에탄올 생산 공정의 전과정 평가

황일훈, 정연수

서울시립대학교 화학공학과

Life Cycle Assessment of Ethanol Processes

Il-Hoon Hwang, Yonsoo Chung

Department of Chemical Engineering, University of Seoul

서론

환경문제란 자연과 관계하는 인간의 모든 활동이 환경계에 미치는 영향을 총칭하는 단어이다. 특히 환경의 자정능력을 넘어서 인간활동에 해를 주는 행동을 환경오염이라 칭하고 있으며, 산업혁명의 발달과 더불어 가속화된 환경오염은 한 나라만의 문제가 아닌 지구 전체가 해결해야할 사안이 되었다.

1972년 스톡홀름의 유엔환경회의에서 □하나뿐인 지구□라는 구호로 지구환경 보전을 처음으로 세계공통과제로 채택하면서 환경오염에 대한 전세계적인 보호가 시작되었다. 최근에 대기오염의 가장 큰 원인으로 지목되는 이산화탄소의 양을 줄여나가자는 교토의정서의 성사여부와 맞물려 환경을 이유로 한 경제적 무역제재가 가해지고 있다. 한 예로 미국의 대기 청정법을 통해 대폭적인 자동차 배기가스의 감축과 높은 연료 효율을 정하여 이에 미달되는 자동차의 수입을 억제할 예정이며, 이탈리아의 경우 모든 제품의 플라스틱 포장을 금하고 있다. 각국은 오염물을 제거하는 청정 공정을 서둘러 개발하고 있으며 환경영향을 객관적으로 측정할 수 있는 도구의 개발을 가속화하고 있다. 이중 제품의 생산, 소비뿐만 아니라 원료물질의 생산과 제품의 운송 등 전과정에 걸쳐 환경부하를 측정하는 전과정평가(life-cycle assessment) 방법이 가장 효과적인 환경영향 측정방법의 하나로 대두되고 있다.

본 연구에서는 전분을 이용한 에탄올 제조 공정의 전과정 평가의 목록분석을 행하고, 대안 공정으로 천연가스를 이용한 에탄올 제조 공정을 설계하여 전과정 평가 방법을 이용하여 환경적 영향들을 비교 분석하였다. 두 공정의 큰 특징은 생물학적인 원료물질과 화학적 물질의 사용에 있으며 실제 공정과 설계 공정이라는 차이도 가지고 있다. 기본적인 자료수집과 목록분석은 전과정 평가 상용프로그램인 GaBi, TEAM, SimaPro를 이용하였으며, 영향분석은 eco-indicator 95를 이용하였다.

1. 전과정 평가 (life-cycle assessment)

전과정 평가는 제품 또는 시스템의 전과정에 걸쳐 필연적으로 발생하는 환경부하를 규명하고, 환경부하가 환경에 미치는 영향을 평가하여 이를 저감, 개선하고자 하는 기법이다[1]. 환경에 미치는 영향은 환경오염물의 배출뿐만 아니라 자원, 에너지 소비 또는 인간의 건강, 생태학적인 영향까지 포함하는 것으로 인간활동의 다양한 국면에서 환경부하를 저감하는 방향으로 의사결정을 하기 위한 수단으로 작용한다.

지속가능한 발전을 위한 환경오염 측정도구로서 전과정평가 방법은 목록분석(inventory analysis), 영향평가(impact assessment), 개선평가(improvement assessment)로 나누어 시행된다. 특히 목적 및 연구 영역 설정은 자료수집과 영향 요소 목록을 결정하는 중요한 역할을 한다.

2. 목적 및 영역

옥수수를 이용한 에탄올 생산 공정은 미국과 브라질 등을 중심으로 비옥한 토지를 가지고 있는 나라에서 이미 상용화되어 있는 공정이다. 에탄올은 석유를 대신할 수 있는 대체 원료로써 자동차의 연료뿐만 아니라 석유로부터 나오는 여러 제품을 생산할 수 있는 원료가 된다. 전분을 원료로 발효공정을 통해 에탄올을 생산하는 생물학적 에탄올 공정은 전환율이 낮고 회분식 공정으로 많은 양의 에탄올을 생산하기 부적합하기 때문에 한계를 지닌다. 이에 반해 천연가스를 원료물질로 하는 화학적 에탄올 공정은 연속식 공정으로 다량의 에탄올을 단기간에 생산하는데 효과적이다.

본 연구에서는 생물학적 에탄올 공정보다 경제적으로 나은 화학적 에탄올 공정의 전과정 평가를 통하여 환경적 영향평가를 전과정평가 도구를 이용하여 수행하고자 한다. 평가의 범위는 원료물질로부터 에탄올 생산까지 영역을 설정하고 사용과 폐기과정은 동일하다고 가정한다.

3. 목록분석

자료 수집은 여러 가지 방법을 이용하여 수행된다. 가장 일반적으로 산업 연간 평균 등의 실질적인 공장의 자료를 이용한다. 자료 수집의 어려운 경우에 있어서자료 선택을 하게되는데 비슷한 공정을 선택하여 자료를 얻거나 문헌조사, 전문가의 조언 등을 통하여 자료를 생성하여 사용한다[2]. 질 좋은 자료의 수집은 전과정평가를 수행하는데 있어 가장 기본이 되는 작업이며, 많은 시간과 돈이 투자되는 부분이다. 민감도 분석, 불확실성 분석 등을 통하여 수집된 자료의 질이 보정되어야 한다. 자료는 곧 환경적으로 미치는 영향 요소들과 연결되기 때문에 올바른 자료의 선택이 전과정 평가를 성공적으로 수행하는 열쇠가 된다.

3.1. 생물학적 에탄올 공정

옥수수를 이용한 에탄올 공정은 Fig. 1과 같은 과정을 거치게 된다. 옥수수 씨앗을 심어 거름과 살충제를 뿌리면 옥수수가 생산된다. 옥수수는 전처리 공정을 거쳐 전분으로 전환되는데 전분은 곧 효소를 이용한 발효공정을 통하여 생물학적 에탄올을 생성하게 된다.

3.2. 화학적 에탄올 공정

Fig. 2는 천연가스를 원료로 에탄올을 제조하는 화학적 에탄올 공정을 나타낸 그림이다. 동남아시아에서 생산하는 천연가스를 액화시켜 LNG 선으로 운송하여 재 기화시켜 에탄올 공정의 최초 원료로 사용한다. 메탄올을 생성하기 위해서는 일산화탄소와 수소가 필요하므로 천연가스에 물을 첨가하여 합성가스를 생산한다. 결국 메탄올과 합성가스를 이용하여 화학적 에탄올을 생성하게 된다.

Fig. 1. Life cycle of bio-ethanol process.

Fig. 2. Life cycle of chem-ethanol process.

실질적인 공정의 자료와 문헌자료 등을 혼합하여 만든 주요물질에 관한 목록 표를 작성할 수 있었다. 각 목록들의 양은 최초 원료물질의 획득부터 축적된 것이었으며 에탄올 1kg을 제조하는데 사용되는 모든 물질의 양을 기준하였다.

생물학적 에탄올 공정에서 주로 수질계와 토양계로의 방출이 많으며, 대기오염물질의 경우 전분으로부터 에탄올을 발효할 때 생성되는 이산화탄소가 대부분이다. 화학적 에탄올 공정은 대기로의 방출물이 많다. 특히 이산화탄소의 방출물이 생물학적 에탄올 공정보다 약 5배 가량 많이 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

4. 영향평가(impact assessment)

환경은 단 시간 내에 영향을 받지 않으며, 한 가지 요소만으로도 영향을 받지 않는다. 다양한 요소가 서로 상호 작용하여 대기, 수질, 토양을 오염시키게 되는데 결국 이들은 인간이 살아가는 생태계를 변화시킨다. 환경적 영향요소 선택은 전과정평가의 목적과 연관되며 많은 연구자들은 기존에 존재하는 영향평가 도구를 사용한다. 각 도구의 특성들은 환경영향요소를 규정(classification)짓고 그 영향을 만드는 물질들을 선택(characterization)하여 값을 측정(evaluation)한다. 이러한 일련의 행동을 거쳐 오존층 파괴, 온실효과, 부영양화, 화학적 산소요구량 등과 같은 1차원적인 환경영향 요소가 계산되어지며, 인간의 건강, 자연 서식지의 변화가 2차원적으로 계산된다.

공정에서 배출되는 물질에 대하여 환경적인 영향 목록을 작성하게 되는데 이때 생산되는 물질이외의 부산물에 대한 자료처리가 우선 되어야 한다. 환경영향 분배개념인 할당(allocation)을 이용하게 되는데 단순히 물질의 양으로 계산하는 경우가 많다[3]. 생물학적 에탄올 생성에서는 동물의 사료로 사용되는 DDGS 양을 제거해 주어야 하며, 화학적 에탄올 생성에서는 아세트산의 부산물을 고려해야 한다.

영향평가를 수행하는 데 있어 환경영향 요소 목록을 형성하는 것은 많은 시간과 연구를 통하여 이루어진다. 일반적으로 대다수의 연구자들은 이미 만들어진 환경영향 요소를 사용하여 그 제품에 대한 공정을 평가하게 되며 이를 통하여 많은 시간과 돈을 절약한다. 본 연구에서는 상용프로그램인 SimaPro를 이용하여 목록분석 및 영향평가를 수행하였다. Fig. 3은 eco-indicator 95의 환경목록을 기준으로 환경영향이 많은 공정을 100으로 기준하였을 때 다른 공정의 상대값이다.

5. 개선평가(improvement assessment)

Fig. . Comparison of bio-ethanol and chem-ethanol process using Eco-indicator 95.

화학적 에탄올 공정 개발의 경제적인 필요성에도 불구하고 환경적으로는 생물학적 에탄올 공정이 보다 환경친화적이라 할 수 있다. 화학적 에탄올 공정의 개발 및 개선은 전과정평가 도구를 이용한 분석을 통해서 수행될 수 있다. 에탄올 생성 공정만 분석해 보면 Fig. 4에서 보여지듯이 메탄올 제조공정에서 많은 환경부하가 생성되는 것이 확인되며 메탄올 공정에서도 과도한 유틸리티 사용으로 비환경적 공정이 생성된 것을 파악할 수 있다. 메탄올 공정의 자료는 기존의 공정 자료에서 수집한 것이며, 보다 효율적인 공정설계를 통해 환경오염 요인을 줄여나갈 수 있는 여지를 마련해 준다.

Fig. . Impact assessment for chemical ethanol process.

결론

화학적 에탄올 생산 공정과 생물학적 생산 에탄올 공정을 전과정평가 방법을 이용하여 환경적인 영향을 비교 분석하였다. 생물학적 에탄올 공정의 대안으로 제시된 화학적 에탄올 공정은 그 경제적 이익에도 불구하고 목록분석 및 영향평가를 통하여 대기방출물이 많은 것으로 밝혀졌다. 즉, 생물학적 공정이 보다 환경친화적이라고 할 수 있다. 이러한 대기 오염물질들은 영향평가를 통하여 오염근원 공정을 찾을 수 있으며 합성가스로부터 메탄올을 제조하는데 화석연료에 기반한 사용한 유틸리티의 사용억제를 통하여 보다 환경친화적인 공정이 얻어질 수 있을 것이다.

그 이외에도 화학적 에탄올 생성공정에서 여러 부분의 공정이 개선되면 좀더 환경친화적인 공정으로 변모될 것이다. 천연가스의 수송이 없이 현지에서 직접 메탄올과 에탄올을 제조하는 공정을 통하여 LNG선에서 발생되는 이산화탄소의 양을 줄일 수 있으며, 천연가스가 아닌 대체원료를 사용하는 방법 등으로 비환경적인 요소를 제거하여 보다 환경친화적인 공정을 개발할 수 있을 것이다.

참고문헌

1. J. Fara, R. Dennison, B. Jones, M. Curran, B. Vigon, S. Selke, J. Barnum       (Eds.): "A Technical Framework for Life-Cycle Assessment", SETAC and        SETAC Foundation for Environmental Education, (1991).

2. M. Morgan and M. Henrion: "Uncertainty", Cambridge, (1990).

3. M. Curran:"Environmental Life-Cycle Assessment",McGraw-Hill,(1996).