일부 사람들에게는 놀랍게 들릴지 모르겠지만, 기후 변화 대응 조치에서 주목을 받고 있음에도 불구하고 국제에너지기구 (IEA)에 따르면 항공 산업이 전 세계 에너지 관련 이산화탄소 배출량에서 차지하는 비중은 고작 2%에 불과합니다. 하지만 이 부문은 빠르게 성장하고 있습니다. 최근 수십 년 동안 이 부문의 성장 속도는 철도, 도로, 해운을 앞질렀으며, IEA는 최신 항공기 도입으로 인한 효율성 향상만으로는 이 부문의 확장을 따라잡기 어려울 것으로 전망하고 있습니다. 따라서 항공 산업의 탈탄소화를 위해서는 단순히 더 효율적인 항공기를 도입하는 것 이상의 창의적인 해결책이 필요하다는 것이 분명합니다.
전기 및 하이브리드 추진 기술
이전 기사에서 설명한 바와 같이, 보다 친환경적인 항공기 추진 시스템을 개발하는 데 있어 근본적인 문제는 에너지 밀도입니다. 지상 교통 수단의 대부분은 전동화로의 전환 추세를 보이고 있습니다. 그러나 적당한 크기의 완전 전기식 상업용 여객기를 제작하려면 항공기 자체 무게보다 약 10배 더 무거운 배터리가 필요합니다. 또한 배터리 구동 방식은 연료를 연소함에 따라 항공기 무게가 줄어들어 비행이 진행될수록 효율이 향상되는 이점을 상실하게 합니다. 따라서 완전 전기식 상업용 항공기가 실현될 가능성이 조금이라도 생기려면 배터리 기술에 획기적인 개선이 이루어져야 합니다.
최근 몇 년간 하이브리드 전기 추진 분야에서는 지속적인 발전이 이루어져 왔다. 에어버스은 하이브리드 기술에 막대한 투자를 단행했으며, 르노 및 ST마이크로일렉트로닉스와 협력하여 기술 발전을 도모하고 있습니다. 에어버스의‘항공기 하이브리드화 원리’는 자원 배분에 중점을 둡니다. 항공기는 비행 중 다양한 에너지원을 조합하거나 개별적으로 사용하며 동적으로 전환합니다. 에어버스는 자사의 에너지 관리 시스템이 기존 기술에 비해 연료 소비를 최대 5%까지 절감할 것이라고 주장합니다.
이는 유망한 진전이지만, 이 정도 규모의 발전만으로는 항공 부문의 배출 문제를 해결할 수 없다는 점은 분명합니다.
에어버스는 또한 다헤르(Daher ) 및 사프란(Safran)과 협력하여 개발한 분산 추진 하이브리드 전기 항공기인‘에코펄스(EcoPulse)’의 개발에도 참여해 왔습니다. 이 컨셉은 2023년 파리 에어쇼에서 공개되었으며, 항공기 성능 측면에서 분산 추진 방식이 갖는 장점을 부각하는 것을 목표로 합니다. 분산 추진 방식은 필요한 추력을 여러 대의 소형 엔진에 분배하는 방식입니다. 에어버스에 따르면 에어버스에 따르면에 따르면, 이를 통해 “순항 및 이착륙 성능 향상, 여러 프로펠러 간의 동기화 개선을 통한 객실 소음 감소, 꼬리 날개 면적 감소와 항공기 제어 능력 향상을 통한 에너지 절감 효과 증대”가 가능해집니다. 이 기술은 아직 초기 단계에 있으며, 시제기의 누적 비행 시간이 27시간에 불과해 효율성에 대한 구체적인 데이터는 공개되지 않았습니다. 그러나 다헤르(Daher) 의 최고기술책임자(CTO) 파스칼 라게르(Pascal Laguerre)는 “이번 시연 프로그램을 바탕으로 향후 제품 로드맵을 수립하고, 5개년 계획이 끝날 무렵 생산할 예정인 하이브리드 항공기의 기본 사양을 확정할 계획입니다. 2027년 말까지 첫 번째 하이브리드 항공기를 시장에 선보일 수 있을 것으로 기대합니다”라고 밝혔습니다.
롤스로이스 또한 자체 하이브리드 전기 추진 시스템을 개발해 왔습니다. 이 회사는 첨단 항공 모빌리티(AAM) 시장(예: 최대 19석 규모의 단거리 통근용 항공기 등)에 사용하기 위해 설계된, 소형 고출력 터빈으로 구성된 터보발전기 시스템을 개발했습니다. 이 터보발전기 시스템은 500kW에서 1,200kW 사이의 전력을 생산할 수 있어, 목표 대상인 단거리 용도에 안성맞춤이다. 그러나 장거리 상업용 항공기 운항에는 여전히 몇 차수나 더 작은 규모이다.
가스-액체 전환(GTL) 기술
앞서 언급한 바와 같이, 가스-액체 전환(GTL) 기술이 대형 상업용 항공기에 가장 실용적인 해결책이 될 수 있을 것으로 보인다. 이 가스-액체 전환 공정은 쉘(Shell) 이 수십 년에 걸쳐 개발해 온 것으로, 세 단계로 이루어집니다. 첫째, 천연가스의 부분 산화를 통해 주로 수소와 일산화탄소로 구성된 ‘합성가스’가 생성됩니다. 이 합성가스는 이후 촉매 전환 공정을 거쳐 액체 탄화수소로 변환됩니다. 마지막으로, 기존의 분해 및 이성질화 기술을 활용하여 원하는 탄화수소 사슬을 만들 수 있습니다.
최근 몇 년간 가스-액체(GTL) 시장은 확대되어 2022년 시장 규모가 148억 달러를 기록했으며, 2030년까지 244억 달러에 달할 것으로 전망되고 있다. 이러한 수치의 주요 요인으로는 상업 항공 산업의 수요 증가가 꼽혔습니다. 정부와 규제 당국이 항공 부문 기업들에게 배출량 감축을 더욱 강력히 요구함에 따라, GTL 기술은 훨씬 더 실현 가능한 해결책으로 부상하고 있습니다. 촉매 제조 및 반응기 설계 분야의 기술 발전으로 전환율이 높아지고 자본 비용이 감소함에 따라 투자자들에게 기대되는 수익 잠재력도 커지고 있다. 예를 들어, 쉘(Shell)은 GTL 전환에 필요한 촉매를 3D 프린팅으로 제작하는 공정을 개발했다. 3D 프린팅 촉매는 물질의 거시적 및 미시적 구조를 보다 정밀하게 제어할 수 있게 함으로써 생산 속도를 높이고, 원자재 낭비를 줄이며, 촉매 효율을 향상시킬 잠재력을 지니고 있다.
GTL 공정에 동력을 공급하다
이러한 발전에도 불구하고, GTL의 가장 큰 문제는 여전히 공정에 필요한 전력을 공급할 지속 가능한 에너지원을 확보하는 데 있다. 원자력 발전은 본질적으로 논란의 여지가 있지만, 그 극도로 높은 에너지 밀도가 풍력이나 태양광과 같은 논란이 덜한 경쟁 에너지원을 훨씬 능가한다는 사실은 부인할 수 없다. NIA는 최근 보고서를 통해 영국이 “원자력을 활용한 무배출 합성 연료 생산 분야에서 세계적 선도국으로 도약할 ‘절호의 기회’를 가지고 있다”고 밝혔다. 이 보고서는 미래 탄소 배출에 대한 현재의 이론적 모델들이 원자력 사용 확대가 가져다줄 잠재적 이점을 과소평가하고 있다고 주장한다. 미국에서는 에너지부가 옥시온 에너지(Oxeon Energy )가 주관하는 2,000만 달러 규모의 프로젝트에 자금을 지원하여 원자력을 통해 합성 연료를 생산하고 있다.
원자력은 그 효용성이 지속적으로 입증되어 왔으며, 기상 조건에 영향을 받지 않아 급변하는 항공 산업의 수요를 충족하는 데 필요한 안정적인 전력 공급이 가능합니다. 또한, 원자로에서 발생하는 잉여 열과 원자력으로 생산된 전기를 모두 GTL 공정에 활용할 수 있어 효율을 크게 높일 수 있습니다. 롤스로이스(Rolls Royce)가 개발 중인 소형 모듈형 원자로(SMR)는 롤스로이스 가 주도하는 소형 모듈형 원자로(SMR) 개발은 전국 각지에 다수의 합성 연료 생산 시설을 설치할 수 있게 함으로써, 원자력을 기반으로 한 GTL 생산의 실현 가능성을 한층 더 높일 것으로 기대됩니다. SMR 원자로는 모든 주요 공항에 도입될 수 있으며, 항공기용 합성 연료는 물론 공항과 인근 주민들을 위한 전력 및 열을 동시에 공급할 수 있습니다.
항공 산업이 지속적으로 성장함에 따라, 업계 주요 기업들은 더욱 지속 가능한 솔루션을 도입해야 한다는 압박을 받게 될 것입니다. 에너지 밀도상의 제약으로 인해 현재 형태의 상업용 항공기는 당분간 계속 사용될 것으로 보입니다. 그러나 SMR 원자로의 확장성과 상대적으로 낮은 비용 덕분에, 이 원자로들은 항공 산업의 더 친환경적인 미래를 위해 중요한 기여를 할 잠재력을 지니고 있습니다.
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“항공 산업의 탈탄소화를 위해서는 단순히 더 효율적인 항공기를 도입하는 것 이상의 창의적인 해결책이 필요할 것입니다.”
