파리협정의 목표는 산업화 이전 대비 지구 평균 온도 상승을 2℃보다 훨씬 아래로 유지하고 나아가 1.5℃로 억제하기 위해 노력하여야 한다는 것이다. 한편 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)는 2018년 제48차 IPCC 총회에서 치열한 논의 끝에 「지구온난화 1.5℃ 특별보고서」를 승인하고 파리협정 채택 시 합의된 1.5℃ 목표의 과학적 근거를 마련하였다¹⁾. 따라서 전 지구적인 기후 변화 위기에 대응하는 목표 달성을 위하여 파리협정은 기후 변화 대응 정책의 장기적 비전 관점에서 각국에게 장기 저탄소 발전 전략(long-term low greenhouse gas emission development strategy, LEDS)을 수립하여 제출하였다. 또한 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 2050년 탄소중립을 달성하기 위한 세계 에너지 부문 로드맵을 보고하였다^2,3). 이 보고서에 따르면 2030년에 총 에너지 공급은 550 EJ로 감소할 것으로 전망하고 있으며 이는 2020년 대비 7% 감소한 것이다. 석유, 석탄 등 화석에너지에서 태양광, 풍력 및 전통적인 바이오에너지 등 재생에너지와 차세대 바이오연료, 수소 및 합성연료와 같은 새로운 에너지의 공급이 늘어날 것으로 전망하고 있다^4,5).

국내에서도 2030 국가 온실가스 감축목표(2030 national determined contribution, NDC)에서 수송 부문(도로, 해운, 항공) 감축 목표는 2018년 9,810만 톤 대비 37.8%가 감축된 6,100만 톤으로 설정하였다⁶⁾. 도로 수송 분야에 대해서는 대중교통의 이용 편의성 제고, 연계 교통 강화, 철도 중심 교통 체계 강화, 운행 제한 제도 확대 등을 통해 2030년에는 2018년 대비 자동차 주행거리를 4.5% 감축하고 2030년까지 전기차 및 수소차 450만 대 등 친환경차 보급 확대로 약 29.7백만 톤 감축하며 자동차 탄소포인트제, 친환경 운전 활성화 등 행태 개선을 통한 에너지 절감, 바이오디젤 혼합률 8%까지 상향 등의 계획을 제시하였다⁶⁾.

전 세계적으로 바이오디젤은 주로 지방산 메틸 에스테르(fatty acid methyl ester, FAME) 형태로 제조하여 경유 대체 연료로 일반적으로 자동차용 7%와 선박용 100%까지 연료 품질 기준에 적합할 경우 사용 가능하다. 또한 바이오연료로써 바이오디젤은 탄소중립 연료로 해당 국가에서 소비한 양만큼 탄소 배출량에서 감축을 인정받고 있다. 한편 바이오디젤은 일반 경유에서 배출되는 CO₂, SO₂, CO, HC, particulate matter (PM) 등의 실제 배출가스가 저감되나 NO_x 배출이 다소 높고 유동점 및 운점이 높아 겨울철에 저온 특성에 보완해야 하는 문제를 가지고 있다^7-10).

바이오디젤의 원료는 350여 종 이상이 연구되었으며 대두유, 팜유, 해바라기(sunflower)유, 면실(cottonseed)유, 카놀라(canola)유 등이 1세대 원료로 보고되고 있다. 최근에는 비식용인 폐식용유 등 2세대 원료와 미세조류 등 3세대 원료가 지속 가능성 기준에 부합하고 탄소 감축 효과가 커서 해당 원료 위주로 사용이 증가하고 있다^11-14).

전 세계적으로 바이오디젤은 주로 산 또는 염기 촉매 하에서 메탄올과 식물성 유지와 동물성 지방의 전이 에스테르 교환 반응(transesterification) 공정을 통해 상업적으로 주로 생산되고 있다. 최근에는 친환경 기술인 마이크로파(microwave), 초음파(ultrasound), 생촉매(enzymatic catalyst) 및 막 반응기(membrane reactor)가 적용되고 있기도 하다^15-20). 일반적인 전이 에스테르 교환 반응식과 생산 공정을 Figs. 1, 2에 나타내었다¹⁵⁾.

Fig. 1. 
General equation for transesterification of triglyceride in the presence of methanol

Fig. 2. 
General production process of biodiesel

국내 바이오디젤은 2002년부터 시범 보급사업을 통해 도입되어 2006년 수송용 바이오연료 중 가장 먼저 전국 단위로 상용화가 되었는데 초기는 자동차용 경유에 0.5% 혼합되어 사용되었다. 제4차 신재생에너지 기본 계획에서 수송 부문 신재생에너지 연료 혼합 의무화 제도(Renewable Fuel Standard, RFS)가 ‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법(이하 신재생에너지법)’에 근거하여 2015년 7월 31일부터 전면 도입되었다. RFS 제도에 따라 바이오디젤 중장기 의무 혼합 비율은 2015년 7월 31일 2.5%로 시작하여 2030년 5.0%까지로 규정되어 있다(Table 1)²¹⁾.

국내 바이오디젤 생산은 현재 동남아시아의 팜유 부산물 등의 수입 원료가 약 69%, 폐식용유(used cooking oil, UCO)와 동물성 유지(animal fat) 등의 국산 원료가 약 31% 수준으로 사용되고 있으며 수입 원료 비중이 높아 경제성 제고를 위해서는 새로운 지속 가능한 원료 공급망 확보가 중요시되고 있다(Table 2)²²⁾. 한편 국내 바이오디젤 제조 업체에서는 산 또는 염기 촉매를 사용한 전이 에스테르 교환 반응을 7개 업체, 무촉매 고온·고압 공정 및 초임계 반응을 각각 1개 업체가 사용하여 생산되고 있다. 국내에서 생산하여 소비된 바이오디젤의 보급량은 2022년 기준 82.3만 kL 수준으로 2015년 RFS 제도 도입 대비 약 3.67배로 증가하였다.

국내 바이오디젤의 품질 관리는 ‘석유 및 석유대체연료 사업법(석유사업법)’의 ‘석유대체연료의 품질기준과 검사방법 및 검사수수료에 관한 고시(산업통상자원부 고시 제2019-35호)²³⁾’에서 제시된 바이오디젤의 품질 기준에 따라 적정 품질을 확보하여 공급하도록 규정하고 있다. 또한 바이오디젤은 ‘석유제품의 품질기준과 검사방법 및 검사수수료에 관한 고시(산업통상자원부 고시 제2024-70호)²⁴⁾’에 따라 자동차용 경유에 겨울철(2 vol% 이상, 5 vol% 이하)을 제외하고는 2 vol% 이상, 7 vol% 이하로 혼합하여 사용하도록 규정하고 있다.

바이오디젤의 품질은 동·식물성 유지의 다양한 지방산 조성에 따라 물성이 크게 좌우되는 것으로 보고되고 있다²⁵⁾. 바이오디젤의 품질을 결정하는 요소로는 동점도, 인화점, 필터 막힘점(cold filter plugging point, CFPP), 유동점, 세탄가, 전산가, 잔류탄소가 있으며 혼합 연료 특성을 결정하는 FAME 함량, 글리세라이드 함량 등으로 나눌 수 있다. 이 중에서 세계적으로 바이오디젤 품질을 결정하는 주요 요소는 FAME 함량으로 유럽과 한국은 96.5 wt% 이상이다. 일반적으로 탄소 개수가 증가하면 동점도, 세탄가, 인화점, 유동점 및 밀도가 증가한다. 또한 이중결합 수가 증가할수록 동점도, 세탄가, 유동점은 낮아지며 산화 안정성 또한 낮아지는 특성을 보인다^25-31).

바이오디젤은 디젤 엔진에 사용되는 연료, 특히 자동차용 경유에 혼합되어 사용되기 때문에 엔진의 성능이 보장되어야 하고 배출가스에 의한 환경오염문제가 없어야 하며 저장 시 안전성이 확보되어야 하기 때문에 바이오디젤을 사용하는 국가들은 자국에서 조달이 가능한 원료를 기초로 하여 품질 기준을 마련하고 있다. 바이오디젤의 품질 기준은 미국의 ASTM D6751과 유럽의 EN 14214가 있으며 세계적으로 널리 사용되고 있다. Table 3은 국내외 바이오디젤(B100)의 품질 기준를 나타내었다^15,25).

국내 바이오디젤은 상용화 초기 대두유 등 식용 원료를 사용하여 제조하다가 바이오디젤의 제조사가 원료 원가 절감을 위하여 저급 원료 사용 확대를 위한 전처리 기술을 도입한 후 폐식용유 등 비식용 원료로 다양화하여 생산되고 있으나 이에 따른 국내 상용 바이오디젤의 품질과 연료 특성에 대한 연구 사례가 없다.

이에 따라 본 논문에서는 자동차용 경유의 바이오연료로 사용되고 있는 국내 상용 바이오디젤의 10년 동안의 원료와 연료 특성 모니터링 데이터 분석을 통해 품질 특성을 도출하였다.

본 논문에서는 자동차용 경유의 바이오연료로 사용되고 있는 국내 바이오디젤의 10년 동안의 품질 모니터링 데이터 분석을 통해 품질 특성을 도출하였다. 국내 바이오디젤 제조사에서 생산된 상용 바이오디젤(B100)은 석유사업법의 품질 기준을 모두 만족하는 품질을 보여 주고 있으며 특히 바이오디젤의 품질 척도인 FAME 함량은 평균 98.3 vol%를 보여 주고 있다. 또한 미국의 ASTM D6751과 유럽의 EN 14214 품질 기준도 충족하고 있는 것으로 분석되었다. RFS 제도가 도입된 2015년 이후 자동차용 경유에 바이오디젤이 혼합되는 비율은 혹한기 겨울철에는 차량의 저온 성능을 고려하여 평균 2.2 vol%로 사용되고 있다. 특히 여름철에는 3.4 vol%, 겨울철에는 2.3 vol%로 나타났다. 2022년의 여름철에는 석유정제업자별로 2.0 vol%에서 4.9 vol%까지 넓은 범위에서 혼합하는 것으로 나타났다.