연료

3. 연료의 종류

연료는 물리적 상태, 생성 과정, 그리고 기원에 따라 다양하게 분류할 수 있다.

화학 연료는 주변 물질과 반응하여 에너지를 방출하는 물질로, 특히 연소 과정을 통해 에너지를 방출한다. 화학 연료는 크게 두 가지 방식으로 나뉜다. 첫째는 물리적 특성에 따라 고체 연료, 액체 연료, 연료 가스로 분류하는 것이다. 둘째는 생성 과정에 따라 1차 (천연 연료)와 2차 (인공 연료)로 나누는 것이다.

화석 연료는 탄화수소를 주성분으로 하며, 주로 고대 식물과 동물의 화석화된 잔해가 지각 내에서 수억 년에 걸쳐 고온과 압력을 받아 형성된다. 석탄, 석유(액체 석유 또는 천연 가스)가 대표적이다.^[10] 타르 샌드와 같이 생물학적 기원이 아닌 천연 자원도 화석 연료에 포함되기도 하는데, 이러한 자원은 엄밀히 말하면 ''광물 연료''로 불린다.

화석 연료는 높은 비율의 탄소를 함유하며, 메탄과 같이 탄소:수소 비율이 낮은 휘발성 물질에서부터 액체 석유, 그리고 거의 순수한 탄소로 구성된 비휘발성 물질(무연탄)까지 다양하다. 메탄은 탄화수소 유전에서 단독으로, 석유와 연관되어, 또는 메탄 클라트레이트 형태로 발견될 수 있다. 화석 연료는 수백만 년에 걸쳐 지구 지각 내에서 열과 압력에 노출되어 죽은 식물의 화석화된 잔해로부터 형성되었다는 생물 기원설은 1556년 독일 학자 게오르그 아그리콜라에 의해 처음 소개되었고, 18세기에는 미하일 로모노소프에 의해 소개되었다.

• 화석 연료: 고대 생물의 유해가 오랜 시간 동안 지열과 압력을 받아 생성된 연료
• 바이오 연료: 식물, 동물, 미생물 등 생물체(바이오매스)를 이용하여 만든 연료
• 핵연료: 핵분열 또는 핵융합 반응을 통해 에너지를 얻을 수 있는 물질

3. 1. 물리적 상태에 따른 분류

3. 2. 생성 과정에 따른 분류

• 1차 연료 (천연 연료): 자연 상태에서 직접 얻을 수 있는 연료이다.
• 예: 나무, 석탄, 석유, 천연 가스
• 2차 연료 (인공 연료): 1차 연료를 가공하여 만든 연료이다.
• 예: 코크스, 휘발유, 경유, LPG, 수소

3. 3. 기원에 따른 분류

• 화석 연료: 고대 생물의 유해가 오랜 시간 동안 지열과 압력을 받아 생성된 연료이다.
• 석탄
• 석유
• 천연 가스
• 바이오 연료: 식물, 동물, 미생물 등 생물체(바이오매스)를 이용하여 만든 연료이다.
• 바이오디젤
• 바이오에탄올
• 바이오가스
• 핵연료: 핵분열 또는 핵융합 반응을 통해 에너지를 얻을 수 있는 물질이다.
• 우라늄
• 플루토늄
• 삼중수소

4. 화학 연료

화학 연료는 주변 물질과의 화학 반응, 특히 연소 과정을 통해 에너지를 방출하는 물질이다. 연소를 통해 열, 빛, 운동 에너지 등을 얻을 수 있다.

화학 연료는 크게 두 가지 방식으로 분류할 수 있다. 첫째, 물리적 특성에 따라 고체 연료, 액체 연료, 기체 연료로 나뉜다. 둘째, 발생에 따라 1차 (천연 연료)와 2차 (인공 연료)로 구분된다.

최초의 연료 사용은 약 2백만 년 전 ''호모 에렉투스''가 장작을 연소시킨 것이다. 인류는 오랫동안 식물이나 동물성 지방에서 파생된 연료를 사용해왔다. 목탄은 기원전 6,000년부터 금속 제련에 사용되었으며, 18세기경 유럽의 숲이 고갈되면서 코크스로 대체되었다.

원유는 페르시아 화학자들에 의해 증류되었으며, 무함마드 이븐 자카리야 라지는 ''Kitab al-Asrar''(비밀의 책)에서 등유 및 기타 탄화수소 화합물로 증류하는 과정을 설명했다.^[2] 바그다드 거리는 석유에서 파생된 타르로 포장되었고, 9세기에는 바쿠 주변 지역에서 유전이 개발되었다.^[4]

1769년 증기 기관 발명으로 석탄 사용이 증가했다. 석탄은 기관차와 배의 동력원으로, 그리고 전기 생산에 사용되며, 2005년에는 세계 전력 공급량의 40%를 차지했다.^[6]

산업 혁명 동안 화석 연료가 빠르게 채택되었지만, 지구 온난화 문제로 인해 점차 사용이 줄어들고 있다.^[7] 현재는 바이오 연료와 같은 재생 가능 연료로의 전환이 이루어지고 있다.

4. 1. 고체 연료

일부 도시 지역에서는 유해 물질 배출 문제로 인해 석탄과 같은 일부 고체 연료의 사용이 제한되거나 금지된다. 다른 고체 연료인 나무의 사용은 난방 기술과 양질의 연료 가용성이 향상됨에 따라 감소하고 있다.

연소 전 단계에서 고체인 것을 고체 연료라고 하며, 취급이 간편하여 처음 사용되었다.

• 장작
• 목재 펠릿
• * 오가라이트 (톱밥을 고형화한 것)
• ** 오가탄 (오가라이트를 탄화시킨 것)
• 목탄
• 이탄
• 석탄
• * 갈탄
• * 역청탄
• * 무연탄
• * 코크스
• 연탄
• 고체 연료 (주로 알코올을 고형화한 것)
• 폐기물 고형 연료 (RDF)
• 납

4. 2. 액체 연료

석유(휘발유, 경유, 등유, 중유), 바이오디젤, 에탄올, LPG 등이 있다. 액체 연료는 에너지 밀도가 높고, 운반 및 보관이 용이하다는 장점이 있다. 이러한 특성 덕분에 내연 기관, 보일러 등의 연료로 널리 사용된다. 그러나 유출 시 환경 오염 문제가 발생할 수 있다는 단점도 존재한다.^[1]

액체 연료는 가연성 분자를 포함하고 있어 운동 에너지를 생성하고, 이를 통해 기계적 에너지를 얻는 데 사용될 수 있다. 대부분의 액체 연료는 화석 연료에서 추출되지만, 수소 연료, 에탄올, 제트 연료, 바이오디젤과 같이 다른 종류의 액체 연료도 존재한다.^[1] 오리멀전과 같은 유화 연료는 중유 성분을 액체 연료로 사용할 수 있도록 개발되었다.^[1]

액체 연료는 운송이 쉽고 취급이 용이하며, 가정에서도 등유와 같이 난방 및 취사용으로 사용된다. 경유는 석유에서 추출한 지방족 탄화수소의 혼합물이며, 등유는 등유 램프, 요리, 난방 및 소형 엔진용 연료로 사용된다.^[1] 액화 석유 가스(LPG)는 프로판과 부탄의 혼합물로, 요리 및 공간 난방에 사용되며, 최근에는 자동차 연료로도 사용이 증가하고 있다. 프로판은 전 세계적으로 세 번째로 많이 사용되는 자동차 연료이다.^[1]

에너지 밀도가 높은 운송 연료는 대부분 액체 형태이며, 내연 기관에서 깨끗하게 연소되는 특성을 가진다. 액체는 펌핑이 가능하여 취급이 쉽고 노동력이 덜 든다는 장점도 있다. 그러나 저탄소 경제로의 전환에 따라 탄화수소와 같은 액체 연료의 사용은 면밀히 검토되고 있다.^[1]

난방과 조리를 위한 열원으로 불이 필요했고, 이를 위해 연료가 사용되었다. 처음에는 모닥불이 사용되었지만, 이후 부뚜막, 스토브 등이 개발되면서 난방과 조리에 연료가 활용되었다. 횃불, 램프, 등롱 등이 만들어지면서 액체 연료에 대한 의존도가 점차 증가하였다.^[1]

증기 기관 개발 이후, 연료는 동력으로 이용되기 시작했다. 내연 기관에서는 기화된 액체 연료 등이 이용되면서 유체 연료의 장점이 뚜렷해졌다. 액체 연료는 고체 연료에 비해 보관 및 연소 장치에 기술이 필요하지만, 기술 발전으로 관을 통해 흐르게 할 수 있고, 양 조절이 쉬워 응용 범위가 넓어졌다.^[1]

• 석유
• * 원유
• * 경질유
• ** 가솔린
• ** 등유
• ** 경유
• * 중질유
• ** 중유
• ** 아스팔트
• 식물성 기름
• * 유채씨 기름
• * 폐식용유
• * 송근유
• 알코올류 (메탄올, 에탄올 등)
• 기타
• * 에멀젼 연료^[1]

4. 3. 기체 연료

천연 가스는 일반적인 조건에서 가스 형태를 띄는 다양한 연료 중 하나이다. 많은 연료 가스는 탄화수소(예: 메탄 또는 프로판), 수소, 일산화 탄소, 또는 이들의 혼합물로 구성된다. 이러한 가스는 잠재적인 열 에너지 또는 빛 에너지의 공급원이며, 발생 지점에서 소비 장소까지 파이프를 통해 쉽게 전송하고 분배할 수 있다. 연료 가스는 액체 연료 및 고체 연료와 대조되지만, 일부 연료 가스는 저장 또는 운송을 위해 가스 액화된다. 가스 형태는 고체 연료 운송의 어려움과 액체 연료의 유출 위험을 피할 수 있다는 장점이 있지만, 가스 폭발의 위험이 있어 주의해야 한다. 대부분의 연료 가스에는 특유의 냄새로 감지할 수 있도록 취기제가 첨가된다. 현재 사용되는 가장 흔한 유형의 연료 가스는 천연 가스이다.

기체 연료의 종류

1차 (천연)	2차 (인공)
천연 가스	수소, 프로판, 메탄, 석탄 가스, 수성 가스, 고로 가스, 코크스 오븐 가스, CNG

5. 핵연료

핵연료는 원자력 에너지를 얻기 위해 사용되는 물질이다. 이론적으로 다양한 물질이 핵연료가 될 수 있지만, 일반적으로는 극한의 압박 없이 에너지를 생산하는 물질을 말한다. 핵연료는 핵분열(핵을 쪼개는 것)이나 핵융합(핵을 결합하는 것)을 통해 에너지를 방출하며, 모든 실용적인 연료원 중에서 에너지 밀도가 가장 높다.

5. 1. 핵분열 연료

5. 2. 핵융합 연료

6. 로켓 연료

모든 로켓의 추진제는 연료와 산화제로 구성되어 있다. 제트 엔진은 연료만 탑재하며, 산화제는 공기 흡입구를 통해 외부의 산소를 흡입하여 사용한다. 그러나 로켓 엔진은 공기 흡입구가 없으며, 내부에 산소통을 탑재하고 있다. 그래서 모든 로켓 추진제는 연료와 산화제 둘이 사용된다.

7. 대체 연료

대체 연료는 기존의 화석 연료(주로 석유)를 대체하는 것으로, 생물 자원이나 폐기물에서 제조되는 연료이다. 제2차 세계 대전 중에는 숯으로 만든 가스로 목탄 버스를 운행하거나 송근유를 내연 기관의 연료로 사용하는 것이 검토되었다. 이후 석유 등 화석 연료 공급이 안정되면서 주목받지 못했지만, 오일 쇼크를 계기로 바이오매스 등 비화석 연료 연구가 진행되었다. 오일 쇼크가 끝나자 다시 주목받지 못했지만, 최근 화석 연료 공급이 불투명해지면서 다시 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 석유와 석탄 가격 급등으로 채산성이 맞지 않았던 비화석 연료의 채산성이 맞게 된 것도 그 배경 중 하나이다. 석탄 액화나 GTL도 대체 연료로 취급된다.^[8]

연료는 기원에 따라 식물에서 얻는 식물성 연료, 동물에서 얻는 동물성 연료, 과거의 생물에서 기원하는 화석 연료(석탄, 석유 등)로 나뉜다. 화석 연료는 축적량이 많아 막대한 에너지 이용이 가능했지만, 현재 지구 생태계의 에너지 흐름을 넘어서는 양을 소비함으로써 지구 환경에 큰 부담을 주고 있다. 그래서 식물성 연료나 동물성 연료로의 전환이 검토되고 있다.

최근 자동차 운송에 사용하기 위해 바이오에탄올 및 바이오디젤과 같은 바이오 연료가 개발되었지만, 이 연료가 얼마나 탄소 중립적인지에 대한 광범위한 논쟁이 있다.

7. 1. 한국의 대체 연료 개발 현황

8. 인터넷 슬랭으로서의 "연료"

"연료"라는 단어는 2ch.net 등 전자 게시판에서의 축제나 블로그 등의 사이버 불링을 더욱 가속화하고 격화시키는, 이른바 "불난 집에 부채질"하는 소재를 가리키는 인터넷 슬랭으로도 사용된다.^[20]

참조

_[1] 서적 Chemistry of Fossil Fuels and Biofuels https://books.google[...] Cambridge University Press 2013-01-17
_[2] 서적 Studies in Early Petroleum History Brill Publishers 1958
_[3] 학술지 The Oil Weapons
_[4] 서적 A shared legacy: Islamic science East and West University of Barcelona
_[5] 백과사전 Fuel
_[6] 웹사이트 History of Coal Use http://www.worldcoal[...] World Coal Institute 2006-08-10
_[7] 보고서 IPCC AR5 WG1 Summary for Policymakers 2013
_[8] 뉴스 Bones hint at first use of fire http://news.bbc.co.u[...] 2007-09-11
_[9] 웹사이트 Chemical Potential Energy http://physics.info/[...] The Physics Hypertextbook 2007-09-11
_[10] 웹사이트 Canada's Fossil Fuel Dependency http://www.elements.[...] Elements 2007-01-18
_[11] 웹사이트 Fossil fuel http://oaspub.epa.go[...] EPA 2007-01-18
_[12] 웹사이트 Fossil fuel https://www.scienced[...]
_[13] 웹사이트 Fossil fuel http://oaspub.epa.go[...] EPA 2007-01-18
_[14] 웹사이트 U.S. EIA International Energy Statistics http://tonto.eia.doe[...] 2010-01-12
_[15] 웹사이트 International Energy Annual 2006 http://www.eia.doe.g[...] 2009-02-08
_[16] 웹사이트 US Department of Energy on greenhouse gases http://www.eia.doe.g[...] 2007-09-09
_[17] 뉴스 Fossil fuels could become cheaper and more abundant, says IEA https://www.theguard[...] 2024-10-16
_[18] 학술지 The atomic nuclide with the highest mean binding energy
_[19] 뉴스 낚시배, 유람선도 석유 사용 금지 東京日日新聞 1941-08-22
_[20] 서적 가해자 가족 幻冬舎新書