확장 프로젝트에 사용될 20갤런 CELF 원자로(제공: Stan Lim/UCR)

에너지부 산하 바이오에너지 기술 사무소는 캘리포니아 대학교 리버사이드에 소규모 파일럿 플랜트를 건설하기 위해 연구자들에게 200만 달러의 보조금을 지급했다. 화석 연료에서 에너지를 활용하는 것은 지구 온난화를 가중시키고 지구에 해를 끼치기 때문에 기술에 대한 대규모 투자로 이어질 수 있다.

비밀: 식물 세포벽의 리그닌을 사용

바이오연료가 석유와 경쟁하기 위해서는 식물 세포벽의 주요 구성 요소 중 하나인 리그닌을 더 잘 활용하도록 바이오정제 작업을 설계해야 한다. 이는 식물에 미생물 공격으로부터 더 큰 구조적 완전성과 탄력성을 제공한다. 그러나 리그닌의 이러한 천연 특성으로 인해 바이오매스라고도 알려진 식물 물질에서 추출하고 활용하는 것이 어렵다.

연간 10억 톤의 바이오매스가 석유 소비량의 30%를 대체할 수 있다.

리그닌 장애물을 극복하기 위해 UC 리버사이드 부교수인 찰스 카이는 혁신적인 바이오매스 전처리 기술인 CELF(공용매 강화 리그노셀룰로오스 분별)를 발명했다. “CELF는 바이오매스 전처리 과정에서 물을 보충하고 산을 희석하기 위해 테트라히드로푸란(THF)을 사용한다. 이는 전반적인 효율성을 향상시키고 리그닌 추출 기능을 추가한다.”라고 카이는 말했다. "무엇보다도 THF 자체가 바이오매스 설탕으로 만들어질 수 있다는 점이다."

에너지 및 환경 과학 논문은 CELF 바이오리파이너리가 석유 기반 연료와 초기 바이오 연료 생산 방법에 비해 경제적, 환경적 이점을 제공하는 정도를 자세히 설명한다.

이 논문은 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratories)가 관리하는 바이오에너지 혁신 센터(Centre for Bioenergy Innovation)인 UCR의 Cai 연구팀과 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)가 미국 에너지부 과학국(Office of Science)의 자금 지원을 받아 공동으로 작성한 것이다.

공급원료로서의 비식용 식물 바이오매스

1세대 바이오연료 운영에서는 옥수수, 콩, 사탕수수와 같은 식용 작물을 원료 또는 공급원료로 사용한다. 이러한 공급원료는 토지와 물을 식량 생산에서 벗어나게 하기 때문에 이를 바이오 연료로 사용하는 것은 이상적이지 않다.

대신, 2세대 작업에서는 제분 작업의 목재 잔류물, 사탕수수 사탕수수 찌꺼기, 옥수수 대와 같은 비식용 식물 바이오매스를 공급원료로 사용한다. 이 모두는 임업 및 농업 작업의 풍부한 저비용 부산물이다.

에너지부에 따르면 미국에서만 연간 최대 10억 톤의 바이오매스를 바이오 연료 및 바이오 제품 제조에 사용할 수 있으며, 이는 석유 소비의 30%를 대체하는 동시에 새로운 국내 일자리도 창출할 수 있다.

CELF 바이오리파이너리는 이전의 2세대 방법보다 식물 물질을 더 완벽하게 활용할 수 있기 때문에 연구원들은 더 큰 경제적, 환경적 이점을 얻기 위해 탄소 밀도가 낮은 옥수수대보다 경목 포플러와 같은 더 무겁고 밀도가 높은 공급원료가 바람직하다는 것을 발견했다.

휘발유 등가물 갤런당 손익분기점 $3.15

연구원들은 CELF 바이오리파이너리에서 포플러를 사용하여 휘발유 갤런당 3.15달러만큼 낮은 손익분기 가격으로 지속 가능한 항공 연료를 만들 수 있음을 보여준다. 현재 미국의 제트 연료 1갤런 평균 가격은 5.96달러이다.

미국 정부는 국내 바이오연료 생산을 강화하기 위한 보조금인 재생 식별 번호 크레딧 형태로 바이오연료 생산에 대한 크레딧을 발행한다. 2세대 바이오 연료인 D3 등급에 대해 발행된 이러한 크레딧 등급은 일반적으로 갤런당 1달러 이상으로 거래된다. 이 크레딧당 가격에서 이 논문은 운영에서 20% 이상의 수익률을 기대할 수 있음을 보여준다.

카이는 "포플러와 같이 탄소가 풍부한 공급원료에 조금 더 지출하면 옥수수 대와 같은 저렴한 공급원료보다 더 많은 경제적 이점을 얻을 수 있다. 왜냐하면 더 많은 연료와 화학 물질을 만들 수 있기 때문이다."고 말했다.

이 논문은 또한 리그닌 활용이 어떻게 탄소 배출량을 가능한 한 낮게 유지하면서 전체 바이오정제 경제에 긍정적으로 기여할 수 있는지 보여준다. 바이오매스가 물과 산으로 조리되는 오래된 바이오리파이너리 모델에서 리그닌은 발열량 이상으로는 대부분 사용할 수 없다.

카이는 "오래된 모델은 대부분 바이오매스의 당분만 활용할 수 있기 때문에 이러한 바이오정제소의 열과 에너지를 보충하기 위해 리그닌을 연소하기로 결정했다. 이는 많은 가치를 남기는 비용이 많이 드는 제안이다"라고 말했다.

재생 가능한 화학 물질

더 나은 리그닌 활용 외에도 CELF 바이오리파이너리 모델은 재생 가능한 화학 물질을 생산할 것을 제안한다. 이러한 화학물질은 바이오플라스틱과 식품 및 음료 향료 화합물의 구성 요소로 사용될 수 있다. 이러한 화학물질은 식물 바이오매스에서 CO2로 다시 대기로 방출되지 않는 탄소의 일부를 차지한다.

“THF를 첨가하면 전처리에 드는 에너지 비용을 절감하고 리그닌을 분리하는 데 도움이 되므로 더 이상 태울 필요가 없다. 게다가 우리는 지구 온난화 가능성을 거의 0으로 만드는 데 도움이 되는 재생 가능한 화학 물질을 만들 수 있다.”라고 카이는 말했다. "나는 이것이 Gen 2 바이오 연료에서 Gen 2+로 바늘을 옮기는 것이라고 생각한다."