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극저온 연료

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목차

1. 개요

극저온 연료는 불활성 또는 가연성 물질로 분류되며, 액체가 기체로 변환될 때의 부피 변화를 활용한다. 이러한 연료는 높은 질량 유량과 고밀도 에너지를 통해 로켓 추진력과 제어 가능한 연료 소비를 가능하게 한다. 불활성 극저온 연료에는 액체 질소, 액체 공기, 액체 헬륨, 액체 네온 등이 있으며, 가연성 연료로는 액체 수소, 액화 천연 가스(LNG), 액체 메탄 등이 있다. 극저온 연료는 아리안 5, 우주왕복선 등 로켓에 주로 사용되며, LNG는 환경 친화적이고 화석 연료보다 풍부하다는 장점을 지닌다. 하지만 가연성 연료의 폭발 위험과 고압 탱크의 무게 증가, 질식 위험과 같은 단점도 존재한다.

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극저온 연료
개요
종류로켓 연료, 액체 수소 연료, 액체 메탄 연료, 액체 산소 연료
특징극저온 상태에서 액체 상태를 유지해야 함
상세 정보
저장 온도매우 낮은 온도 (일반적으로 영하 150도 이하)
사용 분야로켓 엔진, 항공기 엔진, 기타 특수 목적
주요 극저온 연료액체 수소 (LH2)
액체 메탄 (LCH4)
액체 산소 (LOX)
액체 질소 (LN2)
액체 플루오린 (LF2)
장점 및 단점
장점높은 에너지 밀도, 효율적인 연소
단점저장 및 취급의 어려움, 증발 손실, 특수 저장 시설 필요
안전 문제
잠재적 위험폭발 위험, 극저온 화상, 질식 위험
안전 대책철저한 안전 교육, 특수 장비 사용, 누출 감지 시스템 구축
기술적 고려 사항
저장 용기듀어 병 (단열 용기), 진공 단열 기술 적용
펌프 및 이송 시스템극저온 환경에서 작동 가능한 특수 펌프 및 파이프라인 필요
누출 방지정밀한 밀봉 기술, 누출 감지 센서 사용
미래 전망
연구 방향새로운 극저온 연료 개발, 저장 및 이송 기술 개선, 안전성 향상
활용 가능성우주 탐사, 극초음속 항공기, 수소 경제

2. 작동 원리

극저온 연료는 불활성과 가연성, 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 두 유형 모두 액체가 기체 상태로 변환될 때 발생하는 큰 액체 대 기체 부피 비율을 이용한다. 극저온 연료의 실현 가능성은 높은 질량 유량과 관련이 있다.[1] 규제를 통해 극저온 연료의 고밀도 에너지는 로켓 추진력과 제어 가능한 연료 소비를 생산하는 데 활용된다.

2. 1. 불활성 극저온 연료

극저온 연료인 액화 수소를 사용하는 미국의 우주왕복선 외부 연료탱크. 이 탱크에는 연료인 액화 수소(LH2)와 산화제인 액화 산소(LOX)가 저장된다.


이러한 종류의 연료는 일반적으로 가스 생산 및 흐름의 조절을 사용하여 엔진의 피스톤을 구동한다. 압력의 큰 증가는 제어되어 엔진의 피스톤으로 향하게 된다. 피스톤은 기체 연료의 모니터링된 생산에서 변환된 기계적 동력에 의해 움직인다. 피터 디어만의 액체 공기 차량은 주목할 만한 예시이다. 몇 가지 흔한 불활성 연료는 다음과 같다.

2. 2. 가연성 극저온 연료



이러한 연료는 물질의 가연성과 함께 유익한 액체 극저온 특성을 동력원으로 활용한다. 이러한 유형의 연료는 주로 로켓에 사용되는 것으로 잘 알려져 있다. 몇 가지 일반적인 가연성 연료는 다음과 같다.

  • 액체 수소
  • 액화 천연 가스(LNG)
  • 액체 메탄

3. 엔진 연소

가연성 극저온 연료는 대부분의 불활성 연료보다 훨씬 더 유용하다. LNG는 다른 연료와 마찬가지로 적절한 양의 공기와 적절하게 혼합될 때만 연소된다. LNG의 경우, 효율성은 대부분 메테인 수에 달려 있으며, 이는 가솔린의 옥탄가에 해당하는 기체 값이다.[2] 이는 액화 연료의 메탄 함량과 기타 용해된 가스를 기준으로 결정되며, 실험적 효율성에 따라 달라진다.[2] 연소 엔진의 효율을 극대화하는 것은 적절한 연료 대 공기 비율을 결정하고 최적의 연소를 위해 다른 탄화수소를 추가하는 데 달려있다.

4. 생산 효율

가스 액화 공정은 지난 수십 년 동안 더 나은 기계와 시스템 열 손실 제어 기술의 발달로 개선되어 왔다. 일반적인 기술은 가스의 제어된 압력이 해제됨에 따라 가스의 온도가 극적으로 냉각되는 현상을 이용한다. 줄-톰슨 효과에서 볼 수 있듯이, 충분한 가압과 그에 따른 감압은 대부분의 가스를 액화시킬 수 있다.[3]

4. 1. 액화천연가스 (LNG)

천연가스를 액화하여 저장, 운송 및 사용하는 것은 비용 효율적이지만, 이 과정에서 가스의 약 10~15%가 소비된다.[4] 최적의 공정은 4단계의 프로판 냉동과 2단계의 에틸렌 냉동을 포함한다. 추가적인 냉매 단계를 추가할 수 있지만, 장비 추가 비용은 경제적으로 정당화되지 않는다. 효율성은 냉매 응축과 관련된 전체 소스-싱크 온도 차이를 최소화하는 순수 성분 캐스케이드 공정과 관련될 수 있다. 최적화된 공정은 순수 냉매의 사용과 함께 최적화된 열 회수를 통합한다. 입증된 기술을 사용하는 액화 플랜트의 모든 공정 설계자는 동일한 과제에 직면한다: 순수 냉매로 혼합물을 효율적으로 냉각하고 응축하는 것이다. 최적화된 캐스케이드 공정에서 냉각 및 응축될 혼합물은 공급 가스이다. 프로판 혼합 냉매 공정에서 냉각 및 응축이 필요한 두 혼합물은 공급 가스와 혼합 냉매이다. 비효율성의 주요 원인은 액화 과정 동안의 열 교환 열차에 있다.[5]

5. 장점 및 단점

극저온 연료는 여러 장점과 단점을 가지고 있다.
장점


  • 환경 친화적: 휘발유나 화석 연료보다 온실 가스 배출량이 적다. LNG를 사용하면 휘발유보다 온실 가스 배출량을 11~20% 줄일 수 있다.[6]
  • 풍부한 매장량: 화석 연료에 비해 매장량이 풍부하여 내륙 운송 비용을 절감할 수 있다.[7]
  • 높은 효율: 질량 유량율이 높아 엔진에서 더 많은 추력과 동력을 낸다. 따라서 적은 연료로 더 멀리 운행할 수 있다.[8]
  • 낮은 환경 위험: 유출되어도 환경에 위험이 없고, 유해 폐기물 청소가 필요 없다.[9]

단점

  • 폭발 위험성: LNG와 같은 일부 극저온 연료는 가연성이 있어 점화 시 대규모 폭발이 발생할 수 있다.[9]
  • 무거운 저장 탱크: 고압을 견딜 수 있는 탱크가 필요하므로 차량 무게가 증가하여 성능이 저하된다.
  • 질식 위험: 극저온 연료는 공기보다 밀도가 높아 질식을 유발할 수 있다. 누출된 액체는 매우 차가운 가스로 끓어오르며 흡입하면 치명적일 수 있다.[10]

5. 1. 장점

극저온 연료는 휘발유나 화석 연료보다 환경 친화적이다. 특히, 물품 운송 시 LNG를 사용하면 휘발유를 사용하는 경우보다 온실 가스 배출량을 11~20%까지 줄일 수 있다.[6] 또한, 화석 연료에 비해 매장량이 풍부하여 내륙 운송 비용을 크게 절감할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.[7]

극저온 연료는 화석 연료보다 질량 유량율이 높아 엔진에서 연소될 때 더 많은 추력과 동력을 낸다. 따라서 엔진이 현대적인 가스 엔진보다 적은 연료로 더 멀리 운행할 수 있다.[8] 또한, 비 오염 물질이므로 유출되어도 환경에 위험이 없고, 유출 사고 후 유해 폐기물을 청소할 필요가 없다.[9]

5. 2. 단점

LNG와 같은 일부 극저온 연료는 자연적으로 가연성이 있어, 연료 유출 시 점화되면 대규모 폭발이 발생할 수 있다. 이는 LNG 엔진 장착 차량 사고의 경우에 해당될 수 있다.[9] 극저온 저장 탱크는 고압을 견딜 수 있어야 하는데, 고압 추진제 탱크는 더 두꺼운 벽과 강한 합금을 필요로 하므로 차량 탱크의 무게가 증가하여 성능이 저하된다. 비독성 경향에도 불구하고 극저온 연료는 공기보다 밀도가 높아 질식을 유발할 수 있다. 누출된 액체는 매우 밀도가 높고 차가운 가스로 끓어오르며, 흡입하면 치명적일 수 있다.[10]

6. 극저온 연료를 사용하는 로켓

참조

[1] 서적 Rocket Propulsion Elements https://archive.org/[...] Wiley
[2] 웹사이트 Combustion characteristics of LNG http://www.glmri.org[...] 2011-09-21
[3] 웹사이트 LNG liquefaction technologies move toward greater efficiencies, lower emissions http://www.ogj.com/a[...] 2002-08-09
[4] 웹사이트 All you need to know about LNG http://oilprice.com/[...] 2012-10-02
[5] 웹사이트 A Fresh look at LNG Process Efficiency http://lnglicensing.[...] 2007
[6] 웹사이트 What are the Benefits of LNG http://www.lngmaster[...]
[7] 웹사이트 What are the Benefits of LNG http://www.lngmaster[...]
[8] 웹사이트 Cryogenic advantage http://www.frontline[...] 2014-02-07
[9] 웹사이트 Liquid Methane Fuel Characterization and Safety Assessment Report http://www.cryogenic[...] 1991-12-16
[10] 웹사이트 Cryogenic Liquids-Hazards http://www.ccohs.ca/[...] 2015-12-02


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