[응용 유체 역학] 대체에너지 - 바이오 디젤 (BIO DISEL)

목차

대체 에너지들과 바이오 메스

1. 현재의 대체 에너지
2. 대체 애너지들의 장점과 단점
3. 바이오 디젤
4. 바이오 디젤 사용 현황
5. 대상식물
6. 각 식물의 특징 비교 및 전망
7. 수첨바이오디젤(HBD)의 최근 동향
8 Neste Oil (NExBTL)
9. UOP/Eni Ecofining (Green Diesel)
10. Petrobras (H-BIO)
11. Hydrotreating 반응
12. 바이오디젤의 향후 전망

본문내용

eendiesel을 생산하고자 한다. 이들 brown grease는 다량의 유리지방산을 포함하고 있어 FAME 류의 바이오디젤을 생산하는 데에 적합하지 않기 때문에 수소화반응을 통한 탄화수소로의 전환에 보다 적합하다고 할 수 있다.
또한 UOP사는 조류에서 추출이 가능한 지질(lipid)을 이용하여 바이오디젤을 생산하고자 하는 장기적인계획을 구상하고 있는 것으로 판단된다. 이를 위해서 Honeywell Aerospace, Cargill, Arizona주립대학교, Sandia 국립연구소, Southwest 연구원 등과 공동 연구를 수행하고 있다.
Green Diesel 생산기술과 관련해서 UOP사는 일찍이 1980년대에 식물성 오일의 수소화
반응에 의한 탄화수소 제조에 관한 연구를 발표한 적이 있다[9]. 이때 사용된 촉매는 알루미나 담체에 귀금속이 첨가된 형태로서, 탈카르복시화 반응보다는 지방산에 존재하는 이중결합을 단일결합으로 바꾸는 수소화 반응에대한 결과를 보고하였다. 이후 UOP사에서 바이오디젤과 관련하여 출원된 특허가 검색되지않는 관계로 정확한 자료를 확보하기 어려운 실정이나, 이미 경유의 초고심도 탈황과 관련하여 개발한 촉매들이 다수 존재하기 때문에 이들 촉매를 활용하여 green diesel을 생산할것으로 예측된다.
Figure 5. UOP가제안한Green Diesel 생산공정8].
10.Petrobras (H-BIO)
브라질 Petrobras사의 H-BIO 공정은 현재가동 중인 정유공정과 융합되는 co-processing기술을 기반으로 하고 있다[10]. Figure 6에서보는 것처럼 일반 디젤과 식물성 오일을 혼합시킨 후 수소화하는 공정을 거치는 것으로 보이나 H-Bio 공정에 대한 자세한 사항은 공개하지 않은 상태이다. 단, 특허에 공개된 자료에 의하면 Co-Mo계 또는 Ni-Mo계 촉매를 사용하였으며 연속식 생산공정으로 혼합경유를 제조하는 것으로 판단된다[11].
Figure 6. 브라질Petrobras사의H-BIO 공정10].
11.Hydrotreating 반응
식물성 오일을 원료로 사용하여 2세대 바이오디젤을 생산하기 위한 수소화 반응은 크게 2단계로 구분된다[12]. Figure 7에 보이는 것처럼, 먼저 트리글리세라이드에 존재하는 지방산의 이중결합들이 수소에 의하여 단일결합으로 전환되고, 이후 다시 한 번 수소에 의하여 유리지방산으로 변형된다. 이 때 수소화 반응정도에 따라 모노글리세라이드, 디글리세라이드 등의 미변환 FAME이 존재할 수 있다. 이렇게 생성된 물질들은 decarboxylation, decarbonylation, hydrodeoxygenation 등의 반응에 의하여 n-알칸(C15~C18)으로 전환되며, 이후이성질화 반응 및 분해 반응 등에 의하여 iso-알칸 및 비교적 가벼운 알칸들이 생성된다. 여기서 제일 중요한 요소는 촉매를 사용하여 decarboxylation, decarbonylation, hydrodeoxygenation등 3개 반응의 선택도를 적절하게
조절하는 것이다. 이 때, decarboxylation 및 decarbonylation에 의하여 C17 알칸들이 생성되며 반면에 hydrodeoxygenation에 의하여 C18 알칸들이 생성된다. 특히 이들 반응들은 첨가하는 수소의 분압에 의하여 조절이 가능하면서도 부생성물인 CO, CO2 및 H2O 등의 수율을 변화시키게 된다. 또한 반응물 유속(WHSV)에 따라 C17/C18 몰비가 변화하는 특성을 보인다고 알려져 있다[8].
Figure 7. 식물성오일을이용한hydrotreating 반응모식도12].
12.바이오디젤의 향후 전망
일찍이 산업자원부(현 지식경제부)는 신재생에너지 보급 촉진을 위해 중장기 대체에너지 기술개발 및 보급 기본 계획을 수립하였다. 동 계획에 따르면 바이오에너지의 보급은
2012년까지 2002년 대비 5.5배 증가하는 것으로 되어 있으며, 이러한 증가의 대부분은 단기간에 보급이 가능한 바이오디젤이 될 것으로 전망된다.
하지만 현재 국내에서 생산되고 있는 1세대바이오디젤은 연료 물성의 측면에서 문제점을 가지고 있다. 특히 최근 몇 년간 바이오디젤을 연료로 사용하는 차량들이 혹한기에 시동 꺼짐 현상 및 시동 불량이 발생하여 소비자들로 부터 상당한 불만을 받아 자동차 업계는 바이오디젤의 품질기준을 EN14214 수준으로 상향조정할 것을 요구하고 있는 실정이다. 이와 같은 연유로 1세대 바이오디젤을 생산하는데 사용하는 전이에스테르화 반응이 아닌 다른 반응을 통하여 FAME과 유사한 물성을 가지면서도 연료적인 측면에서 문제가 없는 바이오디젤을 개발할 필요가 있다.
현재 전세계적으로 수소화 반응을 이용한 2세대 바이오디젤과 관련하여 3~4개의 회사만이 자체 기술을 보유하고 있으므로 빠른 시일내에 국내에서 본격적인 연구개발이 이루어져 야 할 것이다.
또한 2세대 바이오디젤 생산 공정은 기존 석유 정제공정과 잘 부합하므로 지금까지 중소규모의 회사들이 선점하였던 바이오디젤 시장에 대기업들이 진입할 수 있을 것으로 판단되며 이를 통하여 국내 바이오디젤 시장의 확대를 가져올 것으로 판단된다. Toyota사의 전망에 의하면[5], 2020년경 FAME계의 1세대 바이오디젤은 대부분 2세대 바이오디젤로 교체될 것으로 판단하고 있으며, 나머지 바이오디젤을 BTL유(3세대 바이오디젤)가 차지할 것으로 전망하였다(Figure 8 참조).
하지만2세대 바이오디젤이 상업적으로 생산하기 위해서는 크게 2개의 사안이 선결되어야 것이다. 첫 번째로 수첨바이오디젤을 생산하기 위해서는 대량의 수소를 필요로 하는데, 현재 정유공장에서는 수소가 거의 전량 사용되고 있기 때문에 수소를 추가적으로 생산할 필요가 있다.
두 번째는 원료의 문제이다. 2세대바이오디젤 또한 식물성 오일, 동물성 지방, 폐식용유 등의 1세대 바이오디젤 생산용 원료와 동일하므로, 이를 위하여 최적의 원료를 선정할 필요가 있다. 이 두 가지 선결사항이 해결된다면, 2세대 바이오디젤인 수첨바이오디젤은 향후 중요한 바이오연료로 각광받을 것으로 기대된다.
Figure 8. Toyota사의2세2대바이오디젤향후전망5].

키워드

대체에너지,   바이오디젤,   응용 유체 역학,   BIO DISEL,   바이오 디젤