바이오연료에 대한 과학적 정치적 과제

21세기 우리들이 직면하고 있는 가장 큰 과제는 식량과 연료를 포함한, 풍부한 에너지원의 확보이다. 2012년 말에 이르러 세계 인구는 70억명이 되었으며 10년당 7억 5000만의 속도로 증가하고 있다. 이러한 인구 증가는 세계 인구의 약 75%에 해당되는 아시아와 아프리카에, 특히 식량 공급이라는 중요한 문제를 발생시키게 되었다.

또한 인구 증가에 따라 수송,공업 생산, 전력, 난방과 냉방을 위한 연료 수요가 증가하고 있다. 더욱 심각하게는 중국, 인도와 같은 인구가 많은 국가에서 1인당 에너지 사용량이 급증하고 있다. 중국의 1인당 에너지 사용량은 미국보다는 20% 정도 낮은 수치이지만, 1990년과 2010년 사이에 두 배 가까이 증가하였다.

2012년 지구 전체의 연료 에너지 사용량은 5*10^17kJ을 초과하는 놀라운 수치를 나타낸다. 현재 에너지 수요의 8할 이상이 재생 불가능한 화석 연료, 특히 석유와 석탄에서 얻어지고 있다. 새로운 화석 연료 자원의 탐사는 환경적으로 중요한 영역까지 이루어지고 있기 때문에 원유 공급 증가는 중요한 정치 및 경제 문제가 되고 있다.

원유에 대한 의존도는 운수 산업에 결정적인 역할을 수행하는 가솔린과 같은 연료의 공급이 가장 큰 비중을 차지한다. 아직까지 많은 논란이 되고 있지만, 원유를 대체할 수 있는 가장 유망한 액체 연료인 바이오연료는 생체 물질로부터 얻는다. 바이오연료를 생산하기 위한 가장 일반적인 방법은 식물의 당이나 탄수화물을 가연성 액체로 변환시키는 것이다.

가장 일반적으로 많이 생산되는 바이오연료는 식물성 탄수화물을 발효시켜 얻는 바이오에탄올이다. 에탄올의 연료값은 가솔린의 2/3 정도이며, 석탄과 비슷하다. 미국과 브라질은 바이오에탄올의 주요 생산국으로, 전 세계 생산량의 85%를 생산한다. 미국에서는 대부분의 바이오에탄올이 사료용 옥수수로부터 생산된다. 옥수수의 글루코스는 에탄올과 이산화탄소로 변환된다.

이 반응은 혐기성(anaeriboioc) 이므로 산소가 요구되지 않으며, 엔탈피의 변화가 양의 값으로, 연소 반응에서 얻어지는 값보다 10배 이상 차이가 난다는 것에 주목할 필요가 있다. 다른 종류의 탄수화물도 비슷한 반응을 통하여 에탄올로 바꿀 수 있다.

옥수수로 에탄올을 생산하는 것에 대해서 두 가지 논란이 현재 불거지고 있다. 먼저, 옥수수의 재배와 수송은 에너지가 요구되는 과정이며, 재배 과정에 비료의 사용이 요구된다. 옥수수를 통해서 얻어지는 바이오에탄올의 에너지 이득은 34%의 이득밖에 지나지 않는다. 즉, 옥수수를 재배하기 위해서 1.00J의 에너지를 소비할 때 바이오에탄올을 통해서 얻을 수 있는 에너지는 1.37J에 불과하다. 두 번째로, 바이오에탄올을 얻기 위해 사용되는 옥수수는 식량의 중요한 원료로 사용되고 있다. (따라서 식량과 연료의 경쟁이라 부른다.) 복합 탄수화물 셀룰로스로 이루어진 셀룰로스 식물로부터 바이오에탄올을 생성하기 위한 연구가 현재 진행되고 있다. 셀룰로스는 쉽게 대사되지 않으며, 식량을 생산하는 것과 경쟁하지 않는다. 하지만 셀룰로스를 에탄올로 바꾸는 것은 옥수수를 이용하는 것보다 더 어려운 과정이다. 셀룰로스로부터 얻어지는 바이오에탄올은 비료 없이도 빠르게 자라면서도 식량으로 사용되지 않는 초원 잔디나 지팡이풀과 같은 식물로부터 얻을 수 있을 것이다.

브라질의 바이오에탄올 공장에서는 사탕수수를 원료로 사용하고 있다. 사탕수수는 비료나 손질이 필요하지 않으며, 옥수수보다 훨씬 빨리 자란다. 이러한 차이 때문에 옥수수보다 훨씬 많은 양의 에너지 소득을 얻을 수 있다. 재배를 위해 사용된 1.0J의 에너지에 대하여 8.0J의 에너지를 바이오에탄올로의 변환을 통해서 얻을 수 있다.

원유로부터 얻어지는 디젤 원료를 대체하기 위한 바이오디젤을 포함한 다른 종류의 바이오연료가 세계 경제에서 가장 중요한 부분을 차지하고 있다. 바이오디젤은 카놀라나 콩과 같은 지방 함량이 높은 곡물로부터 얻는다. 식품과 식당에서 사용되는 폐유와 동물성 지방에서부터도 얻을 수 있다.

화석 연료와 핵 에너지는 재생할 수 없는 에너지원이다. 화석 연료는 재생되는 것보다 훨씬 더 빠른 속도로 소비되므로 한정된 자원이다. 소비 정도에 따라 그 기간은 크게 달라지겠지만, 화석 연료는 결국 고갈되고 말것이다. 재생 불가능한 에너지원은 고갈될 것이므로 재생에너지원, 즉 근본적으로 고갈되지 않는 에너지원의 연구가 활발히 진행되고 있다.