Aviation Propulsion, Alternative Aviation Fuel (Hydrogen, Natural Gas)

Paris Agreement에 많은 국가들이 2016년 이후 가입하였다. 미국의 경우 트럼프가 탈퇴하였지만, 전 대통령의 행적에 대해 3년간 유예기간(?) 이 있었고, 바이든이 다시 가입하게 되었다. 그러하여 미국도 파리기후협약에 가입한 국가 중 한 국가이다. 

 

파리기후협약의 경우 산업화이전 지구온도를 기준으로 온도상승을 2도 이하로 억제하며, 1.5도 이상을 넘지 않기로 하는 협약이다. Greenhouse Gas 의 경우 CO2, NOx, Water vapor (Contrails), Ozone 등도 포함된다. 

CO2, NOx 의 경우 많이들 알고 있으나 Water vapor, Ozone 의 경우 그렇지 않을 수 있다. Water vapor 의 경우 지구온난화를 일으키는 물질 중 가장 많은 비율을 차지하고 있다. 이런 Water vapor 가 응결되게 되면 Contrail 이 된다. Contrail 의 경우 지구표면의 온도를 흡수하여 배출하기 때문에 지구온난화를 일으키며, 비행기로 인한 지구온난화의 51% 를 차지하고 있다. Ozone 의 경우 UV 를 보호하는 것과는 고도차이가 있으며, 지구온난화를 일으킨다. 

 

많이들 수소(Hydrogen) 사용이 친환경이라고 알고있다. 수소연료 자체는 친환경이라고 할 수 있다. 그러나 수소를 생산하는데는 많은 문제가 있다. 현실적으로 96% 의 수소의 생산과정을 보면 Natural Gas (Methane, CH4) 에서 수소를 생산하게 된다. 그렇기 때문에 수소자체는 친환경이나 대부분의 수소생산공정은 CO2 를 발생하게 된다. 

 

수소는 우주 질량의 75%를 차지하고 있으나 대부분 화합물로 존재한다. 공기중의 수소는 0.00005% 밖에 되지 않는다.

수소생산 방법은 여러가지 방법이 있으나 대부분이 LNG reforming method 또는 부생수소를 이용하게 된다.

LNG reforming method 의 경우 생산비용이 저렴하나 온실가스를 배출하는 단점이 있다. Natural Gas를 고온수증기와 반응시키게 되면 수소와 이산화탄소가 발생하게 된다. 

 

부생수소의 경우 석유화학 공정, 철강등을 만드는 과정에서 부수적으로 나오는 수소를 말한다. 이의 경우 생산량의 한계가 있으나, 추가설비 그리고 투자비용이 낮아 경제성이 좋다. 그리고 이 역시 친환경성을 보장하는 것은 아니다. 현재 한국에서 수소공급 부족이 나온 이유도 부생수소를 통한 수소생산량이 감소하여 그렇다.

 

세계 주요국가들은 그린수소 (생산과저엥서 온실가스를 배출하지 않음) 에 주목하고 있다. 대표적인 방법으로는

- 수전해방식 (water electrolysis)

- 태양광, 풍력 등으로 생산한 전력으로 물을 전기분해하여 수소생산 (주로 호주, 독일, 프랑스)

- 플라스틱, 폐휴지 등을 고온으로 가열하여 바이오 가스를 채취한 뒤 수소를 생산 (미국)

등이 있다. 

수소생산방식에 따라 4가지로 분류할 수 있다.

수소생산방식 4가지

1) Green : 재생 에너지를 통해 나온 전기로 전기분해 (수전해) 생산하는 방법으로

CO2 배출이 0이지만, 생산단가가 높아

 

2) Gray : Natural Gas 를 이용하는 방법으로 LNG Reforming method와 석유화학, 철강 공정 등의 부산물로 나오는 부생수소를 얻는 방법이다.

 

3) Blue : Gray Hydrogen 과정에서 발생한 CO2를 포집, 저장하여 탄소배출을 줄인 Hydrogen 을 말한다.

Green Hydrogen 에 비하여 친환경성은 낮으나 경제성이 높다.

 

4) Brown : 석탄, 갈탄 등을 고온 고압에서 가스화 해 Hydrogen 을 추출하는 방식이다. 친환경 에너지로는 의미가 없다. 

 

대부분의 수소생산이 Natural Gas 로부터 만들어진다는 점을 생각하여 

항공을 위한 대체연료로 Natural Gas 를 생각하게 되었다. 

현재 LNG 추진선박은 많이 나오고 있는 반면 항공기는 그렇지 않다. 

그 이유중에 하나는 1980년 대 Lockheed 에서 Natural Gas 를 이용하여 추진항공기에 관한 분석을 하였으나 당시 Jet-A1 kerosene 에 비하면 들어가는 비용면에서 경제성이 없었다. 그러나 지구온난화가 심각해지고 있으며, CO2 발생량을 2050년까지는 zero 로 만들기 위해 가는 과정에서 Natural Gas propulsion 은 굉장히 설득력이 있다.

 

Natural Gas 의 장점

1) Jet-A1 kerosene 의 경우 C9~C16 hydrocarbon 인 반면 Natural Gas 는 CH4 로 하나의 분자에 C가 월등히 적다. 그렇기 때문에 CO2 발생량이 적다. 

 

2) NOx 와 SOx 의 발생량도 적다. NOx 가 적기 때문에 GHG 를 줄이게 된다. SOx 가 적기 때문에 기기결함을 줄일 수 있다.

 

3) 무게대비 열량이 Jet-A1 보다 높으며 16% 정도 높은 열효율을 가지고 있다. 이로인해 경제성을 확보할 수 있다.

 

4) LNG 는 계속 extract 되고 있기 때문에 추가설비나 기술개발에 추가적인 돈이 많이 들어가지 않는다.

 

5) Liquefied Hydrogen (LH) 에 비하여 저장온도가 낮다. LH 의 끓는점은 -250도 정도이며, LNG 의 경우 -161.5도로 cryogenic refrigeration에서 용이하다. 

 

Natural Gas 의 단점

1) 저장시 Cryogenic refrigeration 을 하여야 한다. 이것이 문제가 되는 것은 비단 항공기에서의 사용때문은 아니다. 각 공항에서 급유시설을 설치할 때도 신경을 써야하기 때문이다. 

 

2) CO2 발생이 0이 아니기 때문에 친환경연료는 아니다. Catalyst 를 이용하여 CO2 를 줄일 수 있겠으나 장기적으로 봤을 때 이상적인 연료는 아닐 수 있다.

 

그러나 다른 Battery-powered propulsion 이나 Biofuel 의 경우도 여러 문제가 있다. 배터리의 경우 항공기 무게 자체를 무겁게하며 이동거리가 멀다고 할 수 없다. Biofuel 의 경우도 대부분 Methane(CH4) 를 생산하기 때문에 이미 존재하는 것에서 빼내기 때문에 조금 더 친환경 적이라고 할 수 있으나 연료로 사용할 경우 CO2 발생은 있다.

 

Natural Gas 는 3~6년이면 모두 엔진에서 사용할 수 있다. 현재 사용하는 연료에서 LNG 설비만 설치하면 가능하기 때문이다. 비단 추가설치비용이 드는 것은 사실이나 현 지구 상태에서는 선택사항이 아니다. 필수사항이다.