이제는 항공유도
환경을 생각할

한국과학기술연구원 하정명 박사를 만나다

우리가 이용하는 교통수단 중 승객 1인당 온실가스 배출량이 가장 많은 것이 무엇일까?
가장 흔히 접하고 자주 사용하는 자동차라고 생각하겠지만, 승객 1인당 온실가스 배출량이 가장 높은 것은 항공기이다.
코로나19로 항공 산업이 크게 위축되었지만, 국가 간의 왕래가 많아지면서 항송 수요는 급격히 증가하고
항공 산업의 온실가스 배출량이 지속적으로 증가할 것으로 전망하고 있다.
이제는 항공 산업에 있어서도 친환경에 대한 요구가 이어지고 있는 지금,
바이오 항공유 개발에 박차를 가하고 있는 한국과학기술연구원의 하정명 박사를 만나보았다.
정미래
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우리가 기존에 사용하는 기존의 항공유는 다른 연료유처럼 석유에서 생산하게 된다. 항공유는 주로 나프텐이라고 불리는 고리형 포화탄화수소, 파라핀, 이소파라핀, 방향족 등의 화합물을 포함하게 된다. 특히 항공유는 영하 40℃의 낮은 온도에서도 액체 상태를 유지해야 하고, 항공기에 실리기 때문에 작은 부피로 높은 에너지 밀도를 가져야하는 등 여타의 연료유와는 다른 특별한 성질을 가지고 있다.
온실가스 감축을 위한 항공연료 대체는 다른 대체 연료에 비교해 몇 가지 해결해야 할 문제가 있다. 여타의 교통수단과 달리 항공기는 전기로 운행하기는 매우 어려우며 관련 연구도 매우 초기 단계에 머물러있다. 결국 다른 원료를 이용하여 기존 석유 항공유와 유사한 연료를 제조해야 하는데, 항공유 특유의 성격에 맞게 액체 혼합물을 제조해야 한다.
바이오 항공유는 목재, 풀, 식물성 유지 등의 다양한 원료로부터 생산할 수 있는데, 이중 식물성 유지로부터 얻을 수 있는 파라핀, 이소파라핀 기반 바이오 항공유가 실제 항공기에 적용되고 있다. 이러한 식물성 유지 기반 바이오 항공유는 제조 및 적용이 상대적으로 쉬운 장점이 있으나, 팜오일 등 식물성 유지 생산 과정에서 숲 파괴, 막대한 물 사용 등으로 친환경적이지 않다는 비판을 받고 있다. 이에 하정명 박사는 식물성 유지와 달리 자연에서 쉽게 얻어지는 목재, 풀 등을 활용하고자 하였다.
“기존에 바이오 항공유의 원료로 쓰이는 식물들도 남용하면 환경 파괴로 연결될 수 있습니다. 그래서 저희는 제지 산업의 폐기물과 같은 원료를 사용하여 환경 문제에도 도움이 될 수 있는 원료를 활용하고자 했습니다. 팜오일 등 식물성 유질로부터 얻을 수 있는 바이오 항공유는 파라핀, 이소파라핀이 중심이 되지만 제지 산업 폐기물 등 일반 목재를 열분해하여 얻을 수 있는 열분해유는 방향족, 나프텐 등이 주성분이며, 추가적인 화학 공정을 통해 항공유로 사용가능한 연료를 얻을 수 있습니다.”
하정명 박사가 주목한 리그닌이란 무엇일까. 리그닌은 목재나 풀을 구성하는 성분 중 전체의 30% 정도를 차지하며, 식물체를 보호하는 튼튼한 껍질 같은 역할을 하는 성분이다. 여전히 정확한 구조를 알 수 없는 물질이며 목재에서 종이를 만들 때 대량으로 생산되는 폐기물이다.
“흥미롭게도 이 리그닌은 페놀류의 방향족 물질이 복잡하게 얽혀있는 고분자 물질인데, 이러한 방향족은 기존 항공유의 주유 성분인 나프텐이나 방향족으로 전환할 수 있는 물질입니다. 현재 제안되거나 사용되고 있는 바이오 항공유는 식물성 유지로부터 얻을 수 있는 파라핀, 이소파라핀이 주성분인데, 이러한 물질로는 나프텐이나 방향족을 모방할 수 없습니다. 저희는 이렇게 리그닌이 가진 구조적 특성이 현재의 항공유를 대체하는 연료를 생산하는데 적절할 수 있다는 것에 주목했습니다.”
그와 함께 하 박사는 현재 사용되는 식물성 유지가 재배 과정에서 여러 가지 사회적, 환경적 문제를 일으키는 것에 비해 리그닌은 폐기물로서 가치 있는 연료로 생산하여 얻을 수 있는 이득이 우세하다는 것도 고려하였다.
그럼에도 리그닌을 실제 바이오 항공유로 만들고자 할 때 가장 큰 문제는 리그닌 분해로 얻을 수 있는 초기 오일 원료의 점도가 너무 높고 불안정하여 대량 생산 공정에 부적합하다는 것이다. 이제까지는 리그닌 열분해오일을 연속적으로 전환하는 것이 불가능하여 연료 등으로 전환하는 것이 매우 어렵다고 판단하였다. 그러나 하 박사는 리그닌 열분해오일의 연속적인 반응을 통해 액체 연료를 생산하고자 한다.
현재 연구단계에서 가장 중요하게 생각하는 것은 바로 ‘에너지 밀도’와 ‘어는 점’이다. 결국 높은 에너지 밀도와 낮은 어는점에 도달할 수 있는 화합물을 주로 생산할 수 있도록 촉매 화학 공정을 구성하고 있다.
“바이오매스를 무엇인가로 전환하는 것은 살아있는 생명체의 안정적인 구조를 깨야하는 문제입니다. 일반적인 석유화학공정과 비교하여 그리 쉽지 않은 것이죠. 따라서 안정적으로 화학 반응을 유지할 수 있는 기술을 개발하는 것을 큰 도전으로 생각하고 있습니다.”
현재 하정명 박사가 연구하고 있는 열분해유 기반 바이오 항공유는 국제적인 인증이 완료되지 않은 상태이다. 그 때문에 성공적으로 제조되어도 추가적인 표준화와 인증 작업이 필요하다. 하 박사는 이를 위해 바이오 항공유에 대한 정부에 대한 관심이 필요하며, 관련 기관들의 협력을 통한 사업화 기반 마련이 필요하다고 말한다.
하 박사는 바이오매스를 천연에서 얻을 수 있는 원료로 현재 지구 생태계에서 생산·활용·재생되는 생태계의 구성원이라고 표현하며, 바이오매스를 활용하여 우리의 에너지, 도구, 물질 등을 공급받고 다시 자연으로 돌려보내는 것은 자연 질서에 녹아들어 생태계를 그대로 유지하여 우리의 일상생활을 지속 가능하게 하는 좋은 방법이 될 수 있다고 말한다.
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기존에 바이오 항공유의 원료로
쓰이는 식물들도 남용하면
환경 파괴로 연결될 수 있습니다.
그래서 저희는 제지 산업의
폐기물과 같은 원료를 사용하여
환경 문제에도 도움이 될 수 있는 원료를
활용하고자 했습니다.
“앞으로 저희는 바이오 항공유뿐만 아니라 바이오매스로부터 얻을 수 있는 다양한 자원으로 석유·석탄 등 현재 세상을 받치고 있는 자원들을 대체하는 기술을 개발하고자 합니다. 이를 통해 바이오매스로부터 연료뿐만 아니라 다양한 화학제품을 생산하여 전반적인 바이오매스 기반 지속가능 산업 생태계를 구축할 수 있을 거라 생각합니다.

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