화학공학과 세특주제로 바이오연료를 주제로 작성하려고 합니다.
정부주도 바이오연료개발내용을 산업자원부 보도자료를 바탕으로 콘텐츠 기획후 기존 식량 및 연료를 사용한 1,2세대 바이오연료의 기술에서 3세대 탄소포집을 이용한 부분까지 확장된 주제입니다
화학계열에서 교과내용에서 탄소포집기술 관련한 화2, 더 확장된 고급화학에서 연결할 수 있는 주제이며,
통합사회에서도 친환경 부분으로 활용가능한 주제입니다.
내용 정리합니다.
바이오연료란?
바이오 연료는 바이오매스(Biomass)로부터 확보할 수 있는 연료로 화석연료와는 다른 신재생 에어지다.
바이오 연료는 종종 바이오알코올과 바이오디젤을 지칭하는 말로도 사용되지만 보통은 식물, 해조류에서 동물 배설물까지 자연 상태의 모든 부산물에서 얻을 수 있는 에너지를 뜻한다.
바이오연료의 특징
친환경 바이오연료는 생물 유래 원료를 이용하여 생산하는 연료로, 종류에 따라서 다양한 화학적 특성을 가집니다.
생물 분해 신뢰성: 바이오연료의 특성 중 하나는 생물 분해가 매우 빠르다는 것입니다. 이는 결국 환경에 미치는 영향을 적게하고, 관리 포화 지역에 더 적합하게 만들어 줍니다.
화학적 구성: 생물 유래의 바이오연료의 화학적 구성은 다양합니다. 일반적으로는 알코올, 에테르, 수소, 메탄 등의 차이가 있습니다.
산소 요구량: 바이오연료는 연소 시 산소를 소모하는 양이 작기 때문에 동일한 양의 연료를 연소 시킬 때 더 적은 공기가 필요합니다.
탄소 발생: 바이오연료의 연소는 일반적으로 더 적은 탄소를 생성합니다. 따라서 탄소 배출이 더 적다는 이점이 있습니다.
바이오연료와 화석연료(석유)의 차이점
원료: 일반 연료는 석유와 같은 화석화 된 유기물에서 추출한 탄화수소화합물로 이루어져 있고, 바이오연료는 식물, 동물 부산물, 폐기물 등의 생물성 원료에서 추출합니다.
생산과정 : 일반 연료는 크고 복잡한 정제 과정을 거쳐 만들어지는 반면, 바이오연료는 전통적인 생산방식에 의해 생산되는 경우도 있지만, 대부분 생물 유래 원료를 이용한 생산 방식으로 생산됩니다.
환경영향 : 일반 연료는 유기물을 연소시켜서 거대한 양의 온실가스를 방출하는 반면, 바이오연료는 탄소 배출량이 적기 때문에 기후 변화와 대기 오염 문제를 개선할 수 있습니다.
가격 : 일반 연료에 비해 바이오연료는 생산 원가가 높아서 가격이 높을 수 있습니다.
왜 바이오 연료는 미래의 에너지라고 하는가?
화석에너지가 갖고있는 언제인지 예측불가능한 한정적인 자원이 아니라는 부분이 가장 큰 장점이다.
현재는 개발초기여서 단위당 비용이 높게 발생되지만 이러한 부분을 극복한다면 무한정의 에너지를 갖게 된다.
또한 중동, 러시아, 북극해,남미에서의 석유시추 제외하고 다른 지역에 없는 에너지 패권을 전세계적으로 배분할 수 있는 구조로 전 제3세계에서도 충분히 경제성이 있게된다.
바이오 연료의 원료가 되는 식물 재배과정에서 이산화탄소 흡수도 가능하다.
해조류의 경우에는 생산성이 가장 높고 같은 양의 연료를 생산하기 위한 토지를 많이 필요로 하지 않는다.
실제 대두는 1헥타르당 560리터를 생산할 수 있지만 해조류는 1헥타르당 무려 94,000리터나 생산이 가능하다.
현재 개발되고 있는 바이오 연료는 기존 내연기관 및 화석연료를 사용하는 엔진과 호환이 가능하도록 개발되고 있다.
*현재 개발중인 탄소포집 기술을 활용한 바이오 에너지 생산 또한 제3세대 개발 기술로 CCUS까지 확장 가능하다.
바이오 연료 생산에 관련된 화학적 반응식
가장 일반적인 두 가지 유형의 바이오 연료는 바이오 디젤과 바이오 에탄올입니다.
바이오디젤 생산:
바이오디젤은 트리글리세리드(지방 및 오일)가 촉매(일반적으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨)의 존재 하에 알코올(일반적으로 메탄올 또는 에탄올)과 반응하여 바이오디젤(지방산 알킬 에스테르)을 생성하는 에스테르 교환 반응이라는 화학 반응을 통해 생성됩니다.
글리세롤-에스테르 교환 반응의 화학 반응식은 다음과 같습니다.
트리글리세리드 + 알코올 → 바이오디젤 + 글리세롤 식물성 기름에서 일반적으로 발견되는 트리글리세리드는 일반 공식으로 표시됩니다.
R1COO-R2COO-R3COO, 여기서 R1, R2 및 R3은 탄화수소 사슬입니다.
공정에 사용되는 알코올은 메탄올(CH3OH) 또는 에탄올(C2H5OH)일 수 있습니다.
촉매인 수산화나트륨(NaOH) 또는 수산화칼륨(KOH)은 반응 속도를 가속화하는 데 중요한 역할을 합니다.
메탄올(CH3OH)과 수산화나트륨(NaOH)을 촉매로 사용하면 대두유(바이오디젤의 일반적인 공급원)의 에스테르 교환 반응은 다음과 같은 화학반응식으로 나타낼 수 있습니다.
콩기름 + 3 CH3OH → 바이오디젤 + 3 CH3OOC-R1COOCH3(글리세롤) 제품은 바이오디젤(지방산 메틸 에스테르)과 글리세롤(다양한 산업 분야에서 사용되는 부산물)입니다.
바이오에탄올 생산:
바이오에탄올은 주로 사탕수수, 옥수수 또는 밀과 같은 농작물에서 추출한 당 또는 전분의 발효를 통해 생산됩니다. 바이오에탄올 생산과 관련된 주요 단계는 다음과 같습니다.
1단계 :[화학] 당화(糖化)
이 단계에서 전분은 발효 가능한 설탕으로 전환됩니다. 아밀라아제라고 불리는 효소는 전분 분자를 포도당과 같은 단당류로 분해하는 데 사용됩니다. 전분이 포도당으로 전환되는 화학 반응은 다음과 같습니다.
(C6H10O5)n (전분) + H2O → n C6H12O6 (포도당)
2단계: 발효
이 단계에서 포도당은 효모나 박테리아의 작용에 의해 에탄올로 전환됩니다. 효모는 알코올 발효로 알려진 과정을 통해 포도당을 대사하여 에탄올과 이산화탄소를 생성할 수 있기 때문에 일반적으로 사용됩니다.
C6H12O6(포도당) → 2 C2H5OH(에탄올) + 2 CO2(이산화탄소)
3단계: 증류
발효 중에 생성된 에탄올에는 물과 기타 불순물이 포함되어 있습니다. 증류는 발효 혼합물에서 에탄올을 분리하고 정제하는 데 사용됩니다. 에탄올은 물보다 끓는점이 낮기 때문에 혼합물을 가열하면 에탄올이 기화하여 별도로 수집할 수 있습니다.
4단계: 수분제거
증류로 얻은 바이오에탄올은 일반적으로 높은 비율의 물을 포함합니다. 남아있는 수분을 제거하고 에탄올 농도를 높이기 위해 탈수를 한다. 일반적으로 이를 달성하기 위해 분자체 또는 기타 건조제가 사용됩니다.
5단계: 첨가
경우에 따라 연료로 사용하기 위한 에탄올은 휘발유 또는 천연 휘발유와 같은 소량의 물질을 첨가합니다. 이 과정을 통하여 천연재료로 합성된 에탄올이 음료 목적으로 사용되는 것을 방지하여 산업 및 자동차 응용 분야에 적합합니다.
산업자원부 바이오연료 자료
정리
기본적인 가이드는 바이오연료와 탄소배출의 기후문제에 대한 교과내용의 확장된 부분으로 작성하는것을 원칙으로 합니다.
화학공학과는 대량공정으로 생산성과 경제성을 판단하여 진행하는 계열로 화학이 순수연구과학이면 화공은 확장된 규모로 적용되는 부분입니다.
탄소포집기술에서 댜앙한 합성법을 확장된 주제로 진행가능하며 CA멤브레인법으로 가성소다와 질소를 합성하는 부분도 좋은 콘텐츠입니다.
다음번은 해당 공정에 대한 내용을 준비하겠습니다.
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첨부자료
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