바이오 연료의 에너지 함량 결정법(간단정리)

석유 시대는 미국 펜실베니아주의 티투스빌 근처에서 세계 최초의 유정을 뚫었던 1859년 8월에 시작되었다.

그 후 전세계적으로 약 1350억 배럴(1배럴=42갤런=160L)의 원유가 소비되었으며,, 그중 상당량은 주로 자동차의 연료로 사용되었다. 

1배럴 = 42갤런 = 160L

 

현재 세계의 석유 소비량은 연간 3.4 x 10^10배럴이고, 현재 채굴 가능한 매장량은 1.7 x 10^12 배럴이다.

따라서 세계의 알려진 석유 매장량은 현재 소비 추세로는 약 50년 후에 고갈될 것이다.

그러므로 대체 에너지 자원이 필요하다.

현재 개발되고 있는 다양한 대체 에너지 자원 중에는 바이오 연료(biofuel)가 있다.

 이것은 최근에 수목, 옥수수, 사탕수수, 유채 등의 생물체들로부터 얻을 수 있는 연료로서, 재생 가능하고 화석연료보다 탄소 중립적이기 때문에 매우 유망하다.

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 탄소 중립(carbon neutral)이라 함은 바이오 연료의 제조 과정과 연소 과정에서 환경으로 배출되는 CO₂의 양이 식물이 성장하면서 광합성에 의해 환경으로부터 제거 되는 CO₂의 양과 같다는 것을 뜻한다.

현재 가장 큰 관심의 대상이 되는 두 종류의 바이오 연료는 에탄올과 바이오디젤이다.

에탄올은 단순히 에틸 알코올로서, 알코올 음료에 포함되어 있는 알코올처럼 탄수화물을 효모로 발효시켜 얻는다.

음료 에탄올과 연료 에탄올의 유일한 차이는 당(sugar)의 원료이다.

 음료 에탄올은 주로 포도(포도주)나 곡류(증류주)의 당을 발효시켜 얻는 반면, 연료 에탄올은 주로 사탕수수나 옥수수를 발효시켜 얻는다.

 연구자들은 주로 셀룰로스를 포함하는 값싼 농산물 또는 벌목 부산물을 발효 가능한 당으로 전환시키는 경제적 방법을 개발하고 있다.

어떤 종류의 식물성 기름이든 바이오디젤로 사용될 수 있지만, 유채 씨 기름과 콩 기름이 가장 일반적이다.

 조류는 바이오디젤로 변환될 수 있는 기름의 또 다른 재생가능한 원료이고, 빠르게 성장하는 조류는 토양 식물보다 60배까지 더 빠르게 기름을 생산할 수 있다.

 식물처럼 조류도 성장하기 위해  CO₂를 필요로 하며, 발전소 옆에 조류 양식장을 두어 부산물인  CO₂ 배기가스를 조류에게 공급하는 것이 가능하다.

 

바이오연료의 에너지 함량이 결정되는 방법

 물질이 연소할 때 방출되는 에너지 양을 연소열(heat of combustion, ㅿΗ℃) 또는 연소 엔탈피(combusion enthalpy)라고 부른다.

이것은 1 ㏖ 의 물질과 산소의 반응에 대한 표준 엔탈피 변화이다.

액체 옥테인(C8H18)의ㅿΗ℃= -5470kＪ/ ㏖ 이다.

에너지 전달량을 측정하기 위해서는 통열량계에서 연료를 연소시킬 수 있었고, 기체상 연료에 대한 연소열을 추정하기 위해서는 결합 해리 에너지를 사용할 수 있으며, 연소 반응에 대한 엔탈피 변화를 계산하기 위해서는 표준 엔탈피 생성 자료 ( ㅿΗ f)를 이용할 수 있다.

바이오데질은 산 촉매 하에서 일반적인 식물성 기름과 메틸 알코올의 반응에 의해 생산되는 긴 사슬의 메틸 에스터라 불리는 유기 화합물로 이루어진다.