐당밀 10톤에서 95% 에틸알콜 2800~3000ℓ를 얻는다. 녹말질

원료는 종래 증자시켜 온실효모 또는 맥아를 더해 당화시켜 그 당화누룩에 효모를

더해 발아시키는데 그후 당화력이 강한 아밀로법(아밀로균) 대신, 더욱더 진하게 만

들 수 있는 액체 효모법이 많이 사용될 때가 있었으나 현재는 성력화와 안정성 면

에서 거의 모두가 효소당화법을 채택하고 있다. 산소제를 사용하는 경우는 증자누

룩에 대해 전분량의 0.1%(중량비)를 가하면 효모의 적온(34℃)까지는 당화하며 그

당화누룩에 효모를 더해 발효시킨다. 효소제는 당화력과 더불어 액화력도 강해서

냉각시간이 단축된다. 현재는 효소당화법이 널리 사용된다.

효소제를 사용할 경우에는 증자의 모든 맛에 대해 전분량의 0.1%(중량비)를 가하

면 효모의 적당한 온도(34℃)까지는 당화됨으로 이러한 당화의 모든 맛에 효모를 가

해서 발효시킨다. 효소제는 당화력을 가해서 액화력도 강하기 때문에 냉각시간이

단축된다. 현재는 효소당화법이 널리 행해지고 있다.

(2) 목질계 원료(2세대 원료)를 이용한 바이오에탄올 생산

가. 대나무

일본 시즈오카(Shizuoka)대학의 연구팀은 대나무로부터 바이오에탄올을 효율적으

로 생산하는 새로운 기술 개발에 성공하였다. 목질계 풀 또는 대나무나 갈대와 같

은 볏과의 식물은 나무보다 빠르게 생장하는 반면, 사탕수수나 옥수수와 같은 식량

자원과 대립하지 않음으로써 대나무는 연료를 생산하는 매력적인 대체원료가 될 수

있다. 생화학 공학과 Kiyohiko Nakasaki 교수가 이끄는 연구팀은 대나무를 초미세

입자로 정제할 수 있는 방법을 개발하였는데, 입자의 크기는 50마이크로미터로서

기존의 방법 대비 10배 이상 미세한 것이다. 대나무로부터 에탄올을 생산하기 위해

서는 식물 세포의 주요 섬유성분인 셀룰로오스를 발효시키기 전에 글루코스 또는

단당으로 분해하는 것이 필요하다. 그러나, 셀룰로오스는 분해하기 어려우며, 이전

의 효율은 단지 2퍼센트에 불과하였다. 새롭게 개발된 방법을 통해서, 셀룰로오스는

약 75퍼센트의 효율로 글루코스로 전환될 수 있다. 연구팀은 현재의 효율을 3년 내

에 80퍼센트로 증가시키는 것을 목표로 하고 있고, 생산비용에 있어 리터 당 100엔

(약 1,380원)의 낮은 비용을 갖도록 노력하고 있다. 개발된 방법은 레이저와 효율적

인 분해 공정을 통해 식물세포의 두 번째로 큰 성분인 리그닌을 제거하는 방법을

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포함하는 다양한 기술로 이루어져 있다.

일본의 농업 산림 및 어업부와 관련 부서들은 2030년까지 바이오에탄올 소비량을

연간 2백 2십만 킬로리터까지 증대시키기를 희망하고 있다. 현재 일본은 수입 바이

오에탄올에 의존하고 있는 상황이다.

나. 왕겨/갈대

경기도보건환경연구원에서는 고가의 곡물위주 바이오에너지 생산 대체원료로서

비식용 작물인 갈대와 왕겨를 이용한 바이오 에탄올 생산연구를 실험실 규모로 실

시한 결과 바이오에너지 생산을 위한 우수한 대체 원료로 사용이 가능함을 입증하

였다.

바이오에너지 기질인 당 생성 실험을 통해 갈대 및 왕겨로부터 각각 건조 무게의

55% 및 52%의 고효율의 당 생성율을 확인하였고, 생산된 포도당 건조무게의 44%

및 47%의 높은 에탄올 생성율을 얻었다.

최근 곡물을 이용한 바이오연료 생산의 실용화는 곡물가격을 상승시켜 세계 곡물

시장의 불안을 초래하고 식량난을 가속화시키고 있다. 이에 세계 각국은 바이오에

너지 생산 대체 원료로서 비식용 섬유소계 바이오매스의 자원 활용 기술개발에 집

중하고 있고, 이러한 기술개발은 식량자원문제 해결, 온실가스 감축효과 및 대체에

너지 생산 측면에서 그 필요성이 크게 대두되고 있다.

다. 볏짚

일본 농업환경기술연구소는 셀룰로오스계 자원을 이용한 바이오에탄올 생산을 위

해 농촌지역에서 생산된 작물자원과 미이용 상태로 배출되는 바이오매스를 수확 후

낮은 수분상태로 저장, 당화, 발효시키는 “고체발효법”을 개발하였다.

셀룰로오스 등의 비식용 바이오매스를 원료로 이용해 바이오매스 에탄올을 생산

하기 위해 바이오매스를 분리, 발효, 증류하는 과정에서는 “원료저장 중의 부패”,

“당화 효율을 높이는 전처리에 동반되는 과제(에너지, 시설의 내구성, 폐액처리)”,

“전처리에 의한 발효 저해물질 생산”, “증류에 필요한 에너지 비용”, “폐액처리의

곤란”이라는 여러 가지 과제가 있으며, 석유연료를 능가하는 저비용화는 실현되지

못하고 있다. 이와 같은 단점을 보완하고 저비용, 고효율로 바이오매스의 이용을 도

모하는 기술이 요구되고 있다.

일본에서 옛날부터 만들어 오던 술과 채소절임 등의 고전적인 양조기술에서는 미

생물의 상호작용과 효소반응을 이용하여 유산균과 효모를 공존시킴으로써 유산(乳

酸)과 에탄올을 생산함으로써 바이오매스를 부패시키지 않고 변환, 저장시켜 왔다.

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또한 목초와 사료작물을 유산발효시킨 사일리지(silage)는 자급 가능한 국산가축(소)

용 사료로서 보급되어 왔으며, 풀과 같이 사일로(silo)에 넣어 발효시킨다.

사료용 풀이나 곡물의 당분이 적은 계절에는 셀룰로오스를 분해하는 효소

(cellulase)를 첨가하여 셀룰로오스를 당으로 전환시켜 유산발효를 촉진시키는 방법

이 실용화되고 있다. 따라서 풀의 당화를 진행시키면, 이 중에서 유산균과 효모에

의한 유산과 에탄올의 발효가 촉진되어, 특별한 살균과 분쇄, 가열처리를 하지 않고

부패를 억제한 상태로 에탄올이 생산될 것으로 생각해 그 실현성을 검토하였다.

농지에서 베어 낸 사료용 곡물(벼)과 식용 벼의 볏짚을 절단한 후 효소와 미생물

을 첨가하여 소규모 고체발효를 검토하였으며, 연구결과는 다음과 같다.

∙사료용 벼에서는 20일간 저장, 발효 후 213L/ton(건조물 중량당)의 에탄올이 생산

되었다. 또한 식용 벼(볏짚)에서는 같은 방법으로 75L/ton이 생산되었다(바이오에

탄올 생산량 목표치는 원료로 찐 현미를 사용할 경우 450L/ton이고, 초본계 바이

오매스를 사용할 경우에는 260L/ton 정도라고 한다. 이번에 사용된 사료용 벼를

원료로 한 경우의 목표치는 317L/ton 정도로 산출된다).

∙전작물(全作物; whole crop)로부터 에탄올을 213L/ton 생산할 때 필요한 효소 가

격은 에탄올 1L 당 127엔(100엔=1,375원, 2009.03.26)이지만, 효소량을 1/10로 줄

인 경우에는 에탄올은 129L/t 생산되었으며, 이때의 효소 가격은 에탄올 1L 당

26엔으로 감소되었다.

∙수분 60%의 생(生) 전작물은 발효 후 8% 정도의 에탄올을 포함하고 있었다. 따라

서 수분 속에 차지하는 에탄올은 13%가 되며, 통상의 바이오에탄올 생산에서는

5% 정도였던 것에 비하여 에탄올 증류에 필요한 에너지를 낮게 억제할 수 있다

고 생각된다.

∙에탄올 생산 후의 잔재물에는 단백질과 조지방(粗脂肪)이 그대로 남아 있으며, 분

해되지 않은 섬유와 방부제의 역할도 하는 유산이 남아 있으므로 가축사료로서

이용할 수 있다고 생각된다.

(3) 해조류(3세대 원료)를 이용한 바이오에탄올 생산

가. 우뭇가사리, 꼬시래기

홍조류는 1세대 바이오 원료인 옥수수 감자와 2세대인 목질계에 비해 생산효율이

훨씬 높다는 점에서 바이오연료 대량생산의 길을 넓힐 것으로 기대를 모으고 있다.

한국생산기술연구원은 해조류 중에서도 우뭇가사리, 김, 꼬시래기