□ 대체에너지 개발의 필요성
인구가 증가하고, 생활이 풍요로워지면서 우리 사회는 더 많은 에너지를 필요하게 되었으며, 이 요구가 화석연료의 이용을 급증하게 하였다. 그런데 화석연료에는 한계가 있어서 석유수출국기구(OPEC)는 연간 10억 배럴을 생산하는 것을 기준으로 할 때 앞으로 70년 정도면 석유자원은 모두 고갈될 것으로 예상하고 있다. 그리고 중국과 인도 같이 인구가 많은 나라의 산업화로 에너지의 수요는 급증하고 있으며, 이에 맞춰서 화석연료는 한때 배럴당 100달러를 넘보기도 했었다. 또한, 이 화석연료를 연소시킬 때 생성되는 CO2 등은 자연계가 순환시킬 수 있는 수용 능력에 많은 부담을 주어 지구 온실화를 초래하여 사막화, 기후변화 등의 주범으로 지목되고 있다. 이와 같은 이유로 많은 나라는 환경친화적인 대체에너지 개발을 다각적으로 검토하여왔다.
□ 친환경적 대체에너지란?
자연계에 존재하는 모든 에너지는 태양으로부터 기인하며, 식물은 이 태양에너지를 광합성 반응으로 CO2를 고정하여 탄수화물 또는 지방산 형태로 저장한다. 다시 말해서 포도당이나 곡류의 주성분인 녹말, 세포벽구성 성분인 셀룰로스, 펙틴, 여러 가지 당으로 구성된 헤미셀룰로스, 그리고 유채 등의 유지작물의 종실에 포함하고 있는 지질은 태양에너지의 화학에너지 저장상태라 할 수 있다. 이 다당체들은 다시 단당류의 형태인 포도당 등으로 변환될 수 있고, 해당 과정과 발효를 통하여 에탄올로 만들어질 수 있다. 또한, 종실에 있는 지질은 적당한 화학적인 처리를 통하여 지방산형태(바이오디젤)로 변형되는데, 이러한 과정을 거쳐 생성된 바이오에탄올이나 바이오지젤은 연소하여 에너지를 방출하고, 그 구성성분은 자연계로 환원된다. 이와 같은 연쇄적인 에너지생산과 자연계로의 환원과정은 자연환경에 어떠한 부담을 주지 않기 때문에 친환경적인 에너지라는 말로 표현된다.
□ 친환경적 대체에너지 개발 현황
현재 이용되고 있는 바이오에너지로서는 바이오디젤과 바이오에탄올을 들 수 있다. 바이오디젤은 캐나다와 EU에서는 유채, 그리고 동남아 등 열대지방에서는 자트로파로부터 지방산을 추출하여 디젤대용으로 이용하고 있으나 경제성이 다소 떨어진다고 보고하고 있다. 바이오에탄올은 브라질에서는 사탕수수의 즙(sucrose, 설탕), 미국과 중국 등에서는 여러 가지 옥수수(녹말)를 원료로 생산하고 있다. 그러나 옥수수를 이용한 에탄올 생산은 ‘07년도 한해에 세계 곡물시장에서의 옥수수 값을 3배나 폭등하게 하여서, 곡물을 에너지 생산에 이용하는 경우 심각한 식량 위기를 초래할 우려를 낳기도 했다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안으로 거론되는 것이 다른 형태의 에너지 저장체인 셀룰로스를 이용한 바이오에탄올 및 디젤 생산이다. 셀룰로스는 자연계에 가장 많이 존재하는 다당체로서 최근에는 많은 나라가 이를 이용하기 위한 연구를 수행하고 있다. 다양한 식물소재에 적용할 수 있는 셀룰로스분해효소를 생산하는 미생물 개발, 다기능 유전자를 형질전환한 효모 개발, 그리고 효율적으로 바이오에탄올을 생산할 수 있는 형질전환 식물체 개발에도 노력을 기울이고 있다.
최근에는 비식용으로 사용하는 식물체의 세포벽 구성성분인 셀룰로스를 이용하여 해당 과정과 발효과정을 거쳐 생산되는 셀룰로스 에탄올을 생산하는 연구가 진행되어 좋은 연구결과를 얻고 있지만, 발효 후 증류하여 순수한 에탄올을 분류하는 공정과정을 거쳐야 한다. 그리고 녹조류를 이용하여 바이오디젤을 생산하고자 할 때와 유채 등의 유지작물로부터 바이오디젤을 생산하고자 할 때는 모두 글리세롤에 결합하여 있는 지방산을 화학적인 처리로 분리하는 공정과정을 거쳐야 한다. 상기의 두 과정은 모두 일차적인 바이오에너지 생산에 이어지는 공정과정이 필수적이라서 번거롭기도 하고 생산비도 더 요구되기 때문에 더 간편하고 생산량을 증대시킬 수 있는 새로운 방법이 시도되고 있다.
즉, 유전공학적인 기술을 이용하여 하나의 대장균이 바이오메스를 포도당으로 변환시킨 다음 세균 내의 대사과정을 거쳐서 유리지방산을 생산하여 세포 밖으로 방출하게끔 설계되고 형질이 전환된 미생물을 이용하는 것이다. 이 유리지방산은 물과 섞이지 않기 때문에 세포 밖으로 방출될 때 배지 위에 지방산끼리 뭉쳐있게 되어서 정제가 용이하므로 경제적인 효과도 기대된다.
□ 친환경 대체에너지의 문제점과 대책
옥수수, 밀, 유채 등 곡식을 수확하고 남은 잔존물이 바이오에너지 생산에 이용되면 토양에 역기능의 영향을 줄 수 있다. 농작물 잔존물의 50% 이상을 토양으로 환원시키지 않고 다른 목적으로 이용한다면 토양구조에 좋지 않은 영향을 주어 토양에 유기탄소를 고정하는 기능이 떨어지게 되고, 장기적으로 토양이 보유할 수 있는 부유물소실의 원인이 될 것이다. 이러한 부정적인 영향을 피하려고 궁극적으로는 셀룰로스 에탄올을 생산하기 위한 특화된 바이오메스 작물을 개발해야 한다.
친환경적인 바이오연료를 생산하기 위한 하나의 대안으로서 하계 초본식물과 단기순환이 가능한 목본식물을 재배하여 에너지 작물로 이용하는 것이다. 이 작물들은 생태계에 다양한 방법으로 여러 가지 좋은 점들을 제공한다. 즉, 초본식물과 목본식물은 토양성질을 개선하고, 물과 바람에 의한 토양침식을 경감시키고 흐르는 물에 용해된 오염원들을 거르는 역할을 할 것이다. 하계 초본식물은 영양성분이 고갈되고, 다져지고, 물 빠짐이 불량하며, 산성이고, 토양침식이 잘 일어나는 곳에서도 잘 자라기 때문에 주로 농작물 재배에 이용되는 토지 대신에 한계토지와 버려진 땅에 특화된 에너지 작물을 재배하는 것은 토양과 환경에 더 많은 순기능을 제공할 것이다. 따라서 차세대 에너지 개발은 식물체를 연료로 변환시키는 새로운 기술뿐만 아니라, 효율적으로 당화 및 에탄올, 지방산을 생산할 수 있는 특화된 작물을 개발하고, 이 에너지작물을 잘 재배하는 새로운 농업기술 또한 요구하고 있다.
농촌진흥청 기능성물질개발과 김종범 박사
작성일:2010-06-28 17:58:54 152.99.31.30