액체 연료
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1. 개요
액체 연료는 운반과 취급이 용이한 특성을 가지며, 휘발유, 경유, 등유, 액화석유가스(LPG), 액화천연가스(LNG), 바이오 연료 등이 있다. 대부분의 액체 연료는 석유에서 생산되며, 석탄이나 천연가스를 이용한 비석유계 화석 연료와 바이오 연료도 존재한다. 바이오 연료에는 바이오디젤, 바이오 에탄올, 바이오 부탄올 등이 있으며, 각 연료는 특성과 사용 분야에서 차이를 보인다. 액체 연료 연소 시 이산화탄소가 배출되어 환경 문제를 야기하며, 대한민국을 포함한 여러 국가에서는 탄소 중립 목표를 달성하기 위해 노력하고 있다.
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| 액체 연료 | |
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| 액체 연료 | |
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| 정의 | 액체 상태로 에너지 생산을 위해 연소시킬 수 있는 가연성 액체 물질 |
| 주요 사용처 | 내연 기관 보일러 로켓 엔진 |
| 종류 | |
| 석유 기반 | 가솔린 디젤 등유 중유 액화 석유 가스 (LPG) |
| 바이오 연료 | 바이오에탄올 바이오디젤 |
| 합성 연료 | 합성 가솔린 합성 디젤 |
| 기타 | 액체 수소 액체 메탄 하이드라진 |
| 특징 | |
| 장점 | 에너지 밀도가 높음 취급 및 운반 용이 저장 용이 연소 제어 용이 |
| 단점 | 유해 가스 배출 환경 오염 유발 자원 고갈 우려 |
| 기타 | |
| 관련 정책 | 재생 에너지 개발 촉진 온실 가스 배출 감축 노력 연료 효율 향상 기술 개발 친환경 연료 사용 장려 |
| 액체 연료 | |
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| 정의 | 연소 과정을 통해 에너지를 생성하는 데 사용되는 액체 상태의 가연성 물질 |
| 주요 용도 | 내연 기관 보일러 로켓 엔진 |
| 종류 | |
| 석유 기반 연료 | 가솔린 디젤 등유 중유 액화 석유 가스 (LPG) |
| 바이오 연료 | 바이오에탄올 바이오디젤 |
| 합성 연료 | 합성 가솔린 합성 디젤 |
| 기타 | 액체 수소 액체 메탄 하이드라진 |
| 특징 | |
| 장점 | 높은 에너지 밀도 취급 및 운송 용이 보관 용이 연소 제어 용이 |
| 단점 | 유해 가스 배출 환경 오염 유발 자원 고갈 우려 |
| 관련 정책 | |
| 환경 규제 | 재생 에너지 개발 촉진 온실 가스 배출 감축 노력 연료 효율 향상 기술 개발 친환경 연료 사용 장려 |
| 에너지 안보 | 석유 수입 의존도 감소 에너지 자급률 향상 |
| 경제적 영향 | 연료 가격 변동 경제 성장 촉진 |
2. 일반적인 속성
액체 연료는 운반이 쉽고 상대적으로 다루기 쉽다는 일반적인 특성이 있다. 액체 연료의 물리적 특성은 온도에 따라 다르지만 기체 연료만큼 크지는 않다. 이러한 특성에는 다음이 포함된다. 인화점은 가연성 증기 농도가 생성되는 최저 온도이다. 발화점은 증기가 지속적으로 연소되는 온도이다. 디젤 연료의 흐림점은 용해된 왁스 화합물이 응집되기 시작하는 온도이고, 유동점은 연료가 너무 걸쭉해져서 자유롭게 부을 수 없는 온도이다. 이러한 특성은 연료의 안전성과 취급에 영향을 미친다.
액체 연료는 크게 다음과 같이 분류할 수 있다.
3. 종류
3. 1. 석유계 연료
현재 사용되는 대부분의 액체 연료는 석유에서 생산된다. 과학자들은 일반적으로 석유가 지구 지각의 열과 압력에 노출되어 죽은 식물과 동물의 화석화된 유해로부터 형성되었다고 받아들인다. 석유계 연료에는 휘발유, 경유, 등유, 액화석유가스(LPG) 등이 있다.
3. 1. 1. 휘발유
휘발유는 가장 널리 사용되는 액체 연료이다. 미국과 캐나다에서는 가솔린(Gasoline)으로 알려져 있지만, 다른 거의 모든 국가에서는 '''페트롤'''(Petrol)로 알려져 있다. 휘발유는 탄화수소 분자(수소와 탄소만 포함하는 화합물)로 구성되며, 지방족 화합물 또는 수소 원자가 결합된 탄소 사슬을 형성한다. 그러나 방향족 화합물(고리를 형성하는 탄소 사슬)과 같은 벤젠은 휘발유에 자연적으로 존재하며, 장시간 노출 시 건강상의 위험을 야기한다.
휘발유는 원유의 증류를 통해 생산된다. 원하는 액체는 정유소에서 원유로부터 분리된다. 원유는 여러 가지 공정을 통해 지하에서 추출되는데, 가장 일반적으로 볼 수 있는 것은 빔 펌프이다. 휘발유를 만들려면 먼저 원유에서 석유를 제거해야 한다.
액체 휘발유 자체는 실제로 연소되지 않지만, 증기가 점화되어 남은 액체가 증발한 다음 연소된다. 휘발유는 매우 휘발성이 높고 쉽게 연소되므로 누출 시 매우 위험할 수 있다. 대부분의 국가에서 판매되는 휘발유는 공개된 옥탄가를 가지고 있다. 옥탄가는 노킹으로 알려진 휘발유의 조기 연소 저항에 대한 경험적 척도이다. 옥탄가가 높을수록 고압 하에서 자동 점화에 대한 저항력이 높아져 더 높은 압축비를 허용한다. 경주용 자동차 및 고성능 일반 생산 자동차에 일반적으로 사용되는 높은 압축비의 엔진은 더 많은 동력을 생성할 수 있지만, 이러한 엔진에는 더 높은 옥탄가 연료가 필요하다. 과거에는 사염화납과 같은 '항노킹제'를 첨가하여 옥탄가를 높였었다. 납 첨가제의 환경적 영향으로 인해 현재는 노킹을 일으키는 불순물을 정제하여 옥탄가를 높이고 있다.[1]
3. 1. 2. 경유
일반적인 경유는 석유에서 추출한 지방족 탄화수소의 혼합물이라는 점에서 휘발유와 유사하다. 경유는 휘발유보다 비싸거나 쌀 수 있지만, 추출 공정이 더 간단하기 때문에 일반적으로 생산 비용이 더 저렴하다. 일부 국가(특히 캐나다, 인도, 이탈리아)에서는 경유에 대한 세율이 더 낮다.
증류 후, 경유는 연료 내 황의 양을 줄이기 위해 일반적으로 처리된다. 황은 차량의 부식, 산성비 및 배기관(배기 파이프)에서의 그을음 배출량 증가를 유발한다. 역사적으로 유럽에서는 미국보다 더 낮은 황 함량이 법적으로 요구되었다. 그러나 최근 미국의 법률에 따라 2007년 경유의 최대 황 함량이 3,000ppm에서 500ppm으로, 2010년에는 15ppm으로 감소했다. 캐나다, 호주, 뉴질랜드 및 여러 아시아 국가에서도 유사한 변화가 진행되고 있다. 초저황 경유도 참조.
디젤 엔진은 내연 기관의 한 유형으로, 스파크 플러그와 같은 외부 점화원을 사용하는 대신, 공기로 미리 압축된 연소실(이로 인해 온도가 상승함)에 연료를 분사하여 연료를 점화한다.
3. 1. 3. 등유
등유는 등유램프에 사용되며 요리, 난방 및 소형 엔진의 연료로 사용된다. 조명 용도로 고래 기름을 대체했다. 제트 엔진용 항공유는 등유 혼합물인 여러 등급(Avtur, Jet A, Jet A-1, Jet B, JP-4, JP-5, JP-7 또는 JP-8)으로 제조된다. RP-1로 알려진 한 형태의 연료는 액체 산소와 함께 로켓 연료로 연소된다.[1] 이러한 등급의 등유는 발연점과 동결점에 대한 사양을 충족한다.[1]
20세기 중반에는 등유 또는 "TVO"(Tractor Vaporising Oil)가 트랙터의 저렴한 연료로 사용되었다.[1] 엔진은 가솔린으로 시동을 건 다음 엔진이 예열되면 등유로 전환되었다.[1] 매니폴드의 "열 밸브"는 배기가스를 흡기관 주위로 보내 등유를 전기 스파크로 점화할 수 있을 정도로 가열한다.[1]
등유는 때때로 저온에서 젤화 또는 왁싱을 방지하기 위해 경유에 첨가제로 사용된다.[1] 그러나 최근 일부 차량용 디젤 엔진에서는 이러한 방법이 엔진의 배출가스 규제 장비에 영향을 줄 수 있으므로 권장하지 않는다.[1]
3. 1. 4. 액화석유가스 (LPG)
액화석유가스(LPG)는 프로판과 부탄의 혼합물로, 표준 대기 조건에서 쉽게 압축되는 기체이다. LPG는 압축천연가스(CNG)의 많은 장점을 제공하지만, 청정 연소성이 떨어지고 공기보다 밀도가 높으며 압축이 훨씬 더 쉽다. 일반적으로 요리 및 난방에 사용되며, LPG와 압축 프로판은 자동차에서 사용이 증가하고 있다. 프로판은 전 세계에서 세 번째로 많이 사용되는 자동차 연료이다.
3. 2. 비석유계 화석 연료
석탄이나 천연가스를 원료로 피셔-트롭슈 공정과 같은 화학 공정을 거쳐 액체 연료를 생산할 수 있다. 이러한 합성 연료는 2차 세계 대전 당시 독일군에게 전략적으로 중요했다. 오늘날에는 천연가스에서 생산된 합성 연료가 제조되고 있는데, 이는 수송 부문에서 액체 연료의 가치가 더 높기 때문이다.
3. 2. 1. 액화천연가스 (LNG)
천연가스는 주로 메테인으로 구성되어 있으며, 액체로 압축하여 기존의 액체 연료를 대체할 수 있다. 다른 탄화수소 연료에 비해 연소가 매우 깨끗하지만, 낮은 비점 때문에 액체 상태를 유지하려면 극저온으로 냉각해야 한다. 액화천연가스는 가솔린과 같은 연료보다 인화점이 훨씬 낮지만, 더 높은 자연발화온도와 낮은 밀도로 인해 공기 중에 방출될 때 흩어지기 때문에 여러모로 더 안전하다.[1]
3. 3. 바이오 연료
생물체(바이오매스)를 원료로 생산되는 친환경 연료이다.
일반적으로 알코올이라는 용어는 인류가 최초로 생산한 유기 화합물인 에탄올을 가리키지만,[2] 어떤 알코올이든 연료로 연소될 수 있다. 에탄올과 메탄올이 가장 일반적이며, 충분히 저렴하여 유용하게 사용된다.
'''메탄올'''(Methanol)은 가장 가볍고 단순한 알코올로, 천연가스의 구성 성분인 메탄으로부터 생산된다. 메탄올은 ''메틸알코올'' 또는 ''목재알코올''이라고도 불리는데, 후자는 과거 나무의 증류를 통해 생산되었기 때문이다. ''메틸 하이드레이트''라는 이름으로도 알려져 있다. 메탄올의 활용은 주로 독성(휘발유와 유사)과 높은 부식성, 그리고 물과의 혼합성 때문에 제한적이다. 소량은 옥탄가를 높이기 위해 일부 종류의 휘발유에 사용된다. 메탄올 기반 연료는 일부 경주용 자동차와 모형 비행기에 사용된다.
바이오매스 발효를 통해 생산되는 바이오 부탄올은 휘발유를 대체할 수 있는 잠재력을 가진 차세대 바이오 연료로 주목받고 있다. 부탄올의 장점은 100 이상의 높은 옥탄가와 높은 에너지 함량으로, 가솔린보다 약 10% 낮고 에탄올보다 약 50% 더 에너지 밀도가 높으며, 메탄올보다 100% 더 높다. 부탄올의 주요 단점은 높은 인화점(35°C), 독성(독성 수준은 존재하지만 정확하게 확인되지 않음), 그리고 재생 가능한 부탄올의 발효 과정에서 불쾌한 냄새가 발생한다는 점이다. 바이츠만 박테리아는 에탄올과 효모의 경우 14%와 비교하여 약 2%까지의 부탄올 수준만 견딜 수 있다. 석유에서 부탄올을 생산하는 것은 그러한 냄새를 발생시키지 않지만, 석유 사용의 제한된 공급과 환경적 영향은 대체 연료의 목적을 무효화한다. 부탄올의 가격은 킬로그램당 약 1.25~1.32USD (파운드당 0.57~0.58USD 또는 미국 갤런당 약 4USD)이다. 부탄올은 에탄올(리터당 약 0.40USD 또는 갤런당 1.50USD)과 메탄올보다 훨씬 비싸다.
3. 3. 1. 바이오디젤
바이오디젤은 경유와 유사하지만, 휘발유와 에탄올의 차이와 비슷한 차이점이 있다. 예를 들어, 바이오디젤은 세탄가가 더 높다(원유에서 추출한 경유의 45~50에 비해 45~60).[1] 또한, 바이오디젤은 세척제 역할을 하여 이물질과 침전물을 제거한다.[1] 원유 가격이 배럴당 80USD(2007년 2월 말 기준으로 40GBP 또는 60EUR)를 넘어서야 경제적으로 실행 가능하다는 주장이 있었다.[1] 그러나 이는 지역, 경제 상황, 바이오디젤에 대한 정부의 입장 및 기타 여러 요인에 따라 달라지며, 일부 국가에서는 훨씬 낮은 비용으로도 실행 가능성이 입증되었다.[1] 또한, 일반 경유보다 에너지 효율이 약 10% 낮다.[1] 스파크 점화 엔진에서 고옥탄 알코올과 휘발유를 연소하는 엔진에 더 높은 압축비를 사용하는 것과 유사하게, 바이오디젤의 높은 세탄가를 활용하면 일반 2호 경유에 비해 에너지 부족을 극복할 수 있다.[1]
3. 3. 2. 바이오 에탄올
'''에탄올'''(Ethanol)은 에틸알코올 또는 알코올성 음료의 알코올로도 알려져 있으며, 알코올 음료에서 흔히 발견된다. 하지만, 가솔린과 혼합하여 연료로도 사용될 수 있다. 대부분 가솔린 대비 에탄올 비율을 9:1로 사용한다.
E85(에탄올 85%, 가솔린 15%)는 대부분의 고급 가솔린보다 높은 옥탄가를 가지고 있다. 현대식 플렉서블 퓨얼 차량에 사용될 경우, 에탄올의 에너지 밀도가 낮아 연료 소비량이 증가하는 단점이 있지만, 가솔린보다 더 높은 성능을 제공한다.[3]
가솔린 및 산업용으로 사용되는 에탄올은 곡물이나 사탕수수의 발효보다 저렴한 석유 제품인 에틸렌으로 합성되기도 한다.
3. 3. 3. 바이오 부탄올
'''부탄올'''(Butanol)은 대부분의 가솔린 내연기관에서 엔진 개조 없이 연료로 사용할 수 있는 알코올이다. 박테리아인 ''아세토부티리쿰 클로스트리디엄''(''Weizmann organism''으로도 알려짐)에 의한 바이오매스 발효의 산물로, 이 과정은 1916년 하임 바이츠만이 무연 화약인 코르다이트 제조를 위한 전분으로부터 아세톤을 생산하기 위해 처음으로 설명하였다.
바이오매스 발효를 통해 생산되는 바이오 부탄올은 휘발유를 대체할 수 있는 잠재력을 가진 차세대 바이오 연료로 주목받고 있다. 2006년 6월 20일, 듀폰과 BP는 기존 에탄올 공장을 개조하여 사탕무에서 연간 34000m3의 부탄올을 생산할 것이라고 발표했다. 듀폰은 보조금 없이 배럴당 30~40달러(0.19USD~0.25USD)의 석유 가격과 경쟁한다는 목표를 설정하여 에탄올과의 가격 차이를 좁히고 있다.
3. 4. 기타 연료
액화 수소는 로켓 연료로 사용되거나, 내연 기관 또는 연료 전지의 연료로 사용될 수 있다. 수소 자동차 개념이 제시되었지만, 부피 에너지 밀도가 낮아 연소에 필요한 수소 부피가 크다는 단점이 있다. 수소는 1898년 제임스 뒤워에 의해 최초로 액화되었다.[4]
3. 4. 1. 수소
액화 수소는 수소 원소의 액체 상태이다. 액화 수소는 로켓의 로켓 연료로 사용되거나, 내연 기관 또는 연료 전지의 연료로 사용될 수 있다. 여러 수소 자동차 개념이 제시되었지만, 부피 에너지 밀도가 낮아 연소에 필요한 수소 부피가 크다는 단점이 있다. 수소는 1898년 제임스 뒤워에 의해 최초로 액화되었다.
3. 4. 2. 암모니아
암모니아(NH3)는 휘발유를 사용할 수 없었던 시기(예: 제2차 세계 대전 당시 벨기에의 버스)에 연료로 사용되었다.[4] 암모니아의 체적 에너지 밀도는 리터당 17MJ이다(수소 10MJ, 메탄올 18MJ, 디메틸 에테르 21MJ, 휘발유 34MJ와 비교).[4] 액체 연료가 되려면 압축하거나 냉각해야 하지만, 수소가 액화되는 것처럼 극저온 냉각이 필요하지는 않다.[4]
3. 4. 3. 메탄올
'''메탄올'''(Methanol)은 가장 가볍고 단순한 알코올로, 천연가스의 구성 성분인 메탄으로부터 생산된다. 메탄올은 독성(휘발유와 유사)과 높은 부식성, 그리고 물과의 혼합성 때문에 활용이 제한적이다. 소량은 옥탄가를 높이기 위해 일부 종류의 휘발유에 사용된다. 메탄올 기반 연료는 일부 경주용 자동차와 모형 비행기에 사용된다.
메탄올은 ''메틸알코올'' 또는 ''목재알코올''이라고도 불리는데, 후자는 과거 나무의 증류를 통해 생산되었기 때문이다. ''메틸 하이드레이트''라는 이름으로도 알려져 있다.
4. 환경 문제 및 지속 가능성
석유계 연료는 연소 시 이산화 탄소(이산화 탄소)(Carbon dioxide영어) 등 온실가스를 배출하여 지구 온난화를 유발한다.[1] 1리터의 연료가 연소될 때 방출되는 이산화 탄소의 양은 다음과 같이 추정할 수 있다.
- 디젤: 디젤의 화학식은 CnH2n으로 근사할 수 있다. 디젤은 다양한 분자의 혼합물이다. 탄소의 몰 질량은 12 g/mol이고 수소(원자량)의 몰 질량은 약 1 g/mol이므로 디젤에서 탄소의 중량 분율은 약 12/14이다. 디젤 연소 반응은 다음과 같다.
: 2CnH2n + 3nO2 → 2nCO2 + 2nH2O
: 이산화 탄소는 산소 2원자(16 g/mol)와 탄소 1원자(12 g/mol)로 구성되어 있으므로 몰 질량은 44g/mol이다. 따라서 12g의 탄소는 44g의 이산화탄소를 생성한다. 디젤의 밀도는 리터당 0.838kg이다. 1리터의 디젤을 연소하여 생성되는 이산화탄소의 질량은 다음과 같이 계산할 수 있다.
:
: 1리터의 디젤에서 생성되는 2.63kg의 이산화탄소는 문헌에서 찾은 값과 유사하다.
- 가솔린: 밀도가 0.75kg이고 탄소와 수소 원자의 비율이 약 6:14인 가솔린의 경우, 1리터의 가솔린이 연소될 때 탄소 배출량의 추정치는 다음과 같다.
:
대한민국은 탄소 중립 달성을 위해 친환경 액체 연료 개발 및 사용을 적극적으로 추진하고 있으며, 국제 사회와 협력하여 기후 변화 대응에 노력하고 있다.
참조
[1]
서적
The Diesel Engine, in series: commercial vehicle technology
Springer
[2]
웹사이트
AccessScience | Encyclopedia Article | Alcohol fuel
http://www.accesssci[...]
Accessscience.com
2008-11-06
[3]
문서
E85
[4]
웹사이트
Ammonia FAQs
http://www.nh3car.co[...]
2012-08-09
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