1. 서 론
기후 변화 극복 및 미래 세대의 생존 지속을 담보하기 위한 탄소중립 달성은 국제사회의 최우선적인 이슈로서 반드시 달성해야할 공통의 목표가되었다. 대한민국정부도탄소배출과 관련한국가배출목표(NationallyDetermined Contribution) 갱신을 제시하였으며 2050년까지의 탄소중립을 전략을 선언하였다[1].
탄소중립을 달성하기 위해서는 항공업계의 이산화탄소 감소노력도 수반되어야 한다. 근래 코로나 바이러스로 인해 항공산업이 일시적으로 위축되었지만 항공산업은 꾸준히 급속도로 팽창하고 있으며, 항공기에 의한 대기 환경문제는 국제적인 이슈로서, 1992년을 기준으로 전 세계적으로 인류가이용하는교통수단 중에서 항공기에 의한 이산화탄소의 배출은 전체의 약 13%을 차지하는 것으로 보고되고 있다[2]. 대기오염 확산을 완화하고자 국제민간항공기구(ICAO)에서는 항공운송사업자가국제항공탄소상쇄감축제도(CORSIA)를통해 2019년부터는 국제선 항공기에 대한 탄소배출을 감시, 보고 및 확인하도록 하였으며(MRV)[3] 국내에서는 2015년부터 탄소 배출권 시장을 운영하고 있다.
항공산업계의 탄소배출문제를 완화하기 위한 방법으로는 크게 비행에 필요한 연료소모율을 개선하는 것과 바이오항공유와 같은 탄소중립연료를 사용하는 것으로 탄소중립연료는 원료가 되는 바이오매스가 탄소중립이라는 가치하에 적용되는 것으로서 세계 각국은 상업용 민항기이외에 군용 분야에서도 바이오항공유의 개발 및 적용에 많은 노력을 기울이고 있다[4].
바이오항공유와 같이 신규로 개발된 연료가 항공용 터보엔진에 적용되기 위해서는 일반적으로 ASTM D 4054(“Qualification and Approval of New Aviation Turbine Fuels and Fuel Additives”)에 따라 인증절차를 적용하게 된다[5]. 인증 절차를 거쳐 ASTM에 의해 인증된 바이오항공유 제조공법은 현재 HEFA(Hydroprocesssed Esters and Fatty Acids, 이하 HEFA) 공정을 포함하여 5가지의 혼합 바이오항공유가 사용 가능하도록 인증되어있으며, HEFA 공법에 의한 바이오 혼합 항공유의경우ASTM D7566에 의해 기존 항공유와의 혼합율을 50% 범위에서 허용하고 있다[5].
또한 ASTM D4054에 의하면 개발되는 대체연료(바이오 항공유 포함)는 기존 연료 규격에 부합하도록 하는 연료 물성치 규격부합 여부에 대한 검토이외도 터빈엔진 구성품(연료노즐, 연료펌프, 필터, 연료 조정계통 등) 단위 시험 및 연소리그 시험등을 통해 저온시동, LBO(Lean Blow Out), 연소효율, 배기가스 특성등 연료의 기초적인 특성을 산출하는것을포함하고 있으며, 최종적인 엔진기능부합여부확인을 위해 엔진단위 등에 대한 시험평가에 대한 요구사항을 포함하고 있다[6].
본 연구는 바이오항공유의 적용 가능성 확인을 위해 수행되어야할 궁극적인 시험인 혼합 바이오항공유적용 터보엔진 적용특성에 대해 기존 석유계 상용 항공유(Jet A-1)와 비교 시험한 것으로 국방과학연구소를 중심으로 국내에서 개발된 Jet A-1과 HEFA 공정에 의한 순수 바이오 항공유을 부피 비율 50:50로 혼합한 혼합 바이오 항공유를 대상으로 하고 있으며, 저자들이 파악한 수준에서는 국내에서 개발된 바이오항공유에 대한 최초의 군용 엔진 적용시험 사례이다.
2. 시험준비
2.1 시험대상 연료
시험대상 연료는 부피비율 50:50로 혼합한 혼합 바이오항공유로서 순수 바이오항공유는 Fig. 1에서 보이는 바와 같이 팜류에서 추출된 오일을 기반으로 하여 수첨 탈산소 반응, 수첨 크래킹 반응 및 증류/정제를통해제조되며, Gas Chromatography에서 측정된 결과를 Table 1에나타낸바와 같이 제조 공정의 특성상 Jet A-1, JP-8등의 Kerosene 계열 연료와 비교시 Normal Paraffin의 함량보다는Iso Paraffine의 함량비율이현저히 높으며 Olefin과 Aromatics 성분이 전혀 없어 Jet A-1 연료와 50% 부피비율로 혼합하는 경우에도 Olefin 성분과 Aromatics 성분의 함량이 혼합되는 상용 항공유(Jet A-1)에 비해서 현저히낮은 것이 특징이다.
Table 1
Components of fuels by GC Method.
| Fuels |
Components of fuels [area% - GC mass, weight] | |||
| Paraffins | Olefins | Aromatics | ||
| Nor+Iso Paraffine | Cyclo Paraffine | |||
| Jet A-1[7] | 45.6 | 29.1 | 2.4 | 22.8 |
| Bio-jet100[7] | 97.2 | 2.8 | - | - |
| Bio-jet50* | 71.4 | 15.95 | 1.2 | 11.4 |
2.2 시험 대상 터빈엔진
기존 Jet A-1 및 혼합바이오항공유의 엔진적용특성비교를 위해 시험 수행된 엔진은 군용 단축터보제트 엔진으로서 파일롯 노즐과 메인노즐로 구성된 듀플렉스 노즐을적용한 환형연소기 형식으로 구성된다.
엔진의 운용제어는 디지털 엔진 제어기가 적용되어 엔진의 시동운용 이외의 조건에서는 엔진의 명령 RPM대비 출력 RPM이 추종하도록 연료량을 조절하는 Closed-Loop 방식으로 운용되며, 시동방식으로 윈드밀 시동능력을 보유하고 있다.
연료변경에 따른 엔진 적용성을 평가하기 위해서는 엔진의 점화, 운용 안전성, 연료 미터링 안전성, 제어, 운용 고도에서의 LBO(Lean Blow Out) 특성 및 엔진 구성품과 연료의 적합성등 많은 검토가 이루어져야 하는데, 본 연구에서는 연료 적용성 평가 항목중 혼합 바이오항공유 적용에 따른 엔진의 추력, 비연료소모율 특성 및 기능변화 특성등 엔진의 성능/기능 관점에서비교함으로써 혼합바이오항공유의 터보엔진 궁극적인 적용 가능성을 평가하고자 하였다.
2.3 엔진 시험설비
엔진 성능비교시험을 위해 항공우주연구원에서 운용중인 엔진고도시험설비(이하 AETF: Altitude Engine Test Facility)를 활용하였다. 해당 설비는 2003년 이후 기술표준원(KOLAS: 한국인정기구)으로부터 엔진 추력과 비연료소모율 측정분야에서 국제공인시험기관으로 인정을 획득하였으며 인정된 절차에 따라서 엔진 성능시험을 실시하였다.
연료간 정확한 비교를 위해 시험용 엔진은 동일 엔진이 사용되었으며, 시험대에 위치한 이후 추가적인 장/탈착이나 센서의 교환 없이 시험이 수행되었으며 시험 종료후 테어하중(Tare Load)를 측정하여 추력 산출시 반영하였다.
두 비교대상 연료의 엔진 최대 RPM 기준 산출 추력과 비연료소모율의 최대 측정불확도는 Jet A-1시험의 경우 0.63%와 0.59% 이며, 혼합 바이오항공유의 경우 0.72%와 0.59%이였다[9,10].
엔진으로 공급되는 연료는 기존 연료공급설비와 분리하여 별도의 연료공급 탱크를 이용해서 연료를 공급하였으며, 연료간 공급배관의 차이 조건을 발생시키지 않기 위해서 동일한 공급라인을 사용하되 연료간 교환을 위해 시험전 연료탱크 및 필터의 세척과정을 통해 잔존된 연료를 완전히 배출시키는 작업을 수행하였다.
2.4 엔진운용 및 데이터 분석 조건
Table 2는 엔진이 운용된 조건을 나타낸 것으로 엔진 점화시 1기의 Pyro Ignitor을 이용하여 Windmilling 상태에서 연소기에 점화 에너지를 공급하였으며, 점화시 엔진으로 공급된 공기의 마하수, Windmill RPM, 초기 연료점화 시퀀스는 두 연료적용 조건 모두 동일하게 적용되었다.
Table 2
Engine operting conditons.
| Items | Conditions | Note |
| Fuel | Jet A-1, Bio-jet50 | |
| Altitude | 0 ± 200m | |
| Temperature | 15 ± 5℃ | |
| Starting Mode | Windmilling | |
| Ignition | Pyro Ignitor 1ea | Same location |
| Operating Ma, | M ± 0.02 |
엔진 RPM운용은 아이들 회전수로부터 최대 회전수 구간에서 5개 운용점 이상에서 이루어졌으며 측정값의 안정을 위해 엔진이 아이들 RPM에 도달한후 최소 1분 경과를 통해 엔진을 열적으로 안정화시킨 후 시험 운용점으로 RPM을 이동시켰다. 엔진 성능 데이타의 획득은 설정된 시험 운용점에 도달후 21회의 엔진 성능 데이터 포집하여 평균처리하여 시험 운용점의 성능 데이터로 처리하였으며, 동등한 엔진운용 조건에서 성능값을 비교하기 위하여 보정 마하수, 추력, 연료소모율, 연료량 값을 표준대기조건, 운용속도 조건으로 보정하여 분석을 수행하였다.
: temperature correction factor
: pressure correction factor
:engine rpm, :corrected engine rpm
: net thrust, : corrected net thrust
: specificfuel consumption,
: corrected specific fuel consumption
3. 엔진 성능비교 시험결과 및 분석
Fig. 5에 보이는 바와 같이 두 연료 적용조건 모두에서 점화지연 없이 정상적으로 점화되어 시동운용 되었으며, 점화후 배기가스 온도, 압축기 후단 압력특성, RPM 증가특성에서 유사한 점화특성을 보였다. 특히 RPM에 따른 배기가스 온도특성이 매우 유사하여 두 연료의 적용에서 연소기내 분무특성 및 열유동적인 특성이 유사한 것으로 유추할 수 있다.
엔진점화시 및 운용구간에서는 특이한 진동이나 이상 제어없이 정상적으로 운전 되었으며 Fig. 6에 보이는 바와 같이 시험설비로부터 엔진으로의 연료이송성능 또한 정상적으로 확인되어 연료의 변환에 따른 연료계통에 특이 사항이 없음이 확인되었다.
Fig. 7은 엔진의 시험점 이외의 천이 운용구간에서의 연료조절장치의 연료 공급명령 대비 실 연료공급 특성을 나타낸 것으로 두 연료 모두 명령대비 토출 특성이 유사하게 형성된 것을 알 수 있다.
Fig. 8은 엔진 시험점에서 엔진 성능 측정결과를 비교한 것으로 엔진의 순추력(Net Thrust)은 시험점 모두에서 측정 오차내 값으로 측정되어 엔진의 Close-Loop 제어에 의한 운용이 정상적으로 동작한 것을 알 수 있다.
Fig. 9는 엔진의 RPM 변화에 대한 공기유입량의 변화를 Fig. 10은 추력대 공기유입량의 변화를 나타낸 것으로 두 결과로 부터 Bio-jet50은 동일한 추력을 생산하기 위하여 공기량이 2∼3% 증가한 것을 알 수 있는데 이는 연료의 완전 연소를 위한 연료간 Stoichiometry비 변화와 연료 간 단위질량당 발생열량을 복합적으로 반영한 것으로 보인다.
Fig. 11과 Fig. 12는 RPM에 따른 배기가스 온도와 압축기후단 압력을 나타낸 것으로 특이할 만한 변화가 없었다.
Fig. 13은 추력당 연료소모율을 나타낸것으로 Jet A-1이 Bio-jet50에 비해 최대 추력을 기준으로 소폭 연료소모율이 높음을 나타내고 있다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 연료의 단위 질량당 열발생율의 차이 및 Stoichiometry 변화에 기인한 것이라 할 수 있지만 그 차이는 적었다.
두 연료간 실 엔진 시험을 통해 연료간 완전 연소를 위한 공기대 연료의 비 차이 및 단위 질량당 열 발생율의 차이에 의한 세부적인 변화는 존재하지만 엔진의 운용 및 세부특성에 큰 차이는 발생시키 않음을 알 수 있다.
4. 결 론
국내에서 HEFA 공정으로 제조된 바이오항공유와 상용 Jet A-1연료를 부피비율 50:50로 혼합한 혼한 바이오항공유와 상용 Jet A-1 연료를 사용하여 군용 소형터보제트엔진에 대한 성능 비교시험을 실시하였다.
비교대상 두 연료 모두 Windmill 방식으로 점화시 점화 지연없이 모두 정상적으로 점화되었으며, 혼합 바이오항공유를 적용한 시험에서 연료 미터링밸브의 명령대 연료의 토출특성, 설비연료공급특성, 진동등에서 엔진 기능상에 특이 사항없이 정상적으로 아이들 RPM에서 최대 RPM 까지 정상적으로 운용되었다.
엔진 성능 측정데이타를 비교시 발생 엔진추력에서는 유의미한 차이는 없었으나, 두 연료간 발생열량 및 완전연소를 위한 공기대 연료량의 변화로 인해 공기량 및 단위 추력당 소모연료량에는 소폭 변화가 있었다.
본 시험을 통해 연구대상 혼합바이오 항공유(Bio-jet50)이 기존 상용 Jet A-1 연료를 대체할 수 있는 Drop-in fuel로서의 활용 가능성을 입증하였다. 신규 개발된 연료가 상용 연료로서 사용되기 위해서는 엔진 성능이외에 연료변경에 따른 엔진 내구도, 재질 적합성, 열적 특성, 기초 연소특성 및 연료 장기 저장성등 많은 부분에서 추가적인 검토와 연구가 필요할 것이나, 본 시험결과로부터 국내에서 독자 개발된 혼합 바이오항공유의 군용 엔진 시험사례가 구축되어 차후 민간 및 군용 바이오항공유 연구에 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
