바이오디젤

왜 배우는가: 바이오디젤은 디젤엔진 연료의 재생 가능한 대체 수단이며, 원료와 공정에 따른 종류 구분, 세탄가, 혼합 비율 같은 기준이 여러 교시에 걸쳐 반복해서 다뤄지는 주제이다. 실무에서는 연료 규격과 엔진 적용 문제를 함께 판단해야 하므로 개념의 원리부터 정확히 정리해 둘 필요가 있다.

출제 이력: 제122회 1교시 12번, 제120회 4교시 6번, 제119회 3교시 5번, 제102회 2교시 6번, 제87회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

바이오디젤은 식물성 기름이나 동물성 지방을 메탄올과 반응시켜 얻은 지방산 메틸 에스터를 주성분으로 하는 경유 대체연료이다.

답안에 쓸 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 에스터교환 반응
• 지방산 메틸 에스터(FAME)
• 글리세롤
• 세탄가
• 혼합 비율(B 계수)
• 제1·2세대 바이오디젤

2. 개념 풀이

바이오디젤은 디젤엔진의 연료로 쓰기 위해 지방과 기름을 알코올과 반응시켜 만든 지방산 알킬 에스터이다. 기름의 주성분은 트리글리세라이드(triglyceride)이며, 이 분자는 글리세롤 한 개에 지방산 세 개가 에스터 결합으로 묶인 구조이다. 바이오디젤은 이 결합에서 글리세롤 부분을 다른 알코올로 바꾸어 만든 결과물이므로, 그 반응을 에스터교환 반응이라고 한다.

반응의 식은 다음과 같다.

$트리글리세라이드 + 3CH_3OH → 3 지방산 메틸 에스터 + 글리세롤$

원리를 보면, 수산화나트륨이나 수산화칼륨 같은 염기 촉매가 있을 때 메탄올이 트리글리세라이드의 에스터 결합을 끊고 지방산에 메틸기를 붙인다. 그 결과 점도가 원료 기름보다 낮은 지방산 메틸 에스터가 만들어지고, 부산물인 글리세롤은 밀도 차이로 분리된다. 점도가 낮아야 디젤엔진의 연료 분사와 미립화가 원활하므로, 이 반응은 원료 기름을 엔진에 맞는 연료 형태로 바꾸는 과정이다.

알코올의 종류에 따라 생성물의 이름도 달라진다. 메탄올을 쓰면 지방산 메틸 에스터(FAME)가 생기고, 에탄올을 쓰면 지방산 에틸 에스터(FAEE)가 생긴다. 바이오디젤 생산에는 뷰탄올과 아이소프로판올도 쓰일 수 있으나, 가장 흔히 쓰이는 알코올은 메탄올이다.

생산 공정은 원료 전처리, 에스터교환 반응, 글리세롤 분리, 세정과 정제의 순서로 진행된다. 원료에 유리 지방산과 수분이 많으면 염기 촉매가 비누를 만들어 반응을 방해하므로, 전처리 단계에서 이 성분들을 먼저 줄여야 한다.

원료로 유리 지방산이 아니라 에스터를 쓰는 이유는 부식성 때문이다. 유리 지방산은 약산성이어서 시간이 지나면 엔진과 생산 설비의 금속을 누적으로 부식시키는 반면, 에스터는 부식성이 작아 바이오디젤의 기본 형태로 선호된다.

연료로서의 품질은 세탄가로 판단한다. 세탄가는 디젤 연료의 착화성을 나타내는 지표이며, 값이 높을수록 연료가 분사된 뒤 점화까지의 지연이 짧다. 같은 지방산이라도 에스터 형태가 유리 지방산보다 세탄가가 12~15 정도 높다. 이 차이 때문에 에스터화 공정이 바이오디젤의 연소 성능 확보에도 기여한다.

혼합 비율은 B 계수로 표시한다. B100은 순수 바이오디젤이고, B20은 바이오디젤 20%와 석유계 경유 80%의 혼합 연료이다. 대부분의 디젤엔진은 개조 없이 순수 바이오디젤을 쓰기 어려워, 석유계 경유와 섞어 쓰는 것이 일반적이다. 그 비율은 10% 미만 혼합인 경우가 많다.

3. 등장 배경과 필요성

석유계 연료에 대한 의존도를 낮추려는 에너지 안보의 요구가 바이오디젤 개발의 첫 번째 배경이다. 디젤엔진은 열효율이 높고 대형 화물차와 선박에 널리 쓰이므로, 경유 수요의 일부를 재생 가능한 연료로 대체하는 일의 비중이 커졌다. 원유 시장에 따라 경유 가격이 크게 흔들리는 상황에서, 원료를 자국에서 조달할 수 있는 바이오디젤은 수급 불안을 줄이는 수단으로 평가된다.

두 번째 배경은 배출가스 저감이다. 바이오디젤의 원료 식물은 성장하면서 탄소를 흡수하고, 그 탄소는 연소 때 다시 배출되므로 순환 탄소로 본다. 이 구조 때문에 온실가스 배출을 줄이는 효과가 기대되며, 이 밖에도 환경적 이점이 함께 거론된다.

두 배경이 함께 작용하면서 디젤엔진용 연료로서 바이오디젤의 적용 비율이 높아지는 추세이다. 다만 적용 비율이 높아질수록 원료 확보 문제가 더 뚜렷해지므로, 원료 선택이 개발의 핵심 쟁점이 된다.

원료 측면에서는 식량 경합 문제가 가장 먼저 제기되었다. 콩, 옥수수, 유채처럼 식품으로 쓰는 작물의 기름을 연료로 쓰면 식량 가격과 수급에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 이 한계 때문에 제1·2세대 바이오디젤의 구분이 생겼다. 제1세대는 식용 작물의 기름을 원료로 하고, 제2세대는 동물성 기름, 자트로파 같은 비식용 원료에서 얻는다.