항공 산업은 전 세계 이산화탄소 배출에서 무시할 수 없는 비중을 차지하고 있고, 더 깨끗한 연료를 찾으라는 압박도 갈수록 커지고 있다. 국제민간항공기구(ICAO)는 지속가능항공연료(SAF)를 항공 탄소발자국을 줄일 수 있는 가장 효과적인 단일 전략으로 지목해 왔다. 문제는 현재 SAF를 만드는 상당수 공정 자체가 에너지를 많이 쓰고 비용이 높다는 점이다. 연료를 만드는 단계에서 이미 많은 에너지를 소모하면, 비행 한 번 하기도 전에 환경적 이점이 상당 부분 상쇄된다. 일본 오사카공립대학 연구진이 학술지 Fuel에 발표한 새 연구는 바로 이 지점을 겨냥해, 훨씬 적은 에너지로 연료를 만드는 방식을 실제 제트엔진에 태워 검증했다.
저온에서 만드는 '공용매' 공정
연구진이 사용한 것은 '공용매(co-solvent) 방식'이라 부르는 생산법이다. 아세톤을 알코올과 코코넛 오일에 섞으면, 원래 서로 잘 섞이지 않는 액체들이 균일하게 혼합되면서 비교적 낮은 온도에서 완전히 반응한다. 그 결과 고온·고압을 요구하는 기존 정제 공정 없이도 순도 97%를 넘는 바이오연료를 얻을 수 있다. 대부분의 SAF 생산 경로가 고온 정제 같은 강한 산업 공정을 거치며 연료의 생애주기 에너지를 갉아먹는 것과 대비되는 대목이다.
원료 측면의 이점도 있다. 코코넛은 내부 수분을 뽑아내는 가공 과정에서 약 30%가 폐기되는데, 이번 연구는 큰 씨앗이나 남은 과육처럼 버려지고 식용으로 쓰기 어려운 부분에서 짜낸 기름을 사용했다. 식량과 경쟁하지 않고 폐기물을 원료로 삼는다는 뜻이다. 이 공정은 차량·선박용 바이오디젤과 고품질 글리세린도 부산물로 함께 만들어낸다. 연구진은 메탄올로 만든 것과 에탄올로 만든 것 두 종류를 준비했는데, 두 연료 모두 디젤엔진에서는 흔히 연구되지만 제트엔진에서의 거동은 상대적으로 검증이 적었던 대상이다.
연료는 더 먹지만 효율은 대등
시험은 최대 분당 13만 회전(RPM)까지 도달하는 소형 상용 제트엔진에서 이뤄졌다. 연구진은 바이오연료를 등유와 부피 기준 10%, 30%, 50% 비율로 섞어 다양한 회전수 구간에서 돌리며 연료 소비량, 엔진 효율, 그리고 미연소 탄화수소·일산화탄소·이산화탄소·일산화질소 네 가지 배출물을 측정했다. 연료 소비량은 확실히 늘었다. 8만 RPM에서 메탄올 기반 50% 혼합유는 순수 등유보다 약 16.8%, 에탄올 기반은 약 19.6% 더 많은 연료를 썼다. 바이오연료의 킬로그램당 에너지 밀도가 등유보다 낮아 같은 출력을 내려면 더 많이 태워야 하기 때문이다.
그럼에도 열을 실제 일로 바꾸는 효율은 등유와 비슷했다. 10만 RPM에서 가장 높은 혼합 비율의 열효율은 순수 등유와 근소한 차이만 보였고, 추력도 시험한 모든 혼합비에서 일관되게 유지됐다. 무게로는 더 많은 연료를 쓰지만, 엔진 성능 자체는 대등하게 나온 셈이다.
배출물은 득실이 갈렸다
배출 특성에서 가장 고무적인 결과가 나왔다. 바이오연료 비율을 높일수록 미연소 탄화수소 배출이 꾸준히 줄었고, 50% 혼합 시 엔진 속도에 따라 순수 등유 대비 약 5%에서 40%까지 감소했다. 연구진은 코코넛 유래 연료에 기존 제트연료가 지닌 고리형 방향족 탄화수소가 전혀 없다는 점을 원인 중 하나로 봤다. 이산화탄소는 모든 혼합비에서 등유와 비슷한 수준을 유지했는데, 연료 소비가 늘었는데도 CO2가 비례해 오르지 않은 점에 대해 연구진은 일부 바이오연료가 타지 않고 엔진 밖으로 빠져나갔을 가능성을 향후 과제로 남겼다.
반면 불완전 연소의 산물인 일산화탄소는 혼합 비율이 높아질수록 소폭 늘었다. 50% 혼합에서 순수 등유보다 3~17% 많았는데, 바이오연료가 점화가 더 어렵고 에너지가 낮아 연소실 안에 산소가 부족한 연료 과잉 구역이 생기기 쉽기 때문으로 분석됐다. 고고도에서 오존층에 영향을 줄 수 있는 일산화질소는 전반적으로 등유와 비슷했으나, 메탄올 기반 30% 혼합유는 오히려 20~30% 낮은 값을 보여 추가 규명이 필요하다고 저자들은 밝혔다.
상용화까지 남은 과제
실제 항공기 적용까지는 넘어야 할 벽이 뚜렷하다. 코코넛 유래 바이오연료는 저장 중 대기 수분을 흡수하고 시간이 지나며 서서히 산화되며, 금속 부품을 약하게 부식시킨다. 메탄올 기반 연료에 노출된 스테인리스강에서는 1~2주 만에 녹의 징후가 나타났다. 저자들은 항산화 첨가제와 밀폐 저장 용기를 검토할 만하다고 봤고, 수개월에서 수년에 이르는 장기 시험이 필요하다고 인정했다. 또한 두 연료의 산소 함량이 현행 국제 항공연료 인증 기준을 벗어나 있어, 상용기에 쓰려면 별도의 화학 처리가 필요하다. 수소화 처리로 산소 수준을 기준에 맞출 수 있지만 그만큼 연료 수율은 떨어진다.
이번 결과는 실제 여객기 엔진이 아니라 소형 마이크로 제트엔진에서 얻은 것이어서 대형 추진 시스템에 그대로 적용된다고 보기는 어렵다. 배기가스는 노즐 출구에서 30밀리미터 떨어진 지점에서 측정돼 주변 공기에 희석됐을 가능성이 있고, 다환방향족탄화수소 같은 독성 물질은 이번에 측정되지 않아 후속 연구의 우선 과제로 지목됐다. 아직 등유를 대체할 준비가 된 연료는 아니지만, 저에너지 생산이라는 이점과 이번 성능 데이터는 코코넛 오일을 항공용 저탄소 연료 후보군에 올려둘 만하다는 실질적 근거를 제공한다. 실무적으로는 SAF 조달 전략을 짜는 이들에게, 생산 공정의 에너지 효율까지 함께 따져야 진짜 탄소 이점이 남는다는 점을 다시 확인시켜 주는 사례다.