조류 바이오연료: 2023년의 가능성과 과제

기후 영향이 더 적은 연료

탄소배출을 줄이는 방법 중 하나는 내연기관과 화석연료 발전을 전기차와 재생 가능 에너지원으로 대체하는 것이다. 다만 모든 용도에 쉽게 적용되지는 않는다. 이 글은 조류 연료와 관련한 2023년 초의 기대를 살펴본다.

2023년에는 소형 배터리 전기항공기가 이미 존재했다. 하지만 대형·장거리 항공편에서는 배터리의 무게와 에너지밀도가 큰 제약이다. 기술이 발전해도 기존 항공기 전체를 교체하려면 오랜 시간이 걸린다.

액체연료는 대량 저장과 유조선·배관 운송에 편리하다. 저장 안정성은 연료 종류와 조건에 따라 다르다. 이런 특성은 비상 대비, 외딴 지역, 국방과 해운에 유용하다.

따라서 액체연료 수요는 계속될 수 있다. 과제는 전 과정의 배출이 적고 화석 원료 의존도가 낮은 대안을 만드는 것이다.

바이오연료 세대

이것이 바이오연료 개발을 추진하는 이유 중 하나다.

1  세대 바이오연료는 옥수수 같은 식량작물을 에탄올로 바꾸는 방식 등을 포함한다. 식량과 토지를 놓고 경쟁할 수 있으며, 기후상 이점은 재배·비료·에너지 사용과 토지이용 변화에 따라 달라진다. 식량을 연료로 쓰는 데에는 공급과 가격에 관한 윤리적 문제도 있다.

2  세대 바이오연료는 농업 잔재와 다른 리그노셀룰로오스 원료 등을 사용한다. 식량과 직접 경쟁하는 정도를 줄일 수 있지만 수집, 토지와 전환 과정의 비용은 남는다. 잔재가 기여할 수 있다고 해서 모든 화석연료 소비를 혼자 대체할 수 있는 것은 아니다.

3세대 바이오연료에는 조류 기반 연료가 포함된다. 조류는 개방형 연못이나 폐쇄형 광생물반응기에서 기를 수 있어 폐쇄 시스템이 필수는 아니다. 일부 종은 바닷물과 농업에 적합하지 않은 토지를 활용할 수 있지만 물·영양분·에너지와 공간은 여전히 필요하다.

출처: Exxon

이 개요가 작성될 당시 조류 연료는 실증됐지만, 대규모로 경쟁력 있는 비용에 생산하는 일은 여전히 과제였다.

4  세대 바이오연료라는 용어는 여러 의미로 쓰인다. 관련 연구 분야에는 광생물학적 태양 연료가 있으며, 생물학적 또는 인공적 과정으로 햇빛을 이용해 연료를 만든다. 하나의 고정된 기술 분류나 확실한 상용화 일정으로 보아서는 안 된다.

대량 생산을 위한 장애물 및 제약

핵심 과제는 생산성이다. 희석된 조류 바이오매스를 재배·수집하고 연료로 바꾸는 데 투자와 에너지가 든다. 그 과정에서 바이오매스에 담긴 에너지 일부가 소모된다.

경쟁 미생물의 오염은 생산성을 떨어뜨릴 수 있다. 폐쇄 시스템은 통제를 쉽게 할 수 있지만 비용이 높아질 수 있고 자동으로 무균 상태가 되는 것도 아니다.

조류를 수집하는 공정도 어렵다. 시스템에 따라 연속 또는 배치 방식으로 수확할 수 있으며, 매번 전체 생산을 멈춰야 하는 것은 아니다.

원문은 미국 갤런당 약 5~8달러 또는 그 이상의 비용 추정치를 제시했다. 기술·규모·가정에 따라 달라지는 수치로, 보편적이거나 현재의 시장가격은 아니다.

두 번째가 성공할까?

2009~2010년 무렵의 첫 대규모 투자 열풍은 수익성 확보가 어려워 기대했던 빠른 에너지 전환으로 이어지지 않았다. 문제점은 이 오래된 분석에서 더 살펴볼 수 있다.

이후 여러 연구 진전으로 일부 여건이 개선됐다.

• 유전공학으로 조류의 특성을 바꿀 수 있다.
• 조류를 연료로 전환하는 방법에 대한 이해가 높아졌다.
• 일부 조류 계통은 경쟁 생물에 더 잘 견디며 개방형 연못에서 기를 수 있다.

에너지가격도 영향을 주지만 저가 석유가 영구적으로 사라졌다고 단정할 수는 없다. 미국 셰일오일의 손익분기 가격에 관한 일부 추정치는 배럴당 50~70달러 수준이었다, 새로운 석유·가스 발견량이 적다는 분석도 있었고, 우크라이나 전쟁은 세계 에너지 위기를 촉발했다.

이런 역사적 변화는 국내 대체연료에 대한 관심을 높일 수 있다. 그러나 조류 연료가 이미 경제적이거나 탄소중립이라는 증거는 아니다. 전 과정의 배출을 따져야 한다. 투자 사례는 아래에서 살펴본다.

개발을 진전시키려면 무엇이 필요한가?

기술과 연료 가격 외에 자금조달도 중요하다. 초기 시도는 작은 기업이 주도한 경우가 많았지만 산업 생산에는 큰 투자가 필요하다. 개발 과정을 나누면 다음과 같다.

1. 미세조류의 생화학과 유전학에 관한 기초연구.
2. 지질 생산을 높이기 위한 조류 계통의 선택과 유전적 개선.
3. 재배·수확·연료 전환 공정의 최적화.
4. 단위당 비용을 실제로 낮추는 생산 확대.

2010년 무렵에는 많은 종에 관한 지식과 도구가 더 제한돼 있었다. 모든 조류 유전학이 미지였다는 뜻은 아니지만 방법의 접근성과 산업적 성숙도가 낮았다.

에탄올과 오일 등 어떤 제품으로 전환할지도 생산 시스템과 경제성에 맞춰야 했다. 어느 경로가 모든 경우에 최선인 것은 아니다.

여러 연구 중심 기업은 실험 결과를 안정적인 산업 운영으로 옮기는 데 어려움을 겪었다.

생산성이 낮은 문제는 시설만 키운다고 항상 해결되지 않는다. 수익성이 확보되지 않자 자금도 줄었다.

조류 연료에 대한 투자

2023년까지 연구 진전이 있었지만 과학적·상업적 문제가 모두 해결된 것은 아니었다. 한 예는 특정 조류에서 한 전사조절인자의 발현을 줄여 지질 생산을 두 배 이상 늘린 연구다. 이 연구는 2017년에 발표됐다. NGS 같은 염기서열 분석과 CRISPR 같은 유전자 편집 기술은 연구를 개선했지만, 모두 2023년 직전 5년 사이에 처음 개발된 것은 아니다.

전문 기업이 기초연구를 수행하고 산업 확장에는 매우 큰 투자자나 에너지 기업 등 산업 파트너의 지원이 필요할 수 있다.

대형 에너지 기업에 투자하면 조류 연료보다 다른 사업의 영향을 더 크게 받는 경우가 많다. 특허나 연구 협력이 수익, 배당 또는 성공적인 에너지 전환을 보장하지는 않는다.

1. Exxon Mobil

ExxonMobil은 Viridos(옛 Synthetic Genomics)와 조류 연료 연구를 역사적으로 지원했던 석유기업의 사례다. 연구 협력은 확인된 상업 생산시설과 구별해야 한다.

XOM 가격 차트

Viridos는 유전체 연구의 선구자 크레이그 벤터와 조류 연료 연구에 연결돼 있다. 벤터는 인간 유전체 분석에도 참여했다. J. Craig Venter Institute 연구진과 협력자들은 합성 유전체를 기존 수용 세포에 넣어 그 유전체가 제어하는 세포를 만들었다. 세포 전체를 처음부터 만든 것은 아니었다.

Viridos는 개선한 계통이 야외시험에서 자연 계통보다 5~10배 높은 바이오오일 생산성을 보였다고 밝혔다. 회사가 발표한 시험 결과이며, 이미 가동 중인 상업 생산량을 뜻하지 않는다.

ExxonMobil과 Synthetic Genomics는 2018년에 2025년까지 하루 1만 배럴 규모의 조류 연료를 생산할 기술적 능력을 개발한다는 목표를 발표했다. 조건부 연구 목표이지 이 글로부터 2년 뒤의 확정 생산시설이 아니었다. 원문에 비교된 하루 약 370만 배럴은 회사의 다른 석유·가스 생산과 관련된 수치였다.

2. Reliance Industries

Reliance Industries는 통신·유통·섬유·에너지 등에 사업을 둔 인도의 대형 상장 민간기업집단이다. 민간 부문이라는 말은 비상장이라는 뜻이 아니다. 2021~2022 회계연도 연결매출은 1,046억 달러로 1,000억 달러를 넘었다. 이는 그룹의 매출이지 이익이나 모회사 단독 매출이 아니다.

Reliance는 영상에서 자사의 조류 재배 시설을 세계 최대 규모 중 하나로 소개했다. 회사 자체의 설명이다. 에너지 사업의 큰 부분은 정유와 석유화학이었다. 조류 프로젝트가 인도의 햇빛과 비농업용 토지를 활용할 수 있어도 수입 의존도에 대한 효과는 실제 규모와 경제성에 달렸다.

크라우드펀딩 및 VC

원래 개요에서는 발표 당시 진행 중인 캠페인을 찾지 못했다. 역사적 사례로는 2021년에 종료된 Manta Biofuel 크라우드펀딩이 있다. 회사의 방식은 개방형 연못과 자성 나노입자를 이용한 조류 수집이었다.

비상장 투자와 벤처캐피털은 별도의 자격·접근 조건과 위험을 가진다. 글에 언급된 예로는 Primary Ocean이 있으며, 식품·바이오플라스틱·잠재적 연료용 해조류 재배와 관련됐다. 또 Algenol은 조류 기반 화학제품·화장품·연료와 관련된 예다. 다른 예인 Gevo 는 여러 바이오연료를 개발하는 상장기업이므로 모든 사례가 적격 비상장 투자자에게만 한정되는 것은 아니다.

결론

조류 연료는 잠재력이 있는 연구 분야지만 미래 생산 목표가 산업의 성숙이나 수익성을 입증하지는 않는다. ExxonMobil의 역사적인 하루 1만 배럴 목표도 달성된 생산량으로 설명해서는 안 된다.

새 기업과 자금조달 방식이 기회를 만들 수 있다. 다만 2025~2026년에 큰 흐름이 될 것이라는 원문의 기대는 2023년의 전망이며 확인된 결과가 아니다.

Reliance와 ExxonMobil은 조류 연료만이 아니라 전체 사업을 기준으로 평가해야 한다. 석유에서 조류 연료로 전환하려면 투자예산을 옮기는 것 외에 기술·자원·시설과 수요도 필요하다.

탄소비용 상승은 전 과정 배출이 적은 연료의 경쟁력에 영향을 줄 수 있다. 연구로 비용을 낮출 가능성은 있지만 가격, 탄소중립성과 수익성이 보장되지는 않는다.