100% 바이오 기반의 고밀도 재생 경유와 항공유 개발하는 미국 해군
Isomerization/dimerization of β-pinene. Source: Meylemans et al.
미국 해군의 NAWCWD(Naval Air Warfare Center Weapons Division) 소속 연구팀이 합성 파라피닉 케로센(5-methylundecane)과 세스키테르펜(sesquiterpane)들을 혼합함으로써 100% 바이오 기반의 고밀도 재생 경유와 항공유를 생산하고 있다. 새로운 합성을 통해 생산된 재생 연료들은 석유 기반의 연료들보다 높은 밀도와 연소 열량을 가지며 동시에 전통적인 경유 엔진들에서 이용하기 위해 필요한 높은 세탄가(45-57 사이)를 유지한다.
연구팀은 바이오 기반의 세스키테르펜들과 파라핀계 물질들을 혼합함으로써 동등하거나 또는 보다 우수한 성능의 연료들이 제조될 수 있음을 연구 결과가 보여준다고 말했다. 모든 성분들이 발효와 촉매 분해를 통해서 얻어지는 바이오매스 단당류들로부터 생산될 수 있다. 발효와 촉매 분해 공정은 산업적 규모에서 단당류들을 생산할 수 있다고 연구팀은 언급했다. 관련된 연구 결과들은 저널(Energy & Fuels)에 발표되었다.
연구팀은 항공과 경유 엔진들을 위한 재생 연료들에 대한 최근 연구들이 합성 파라핀계 케로센(synthetic paraffinic kerosene, SPK)에 집중되고 있다고 말했다. 이 연료들은 경유와 터빈들에서 사용될 수 있는 매력적인 특성들을 보유하고 있다. SPK들은 청정하게 연소되고 연료에 아로마계 성분들이 존재하지 않기 때문에 코크 또는 아로마틱계 고분자들을 적게 발생시킨다.
아로마틱 성분들과 나프텐들이 연료에 거의 포함되지 않는다는 점은 연료 밀도를 감소시키기 때문에 부정적인 효과도 제공한다. 더욱이 아로마틱 혼합물들은 오링들과 밀봉들을 부풀리는 성질 때문에 다수의 시스템들에서 엔진의 무결성을 위해 필요하다. 나프텐들은 전통적으로 경유의 45%를 차지하고 아로마틱 성분들은 25%를 차지한다. 항공 연료들은 35%의 나프텐들과 20%의 아로마틱 성분들을 함유하고 있다. 전통적인 경유에 나프텐들, 아로마틱 혼합물들, 파라핀들의 혼합은 0.825~0.850g/mL의 밀도를 가지도록 해준다. 동시에 석유 기반의 항공 연료들은 대략 0.81g/mL의 밀도들을 가진다.
반대로 재생 연료들은 C10-C14 범위의 순수한 파라핀 또는 이소파라핀계 탄화수소 성분들을 함유하고 있으며 이로 인해서 대략 0.73~0.76g/mL의 밀도를 가진다. 평균 분자량이 높은 성분들이 함유된 재생 경유의 밀도는 최대 0.78g/mL이다. 재생 연료의 낮은 밀도를 해결할 수 있는 방법은 고밀도의 나프텐들과 파라핀계 성분들을 혼합하는 것이다. 테프펜노이드들은 소나무 수지에서 분리되거나 바이오 합성 방법들로 생산될 수 있는 재생 나프텐 성분들의 잠재적인 경쟁 자원들이다. 다수의 연구자들이 바이오 기반의 나프텐 물질들을 연구해오고 있다. 이 물질들의 일부는 0.94g/mL의 높은 밀도를 가지고 있으며 이들의 점도는 구조와 분자량에 따라서 다르다.
NAWCWD 연구자들은 고밀도의 바이오 연료들을 수년간 연구해오고 있다. 2014년에 NAWCWD 연구팀은 전통적인 항공 연료보다 최대 13% 높은 133,000~141,000Btu/gal의 열량을 지닌 고밀도 재생 연료들이 세스키테르펜들의 이성 촉매 분해를 통해서 생산될 수 있음을 시연하였다. 최근 연구는 100%의 바이오 기반의 고밀도 재생 연료와 항공 연료를 가능케 하는 혼합 물질로서 세스키테프렌들의 이용을 조사하고 있다. 세스키테르펜들은 혼합물의 고밀도와 열량 증가에 기여한다. 사슬형 파라핀계 성분들은 점도를 낮추고 세탄가를 증가시킨다.
논문에서 연구자들은 65%의 세스키테르펜들과 35%의 5-methylundecane을 이용하여 45.7의 세탄가와 0.853g/mL의 밀도, 134kBtu/gal의 열량의 가지는 경유 연료를 제조하였다. 부피비로 60%까지 파라핀 물질들의 양을 증가시킴으로써 연구자들은 57.0의 세탄가, 0.806g/mL의 밀도, 8.3mm2/s의 -20도 동점도, 124.6kBtu/gal의 열량을 가지는 항공 연료로 제조하였다.
원문출처 : http://www.greencarcongress.com/2015/03/20150306-navy.html
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-03-10
http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=255221&cont_cd=GT