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식물 재료와 동물 배설물 같은 생물량에서 얻을 수 있는 연료이다.

식물 재료와 동물 배설물 같은 공급 원재료는 보충이 용이하기 때문에 석유와 석탄, 천연 가스 같은 화석연료와 달리 바이오 연료는 재생 에너지 자원으로 간주된다. 바이오 연료 지지자들은 치솟는 유가 및 화석연료가 지구 온난화에 끼치는 영향에 대한 우려 때문에 비용 효율이 높고 환경적으로 이로운 바이오 연료가 석유 및 다른 화석연료를 대체할 만한 에너지라고 평가한다. 반면, 바이오 연료를 반대하는 사람들은 정제과정에서 발생하는 경제 및 환경 비용 및 식량생산으로 인해 경작지로 이용되는 막대한 자연이 사라질 것에 우려를 표명한다.

목재처럼 오랜 기간 사용해 온 바이오 연료는 원자재를 직접 사용하여 연소시켜 열을 생산할 수 있다.

그 결과로 얻은 열은 전력을 생산하기 위해 발전소에서 발전기를 가동하는 데 사용된다. 기존의 여러 동력 설비에서 주로 풀이나 목재, 그밖의 다른 생물량을 사용한다.

액상 바이오 연료는 특히 교통수단 같은 거대한 기반시설에서 이미 대체 사용되고 있다. 가장 많이 생산되고 있는 액상 바이오 연료는 에탄올(또는 에틸알코올)로 녹말이나 설탕을 발효시켜 만든다. 브라질과 미국은 에탄올 생산국 선두권에 속한다. 미국에서 옥수수 알갱이를 이용하여 만든 에탄올 바이오 연료가 처음으로 생산되었다.

일반적으로 10%의 에탄올이 함유된 연료인 가소홀(gasohol)을 생산하기 위해 휘발유와 혼합된다. 브라질에서는 사탕수수를 이용하여 에탄올 바이오 연료가 처음 만들어졌다. 보통 100% 에탄올 연료로 사용되거나 85%의 에탄올과 휘발유를 혼합하여 사용한다.

2번째로 일반적인 액상 바이오 연료는 바이오디젤로 주로 콩이나 기름야자나무 같은 식물유로 만들어진다. 간혹 식당에서 튀긴 후에 나오는 요리용 기름의 찌꺼기와 같은 다른 기름 자원으로 만들어지기도 한다. 유럽에서 가장 많이 사용하는 바이오디젤은 디젤 기관에 사용되며 보통 다양한 비율로 석유 디젤 연료와 혼합된다.

또 다른 바이오 연료로는 산소가 없을 때 생물량이 변질되어 얻을 수 있는 메탄가스가 있으며 메탄올·부탄올·다이메틸에테르가 개발 중에 있다.

현재 셀룰로오스 함량이 높은 생물량에서 에탄올을 생산하기 위한 방법을 개발하는 데 많은 노력을 기울이고 있다.

이 셀룰로오스 에탄올은 나뭇조각과 풀, 작물 잔해, 도시 쓰레기 같은 저가치 재료로 생산할 수 있다. 상업적으로 이용되는 바이오 연료의 혼합물은 이러한 연료들이 개발되면 확실히 바뀔 것이다. 현재 알려져 있는 가능성의 범위로 보면 이들 연료는 교통수단과 난방·냉방·전력을 위한 동력을 공급할 수 있다.

바이오 연료의 경제적 이익을 따져볼 때 바이오 연료 생산에 요구되는 에너지를 고려해야 한다.

예를 들어 에탄올을 생산하기 위해 필요한 옥수수가 자라는 과정을 살펴보면 농사 시설, 비료, 옥수수 수송, 에탄올 증류를 위한 화석연료 등이 소비된다. 이것은 옥수수로 만들어지는 에탄올은 비교적 적은 에너지를 얻는다는 것을 의미한다. 사탕수수에서 얻는 에너지가 더 많고 셀룰로오스 에탄올에서는 훨씬 더 많은 에너지를 얻을 수 있다.

바이오 연료는 환경적인 이로움도 제공하지만 제조방법을 감안하면 심각한 환경적 문제를 지니고 있기도 하다.

원칙적으로 식물에서 기인한 바이오 연료는 재생 에너지 자원이므로 지구 온난화와 기후 변화에 거의 영향을 끼치지 않는다. 연소를 하는 동안 공기로 유입되는 주요 온실가스인 이산화탄소는 성장하는 식물이 광합성을 하는 것보다 더 먼저 공기에서 제거될 수 있을 것이다. 그러한 물질을 '탄소중립'(carbon neutral)이라고 한다. 그러나 실제로 농업용 바이오 연료의 산업적 생산은 추가적인 온실 가스 배출을 야기할 수 있기 때문에 재생연료 사용의 이점을 상쇄할 수도 있다.

이러한 배출에는 생산과정 동안 화석연료 연소로 배출되는 이산화탄소와 질소비료로 여겨져왔던 토양에서 배출되는 아산화질소가 있다. 그런 점으로 볼 때 셀룰로오스 생물량이 더 이로운 것으로 평가된다.

토지 이용도는 바이오 연료의 이점을 평가하는 주요 요인이 되기도 한다. 옥수수와 콩은 주요 식량이므로 연료 생산에 이용하는 것이 식량비용 증가와 경제성 면에서 악영향을 끼칠 수 있다. 2007년 미국 내 옥수수 생산량의 1/5가량이 바이오 연료 생산에 이용되었다.

연구 논문에 의하면 에탄올을 생산하기 위해 미국의 모든 옥수수 밭의 옥수수를 사용하더라도 겨우 12%의 가솔린 소비를 대체할 수 있을 것이라고 한다. 뿐만 아니라 바이오 연료를 얻기 위해 세계의 농작물 자연 서식지가 다른 형태로 변화될 수 있다. 예를 들면, 옥수수로 만든 에탄올에 대한 역점이 풀밭과 관목림 지역을 옥수수 단일 재배지로 변화시키고 있다. 또한 바이오디젤에 대한 역점은 야자 농장을 만들 목적으로 오래된 열대우림을 위협하고 있다. 자연 서식지의 손실은 수문학을 바꿀 수 있고, 부식을 증가시킬 수 있으며, 야생생물의 다양성을 감소시킬 수 있다.

또한 비어 있는 땅은 보유하고 있는 식물이 불에 타거나 부식하게 되면서 갑자기 대량의 이산화탄소 배출을 야기할 수 있다.

바이오 연료의 단점 가운데 하나는 전통적인 농경작물인 옥수수와 콩, 사탕수수, 기름야자나무처럼 다양성이 적은 바이오 연료 자원을 이용한다는 것이다. 여기에 대안으로 떠오른 구체적인 사례가 있다. 북아메리카의 장초형 대초원과 고다양성을 지닌 종의 혼합이 그것이다.

고다양성 바이오 연료 자원의 생산이 불가능한 불량 농업지를 대체함으로써 야생 지역을 증가시키고, 부식을 줄이며, 수인성 오염 물질을 세척하고, 토양에 있는 탄소화합물이 공기로부터 이산화탄소를 끌어들여 궁극적으로 불량 농업지에 비옥함을 회복시킬 수 있었다. 그러한 바이오 연료는 전력을 생산하기 위해 직접 연소하거나 액상 연료로 전환할 수 있었다.

모든 요구를 동시에 충족하는 바이오 연료를 증가시키기 위한 적절한 방법에 대해서는 지속적으로 많은 실험과 논쟁이 뒤따를 것이다.

그러나 바이오 연료 생산의 성장은 빠르게 지속될 것 같다. 예를 들면, 유럽 연합(EU)은 바이오 연료가 2010년까지 운송수단 연료의 5.75%를 차지하도록 계획하고 있으며, 2020년까지 유럽 자동차의 10%가 바이오 연료에 의존할 것으로 예상했다. 미국은 2007년 에너지 독립 및 보안법(Energy Independence and Security Act)에 따라 2020년까지 매년 1,360억 리터의 바이오 연료 사용을 지시했으며, 그 수치는 2006년보다 6배 이상 증가된 것이다.

또한 제정된 법률에서는 확실한 조건을 붙여 총 790억 리터를 옥수수로 만든 에탄올과 다른 바이오 연료로 충당해야 한다고 규정했으며, 바이오 연료 생산을 위한 정부 보조금과 감세 조치를 지속하도록 했다. 뿐만 아니라 셀룰로오스 에탄올을 생산하는 기술이 미국 내의 수많은 시험 공장에서 개발되고 있다.

바이오 연료에 대한 한 가지 특별한 약속은 탄소 획득과 저장이라는 유망 기술과 결합하여 바이오 연료를 생산하고 사용하는 과정을 통해 대기로부터 이산화탄소를 영구히 제거할 가능성이 있다는 것이다.

이런 가정에 따르면, 바이오 연료 농작물은 성장하면서 공기로부터 이산화탄소를 제거할 수 있을 것이다. 또한 에너지 시설은 바이오 연료가 전력을 생산하기 위해 연소되면서 발생시키는 이산화탄소를 획득할 수 있을 것이다. 획득한 이산화탄소는 토양 아래 지질 형성물이나 깊은 대양 퇴적물처럼, 또는 가능한 한 탄산염 같은 고형물로 장기간 저장소에 흡수 저장될 것이다.