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바이오 디젤

바이오 디젤의 원료에 따른 제조 특성-동· 식물성 유지를 중심으로-Production properties by fuel of biodieselAbstractKeyword : Biodiesel, Vegetable oil, Animal oilⅠ. 서 론석유는 개발과 취급이 간편하여 가장 많이 사용되는 에너지원이지만 중국 등 개발도상국의 급속한 경제 성장으로 인한 급격한 소비증가와 원유가격의 상승, 석유자원의 고갈, 지구 온난화의 주범인 온실가스와 대기오염물질인 자동차 배출가스 등의 환경적 문제로 인하여 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 대체연료에 대한 관심이 높아져 가고 있다 전 세계적으로 수송부문은 현재 화석연료에 의해 96% 이상 의존하여 사용되고 있으며, 세계의 전체 온실가스 중27%를 화석연료가 차지하고 있는 실정이다. 최악의 지구 기후변화를 대응하기 위해서는 2050년까지 지구의 온실가스를 2005년 대비 적어도 50%까지 감축해야하는 실정에 있다. 이러한 측면에서 수송부문에서는 바이오연료를 도입하고 있다. 바이오연료는 주로 유럽, 미국, 브라질 등을 중심으로 생산 및 보급이 이루어지고 있으며, 최근에는 상대적으로 보급이 뒤쳐진 아시아 각국들도 자국이 가진 식물 원료를 기반으로 한 바이오연료의 생산 및 보급을 시작하고 있다. 최근까지 바이오연료는 세계 수송용 연료 소비의 대략 1.8%를 차지하고있으며, 전 세계 바이오연료 생산량중 에탄올이 대략 80%, 바이오디젤은 20%를 차지하고 있다. 바이오매스로부터 생산되는 바이오연료는 타 신·재생에너지의 적용이 불가능한 수송부문에서 직접 적용 가능하여 석유 에너지의 직접 대체 효과가 높다는 장점이 있다. 이러한 석유대체 가능한 바이오연료에는 바이오디젤, 바이오에탄올, 바이오가스 등이 현재 전 세계적으로 상용화되어 사용되어지고 있다. 따라서 국제사회는 온실가스 감축을 위한 수단으로 수송부문에서 규제적 정책인 바이오연료의 혼합의무제도를 도입하여 바이오연료 사용을 확대하고 있는 추세에 있다. 바이오연료 중 식물높아 내연기관용 연료로서 직접 사용하기에는 곤란한 문제점이 있다. 그러나 식물성유지, 동물성유지 및 폐식용유 등의 재생 가능한 원료를 촉매존재 하에 알코올과 반응시키면 기존의 경유와 물성이 유사한 에스테르 혼합물인 바이오디젤을제조할 수 있고, 경유에 적당한 비율로섞으면 디젤엔진에 직접 사용할 수 있다. 바이오디젤은 자원의 고갈에 문제가 없는 바이오연료로서 자동차 등의 연료로 사용될 경우 순환형 연료라는 점에서 장점이 있다. 바이오디젤은 이러한 대기 ? 환경적인 측면과 더불어 생분해성도 높기 때문에 토양이나 하천에 유출될 경우에도 환경오염이 적다는 장점도 가지고 있다. 이러한 장점으로 인해 우리나라의 경우에는 자동차용 경유에 대한 바이오디젤의 혼합비율을 2007년이후 매년 0.5 vol%씩 상향 조정하여 2013년현재 전국 주유소를 통하여 바이오디젤 2 vol%가 혼합되어 보급되고 있다.따라서 본 연구에서는 식물성 및 동물성 유지를 원료로 하는 바이오 디젤의 원료 종류와 특징을 알아보고 그에따른 특성과 제조방법 과 장.단점 을 고찰 후, 경유 대체 연료로서의 경제적?효율적 가능성을 살펴보았다.ⅱ.이론적 고찰1.식물성 원료의 종류 및 특징우선, 본 실험에 연구를 위해 바이오 디젤의 식물성 유지의 종류로서는팜유(Palm Oil) 겨자씨유(Mustard Seed Oil), 대두유(Soybean Oil) 목화씨유(CottonSeedOIl),쌀겨/미강유(Rice Bran Oil),옥수수유(Cron Oil),유채유(RapeOil),카놀라유(Canola Oil) 코코넛오일(Conconut OIl) 해바라기유(Sunflower OIl),자트로파 커카스(JatrophaCurcas),피마자(Ricinus communisL.)등이있으며 특히,팜유가 제일 관심을 갖고 있는 원료로 보이고 있으며 이유는 전 세대 원료 중 가장 효율이 높기 때문이다.이는 전세계 식물성기름 생산량의 22%를 팜유가 차지 하고있으나,재배면적이 2%에 불과하다는 점에서 단위면적당 생산량이 어마어마하게 크다는 s)는 팜유(palm oil)와 마찬가지로 국내에서는 재배가 불가한 관목인데 탄자니아에서 재배를 하고 있다자트로파 3~4kg의 씨앗에서는 1L정도의 디젤 추출이 가능하고, 부산물로는 비누를 만든다고 한다. 유럽에서 바이오디젤 원료로 널리 이용되고 있는 유채유(RapeOil)는 원래 가축사료를 생산하기 위한 목적이었다. 유채씨를 대량 생산하여 기름을 짜고 난 찌꺼기를 사료로 사용하였다.대두유(Soybean Oil) 다양한 용도로 가공할 수 있고 대두유(Soybean Oil)도 식용유이기 때문에 수요가 적지 않다. 미국대두생산자협회는 대두 농가의 이익을 보호하기 위하여 다양한 활동을 해 왔는데 그 중의 하나가 바이오디젤로활용이다.코코넛오일(Conconut OIl)은 동남아시아 열대지방에서 흔히 볼 수 있고 야자수로 알려진 나무이다. 코코넛 묘목을 심은 후 최소한 5년이 지나야 생산이 시작되며 일단 수확되기 시작하면 약 100여년간 계속해서 연중 수확할 수 있다. 코코넛오일(Conconut OIl)도 중요한 식용유로 자리잡고 있으며 이미 다양한 제품의원료가 되고있다. 피마자(Ricinus communis L.)는 초본성 작물이지만 열대지방에서는 영년생으로 자란다. 특히 영하 18도에서 얼기 시작한다는 장점 때문에 온대지방의 바이오디젤 원료로서는 최적이라 할 수 있다.2. 동물성 원료의 종류 및 특징동물성원료로서는 우지(beef tallow),돈지(pigtallow),양의기름(sheep tallow),poultryoil(닭,오리등),deadstock oil (죽은가축기름) 등이 있으며,우지(beef tallow)는 소의 지육(脂肉)에서 얻는 지방으로 그 글리세리드는 팔미트-2-스테아린·스테아로-2-팔미틴·올레오-2-팔미틴·팔미트스테아르올레인으로 이루어진다. 우지의 품위, 특히 굳기는 소의 종류와 나이에 따라 다른데 수컷에서 얻은 지방은 일반적으로 암컷에서 얻은 것보다 굳고, 풀을 사료로 하는 소의 지방은 깻묵을 사료로 한 것보다 굳다. 식용·비누·양초 제조용으로 널리라고 부르고 있다. 상온에서는 백색고형으로 특유의 향기를 갖고 있지만, 우지나 양지에 비교하여 불포화지방산의 함량이 많은 연질이다.가금(poultyl)은 협의로는 고기, 알의 생산을 주목적으로 사육되고 있는 조류를 말한다. 즉, 우리나라에서의 가금으로 중요한 위치를 차지하는 닭을 비롯하여 집오리, 거위, 칠면조, 메추리, 뿔닭 등을 말한다. 광의로는 애완용, 관상용의 조류가 포함된다.deadstock oil (죽은가축기름)은폐기물을 재활용하여 환경오염을 방지함과 동시에 바이오디젤 생산 비용을 크게 절감할 수있다. 대표적인폐기물은 도축장에서 생성되는 돈지, 우지를 들 수 있다. 일부 잔유 돈지 우지는 소각 및 매각에 의해 처리하게 되어 환경오염 및 원료낭비가 될 수가 있다. 도축장의 부산 폐유지를 바이오디젤의 원료로 사용하게 되면 환경오염 및 원료가격의 절감 효과를 기대할수 있다.ⅲ.실험1) 바이오디젤 생산 반응 메커니즘 CH₂-O-CO - R₁CH -O-CO - R₂+ 3 R - OHCH₂-O-CO - R₃< 동/식물성 유지 > 촉매 CH₂- OHCH - OH + 3R -O -CO-RCH₂- OH< 글리세린 > < 바이오디젤 >바이오디젤의 제조 반응은 알칼리(또는 산, 효소)촉매하에서 3개의 메탄올(알콜류) 중 1개의 메탄올과 동 식물성 유지의 지방 성분인 트리글리세리드가 전이에스테르반응에 의해 디글리세리드와 1개의 지방산 메틸에스테르를 생성하며 순차적으로 모노글리세리드, 글리세린이 생성되면서 각각 지방산 메틸에스테르가 만들어져 총 3개의 지방산 메틸에스테르가 생성된다.(2) 바이오디젤 생산에 필요한 일반적인 공정 (대규모 플랜트의 경우)촉매, 메탄올 준비공정 → 원료 전처리 공정(불순물, 수분, 유리 지방산제거) → 반응공정 → 분리 공정 → 메탄올 회수 공정(과량의 메탄올 투여) → 분리공정 → 세척공정 → 건조공정 → 후처리 공정 (탱크이송 및 첨가제 투여, 글리세린 정제 등)(3) 바이오디젤 생산방법○ 염기촉매를 이용한 바이오디젤의 생산염기촉매를 이용할공정을 보여주고 있다. 염기촉매를 이용할 경우 순수한 원료물질을 이용하는 것이 이상적이나 전체적인 생산원가 절약 차원에서 물과 유리지방산이 함유되어진 원료물질을 이용하게 된다. 이때 먼저 유리지방산을 산촉매 하에서 반응시켜 바이오디젤을 얻는 전처리과정을 거친 뒤 트리글리세라이드를 염기촉매 하에서 다시 반응시켜 바이오디젤을 얻는 방법을 사용함으로 인해 반응공정이 길어지는 단점이 있다. 또한 촉매의 중화과정을 거친뒤 바이오디젤과 부산물인 글리세린을 분리하는 복잡한 공정과 큰 비용이 요구된다.○ 산촉매를 이용한 바이오디젤의 생산염기촉매 다음으로 많이 사용되는 방법으로 가격지 저렴하다는 이유로 많이 사용되며 보통 황산이나 염산이 사용된다.Figure 3. 바이오디젤 생산공정Figure 3은 산촉매를 이용해 바이오디젤을 생산하는 공정을 보여준다. 먼저 순도가 낮은 식물성 유지에서 부유물과 물을 제거시킨 뒤 산촉매 하에서바이오디젤을 생산한다. 산촉매를 이용하여 바이오디젤을 생산하는 과정은 원료물질에 물과 유리지방산이 존재해도 반응결과나 정제에 있어 크게 영향을 받지 않기 때문에 정제되지 않은 저가의 원료물질을 사용할 수 있다는 점에서 유리하다. 반면에 반응이 종결된 뒤 산촉매를 중화시키는 과정에서 화학염 형태의 오염물이 형성되며. 사용되는 산촉매에 의해 반응로가 부식되는 단점이 있다. 또한 산촉매 역시 염기촉매를 이용할 때와 마찬가지로 공정상의 복잡성이 보이며, 반응속도가 늦어 생산성이 떨어진다는 단점이 있어 이러한 부분에서 개선이 요구된다.○ 효소촉매를 이용한 바이오디젤의 생산환경적 문제를 야기시키는 화학촉매를 대신하여 환경친화적인 촉매로서 효소 촉매를 이용한 바이오디젤을 생산하는 방법도 시도되어지고 있다. 이 방법은 염기촉매나 산촉매 같은 화학촉매를 사용할 경우 발생될 수 있는 촉매에 의한 반응기 및 엔진기관의 부식유발, 공정의 복잡성을 줄일 수 있다. 보통 효소촉매로는 리파아제를 사용하며 이 경우에 엔진과 반응기를 부식시키는 단점이 없으며 분리정제 공정을 단순화 시.

자연과학| 2020.08.24| 9페이지| 2,000원| 조회(263)

바이오 디젤, 원료, 이론적 고찰

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바이오 에탄올

목차1.바이오 에탄올2.바이오 에탄올 연료3.당화 특징4.당화 공정5.효소당화 와 산당화 의 차이점6.바이오에탄올의 경제성 및 시장현황 및 전망7.참고 자료1.바이오 에탄올사탕수수·밀·옥수수·감자·보리 등 주로 녹말작물을 발효시켜 차량 등의 연료 첨가제로 사용하는 바이오연료로서 바이오디젤과 함께 가장 널리 사용된다.바이오디젤과 함께 가장 널리 사용되는 바이오연료(bio-fuel)이다. 바이오디젤이 유지(油脂) 작물에서 식물성 기름을 추출해 만드는 데 반해, 바이오에탄올은 녹말(전분) 작물에서 포도당을 얻은 뒤 이를 발효시켜 만든다는 점에서 바이오디젤과 다르다.대표적인 원료는 사탕수수·밀·옥수수·감자·보리·고구마 따위의 녹말 작물이다. 그 밖에 카사바·볏짚 등 다양한 식물에서도 바이오에탄올을 추출할 수 있다. 바이오매스 안에 있는 탄수화물을 글루코스(포도당)로 전환시킨 뒤, 다시 포도주나 양조 맥주를 발효시키는 것과 비슷한 발효과정을 거쳐 만든다.화석연료와 달리 환경오염물질이 전혀 없고, 식물로부터 연료를 얻기 때문에 언제든지 재생이 가능하다. 특히 일산화탄소와 같은 환경오염물질을 배출하는 가솔린과 달리, 유해물질을 전혀 배출하지 않아 일찍부터 차량용 대체에너지로 주목을 받았다.가장 널리 사용되는 바이오에탄올의 원료는 사탕수수이다. 사탕수수가 많이 생산되는 브라질에서는 차량의 70% 정도가 바이오에탄올을 연료 첨가제로 사용할 만큼 일반화되었다. 그러나 다른 나라에서는 사탕수수의 생산 원가가 비싸, 섬유소가 풍부한 각종 바이오매스에서 대량으로 바이오에탄올을 추출하는 기술을 개발하고 있다. 바이오에탄올을 차량 연료 첨가제로 사용할 경우, 휘발유만 사용할 때보다 일산화탄소 배출량이 훨씬 줄어드는 것으로 확인되었다2.바이오 에탄올 연료전분질계 (starch material)- 옥수수, 고구마, 감자, 타피오카 등의 곡물류 (1세대)- 브라질, 미국 등에서 현재 사용- 식량자원으로서 수급상 문제, 원료의 가격이 높아 경제성이 낮음목질계- 흑연, 목재, 볏짚 (2세대)- 대체효과)- 공정 기술상의 어려움으로 아직 상업화되지 않음당질계 (sugar)- 사탕수수, 사탕무 (3세대)바이오 에너지 변환 시스템유지작물(유채, 콩 등)추출채종유(유채유 등)에스테르화바이오디젤(에스테르)전분작물(보리, 옥수수 등)당화당분(포도당 등)알콜발효바이오알콜(에탄올 등)섬유소식물체(나무, 볏집 등)효소당화당분(포도당 등)알콜발효바이오알콜(에탄올 등)가스화합성가스촉매반응메탄올직접연소3. 당화특징당화: 셀룰로오스 성분이 효소의 작용에 의해 글루코오스로 전환되는 과정.산당화: 반응 시간이 짧고 비용이 저렴산을 이용하므로 나중에 중화 과정이 필요하며,그 과정에서 폐기물 (침전물)이 생성된다.효소당화: 반응온도가 낮다.폐기물이 거의 나오지 않아 친환경적이고낮은 에너지가 필요하다반면, 효소의 가격이 비싸고 반응시간이 길다.발효: 당화 과정에 의해 생성된 글루코오스가 효모 등의 미생물에 의해 혐기성 조건하에서 에탄 올과 이산화탄소로 전환되는 과정을 일컫는다4. 당화 공정5.효소당화 와 산당화 의 차이점6. 바이오에탄올의 경제성 및 시장현황 및 전망?미국, 브라질이 세계 바이오 에탄올 생산량의 90%를 차지 미국은 옥수수, 브라질은 사탕수수를 주원료로 사용하고 있으며 주로 수송분야(휘발유-에탄올연료전환차량FFV)에서 사용.○ 국가별 바이오 에탄올 혼합 비율○ 바이오 에탄올의 한계□ 세계 바이오에탄올산업 시장규모는 총 1,159억$, 전년대비 52.9% 급성장○ ’18년까지 신재생에너지 시장 중 바이오연료, 풍력, 태양력 시장 3개섹터의 규모는 총 3,251억$ 규모로 급성장 전망○ 바이오에탄올(Bioethanol) 및 바이오디젤(Biodiesel)은 ’08년 348억$ 규모, ’07년 254억$ 대비 37% 증가○ ’08년 글로벌 바이오연료 생산량은 에탄올부문 170억 갤런, 바이오디젤 25억 갤런에 달함○ ’18년까지 1,054억$ 규모로 시장 확대 예상, ’08년 대비 ’18년 약 303% 성장 전망○ 전세계 바이오연료 사용 비율 : 바이오에탄올 90%, 디억→(’07) 3.11억→(’08)4.14억□ 미국○ 바이오매스 R&D법 제정(’00년), 에너지 정책시행법(국가재생가능연료표준 포함) 인준○ ’05년에 에탄올 의무사용 법안 마련○ 농림부(USDA) 및 에너지부(DOE)를 중심으로 National Biofuels Action Plan 수립, ’22년까지 바이오매스 R&D 7대 Board Action Area 마련(’08년)○ 옥수수를 이용한 바이오에탄올 생산 치중(생산원료 중 90% 차지)○ 옥수수를 이용한 바이오에탄올 16.6백만kL/년 생산(전세계의 35.2%, 5년 사이 2.5배 증가)○ 옥수수 생산량의 11%를 바이오에탄올 생산에 이용, 고구마 검토 중○ 셀룰로오스계를 이용한 바이오에탄올 생산 연구에 주력, 미국 연방 재생 연료 표준은 ’10년부터 ’22년까지 160억갤론 셀룰로오스계 에탄올을 사용할 것을 규정, 미국 에너지부(DOE)는 셀룰로오스계 에탄올을 생산하기에 필요한 효소들을 향상시키기 위하여 노보자임(Novozymes)사에 1천 2백 3십만$를 지원○ E85(에탄올85%)의 보급을 시도, 미국 566개의 주유소에서 판매○ 연구비 연간 1.5억$ 투자, E10% 보급(재생연료 수요량: (’06) 40억배럴 → (’12) 75)○ 보급계획 : (’10년) 100 → (’13년) 1000 → (’20년) 10,500억 갤런/년□ 브라질○ 에탄올을 비롯한 재생에너지 사용비중 세계 최대○ 사탕수수를 이용한 바이오에탄올 15.6백만㎘/년 생산(전세계의 34.9%)○ 에탄올 에너지 국가계획 수립(’75년)이후 최고의 에탄올 생산국○ 오일쇼크 이후 “에너지독립”을 위한 바이오에너지개발에 착수○ 에탄올 생산의 보급을 위한 중장기계획 ‘ProAlcohol’수립○ 플렉스 카(flexible fuel vehicle) 도입과 ‘최소혼합비율정책’을 통해 바이오 에탄올 소비증대를 가속화○ 가솔린 차량은 20~25%의 바이오에탄올 혼합사용 의무화○ 사탕수수를 주원료작물로 바이오매스 생산체계를 구축○ 에탄올 수출량 80억 계획: (’03년) 69 → (’10년) 149Mtoe○ 독일: 에너지작물 보조금(45유로/ha), 재생에너지 시장 점유율 20%○ 영국: 바이오매스 이용 행동계획(’50년까지 ’90년 대비 온실가스 80% 감축 계획)○ 덴마크: 농작물 찌꺼기(밀짚) 이용 0.31$/L 생산 가능, inbicon사 ’09년 11월 상업용 플랜트 완공(효소 제공 Novozymes, Danisco Genencor), 연간 540만 리터 생산, ’12년까지 차량연료의 10% 이상을 신재생에너지로 대체하는 것을 목표□ 일본○ 바이오매스 일본 종합전략 수립(’02년) 및 개정(’06년)○ (성격) 지구온난화 대응, 순환형 사회 건설, 신산업 창출, 농산어촌 활성화를 목표로 바이오매스 이용 촉진을 위한 방안○ (목표) 총 에너지 소비량의 5%를 바이오매스 에너지로 대체(’10년)○ 추진전략 자국 바이오매스 자원활용(유기성 폐기물, 미활용 바이오메스 등)* 바이오매스 타운 구축 (’10년까지 300개) 확보된 기술을 활용하여 동남아 등에 풍부한 자원 공동개발* 브라질의 세계 최대 에탄올 기업과의 합작, 태국과의 기본협정 체결(’07년)- 바이오매스 이용 촉진을 위한 제도적 장치(법률) 강화- RPS법, 식품리사이클법, 가축배설물 법 등- 바이오매스사업 도입전 기본설계, 도입시 시설장비, 기술개발, 자원화 지원 및 세금감면 등 전주기적 지원- 바이오매스 R&D 투자 확대 (바이오연료 기술혁신 계획)- 휘발유 품질관리법에 의해 E3(바이오에탄올 혼합비율 3%)의 사용 허가□ 중국○ 농업 바이오매스 에너지 산업발전계획(’07~’15년) 추진○ 메탄가스 자원화, 바이오매스 에너지 기술지원, 농업부산물 에너지화 시범단지 구축, 에너지 작물 재배 시범단지 구축(’10년)○ 연간 3.7백만㎘의 바이오에탄올을 생산(’06년 기준, 옥수수 중심)○ 휘발유 소비의 8%에 해당하며 ’10년까지 20%로 확대할 계획○ 에탄올 제조업체에 대한 5% 세금 감면, 바이오에탄올에 대한 부가가치세 환급, 에탄올 원료전분 작물 선정 단계에 있음(고구마)□ 국내산업○ 국내 바이오에탄올 총생산량 3,000천㎘/년 : 93%가 주류용 나머지 산업용 ~7%, 국내 수송용 바이오에탄올 보급률 0%- 음료용: 국내맥주는 전분질 원재료인 쌀보리 사용, 국내 10개 주정회사에서 제조- 산업용: 솔벤트로 가장 많이 사용, 식음료용은 발효에탄올을 사용(마요네즈, 드레싱, 간장, 햄 등의 식품방부제용, 세정용, 냉동제용으로 사용), 화학공업용(화장품, 의약품, 세제, 향료, 잉크 등) 사용, 기타 시험분석용 등으로 사용○ 국내 수송용 바이오에탄올 실증평가 완료, 수송용 바이오에탄올은 전국 4곳에서 시범운행중이며, ’11년 상용화 전망- 주유소 운영: 용인(SK), 청주(현대), 광주시(GS), 울산(S-Oil)○ 창해에탄올, 씨에스엠 등은 인도네시아 등 국외에서 원료를 생산하여 에탄올을 생산하는 사업계획 추진○ 산업화 추진현황- ’05.7~12. “바이오에탄올 국내도입 타당성 검토용역”을 시행하여 국내 도입 필요성에 대해 검토- ’06. 8.~’08. 7. “바이오에탄올 유통인프라 실증평가” 사업을 추진하여 국내 바이오에탄올 제조유통시스템을 점검- 삼성엔지니어링, 한국알콜조합, 에너지기술연구원 등에서 타피오카 전분 및 섬유소 활용 바이오에탄올 생산기술 개발(Pilot 수준)- 전분질 당화과정에 많이 소모되는 α-amylase 등 산업용 효소의 경우 제품 경쟁력에 비해 열세- 해조류 바이오에탄올 실증공장 구축사업 : ’09.12. 국가과제로 선정(바이올시스템즈), 총 150억 원(국비 90억 원, 민간 60억 원), 40만ℓ/일 생산 목표(’12년)○ 바이오매스를 이용한 바이오에탄올의 경우 생산제조원가 측면에서 보면 브라질과 미국은 0.2~0.3 달러/ℓ로서 한국의 1.10 달러/ℓ보다 생산 우위□ 국내 연구현황○ 국내 바이오에탄올연구는 ’80년 후반부터 시작하여 현재 실증연구개발 중에 있음○ 전분질계 바이오에탄올 R&D은 발효에 적합한 효모균주개발, 연속발효, 초임계, 막분리 기술 등을 수행 수행

공학/기술| 2013.10.25| 10페이지| 2,500원| 조회(444)

바이오 에탄올, 당화, 바이오 에탄올 연료

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