바이오매스는 어떤 용도로 활용되나요?

바이오매스 응용 분야에는 에너지, 환경, 농업, 세계 무역, 운송, 토지 이용 계획 등 매우 복잡하고 중요하며 종종 정책을 반영하는 다양한 분야가 포함됩니다. 바이오매스는 현재 세계 1차 에너지 공급의 12%, 유럽 1차 에너지 공급의 4%를 차지하는 매우 풍부하고 다양한 재생 가능 자원입니다. 다양한 가정과 예측에 따르면 바이오매스는 2030년부터 2050년까지 전 세계 에너지 수요의 15~35%를 차지할 것으로 보입니다. 2030년까지 유럽 공동체의 총 1차 바이오에너지 잠재력은 2003년 석유 환산 톤이 6,900만 톤에 불과했던 것에 비해 2억 5천만~2억 9천만 톤에 달할 것입니다.

바이오매스 연료 생산을 위한 가능한 경로

그러나 보조금이 없으면 바이오매스는 오늘날 발전이나 차량 연료로 널리 사용되는 화석 연료와 경쟁할 수 없는 경우가 많습니다. 그러나 이러한 단점은 덜 중요해질 수 있으며 바이오매스는 에너지 공급에 있어 더 큰 잠재력을 갖게 될 것입니다.

바이오매스를 에너지 자원으로 사용하는 것은 자연 탄소 순환의 일부입니다. 왜냐하면 연소 시 대기로 방출되는 이산화탄소의 양은 광합성 중에 생성되는 이산화탄소의 양과 기본적으로 동일하기 때문입니다. 빛 에너지를 화학 에너지의 일련의 효소-촉매 과정으로 변환합니다. 초기 물질은 이산화탄소와 물이고 에너지원은 빛(전자기, 방사선)이며 최종 생성물은 산소(에너지 함유)와 자당, 포도당, 전분과 같은 탄수화물입니다. 이 과정은 지구상의 모든 생명체가 직간접적으로 이 효과에 의존하기 때문에 틀림없이 가장 중요한 생화학적 경로입니다. 이는 고등 식물, 조류, 박테리아(예: 시아노박테리아)에서 발생하는 복잡한 과정입니다. 바이오매스가 흡수하는 양. 바이오매스 공급원료(기계 또는 가공 공장으로의 공급원료)를 재배하고 전환하는 비에너지 집약적 처리 기술에는 CO2 균형 기능이 있습니다. 바이오매스는 열, 전기, 기체, 액체 또는 고체 난방 연료 및 차량 연료의 형태로 에너지를 제공할 수 있습니다. 세 가지 주요 바이오매스 에너지 전환 처리 기술은 다음과 같습니다. (1) 연소, 열분해 및 기화와 같은 열화학 기술, (2) 발효 및 효소 가수분해와 같은 생명공학, (3) 식물성 기름 및 동물 정제와 같은 유지화학 기술; 지방.

넓게 말하면 바이오 연료(재배되거나 경작될 수 있는 것을 '농업 연료'라고 함)는 고체, 액체 또는 최근에 죽은 유기체(주로 식물)에서 파생된 연료인 기체 연료로 정의됩니다. 따라서 오래전에 죽은 바이오매스에서 파생된 화석 연료와 구별할 수 있습니다. 이론적으로 바이오연료는 모든 (생물학적) 탄소원으로부터 생산될 수 있습니다. 가장 흔한 식물은 태양 에너지를 포획하는 광합성 식물입니다. 다양한 식물과 식물에서 추출한 물질이 바이오연료 생산에 사용될 수 있습니다. 바이오 연료의 적용은 전 세계적으로 확산되었으며, 유럽, 아시아 및 미주 지역에서 바이오 연료 산업이 호황을 누리고 있습니다. 가장 일반적인 용도는 차량용 액체 연료입니다. 따라서 재생 가능한 바이오연료를 사용하면 사람들의 석유 의존도를 줄이고 에너지 안보를 향상시킬 수 있습니다. 바이오 연료의 생산 및 사용에 대한 다양한 현대적 요소에는 유가 압력 완화, 식량 대 연료 논쟁, 탄소 배출 수준, 지속 가능한 바이오 연료 생산, 삼림 벌채 및 토양 침식의 영향, 인권 문제, 빈곤 감소 가능성이 포함됩니다. , 바이오 연료 가격, 에너지 균형 및 효율성, 분산 생산에 초점을 맞춘 모델 등이 있습니다.

가장 큰 기술적 과제 중 하나는 바이오매스 에너지를 차량용 액체 연료로 변환하는 몇 가지 특별한 방법을 개발하는 것입니다. 이 목표를 달성하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 전략이 있습니다. (1) 설탕 작물(사탕수수, 사탕무, 단수수 등) 또는 전분(옥수수, 곡물 등)의 수확량을 늘리고 발효시킵니다. 에탄올(알코올)을 생성합니다. (2) 기름야자나무, 대두 또는 조류와 같이 (자연적으로) 오일을 생산하는 식물의 수확량을 늘립니다. 이러한 오일을 가열하면 점도가 감소하여 디젤 엔진에서 직접 연소되거나 화학적으로 처리되어 연료(예: 바이오디젤)를 생성할 수 있으며 목재 부산물은 목재와 같은 바이오 연료로 전환될 수 있습니다. (석탄) 가스, 메탄올 또는 에탄올 연료.

2006년 유가를 보면 일부 바이오연료는 이미 경쟁력이 있습니다(아래 표 참조). 유가가 오랫동안 높은 상태로 유지된다면 연구개발 노력을 통해 더 많은 바이오연료를 사용할 수 있게 될 것입니다.

작물에 대한 관심이 높아짐에 따라 풀, 나무, 해조류의 세 가지 유형의 식물이 가능해졌습니다. 풀과 나무는 마른 땅에서 자라지만 가공 기술이 복잡합니다. 현재 아이디어는 나무의 모든 바이오매스, 특히 나무의 세포벽으로 구성된 셀룰로오스를 연료로 전환하는 것입니다.

석유 및 석유제품 가격과 비교한 바이오연료 가격

개발도상국의 바이오연료

많은 개발도상국이 자체 바이오연료 산업을 구축하고 있습니다. 이들 국가는 바이오매스 자원이 매우 풍부하며, 바이오매스와 바이오연료에 대한 수요가 증가함에 따라 바이오매스의 가치는 더욱 높아지고 있습니다. 바이오연료 개발의 진행 상황은 전 세계적으로 다양하며, 인도와 중국 등의 국가에서는 바이오에탄올과 바이오디젤 기술을 활발하게 개발하고 있습니다. 인도는 바이오디젤 생산에 사용할 수 있는 석유 생산 작물인 자트로파(Jatropha) 재배를 확대하고 있습니다. 인도의 설탕-알코올 연구는 차량 연료에서 5%의 점유율을 목표로 하고 있습니다. 중국은 중요한 바이오에탄올 생산국이다. 바이오연료 개발 비용도 매우 높다. 개발도상국에서 바이오매스 에너지는 농촌 지역에 거주하는 사람들에게 난방 및 조리 연료를 제공할 수 있습니다. 가축분뇨와 작물잔재물은 종종 연료로 사용됩니다. 국제에너지기구(International Energy Agency)의 데이터에 따르면 개발도상국 초기 에너지의 약 30%가 바이오매스에서 제공됩니다. 전 세계적으로 20억 명이 넘는 사람들이 바이오 연료를 주요 에너지원으로 사용하고 있으며 실내 요리에 바이오 연료를 사용하는 경우 종종 건강 문제와 오염이 발생합니다. 국제에너지기구(International Energy Agency)의 2006년 세계 에너지 전망(World Energy Outlook)에 따르면 바이오매스 연료 사용 시 환기 부족으로 인해 전 세계적으로 130만 명이 사망했습니다. 이 문제에 대한 해결책은 개선된 스토브와 대체 연료의 사용입니다. 그러나 연료는 생명체(특히 인간)에게 해롭고, 대체 연료는 가격이 너무 비쌉니다. 1980년 이전부터 사람들은 매우 저렴한 비용, 높은 연소 효율 및 낮은 오염을 갖춘 바이오매스 스토브를 설계하고 생산하기 시작했습니다.

"바이오 연료의 생산은 농작물 가격을 확실히 인상시켜 전체적으로 식량 안보에 영향을 미칠 것이기 때문에 바이오 연료의 생산은 항상 의문의 여지가 있었습니다!"

문제는 다음에 있습니다. 교육 및 유통 투자 부족, 부패 확산, 외국인 투자 부족. 개발도상국 사람들은 도움이나 자금 조달(예: 소액 금융) 없이는 이러한 문제를 해결할 수 없는 경우가 많습니다. 중간기술개발그룹과 같은 조직은 바이오연료 및 대체연료에 접근할 수 없는 사람들을 위해 바이오연료 및 대체연료를 사용할 수 있는 시설을 구축하기 위해 노력하고 있습니다.

바이오연료 생산 및 사용의 현재 문제. 바이오연료의 장점은 온실가스 배출 감소, 화석 연료 사용 감소, 국가 에너지 안보 강화, 농촌 개발 가속화, 미래를 위한 지속 가능한 에너지 제공 등으로 여겨집니다. 바이오연료의 한계는 바이오연료 생산을 위한 원료를 신속하게 보충해야 하고, 바이오연료 생산공정을 혁신적으로 설계하고 지속적으로 보충하여 가장 낮은 가격으로 가장 많은 연료를 얻을 수 있고, 가능한 최대의 가치를 얻을 수 있어야 한다는 점이다. . 환경적 이점. 대체로 말하면, 1세대 바이오연료의 생산과 가공은 우리에게 아주 작은 몫을 제공할 뿐이며, 그 이유는 아래에 설명되어 있습니다. 2세대 처리 기술은 더 많은 바이오 연료와 더 나은 환경적 이점을 제공할 수 있지만 처리 기술의 가장 큰 장애물은 투자 비용입니다. 2세대 바이오 연료 생산 및 처리를 설정하는 데 드는 비용은 최대 5억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 유로. 바이오연료의 장점과 단점에 대한 논란이 자주 발생합니다. 정치 과학자들과 대기업들은 석유의 대안으로 작물 기반의 에탄올 바이오연료를 추진하고 있습니다. 실제로 이 조치는 세계 식량 가격의 급격한 상승을 가속화하고 아마존 유역의 정글을 파괴하며 지구 온난화를 악화시키고 있습니다.

유가 규제

바이오 연료 사용이 글로벌 안보에 미치는 영향. 석유 수요 증가를 억제하지 않으면 석유 소비 국가는 더욱 취약해질 것이며, 심각한 경우 석유 공급이 중단되고 유가도 크게 변동할 것입니다. 바이오연료가 언젠가는 대체 에너지원이 될 수 있다는 보고가 있지만, 글로벌 에너지 안보, 경제, 환경 및 공중 보건에 대한 바이오연료 사용의 중요성은 아직 더 이상 평가되지 않았습니다. 경제학자들은 바이오연료 생산 확대가 유가에 영향을 미칠 것이라는 데 동의하지 않습니다.

무역 시장에서 바이오 연료를 사용하지 않으면 유가는 현재 가격보다 15%, 휘발유 가격은 25% 더 높아질 것입니다. 대체 에너지원의 질서 있는 공급은 휘발유 가격 안정에 도움이 될 것입니다. 바이오연료는 사용규모가 크게 제한되고 비용이 높기 때문에 석유가격과 가격이 크게 차이가 난다. 식품 가격에 대한 규제 효과.

"식물에서 유래한 바이오연료를 에너지로 전환하는 것은 본질적으로 식물이 광합성을 통해 얻은 태양에너지를 재사용하는 것이다. 태양에너지의 전환효율과 가용에너지의 전환효율(총량으로 환산)을 비교하면 다음과 같다. , 태양광 패널은 곡물 에탄올보다 에너지 효율이 100배, 최고의 바이오 연료보다 10배 더 효율적입니다."

식품 가격 상승 - "식품 대 연료" 논쟁. 이것은 세계적인 논쟁의 주제입니다. 이와 관련하여 국립옥수수재배자협회는 바이오연료가 주요 원인이 아니라고 생각합니다. 일부 사람들은 문제가 바이오 연료에 대한 정부 지원의 결과에 있다고 믿습니다. 다른 사람들은 그 이유가 유가 상승 때문이라고 생각합니다. 식량 가격 상승의 영향은 가난한 나라에서 특히 심각합니다. 일부 국가에서는 바이오연료 생산을 중단해야 한다는 요구가 커지고 있습니다. 그곳 사람들은 바이오연료가 식량 생산과 경쟁해서는 안 되며, "인구가 식량을 빼앗는다"고 믿습니다! 바이오연료 생산은 현재 식량 가격 상승으로 인해 위험에 처해 있는 1억 명 이상의 사람들의 삶에 영향을 미치지 않는 방식으로 추진되어야 합니다.

에너지 효율 기계 및 전자 공학을 포함한 물리학 및 공학에서 에너지 효율은 0에서 1 사이의 값을 갖는 차원 수량입니다. 100을 곱하면 백분율로 표시됩니다. 처리 공정의 에너지 효율은 다음과 같이 정의되는 에타로 표현됩니다. 효율성 eta = 출력/입력, 여기서 출력은 기계적 작업량(와트 단위로 측정) 또는 처리 공정 중에 방출되는 에너지(단위로 측정) joules) ), 입력은 처리를 위한 에너지 또는 작업량 입력을 나타냅니다. 에너지 변환 원리에 따르면 폐쇄형 시스템의 에너지 효율은 100%를 초과하지 않습니다. 바이오연료와의 에너지 균형. 원료로부터 바이오연료를 생산하려면 에너지(예: 작물 재배, 최종 제품의 변형 및 운송, 비료, 제초제 및 살균제 생산 및 사용)가 필요하며 환경에도 영향을 미칩니다. 바이오연료의 에너지 균형은 차량 발전기에서 연료가 연소될 때 방출되는 에너지와 연료를 생산하는 동안 입력되는 에너지에 의해 결정되며, 이는 부형제 및 사용 목적에 따라 달라집니다. 해바라기 씨에서 생산된 바이오디젤은 화석 연료보다 0.46배의 출력 효율을 낼 수 있으며, 대두에서 생산된 바이오디젤은 화석 연료에 비해 3.2배의 출력 효율을 낼 수 있습니다. 석유에서 정제된 휘발유와 경유의 출력효율을 비교하면 바이오디젤은 전자의 0.805배, 후자의 0.84배이다.

바이오 연료의 경우 각 BTU의 에너지를 생산하는 데 필요한 에너지 투입량이 화석 연료보다 큽니다. 석유는 땅에서 지표면으로 펌핑할 수 있으며 바이오 연료보다 에너지 효율적입니다. 그러나 이는 바이오 연료를 석유로 대체하기 위한 필수 요건은 아니며, 바이오 연료의 사용은 환경에 영향을 미치지 않습니다. 바이오연료 생산의 에너지 균형 계산에 대한 연구가 수행되었으며, 그 결과 에너지 균형은 사용된 바이오매스와 생산 위치에 따라 크게 달라질 수 있음이 나타났습니다. 바이오연료 생산의 전과정 평가는 특정 조건에서 바이오연료 생산이 에너지 저장과 온실가스 배출을 제한한다는 것을 나타냅니다. 비료 투입과 바이오매스의 장거리 운송은 온실가스(GHG) 저장을 줄일 수 있습니다.

바이오 연료 생산 공장의 위치를 ​​설계하여 운송에 필요한 거리를 최소화하고 농업 관리 시스템을 구축하여 바이오 생산에 사용되는 비료의 양을 제한할 수 있습니다. 유럽의 온실가스 배출량에 대한 연구에 따르면 유럽 유채와 같은 작물 종자로 만든 바이오디젤의 WTW(웰-투-휠) CO2 배출량은 화석 연료로 생산된 디젤의 배출량과 거의 비슷할 수 있습니다. 이는 간단한 결과를 보여줍니다. 전분질 작물에서 생산된 바이오에탄올은 화석 연료에서 생산된 휘발유만큼 CO2를 배출합니다. 이 연구는 2세대 바이오연료가 낮은 CO2 배출을 특징으로 한다는 것을 보여줍니다.

다른 독립적인 LCA 연구에 따르면 바이오 연료의 CO2 배출량은 동일한 양에 대해 화석 연료의 CO2 배출량의 약 50%입니다. 2세대 바이오연료 생산기술을 활용하거나 화학비료 생산량을 줄이면 CO2 배출량을 80~90% 줄일 수 있다. 에탄올을 생산하기 위해 사탕수수와 같은 부산물을 사용하여 열을 제공함으로써 온실가스 배출량도 감소할 것입니다.

상호 의존적인 효과를 지닌 식물을 혼합하면 효율성이 높아질 수 있습니다. 한 가지 예는 산업계의 폐열을 사용하여 에탄올을 생산한 다음 냉각 및 재활용하여 대기를 따뜻하게 하는 열수 증발을 대체하는 것입니다.

수력 에너지는 흐르는 물이 생산하는 에너지입니다.

수력 에너지 또는 유체역학적 에너지는 물을 움직이면서 생성되는 힘 또는 에너지입니다. 인간이 사용하기 위해 수집될 수 있습니다. 대규모로 상업적으로 전기를 사용하기 전에는 수력을 관개 및 제분소, 섬유 기계 작업, 제재소 등과 같은 다양한 기계에 사용할 수 있었습니다. 공장(작업장)에서는 물이 낙하하여 압축 공기가 생성될 수 있으며, 이 압축 공기는 기계를 수원에서 멀리 이동시키는 데 사용될 수 있습니다.

수력에너지의 활용은 수백년의 역사를 가지고 있다. 인도에서는 수력 터빈과 물방아가 건설되었고, 로마 제국에서는 수력 기계를 사용하여 밀가루를 갈고 나무와 돌을 보았습니다. 저수지에서 방출되는 물의 파동에너지를 이용하여 금속광석을 추출하는데, 이를 소위 '수세정(광석)공법'이라고 합니다. 물을 정화하는 방법은 중세 영국에서 널리 사용되었으며, 나중에 사람들은 이 방법을 사용하여 납과 아연을 추출했습니다. 이후 이 방법은 수력학적 광물 처리 방법으로 발전하여 미국 캘리포니아주 금광의 패닝 공정에 널리 사용되었습니다. 중국과 극동의 다른 지역에서는 사람들이 수력을 "물 터빈"으로 사용하여 땅에서 표면으로 물을 펌핑하고 관개 운하로 유입합니다. 1830년대는 세계 운하 건설의 전성기였습니다. 사람들은 물의 에너지를 이용하여 강의 가파른 경사면을 오르락내리락하는 바지선을 끌기 위해 경사철도를 사용했습니다. 직접적인 기계적 에너지 전달에는 지역 폭포의 사용이 필요합니다. 예를 들어, 19세기 후반 미국 미시시피 강에 있는 세인트 앤서니 폭포에는 최대 50피트의 물방울이 처리되었습니다. 이 공장의 설립은 미니애폴리스(미국 미네소타 주 남동부의 도시)의 발전을 촉진했습니다. 유압 에너지의 활용은 기계 작동을 위해 압력이 가해진 액체(예: 펌프)를 소스에서 최종 사용자에게 전달하기 위해 여러 파이프라인을 사용하는 네트워크에서도 발전합니다. 오늘날 수력 발전의 가장 큰 용도는 전기를 생산하는 것이며, 이를 통해 사람들은 수력 발전에서 값싼 에너지를 사용할 수 있습니다.