친환경 바이오매스를 활용한

항공유의 생산 기술
개발 및 검증체계

전화연 석유기술연구소 연구처 연구개발팀 연구원
전 세계적으로 항공 산업에 의한 이산화탄소 배출량은 전체 배출량의 약 2%이며, 이를 수송분야의 이산화탄소 배출량으로 따지면 12%에 달한다. 따라서 국제 사회에서는 항공 부문의 온실가스 배출 규제를 지속해서 추진하고 있다. 이에 따라 국제민간항공기구(ICAO)는 2016년 제39차 총회에서 2050년까지 항공기의 연료 효율을 전년도 대비 2% 개선하고, 이산화탄소 배출량을 2020년 수준으로 유지하는 ‘국제 항공 탄소상쇄 감축제도(CORSIA, Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation)’의 이행을 결의하고 2021년부터 단계적으로 시행될 예정이다. 이에 따라 2020년 이후 탄소중립성장(CNG2020, Carbon Neutral Growth from 2020 on wards)을 달성하기 위해 재생 가능한 원료 또는 폐자원을 다양한 공정을 통해 합성한 연료인 바이오 항공유(또는 SAF, Sustainable Aviation Fuels) 사용이 큰 비중을 차지할 것으로 전망된다.
우리나라도 2021년부터 CORSIA 이행이 확정됨에 따라 국내 항공사는 온실가스 상쇄 의무량을 할당받아 이행해야 하고 의무량 이행을 위해서는 배출권을 구매하거나 바이오 항공유를 사용해야 한다. 이에 관한 관심이 국내외적으로 대두되고 있다. 만약에 국내 항공사가 상쇄배출권을 구매하여 상쇄의무를 이행할 경우, 부담해야 하는 감축량에 따라 상쇄비용은 약 1.1 ~ 5.1조 원로 예상되며 바이오 항공유를 사용할 경우 이러한 비용의 절약이 가능하다. 또한, 국내 항공유 소비량은 2035년에 약 1천 1백만 kL로 예상되는데 바이오 항공유를 최대 32%를 혼합하여 사용한다면 2035년의 바이오 항공유 시장은 약 1천억 ~ 1.2조 원의 거대한 시장으로 전망된다.
이에 따라 전세계적으로 바이오 항공유를 생산할 수 있는 시설이 확대되고 있는 추세로 스웨덴, 네덜란드 등에 생산용량이 가장 많고, 유럽의 Neste Oil(핀란드), Preem(스웨덴), Total(프랑스)나 미국의 Fulcrum, Gevo 등에 서 바이오 항공유를 생산하고 있다

<표 1> Current status of sustainable aviation fuels production capacity by country

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국외에서 개발 및 상용화되어 있는 바이오 항공유는 원료, 기술에 따라 생산 공정이 다양한데 현재 ASTM D7566에 6종류가 등록되어 있다. 동·식물성 유지에서 유래한 triglyceride 또는 fatty acid를 수첨처리하여 생산하는 HEFA(Hydro-processed Esters and Fatty Acid)공정은 2011년에 ASTM D7566(Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons)에 승인되어 석유계 항공유에 최대 50%까지 혼합이 가능하다.
상용화 기술에 가까운 FT-SPK(Fischer-Tropsch Synthetic Paraffinic Kerosene)는 바이오매스, 석탄, 천연가스 등을 원료로 하여 합성가스(CO+H2)를 제조한 후에 Fischer-Tropsch 반응을 통해 n-paraffin을 제조하는 기술로서 1999년에 영국 국방부 규격인 DEF STAN 91-91에, 2009년에 미국의 ASTM D7566에 승인을 받았고 석유계 항공유에 50%까지 혼합하여 사용 가능한 수준이다.
생화학적 전환공정인 SIP(Synthesized Iso-Paraffin) 공정을 통해 당(sugar)에서 알코올 발효를 통해 생산된 바이오 항공유는 10%까지 혼합하여 사용할 수 있다. 이 외에도 촉매를 사용하여 개질한 당 또는 탄수화물을 원료로 하는 열화학적 또는 생화학적 전환공정인 ATJ(Alcohol to Jet)나 식물성오일을 고온 및 고압 조건에서 촉매를 통해 물과 반응하는 CHJ(Catalytic Hydrothermolysis Jet) 공정을 통해 생산하는 등의 기술이 등록되어 있다. 기존 정유 공정의 중간 증류액(middle distillation)과 식물성오일 처리를 기반으로 하는 Co-Processing 공정이나 보다 높은 혼합비율을 고려하기 위해 바이오-방향족이 포함된 ATJ-SKA 공정 그리고 석유계 항공유와 15%를 혼합하여 시험비행이 완료된 HEFA Plus(HEFA green diesel) 공정 등이 등록을 위한 절차를 진행 중이다.
국내 바이오 항공유 생산 기술은 팜유(Palm Oil) 기반의 HEFA 공정이 원료(팜유 등) 확보의 용이성과 경제성 수율이 높고 경제성 있는 촉매를 개발함으로써 가장 높은 기술 수준을 보이고 있지만 현재 기술개발은 파일롯 단계에 머물러 있다. 또한 국내 기업에서도 수첨바이오디젤(HBD, Hydrotreated Bio Diesel) 생산 및 바이오 항공유로의 업그레이드 실증을 시도한 적이 있으나 현재 중단된 상태이다.
항공 산업에서 사용하는 석유계 항공유에서는 방향족(aromatic) 및 포화탄화수소(saturated hydrocarbon)가 공존하는 연료이다. 연료 특성 관점에서 살펴보면 방향족은 단위질량 기준 발열량이 낮으며, 파라핀계 화합물은 단위부피 당 발열량이 낮다. 또한, 방향족의 연소 특성이 낮으며 나프텐계의 함량이 높을수록 유동성이 저하되며 고온·고압의 조건에서 연료의 연소성은 방향족, 특히 Naphthalene 성분이 주요 원인으로 꼽히고 있다. 이외에 항공기 엔진에서 불완전연소로 인해 발생하는 탄소 침착은 공기 흡입구를 막거나 터빈엔진의 부식을 일으킨다.
따라서 다양한 연료 특성을 향상시키기 위해서는 여러 화합물의 조합이 중요하다. 바이오 항공유의 경우 normal/iso-paraffin 화합물 또는 이와 관련된 유도체들이 주성분이 된다. HEFA 공정을 통해 제조된 바이오 항공유는 n-paraffin이 대부분으로 방향족 성분은 거의 없는 것이 특징이다. 따라서 바이오 항공유에 포함되지 않은 나프텐계 화합물의 함량을 높임으로써 항공유로서 저온 특성 및 연소 특성을 향상시킬 수 있다.
유사한 연료로서 합성가스의 Fischer-Tropshch 공정으로 얻어지는 파라핀계 연료를 항공유로 사용할 수 있다. 이 연료는 탄소수에 따라 끓는점을 조절할 수 있으나 단위부피당 열량이 낮으며 n-paraffin의 높은 함량으로 유동성이 저하되는 단점을 가지고 있다.

<그림 1> Major compound of wood pyrolysis oil

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최근 한국석유관리원에서 참여한 연구 중 나무 열분해를 통한 바이오 항공유 생산과제에서는 목재에 포함된 다양한 구성 성분(셀룰로오스, 헤미셀룰로오스, 유지, 리그닌 등 <그림 1>으로부터 파라핀뿐만 아니라 방향족, 다환방향족, 나프텐 등 다양한 혼합물을 얻을 수 있으며, 특히 방향족과 나프텐은 기존 공정의 바이오 항공유에서는 나오지 않는 성분으로 일반 석유계 항공유와 유사하게 물성을 향상시킬 수 있는 큰 장점이 있는 방법이다. 열분해를 통해 생산된 탈산소 화합물은 다양한 페놀계 화합물 및 저분자 화합물을 포함하며, 수첨탈산소 반응 후 나프텐계 생성물이 많이 포함되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 생산하는 바이오 항공유는 기존의 바이오 항공유나 파라핀 기반 합성유와 비교하여 복잡한 화학적 특성과 우수한 저온 유동성을 가질 수 있다. 따라서 이러한 바이오 항공유를 기존 다른 공정에서 얻어지는 바이오 항공유보다 석유계 항공유에 더 유사한 연료를 생산할 수 있다.
항공유는 기본적으로 국제적으로 통용되는 ASTM(미국재료시험협회), DEF STAN(영국국방부규격), IP(영국석유연구소), MIL(미국군사규격) 등 다양한 항공유 규격 및 품질기준이 있으며, 민간 상용 항공유의 경우에는 ASTM이 적용되고 있다.
ASTM에는 등유형(kerosene)의 석유계 항공유에 대한 ASTM D1655와 바이오매스 유래합성 탄화수소(synthetic hydrocarbons)인 바이오 항공유에 대한 품질 규격인 ASTMD7566이 있다. 석유계 항공유와 혼합하여 인증을 통과한 drop-in-fuel 형태의 바이오 항공유는 석유계 항공유와 동일하게 취급되기 때문에 기존 인프라 활용 및 취급 관리 방법이 적용된다. 기존 석유계 항공유와 달리 개발된 바이오 항공유를 drop-in-fuel로 사용하기 위해서는 ASTM D4054의 <그림 2>에 따라 4단계 프로세스(Tier 1~4)를 거쳐 평가되고 이를 정식 등록하기 위해서 ASTM D7566 내 부속서 규격에 따라 인증받은 후, 석유계 항공유와 혼합된 항공유에 대해 ASTM D7566 내의 품질기준을 만족해야 항공유로서 국제적으로 사용할 수 있다.

<그림 2> New biofuel or new fuel additive permit processing fromA STM D4054

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바이오 항공유의 품질관리는 <그림 3>과 같은 절차로 공급되며 각 단계서 품질인증 절차를 거치고 국제항공운송협회(IATA), 미국항공운송협회(ATA), 영국석유협회(EI), JIG(Joint Inspection Group) 등에서 품질관리 지침을 마련하고 있으며 이를 가이드라인으로 사용하고 있다.

<그림 3> Bio jet fuel distribution and quality management guidelnie

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국내에는 바이오 항공유의 수요가 급격히 증가함에도 불구하고 상용화를 위한 생산시설 구축이 없는 상태일 뿐만 아니라 연구단계는 기초 연구 수준에 불과하고, 바이오 항공유에 대한 적합성 검증이 미비한 실정으로 기술개발과 함께 적정 품질기준, 제조기술 인증체계 등의 마련이 이루어져야 하는 실정이다.
현재 석유관리원에서는 이러한 신규 바이오 항공유의 개발에 적극적으로 참여하고 있다. 특히 앞서 설명한 ASTM D7566에 포함되어 있지 않은 나무 유래 열분해오일을 활용한 바이오 항공유의 원천기술을 개발하는 데 다양한 기관과 협력하여 연구를 진행하고 있다.
나무 유래 열분해오일을 활용한 바이오 항공유에 대한 품질기준은 및 혼합비율은 ASTM D7566뿐만 아니라 국내외에도 마련되어 있지 않은 상태이다. 이에 따라 이번 연구에서 바이오 항공유의 연료 특성을 규명하고 공정 최적화 기술을 개발하는 것뿐만 아니라 기존 석유계 항공유와의 혼합 시 적합성 검증, 나무 유래 열분해오일을 활용한 바이오 항공유의 독자적인 품질안 제시, 최종적으로는 ASTM D4054에 따른 품질인증체계에 승인받기 위한 제품표준안을 구축하는 연구 수행한다.
이를 바탕으로 국가온실가스 감축 목표에 따른 항공 부문의 대응 전략 기술 중 하나로 국내 바이오 항공유 상용보급의 기반을 마련할 뿐만 아니라 나아가 세계 기후 변화 대응을 위한 교두보적인 성과를 이루는 노력을 해야 할 것이다.

참조

1. Park.J.Y, Kim J.K, Oh, C.H.. Production of bio-oil from fast pyrolysis fo biomass using a pilot-scale circulating fluidized bed reeactor and its characterization, Journal of Environmental Management, 2018.12

2. R.W. Jenkins, A.D. Sutton and D.J. Robichaud, Pyrolysis of Biomass for Aviation Fuel, Biofuels for Aviation. 2016.12

3. Lee.M,E, Lee.M.H, Research on quality evaluation and applicability of bio-jet fuel, Institute for Advanced Engineering, 2019. 12

4. Yoo.J.I, Jeong.Y.K, 바이오 항공유 산업지원 및 활용 기획연구, 한국기후변화연구원, 2019.4

5. ASTM D7566-19 : Aviation Turbine Fuel Containing Synthesized Hydrocarbons

6. ASTM D4056-19 : Standard Practice for Evaluation of New Aviation Turbine Fuels and Fuel Additives

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