항공연료

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1. 개요

항공연료는 항공기에 사용되는 연료를 총칭하며, 제트 연료와 항공 가솔린(Avgas)으로 크게 나뉜다. 제트 연료는 등유 또는 나프타-등유 혼합물을 기반으로 하며, Jet A-1, Jet B 등이 있다. 항공 가솔린은 스파크 점화 내연 기관에 사용되며, 100LL (Low Lead) Avgas가 주로 사용된다. 최근에는 화석 연료를 대체하기 위한 바이오 연료, 수소 연료, 천연 가스 등 신규/대체 연료 개발도 진행되고 있다. 항공 연료는 에너지 함량, 밀도, 화학 조성, 세금, 인증, 안전 예방 조치 등 다양한 측면에서 관리되며, 급유 방식, 수요 예측, 오염 방지 등 안전과 효율을 위한 여러 조치가 이루어진다.

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항공 연료 - 이퓨얼
이퓨얼은 전기, 물, 이산화탄소로 생산되는 차세대 연료로, 기존 내연기관과 인프라를 활용하면서 탄소 중립적인 방식으로 탄소 배출 문제를 해결하는 데 기여할 수 있지만, 높은 생산 비용과 환경 문제 해결이 필요하다.

항공연료

2. 종류

항공 연료는 크게 두 가지 주요 유형으로 분류된다.

'''항공기용 가솔린(Avgas, 아브가스)'''는 스파크 점화 내연 기관을 구동하는 데 사용되는 연료이다. 왕복 엔진 또는 반켈 엔진을 사용하는 항공기에서 전형적으로 사용되며, 안정성, 안전성, 예측 가능한 성능을 위해 조제된다.
'''제트 연료'''는 무연 등유 (Jet A-1) 또는 납사-등유 혼합물 (Jet B)을 기반으로 하는 투명하거나 짚색을 띄는 연료이다. 디젤 연료와 유사하며, 압축 착화 엔진과 터빈 엔진 모두에 사용할 수 있다. Jet-A는 49°C 이상의 온도에서 연소하는 고품질 연료이다. 점화하기 위해 상당히 높은 온도가 필요하며, 제트 항공기 사용을 위한 순도 또는 기타 품질 검사에서 불합격된 경우, 철도 차량용 디젤 엔진과 같이 품질 요구 사항이 낮은 기타 지상 차량용으로 판매된다.^[36]

2. 1. 제트 연료

'''제트 연료'''는 무색에서 짚색을 띠는 연료로, 무연 등유(Jet A-1) 또는 나프타–등유 혼합물(Jet B)을 기반으로 한다. 디젤 연료와 유사하게, 디젤 엔진 또는 가스터빈 엔진에서 사용할 수 있다.^[1]

Jet-A는 인화점이 높아 안전성이 높은 등유 기반 연료이다. 고품질 연료이며, 제트 항공기 사용에 대한 순도 및 기타 품질 테스트에 실패하면 철도와 같이 요구 사항이 덜 까다로운 지상 기반 사용자에게 판매된다.^[3]

2. 1. 1. Jet A-1

Jet A-1은 현대 상업 여객기에 동력을 공급하는 연료로, 순수 등유와 동결(응고) 방지제의 혼합물이며 49°C 이상의 온도에서 연소한다. 등유 계열 연료는 가솔린 계열 연료보다 인화점이 높아 점화를 위해서는 더 높은 온도가 필요하다. Jet A-1은 고품질 연료이며, 제트 항공기 사용을 위한 순도 또는 기타 품질 검사에 불합격하면 철도 차량용 디젤 엔진과 같이 품질 요구 사항이 낮은 다른 지상 차량용으로 판매된다.^[36]

2. 1. 2. Jet B

Jet B는 나프타-등유 혼합물이다. Jet A-1보다 어는점이 낮아 극지방 등 추운 환경에서 사용된다.

2. 1. 3. 대한민국 현황

대한민국에서는 주로 Jet A-1을 사용하며, 군용 항공기에는 JP-8 (Jet A-1에 부식 방지제, 결빙 방지제 등을 첨가한 연료)을 사용하기도 한다.^[1]

2. 2. 항공 가솔린 (Avgas)

'''항공 가솔린'''('''아브가스''', aviation gasolline) 또는 '''항공 휘발유'''는 주로 소형 항공기, 경헬리콥터, 빈티지 피스톤 엔진 항공기 등 왕복 엔진을 사용하는 항공기에 사용되는 연료이다. 자동차에 사용되는 일반적인 가솔린(영국: 휘발유)과는 제형이 다르며, 항공 분야에서는 "모가스" 또는 "자가스"라고 불린다.^[4] 옥탄가가 일반 자동차 가솔린보다 훨씬 높다.

'''항공기용 가솔린'''(Avgas, 아브가스, '''av'''iation '''gas'''oline의 약칭)은 스파크 점화 내연 기관을 구동하는 데 사용되는 연료이다.

2. 2. 1. 특징

항공 가솔린(아브가스, aviation gasoline) 또는 항공 휘발유는 소형 항공기, 경헬리콥터, 그리고 빈티지 피스톤 엔진 항공기에 사용되는 연료이다. 아브가스의 제형은 자동차에 사용되는 일반적인 가솔린(영국: 휘발유)과는 다르며, 항공 분야에서는 일반적으로 "모가스" 또는 "자가스"라고 불린다.^[4] 여러 등급으로 출시되지만, 일반적으로 옥탄가가 일반 자동차 가솔린보다 훨씬 높다. 항공기용 가솔린은 광범위한 환경에서의 안정성, 안전성, 예측 가능한 성능을 위해 조제되며, 왕복 엔진 또는 반켈 엔진을 사용하는 항공기에서 전형적으로 사용된다.

2. 2. 2. 대한민국 현황

대한민국에서는 주로 100LL (Low Lead) Avgas가 사용되며, 일부 경비행기 및 훈련기에서 사용된다.

2. 3. 신규/대체 항공 연료

기존 화석 연료 기반 항공 연료를 대체하기 위한 다양한 연료들이 개발 및 연구되고 있다.

천연가스를 이용한 압축 천연가스(CNG), 액화 천연가스(LNG)는 투폴레프 Tu-155^[12], 보잉의 SUGAR Freeze 항공기, NASA의 N+4 계획 등에서 항공기 동력 연료로 연구되었다.^[11] 그러나 액체 상태에서도 천연 가스는 기존 연료에 비해 비 에너지가 낮아 비행 시 뚜렷한 단점으로 작용한다.

수소는 풍력 발전 및 태양광 발전과 같은 재생 에너지를 통해 생산될 경우 탄소 배출 없이 사용할 수 있다. 수소 연료 전지는 이산화 탄소(CO₂) 또는 기타 배출물(물 제외)을 생성하지 않지만, 수소 연소는 질소산화물(NO_x) 배출물을 생성한다.^[13]

2. 3. 1. 바이오 연료

바이오매스를 원료로 하는 액체 연료(예: 지속 가능한 항공 연료) 및 특정 식물성 오일은 화석 기반의 기존 항공 연료를 대체할 수 있다.^[5]

지속 가능한 항공 연료는 연료 특성이 윤활성 및 밀도에 대한 사양을 충족하고, 현재 항공기 연료 시스템의 엘라스토머 씰을 적절하게 팽창시키는 경우 항공기 자체에 대한 수정이 거의 또는 전혀 필요하지 않다는 장점이 있다.^[6] 지속 가능한 항공 연료와 화석 연료 및 지속 가능한 대체 연료 혼합물은 입자^[7] 및 온실 가스 배출량을 줄인다. 그러나 현재 기존의 항공 연료보다 훨씬 더 비싸다는 점과 같은 정치적, 기술적, 경제적 장벽 때문에 널리 사용되지 않고 있다.^[8]^[9]^[10]

보트리오코커스 브라우니나 녹조류 등을 이용한 바이오 연료, 식물 유래 연료 개발이 진행되고 있다.

2. 3. 2. 수소 연료

수소는 풍력 발전 및 태양광 발전과 같은 재생 에너지를 통해 생산될 경우 탄소 배출 없이 사용할 수 있다. 수소 연료 전지는 이산화 탄소(CO₂) 또는 기타 배출물(물 제외)을 생성하지 않는다. 그러나 수소 연소는 질소산화물(NO_x) 배출물을 생성한다.^[13]

극저온 수소는 20K 미만의 온도에서 액체 상태로 사용할 수 있다. 기체 수소는 250–350 bar의 가압 탱크를 사용한다.^[13] 2020년대에 사용 가능한 재료로는 이와 같은 고압을 견딜 수 있을 만큼 튼튼한 탱크의 질량이 수소 연료 자체보다 훨씬 커서 탄화수소 연료에 비해 수소 연료의 무게 대비 에너지 이점을 크게 상쇄한다. 수소는 탄화수소 연료에 비해 부피가 크다는 단점이 있지만, 미래의 블렌디드 윙 바디 항공기 설계는 젖은 표면적을 크게 늘리지 않고 이 추가 부피를 수용할 수 있을 것이다.

수소 동력 항공기 기술 개발은 2000년대 이후 시작되어 2020년경부터 본격화되었지만, 2022년 현재까지 항공기 제품 개발과는 거리가 멀다.

2. 3. 3. 기타 대체 연료

압축 천연 가스(CNG) 및 액화 천연 가스(LNG)는 항공기 연료로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다.^[11] NASA의 N+4 첨단 개념 개발 프로그램 중 하나인 "SUGAR Freeze" 항공기 (보잉의 초음속 울트라 그린 항공기 연구 (SUGAR) 팀에서 제작)는 천연 가스 사용의 타당성을 연구하는 사례이다. 투폴레프 Tu-155는 LNG를 연료로 사용한 대체 연료 시험기였다.^[12] 그러나 액체 상태에서도 천연 가스는 기존 연료에 비해 비 에너지가 낮아 비행 시 뚜렷한 단점으로 작용한다.

3. 생산

항공유 생산은 가스터빈 엔진용 연료와 스파크 점화 피스톤 엔진용 연료, 두 가지 범주로 나뉜다. 각 연료에는 국제 규격이 존재한다.^[15]

제트 연료는 프로펠러기와 제트 고정익 항공기, 헬리콥터에 사용되는 가스터빈 연료이다. 저온에서 낮은 점도를 가지며, 밀도와 발열량 범위가 제한적이며, 깨끗하게 연소하고, 고온에서도 화학적으로 안정적이다.^[15]

항공 가솔린은 종종 "avgas" 또는 "100-LL"("저납")로 불리며, 항공기용 고도로 정제된 가솔린이다. 순도, 노킹 방지 특성, 점화 플러그 오염 최소화에 중점을 둔다. Avgas는 이륙 시 필요한 농후 혼합 조건과 연료 소비를 줄이기 위해 순항 중에 사용되는 희박 혼합 조건 모두에 대한 성능 지침을 충족해야 한다. 항공유는 압축천연가스(CNG) 연료로 사용될 수 있다.

Avgas는 제트 연료보다 훨씬 적은 양으로 판매되지만, 많은 개별 항공기 운영자에게 판매된다. 반면 제트 연료는 항공사 및 군대와 같은 대형 항공기 운영자에게 대량으로 판매된다.^[16]

'''제트 연료'''는 무연 등유 (Jet A-1) 또는 납사-등유 혼합물 (Jet B)을 기반으로 하는 투명하거나 짚색을 띄는 연료이다. 디젤 연료와 유사하며, 압축 착화 엔진과 터빈 엔진 모두에 사용할 수 있다.

Jet-A는 현대 상업 여객기에 동력을 공급하며, 순수 등유와 동결(응고) 방지제의 혼합물로, 49°C 이상의 온도에서 연소한다. 등유 계열 연료는 가솔린 계열 연료보다 훨씬 높은 인화점을 갖는다. 이는 점화하기 위해 상당히 높은 온도가 필요함을 의미한다. Jet-A는 고품질 연료이다. 제트 항공기 사용을 위한 순도 또는 기타 품질 검사에서 불합격된 경우, 철도 차량용 디젤 엔진과 같이 품질 요구 사항이 낮은 기타 지상 차량용으로 판매된다.^[36]

4. 에너지 함량

항공 연료의 순 에너지 함량은 구성에 따라 달라진다.^[17] 몇 가지 일반적인 값은 다음과 같다.

연료 종류	에너지 함량 (MJ/kg)	15 °C 에서의 밀도 (kg/m³)	에너지 함량 (MJ/L)
BP Avgas 80	44.65MJ/kg	690kg/m³	30.81MJ/L
케로신 타입 BP Jet A-1	43.15MJ/kg	804kg/m³	34.69MJ/L
케로신 타입 BP Jet TS-1 (저온용)	43.2MJ/kg	787kg/m³	/L

5. 밀도

성능 계산에서 항공기 제조업체는 제트 연료의 밀도를 약 0.8kg/L으로 사용한다.^[18]

구체적인 사례는 다음과 같다.

제조업체	항공기	연료 밀도 (kg/L)
봄바디어 항공우주	챌린저 멀티롤 항공기^[18]	0.809kg/L
엠브라에르	E195^[19]	0.811kg/L

6. 화학 조성

항공 연료는 2,000개가 넘는 화학 물질의 혼합물로 구성되며, 주로 탄화수소(파라핀, 올레핀, 나프텐, 방향족)와 산화 방지제, 금속 불활성화제, 살생물제, 정전기 방지제, 결빙 방지제, 부식 방지제 및 불순물과 같은 첨가제로 구성된다.^[20] 주요 구성 요소에는 n-헵탄과 이소옥탄이 포함된다.^[20]

7. 세금

국제민간항공협약(ICAO) (1944년 시카고, 제24조)은 착륙 시 항공기에 이미 적재된 항공 연료에 대해 수입세를 면제한다.^[24] 양자간 항공 운송 협정도 항공 연료의 세금 면제를 규정한다.^[25] 그러나 EU 주도로 이러한 협정의 상당수가 과세를 허용하도록 수정되었다. 저탄소 배출 이동성을 위한 유럽 전략에 대한 유럽 의회 결의안은 "항공용 등유 과세를 위한 조화된 국제적 조치의 가능성"을 탐구할 필요가 있다고 명시했다.^[26]

지역 항공 연료세로 인해 항공사가 저세율 관할 구역에서 추가 연료를 운반하는 탱커링이 증가할 수 있다는 우려가 있다. 추가 중량은 연료 소비를 증가시키므로, 지역 연료세는 잠재적으로 전체 연료 소비를 증가시킬 수 있다.^[24] 이러한 탱커링 증가를 방지하기 위해 전 세계 항공 연료세가 제안되었다. 호주와 미국은 전 세계 항공 연료세에 반대하지만, 다른 여러 국가들은 관심을 표명했다.

영국 의회 토론에서 항공 연료에 대한 세금 면제로 인한 손실된 세수입은 연간 100억파운드로 추산되었다.^[27]

2014년 국제 항공을 유럽 연합 배출권 거래제에 포함하려는 계획에 대해 미국과 중국을 포함한 국가들이 시카고 협약을 인용하며 "불법적인 세금"이라고 비판했다.^[28]

8. 인증

연료는 형식 증명 항공기에서 사용 승인을 받기 위해 사양을 준수해야 한다. 미국 재료 시험 협회(ASTM)는 항공 가솔린에 대한 사양을 개발했다. 항공 가솔린의 경우 ASTM D910 및 ASTM D6227 사양을 따른다.^[36]

9. 사용

항공 연료는 중앙 유럽 파이프라인 시스템(CEPS)과 같은 파이프라인이나 유조선, 보우저를 통해 공항으로 운송된다. 이후 항공기나 헬리콥터로 급유된다. 일부 공항에는 항공기가 직접 이동하여 급유받는 주유소와 유사한 펌프가 있으며, 대형 항공기를 위해 주기장까지 연결된 배관이 설치된 곳도 있다.

9. 1. 급유 방식

항공 연료는 일반적으로 중앙 유럽 파이프라인 시스템(CEPS)과 같은 파이프라인 시스템을 통해 공항에 도착하며, 유조선이나 보우저에서 펌핑되어 공급된다. 연료는 주차된 항공기와 헬리콥터로 운반된다. 일부 공항에는 항공기가 택시를 타야 하는 주유소와 유사한 펌프가 있으며, 대형 항공기를 위한 주차 구역까지 영구적인 배관이 설치된 공항도 있다.

항공 연료는 오버윙(Overwing) 또는 언더윙(Underwing)의 두 가지 방법 중 하나를 통해 항공기로 옮겨진다.

Overwing 급유 방식은 소형 비행기, 헬리콥터 및 모든 피스톤 엔진 항공기에 사용된다. Overwing 급유 방식은 자동차 급유 방식과 유사하다. 즉, 하나 이상의 연료 포트를 열고 일반적인 펌프로 연료를 주입한다.

언더윙 급유는 단일 지점 급유 또는 중력에 의존하지 않는 압력 급유라고도 하며, 대형 항공기에서 사용되며 제트 연료 전용으로 사용된다.

압력 급유의 경우, 고압 호스가 연결되어 연료가 275 kPa (40 psi)에서 최대 310 kPa (45 psi)로 대부분의 상업용 항공기에 주입된다. 군용 항공기, 특히 전투기의 압력은 최대 415 kPa (60 psi)이다. 탱크에서 밀려나는 공기는 일반적으로 항공기의 단일 통풍구를 통해 배출된다. 부착 지점이 하나뿐이므로 탱크 간의 연료 분배는 급유 지점 또는 조종석의 제어판에서 자동화되거나 제어된다. 압력 급유의 초기 사용 사례는 드 해빌랜드 코멧 및 쉬드 아비에이션 카라벨에 있었다.^[29] 대형 항공기는 두 개 이상의 부착 지점을 허용하지만, 두 부착 지점 모두 모든 탱크에 연료를 공급할 수 있으므로 이것 역시 단일 지점 급유라고 한다. 여러 개의 부착 지점을 사용하면 더 빠른 유속을 낼 수 있다.

9. 2. 연료 오염 방지

항공 가솔린(아브가스)과 제트 연료를 혼동하는 위험을 방지하기 위해 여러 예방 조치가 취해진다. 우선, 항공 가솔린을 사용하는 항공기의 연료 탱크 주입구는 지름이 60mm를 초과할 수 없다. 또한 항공 가솔린은 종종 염료로 착색되며, 연료 공급 노즐의 지름은 40mm(미국에서는 49mm)이다.^[30]^[31]

반면, 제트 연료는 투명하거나 옅은 황갈색이며, 'J 스포트' 또는 '오리 주둥이'라고 불리는 특수 노즐을 통해 공급된다. 이 노즐은 대각선으로 60mm보다 큰 직사각형 개구부를 가지고 있어 항공 가솔린 주입구에는 들어갈 수 없다. 다만, 일부 제트기 및 터빈 항공기는 연료 공급구가 작아 더 작은 노즐이 필요하다.

10. 수요 예측

항공 연료 수요 예측은 점점 더 변동성이 커지는 연료 시장 상황에서 중요한 요소가 되고 있다. 특히 급변하는 항공 스케줄과 항공기에 과도한 연료를 싣지 않으려는 경향 때문에 수요 예측의 중요성이 커졌다. 2022년 3월, 오스틴-버그스트롬 국제공항에서는 연료 부족으로 항공기 운항에 차질이 생길 뻔한 사례도 있었다.^[32]

일반적인 예측 기술에는 다음과 같은 요인들이 고려된다.^[33]

항공사 스케줄 및 노선 추적
예상 비행 거리
지상 절차
각 항공기의 연료 효율
날씨와 온도 등 환경 요인의 영향

11. 안전 예방 조치

항공기가 공중을 비행하면서 정전기가 축적될 수 있다. 급유 전에 이것이 방전되지 않으면 전기 아크가 발생하여 연료 증기에 불이 붙을 수 있다. 이를 방지하기 위해 급유를 시작하기 전에 항공기를 급유 장치에 전기적으로 접지하고, 급유가 완료될 때까지 분리하지 않는다. 일부 지역에서는 항공기 및/또는 급유 트럭도 접지해야 한다.^[34] 압력 급유 시스템에는 무인 작동을 방지하는 데드맨 스위치가 통합되어 있다.

항공 연료는 심각한 환경 피해를 일으킬 수 있으므로, 모든 급유 차량은 연료 유출을 제어할 수 있는 장비를 갖추어야 한다. 모든 급유 작업에는 소화기가 있어야 한다. 공항 소방대는 항공 연료 화재 및 유출을 처리하도록 특별히 훈련되고 장비를 갖추고 있다. 항공 연료는 매일, 그리고 비행 전에 물이나 먼지와 같은 오염 물질이 있는지 점검해야 한다.

항공 가솔린(Avgas)은 유일하게 납을 함유한 운송 연료이다. 항공 가솔린의 납은 갑작스러운 엔진 고장을 초래할 수 있는 엔진 노킹 또는 폭발을 방지한다.

참조

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