Tech Trend - 바이오항공연료유 글로벌 동향
TECH TREND는 기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
오늘날 인류의 지속적인 발전의 전제조건으로 친환경적이고 지속가능한 에너지원의 확보가 점차 중요해지고 있다.
1992년 브라질 리우데자네이루에서 체결된 「UN 기후변화협약」 이후 이산화탄소를 포함한 온실가스 배출량 감소를 위한 노력이 확산되었고, 주로 철강, 발전, 정유 및 화학 등의 기간산업 및 대도시 자동차에서 나오는 매연 저감에 대한 관심이 지속되고 있다.
이에 따라 국가별 대기환경 개선을 위한 연료품질 규제 등 국가 에너지환경정책의 적용대상이 휘발유, 경유 및 산업연료에 집중되었으나, 국경을 넘나드는 운송부문에서 사용하는 항공연료유와 선박연료유는 이러한 관리대상에는 거의 포함되지 않았다.
최근들어 항공산업의 온실가스 배출량이 평균 5% 내외의 성장이 지속될 것으로 예측되면서 항공기에서 배출되는 온실가스량의 증가에 대한 우려의 목소리가 높아지기 시작하였다.
이에 국제민간항공협회인 ICAO(International Civil Aviation Organization)는 최근 중요한 과제 중 하나로 항공기의 온실가스 배출량 저감을 활발하게 논의하고 있다.
지난 10여년 동안 항공산업의 온실가스 배출을 효과적으로 줄일 수 있는 방법으로 지속가능한 대체연료들이 제안되었다.
2009년 11월 ICAO가 브라질에서 대체 항공연료를 주제로 개최한 국제학회에서 회원(국)간의 정보교류와 확산을 위한 GFAAF(Global Framework for Aviation Alternative Fuels)가 채택되면서 활발한 협력프로그램들이 회원국(기관)간에 이루어지게 되었다.
그 즈음에 가시적인 성과도 나타났는데, 2009년에 FT(Fischer-Tropsoe) Fuel이 “Drop-In” Jet Fuel로 첫 승인을 받았으며, 2011년에는 HEFA(Hydroprocessed Esters and Fatty Acids)가 지속가능한 대체 항공연료로서는 처음으로 ASTM인증을 받게되면서 상업적 사용을 위한 관문이 처음으로 열리게 되었다.
이렇듯 지속가능한 항공산업 영위에 필수적인 대체 항공연료 시대를 준비하기 위해 바이오항공연료유 시장전망과 상업화를 위해 극복해야 하는 과제 및 현재까지 알려진 주요기술에 대한 개발동향을 간략히 살펴보고자 한다.
바이오항공연료유 시장전망
항공업계 분석에 따르면, 2012년에 689MM톤의 이산화탄소를 배출했으며 이 중의 80%가 1,500km 이상 운항하는 항공기에서 나오는 것으로 나타났다.
글로벌경제 시대에 중추적 역할을 맡고 있는 항공산업이 지속적으로 성장하기 위해서는 이산화탄소 배출량 증가문제를 반드시 해결해야 하는 상황이다.
IATA는 이러한 경영환경 변화에 적극적으로 대응하기 위한 해결방안 중 하나로 배출가스 저감 Roadmap( 그림 1 )을 제시하였고, Carbon Neutral Growth(CNG2020) 전략을 수립하여 2050년까지 이산화탄소 배출량을 2005년 대비 50% 수준으로 낮추겠다는 도전적인 목표를 제시하였다.
이를 위한 다양한 방안을 강구하고 있으며, 그 중에서 바이오항공연료유 도입 및 확대가 장기 추진과제로 선정되었고, 기술개발 및 상업화를 위한 다양한 프로그램 활성화에 많은 관심을 갖고 협력지원이 진행중이다.
IATA의 전폭적인 지원 등의 Driving Force에 힘입어, 2010년 이후 기술개발 및 상업화를 위한 다양한 프로그램이 각 국가별 및 지역별로 진행되고 있다.
대표적으로 EU에서 진행되고 있는 프로그램인 “Advanced Biofuel Flight Path Initiative”은 2020년까지 연간 2백만톤의 Bio-Jet Fuel 상업적용을 목표를 하고 있으며, 미국 FAA(Federal Aviation Administration)는 2018년까지 10억 갤런의 바이오항공연료유 상업적용과 2020년까지 온실가스 배출량을 2005년 수준으로 낮추는 것을 목표로 하는 프로그램을 운영하고 있다.
한편, ICAO 예측을 인용한 중국의 에너지 관련기사에 따르면 현재 중국은 매년 20MM톤의 항공연료유를 사용하고 있는데, 2020년에는 40MM톤 수준으로 항공연료유 수요가 급속히 증가할 것으로 예측하며, 이 중의 30%는 바이오항공연료유가 1,600달러/톤의 가격으로 공급될 것이라 전망하기도 했다.
대략적으로 19~20조원의 규모의 바이오항공연료유 시장이 중국에 열릴 수 있다는 전망인데, 중국과 지리적으로 가까운 우리나라가 국가차원에서 적극적인 관심과 준비가 필요하다고 생각된다(“AmchamChina Business Now,” p20, September 2013)
아직까지는 제조비용 측면에서 바이오항공연료유가 대체 항공연료로서 상업화 성공에 대한 전망은 그리 밝지 않다. 기존 항공연료유 가격(~1,000달러/톤) 대비 2~3배 수준으로 매우 높은 제조비용 문제를 극복하기가 쉽지 않기 때문이다.
항공산업계가 바이오항공연료유에 관심을 갖는 또다른 이유는 대체연료의 안정적 공급망이 구축될 경우 급격한 원유가격 상승 및 글로벌정세 변화에 따른 원유수급 불안정성의 완화를 기대할 수 있기 때문이다.
원유와 항공연료유 가격추이( 그림 2 )를 보면 현재 안정 또는 약간의 하향세를 유지하고 있으나, 2008년에는 원유가격의 변동폭이 상당했고, 이후 배럴당 40달러에서 100달러 안팎으로 원유가격이 지속적으로 상승한 전례가 있었다.
또한, Biomass 자원이 풍부한 일부 동남아국가에서는 신규 고용 창출 및 산업기반 구축을 위한 국가의 성장동력 확보차원으로 미래의 잠재력이 있는 바이오항공연료유 시장은 매력적일 수 있다.
그러나 상업적으로 시장이 조성되기 위해 필요한 몇가지 전제조건들이 있다.
상업화 조건
Biomass로부터 바이오항공연료유의 생산과정에 있어서 기술적으로 큰 문제는 없으나, 원료생산 및 공급부터 바이오항공연료유 생산까지의 각 단계별 안정성과 온실가스 저감효과 등의 제조 과정 전반에 대한 타당성을 모두 살펴봐야 한다.
상업화를 위한 투자검토시 고려해야 하는 3가지 요건이 있다. 이 3가지를 다 갖추고 있어야 상업화 가능성이 높아진다. 구체적으로 ① Sustainability(환경에 미치는 영향), ② Scalability(대량생산 가능성) 및 ③ Profitability(이윤확보 가능성)이다.
첫번째 요건에 대한 사례를 살펴보자.
최근에 미국에서 Palm Oil로 부터 바이오항공연료유를 생산하는 방안은 온실가스 발생량 증가 측면에서 기존 항공연료유보다 불리하다는 주장이 채택되어 미국 RFS에서는 Palm Oil 기반의 바이오연료는 RFS로 인정하지 않고 있다.
이 경우는 Palm Oil을 저비용으로 많이 생산할 수 있는 생산지를 확보한 사업자 입장에서는 다른 두 요건(Scalability, Profitability)이 확보가능하더라도 Sustainability 측면에서 국제적인 인정을 받지 못하여 제품의 판로가 크게 제한될 수 있다.
한편, 유럽 L항공사의 경우 2011년 6월부터 바이오항공연료유를 상업운항에 사용하였으나, 2012년 1월 안정적인 공급선 미확보로 더이상 바이오항공연료유를 상업운항에 사용하지 않기로 결정한 사례와 같이 원료 및 제품의 안정적 공급을 어떻게 할 것인지가 바이오항공연료유 상업화를 위해서 풀어야 할 숙제이다.
이것은 Scalability 확보가 왜 중요한지 알려준 사례이다.
현재 상업적 규모의 바이오항공연료유 생산을 검토하고 있는 업체들의 경우 적용하고 있는 생산방법 및 원료들이 서로 다르므로 직면해 있는 문제들도 상이한 것으로 알려져 있다.
미국Solazyme社는 어두운 곳에서도 Sugar를 영양소로 잘 자라는 Algae를 사용하여 많은 양의 Oil을 생산할 수 있으나 이러한 Sugar 사용은 Sustainability 측면에서 불리하게 작용할 수 있다.
반대로 미국 Sappire社는 지속적으로 Open Pond에서 Algae 배양을 추구하나 증가하는 생산비용 문제를 해결해야 한다.
미국 AltAir社는 Camelina라는 Oil 함유 식물로부터 바이오항공연료유를 생산하고 있으나 밀과 같은 식용작물과의 윤작방식을 적용해야 하는 한계로 인해서 생산량을 증가하는 데 큰 어려움을 갖고 있다.
미국 SG Biofuel社는 과테말라를 비롯한 중남미 지역에서 자라는 Jatropha를 원료로 사용하고 있는데, Jatropha는 당초 이상적인 비식용작물로 알려져 있으나 생산성 증가를 위해서 일부 케냐나 탄자니아 지역에서 곡물이 자라는 비옥한 땅에서 경작이 이루어지면서 사회적 이슈가 되고 있다.
마지막으로 Profitability 확보도 매우 중요한 부분이다.
앞서 언급한 바와 같이 바이오항공연료유의 제조원가는 석유기반 항공연료유 대비 2~3배로 아직은 매우 높은 편이다. 즉, 현재 여건상으로는 다른 제도적 뒷받침이 없이는 바이오항공연료유의 상업화는 불가능하다는 것이 객관적 사실이다.
그렇다면 바이오항공연료유의 상업화가 가능한 이상적 환경은 어떤 것일까?
일반적으로 석유기반 항공연료유의 사용에 대한 탄소세 부과제도, 기술발전을 통한 바이오매스 생산단가 획기적 저감, 그리고 원유가격의 지속적인 상승세의 3가지 요건이 모두 충족되어야 한다는 데 의견이 모아지고 있다.
이러한 환경이 구축되기 위해서는 석유기반 연료에 대한 탄소세 부과제도와 같은 온실가스 배출량 감소에 대한 사회적 공감대가 형성되어 경제적 압력요소로 나타나야 하고, 국내외의 국가 정책에 반영되어야 효력을 발휘할 수 있다.
이와 관련해서 가장 강력한 정책의 하나로 알려진 것이 EU ETS(Emission Trading System; 탄소배출권거래제도)가 있으며, 이 정책의 핵심은 온실가스 배출량 감축목표를 설정하고 이를 토대로 목표달성을 위해서 유럽에 착륙하는 모든 항공기에게 탄소배출권을 할당하는 것이다.
이는 배출한도 초과시 배출량에 따라 탄소배출의 값을 지불하게 하는 정책으로 유럽에 착륙하는 외국항공사에도 적용된다는 유럽재판소의 유권해석으로 논란이 되었던 제도이다.
이 외에도 탄소배출량을 줄이기 위한 정책은 크게 2가지 더 있으며, US RFS(Renewable Fuel Standard)와 EU RED(Renewable Energy Directive) 정책이 있다.
US RFS는 매년 바이오연료 할당량을 설정하고 그를 따르도록 하는 정책으로 바이오연료의 사용량에 따라 탄소배출량을 줄이는 효과가 있는 것으로 평가되고 있다.
RFS의 적용은 전체 산업을 포함하고 있고, 항공산업도 할당된 양의 바이오연료를 사용해야 한다.
EU RED제도는 모든 수송수단에 바이오 연료를 10%를 혼합할 것을 규정하고 있으며, 이를 위해서 세금정책 및 할당량 선정 등을 정책적으로 지원한다. RFS와 동일하게 이 규정에 의해서 사용한 양만큼 탄소배출량이 감소하게 된다.
바이오항공연료유 생산단가 저감을 위한 기술발전도 상업화를 위한 중요한 요소 중의 하나이다. 지금부터 현재까지 개발되고 있는 Bio-Jet Fuel 생산기술에 대해서 간단히 소개하고자 한다.
Bio-Jet Fuel 제조기술 개발동향
바이오항공연료유의 엄격한 규격, 항공엔진의 높은 투자비 및 공급체계 관리 때문에 바이오항공연료유 제조기술은 갖추어야 할 요구조건들이 있다.
우선 조성이 다른 다양한 원료를 처리할 수 있을 뿐 만 아니라 항공연료 규격, 특히 빙결점, 열안정성, 열량규격은 반드시 충족해야만 석유기반 항공연료유에 직접 배합할 수 있어야 한다.
또한 환경적으로 문제가 없어야 하며 기존 항공연료유 제조공정 대비 운영/보수비 측면에서도 경쟁력이 있어야 한다.
현재까지 개발되었거나 진행 중인 바이오항공연료유 기술들은 그림 3 과 같이 원료 및 제조 방법에 따라서 분류할 수 있다. 원료의 종류는 다양하지만 기술경로에 따라서 4종류의 바이오항공연료유로 구분할 수 있다.
HEFA(Hydroprocessed Esters and Fatty Acids) 또는 HRJ(Hydroprocessed Renewable Jet fuel)로 불리는 바이오항공연료유은 그림 3 에 나타난 바와 같이 다양한 식물성 오일 또는 지방을 원료로 하여 수소화반응을 통해 만들어진다.
단계적으로 구분하면 오일의 긴사슬 구조에 있는 포함되어 있는 올레핀들이 대부분 포화되고, Triglyceride 구조를 갖고 있는 오일에 포함된 산소는 수소와 반응하여 물로 전환되거나 이산화탄소의 형태로 분리/제거된다.
이때 얻어지는 반응생성물은 원료조성에 따라 다르지만 통상 탄소수 14~20개의 긴사슬 파라핀들의 혼합물로, 대부분 경유 유분에 해당한다.
따라서 선택적 이성화 및 분해반응 공정을 추가하여 바이오항공연료유을 만들어야 하기 때문에 석유기반 항공연료유 대비 수소소모량이 많은 단점이 있으나, 이렇게 제조된 제품군은 시험비행까지 완료되어 ASTM의 승인까지 받았으므로 상업화 수준에 도달한 제조기술이라 볼 수 있다.
아직은 분리 비용이 높아서 단위면적당 생산성이 높음에도 연구개발 단계에 있는 Microalgae Oil을 가지고 바이오항공연료유을 제조할 수 있는 유용한 기술이다.
하지만 기존 식물유 대비 Algae Oil을 대상으로 바이오항공연료유 연구개발은 국내에서는 아직 수행된 바 없다.
ATJ(Alcohol to Jet)은 FRJ(Fermentation based Renewable Jet fuel)에 포함될 수 있는 기술로 Sugarcane 등의 당이나 Biomass 당화처리 유분을 원료로 하여 발효공정을 통해서 에탄올이나 부탄올 등의 알콜로 전환한 후에 화학반응(탈수반응 및 올레핀 중합반응)을 통해서 Bio-Jet Fuel을 만드는 기술이다.
이 기술의 장점은 오일을 함유하고 있지 않은 Biomass로부터 발효기술을 통해 생산할 수 있는 다양한 Alcohol을 출발물질로 사용할 수 있다는 점이다.
즉 어떤 원료를 사용해도 Bio-Jet fuel을 생산할 수 있는 방법이지만, 원료에 따라서 경제성이 크게 좌우되는 특징을 갖고 있다. 이러한 기술을 보유한 업체는 미국의 Gevo社와 Lanzatec社 등이 있다.
또 다른 FRJ 기술은 발효를 통해서 미생물이 항공연료유에 사용될 수 있는 탄화수소를 직접 생산하는 방안으로 상온 상압의 마일드한 공정기술이지만 아직은 연구단계에 머무르고 있다.
PRJ(Pyrolysis to Jet)은 고온의 열분해 반응이다.
Biomass를 불안정한 열분해 오일로 개질전환시킨 후 수소화반응 공정 및 증류공정을 통해서 기존의 파라핀계의 바이오항공연료유과는 달리 방향족 조성이 다량 포함된 바이오항공연료유을 만들 수 있는 기술이다.
현재 실증단계의 기술로 UOP社와 캐나다 Ensys社의 합작사인 Evergent社의 RTP 기술이 근간이 되어 개발되었으나 낮은 제품 수율과 조성조절이 쉽지 않은 단점을 가지고 있다.
FT-SPK는 Biomass 가스화 반응을 통해서 합성가스를 만든 후에 Fischer-Tropsoe 반응을 통해 바이오항공연료유을 합성하는 것으로 기존에 상업운전되고 있는 Sassol社의 CTL(Coal to Liquid) 기술과 유사하다.
다른 기술에 비해 투자비가 매우 높지만 다양한 원료의 사용이 가능하다는 측면에서는 가장 유리하다는 장점을 지니며, GTL, CTL 연구의 연속선상에서 많은 기업에서 Pilot 단계의 연구를 수행하고 있다.
한편, 기존 항공연료유와 50:50 배합시의 시험비행 성공 및 인증을 받은 바 있다. CTL공정 개조를 통해서 석탄과 함께 투입시 CO2 개선효과를 낼 수 있는 장점도 커서 이에 대한 적용연구도 활발히 진행되고 있다.
시사점 및 결어
항공연료유 시장은 매년 5%씩 성장하고 있고, 석유를 대체할 수 있는 안정적인 대체원료 확보 및 온실가스 배출량 저감에 대한 환경적 이슈로 인해서 2030년 이후에는 바이오항공연료유 시장이 크게 성장할 것이라는 전망이 지배적이다.
앞서 언급한 바와 같이 중국만 하더라도 2020년 이후 20조원 규모의 시장이 열릴 수 있는 잠재력을 갖고 있으며 각 국가의 배출가스 환경규제가 본격화되기 시작한다면 그 속도와 규모는 더욱 커질 것이라 생각된다.
따라서 국내에서도 이러한 국제 경영환경 변화에 능동적인 대응이 필요하며, 향후 형성될 바이오항공연료유 시장진입에 대한 장기적인 전략과 목표를 세우고 차근차근 준비를 해야 한다고 생각된다.
SK이노베이션은 2007년부터 수첨바이오경유(Hydro-Treated Bio-Diesel)기술을 개발하여 2012년실증을 완료하고 2013년 신기술(NET) 인증을 받은 바 있다.
여기에는 HRJ 제조에 적용할 수 있는 이성화 크래킹의 핵심기술도 포함되어 있어서 원료다변화 및 제품 다양화 차원에서 미세조류 오일을 대상으로 HRJ 제조공정에 대한 연구개발을 진행 중이다.
더나아가 SK이노베이션은 바이오항공연료유 제조원가를 획기적으로 낮출 수 있는 새로운 제조기술 발굴과 원료에 대한 Flexibility 확대 및 보다 경제적인 원료생산 방법에 대한 연구 또한 관심을 두고 있다.
에너지사업은 그 특성상 오랜 기간 축적된 기술력과 더불어 정책적 방향성의 영향을 많이 받는다. 세계가 하나의 경제흐름을 공유하는 오늘날 국가적인 차원에서의 에너지정책 및 지원 그리고 준비가 필요하다.
EU와 미국의 경우를 보더라도 바이오연료유의 사용을 장려하는 정책으로 신에너지 시장과 기술을 선점하려 하고 있다. 미래에너지 시장을 선점할 수 있는 국가적 준비가 필요할 것이다.