바이오매스를 오일로 전환하려면, 복잡한 유기 구조를 더 단순한 액체 탄화수소 분자로 분해해야 합니다. 이를 위한 주요 방법은 열분해(pyrolysis) 및 열수액화(hydrothermal liquefaction, HTL)와 같은 열화학 공정으로, 강한 열과 압력을 사용하여 원료 바이오매스를 분해합니다. 특정 지방이 풍부한 바이오매스의 경우, 에스테르 교환 반응(transesterification)이라는 화학 공정을 사용하여 바이오디젤을 생성합니다.
바이오 오일 생산에 사용되는 특정 방법은 바이오매스 원료의 종류에 따라 전적으로 결정됩니다. 원료 식물 물질에는 열화학적 전환이 사용되며, 기존의 지방 및 오일에는 특정 화학적 경로가 필요합니다.
핵심 전환 경로
바이오매스는 유기물에 갇혀 있는 저장된 태양 에너지일 뿐입니다. 이를 액체 연료로 방출하려면 광합성 과정을 역전시키고 식물 재료를 분해해야 합니다. 이는 주로 열화학적 전환과 화학적 전환이라는 두 가지 주요 공정군을 통해 이루어집니다.
열화학적 전환: 열을 사용하여 바이오매스 분해
이 접근 방식은 고온을 사용하여 셀룰로오스 및 리그닌과 같은 바이오매스의 복잡한 고분자를 분해합니다.
열분해: 산소 없이 가열
열분해는 건조한 바이오매스(예: 목재 칩, 옥수수 속대, 스위치그래스)를 산소가 없는 반응기에서 약 500°C(932°F)로 급속히 가열하는 것을 포함합니다. 산소가 들어가는 것을 방지하는 것은 바이오매스가 단순히 연소되는 것을 막기 위해 매우 중요합니다.
이 공정은 긴 유기 분자를 더 작고 휘발성인 화합물로 열적으로 분해합니다. 이러한 화합물이 냉각되면 바이오 오일 또는 열분해 오일이라고 불리는 어둡고 점성이 있는 액체로 응축됩니다.
열수액화(HTL): 뜨겁고 가압된 물 사용
열수액화는 조류, 가축 분뇨 또는 하수 슬러지와 같은 습한 바이오매스에 이상적으로 적합합니다. 이는 원유가 형성되는 자연적인 지질학적 과정을 모방하지만, 수백만 년이 아닌 몇 분 만에 이를 달성합니다.
HTL에서는 습한 원료를 고온(300-350°C) 및 고압(150-200 bar)에서 물과 함께 반응기에 넣습니다. 이 상태에서 물은 강력한 용매 및 촉매 역할을 하여 바이오매스를 열분해 오일보다 더 안정적이고 에너지 밀도가 높은 액체 바이오 원유로 분해합니다.
화학적 전환: 오일을 바이오디젤로 정제
이 경로는 원료의 섬유질 바이오매스에서 시작하는 것이 아니라 이미 오일이나 지방(트리글리세리드)이 풍부한 특정 유형에서 시작합니다.
에스테르 교환 반응: 바이오디젤로 가는 경로
에스테르 교환 반응은 분해 공정이 아닌 잘 확립된 화학 반응입니다. 이는 식물성 기름, 동물성 지방 또는 사용된 식용유를 바이오디젤로 전환하는 데 사용됩니다.
이 공정에서 오일은 촉매 존재 하에 알코올(일반적으로 메탄올)과 반응합니다. 이 반응은 큰 트리글리세리드 분자를 더 작은 지방산 메틸 에스테르(바이오디젤)와 부산물인 글리세린으로 분해합니다.
상충 관계 이해
바이오매스로부터 오일을 생산하는 것은 강력한 개념이지만, 화석 연료를 시추하는 것을 간단히 대체할 수는 없습니다. 산출물의 품질과 공정의 복잡성은 상당한 과제를 제기합니다.
생성된 "오일"은 원유가 아닙니다
열분해 및 HTL로 생산된 액체는 기존 정유소에 들어가는 원유의 직접적인 대체품이 아닙니다.
열분해 바이오 오일은 산성이 매우 강하고 부식성이 있으며 불안정하여 시간이 지남에 따라 품질이 저하됩니다. 또한 상당한 양의 물과 산소를 포함하고 있어 에너지 함량이 낮아 사용되기 전에 상당한 업그레이드(일종의 사전 정제)가 필요합니다.
HTL 바이오 원유는 산소가 적고 안정성이 높아 품질이 더 우수하며 화석 원유에 더 가깝습니다. 그러나 여전히 불순물을 제거하고 가솔린이나 디젤과 같은 사용 가능한 연료로 전환하기 위해 정제가 필요합니다.
원료가 전부입니다
바이오 오일 생산에서 가장 큰 과제는 물류입니다. 바이오매스는 부피가 크고 에너지 밀도가 낮으며 지리적으로 분산되어 있는 경우가 많습니다.
대규모 전환 플랜트에 공급하기 위해 엄청난 양의 목재, 농업 폐기물 또는 조류를 수집, 운송 및 준비하는 것은 주요 경제적 및 에너지적 장애물입니다. 습식 원료에 HTL을 선택하는 것은 건조하는 데 필요한 에너지가 공정을 비효율적으로 만들 것이기 때문에 매우 중요합니다.
목표에 맞는 올바른 선택하기
최적의 전환 경로는 원료와 원하는 최종 제품에 의해 결정됩니다.
- 건조 폐기물(목재 칩 또는 농업용 짚) 활용에 중점을 둔 경우: 열분해는 연료로 업그레이드할 수 있는 원시 바이오 오일을 생산하는 가장 직접적인 열화학적 경로입니다.
- 조류, 가축 분뇨 또는 하수 슬러지와 같은 습식 원료 전환에 중점을 둔 경우: 열수액화(HTL)는 재료 건조에 필요한 막대한 에너지 손실을 피할 수 있으므로 가장 효율적인 방법입니다.
- 식물성 기름이나 폐유지방으로부터 고품질 디젤 대체품 생산에 중점을 둔 경우: 에스테르 교환 반응은 시장 출시 준비가 된 바이오디젤을 생산하는 확립되고 직접적인 화학적 경로입니다.
이러한 뚜렷한 경로를 이해하는 것이 바이오매스를 미래 에너지 포트폴리오의 실행 가능한 구성 요소로 활용하기 위한 첫 번째 단계입니다.
요약표:
| 전환 방법 | 이상적인 원료 | 주요 공정 조건 | 주요 산출물 |
|---|---|---|---|
| 열분해 | 건조 바이오매스(목재 칩, 짚) | 약 500°C, 산소 없음 | 바이오 오일(업그레이드 필요) |
| 열수액화(HTL) | 습식 바이오매스(조류, 분뇨) | 300-350°C, 고압수 | 바이오 원유(화석 원유에 더 가까움) |
| 에스테르 교환 반응 | 오일이 풍부한 바이오매스(식물성 기름, 지방) | 알코올과의 화학 반응 | 바이오디젤(사용 준비 완료) |
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