연료

연료(Fuel)은 열에너지를 얻기 위해 연소하는 물질로, 석유, 석탄, 가스 등이 해당된다.

개요

연료는 땅 속에 파묻힌 동물이나 식물의 유해가 오랜 세월동안 고온과 고압의 조건에서 화학 반응을 거쳐서 만들어진 탄소 화합물로 구성된 물질이다. 과거에는 장작, 솔가지, 잡목 줄기, 낙엽, 짚, 건초 등 임산연료를 사용하였지만 현재는 석탄, 석유, 천연가스와 같은 지하매장자원 등과 같은 화석연료의 이용으로 변화하였다.

역사

연료의 역사는 인류가 불을 사용한 때부터 시작하여 처음에는 따뜻하게 하거나 물체를 태우거나 또는 물을 끓이기 위해서 나무를 연소시켰다. 이후 석유, 석탄 등의 이용이 구약성서에 기록되어 있고, 5세기 영국에서는 석탄채굴이 시작되어 여러 용도의 연료로 사용되었다. 중국에서는 한나라 때 석탄을 환원제로 써서 동화를 주조했다고 한다. 9세기에는 독일의 작센에서도 석탄채굴이 시작되었고, 12∼13세기에는 영국과 독일에서 주조물, 단조물, 염색물, 도자기, 유리, 벽돌 등을 제작하는 데 연료로 쓰이는 목재의 부족을 보충하기 위해 본격적인 채탄이 시작되었다. 1600년 무렵에는 영국의 석탄생산량이 이미 100만t에 이르렀고 1610년 독일에서는 목탄을 사용하는 용광로 방식의 제철법이 발명되었으며, 1620년에는 영국의 더들리 더들리가 목탄 대신에 생석탄을 사용했다. 1735년에는 데이비에 의해 코크스를 사용하는 제철법의 원형이 완성되었고 그 후, 철생산량은 비약적으로 증가하여 영국에서는 1720년 연간생산량 1.7만t, 1806년에는 25만t, 50년에는 270만t으로 늘어났고, 석탄소비량도 급증하였다. 1765년 영국의 제임스 와트에 의한 석탄동력을 이용한 증기기관의 개량은 획기적인 사건이었으며, 이로써 석탄이 연료의 주류를 차지하게 되었다. 또한 18세기 말부터 석탄건류가스에 의한 가스등의 보급은 런던, 파리 등의 낭만적 분위기를 조성하는 데 도움이 되었다. 동시에 본격적인 석탄의 가스화도 시작되어 도시가스로서 널리 보급되었다. 그러나 1879년 미국의 토머스 에디슨이 백열전구를 발명함에 따라 조명용 석탄의 사용은 급속히 쇠퇴하였고, 동력으로 석탄을 이용하던 것도 모터의 발달에 의해 점차 전력으로 대체되어 갔다. 그러나 제 2 차세계대전 후 새로 발견된 중동의 대규모 유전을 배경으로 풍부하고 값싼 석유가 공급되면서 세계의 연료는 빠른 속도로 석유로 대체되었다. 동시에 원자력발전도 개발되어 석탄의 사용은 급속히 감소되었다. 1973년 석유수출국기구(OPEC)의 담합에 의한 석유값의 갑작스런 폭등은 연료의 석유의존도에 대해 재검토하게 되는 계기가 되었고, 그에 따라 석탄의 이용이 잠시 증가하기도 하였다.

종류

고체 연료

고체 연료는 형태가 고체로 된 연료로서, 장작, 석탄, 숯, 코크스, 바이오매스 등이 대표적이다. 초산칼슘의 포화 용액에 알콜이 들어가게 되면 초산칼슘에 알콜이 스며드는 동시에 초산칼슘 입자가 알콜을 감싸며 서서히 고체 상태로 모양을 변형시켜 만들어진다. 알코올에 녹은 비누가루 용액이 천천히 콜로이드 상태의 겔로 형성되면서 덩어리로 된 알코올은 불에 잘 붙어 연료로 사용할 수 있다. 하지만 고체 연료는 시간이 지남에 따라 알콜이 기화하므로 고체연료 덩어리 자체가 너무 굳어지기 때문에 너무 오래 날짜가 지나면 화력이 약해지거나 불이 붙지 않은 경우도 있다.

• 석탄 : 우리나라의 부존 에너지는 최근 대륙붕에서 발견된 소량의 천연가스를 제외하고는 석탄만이 유일한 에너지 자원이고 우리나라의 에너지 해외 의존도는 놀랍게도 99년 기준 97.3%나 된다. 또한 석탄은 우리나라의 1차 에너지 소비구조 중 수입 석탄을 포함하여 약 19.9%의 점유율을 차지하고 있다. 전세계적으로 석유나 가스의 가용년수가 상대적으로 석탄에 비해 낮으며, 에너지 자원의 고갈은 인류의 멸망을 초래할 수도 있으므로 이의 방지를 위해서는 에너지원의 균형있는 개발과 대체 에너지의 개발이 무엇보다 중요하다. 따라서 전세계 에너지원에 있어서 석탄의 역할이 무엇보다 중요할 것이다.

• 바이오매스 : 광합성에 의해 생성되는 다양한 조류 및 식물자원 등을 말하는 것으로 유기성 폐자원인 톱밥, 볏짚 등 농/임업 수산물, 하수를 포함한 각종 유기성 산업 슬러지, 음식물 쓰레기, 축산 분뇨 등을 모두 바이오매스 자원이라고 칭한다. 바이오매스는 에너지 문제를 해결할 수 있는 차세대 고체 연료로 재생과 재활용이 모두 가능하며 친환경적이고 언제 어느 곳에서나 쉽게 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한 오염물질을 배출하지 않아 바이오매스의 자원인 죽은 나무나 나뭇잎 등을 태울 때 생기는 이산화탄소는 식물이 썩을 때 나오는 양과 크게 차이가 없어 온실가스를 추가로 만들지 않아 환경오염 저감 효과를 가져올 수 있다. 바이오매스 에너지는 옥수수, 사탕수수, 감자 등의 곡물이나 나무, 볏짚 등 식물의 당분을 발효시켜 만드는 바이오에탄올과 대두유, 폐식용유, 팜유 등 식물성 기름을 추출해 만드는 바이오디젤, 음식물 쓰레기, 동물체 등을 발효시킬 때 생성되는 메탄가스와 바이오가스가 대표적이다.

• 코크스 : 석탄을 가공해 만드는 연료로써, 불순물을 거의 포함하지 않은 고순도 탄소로 구성된 코크스는 주로 역청탄을 분해 증류하여 얻을 수 있으며, 단단한 다공성의 물질로 회색을 띤다. 코크스는 자연적으로 형성되기도 하지만, 일반적으로 합성된 것들이 대부분 쓰인다. 코크스 오븐에서 석탄을 건류시켜 생산되는 원료로서 고로에서 쇳물을 만드는 열원으로 사용된다. 건류과정에서 발생된 코크스 오븐 가스(COG)는 화성설비를 통해 온도 및 압력에 따라 각종 불순물 및 유해물질이 제거되어 정제가스가 된다. 열량이 4,000kcal정도인 정제가스는 가스홀더로 보내져 제철소 내 각종 설비의 연료로 재사용된다.

• 로켓엔진 : 엄청난 가스를 만들어내기 위해 로켓의 연소관에는 연료가 채워져 있는데, 가장 역사가 오래된 것은 고체연료이다. 다이너마이트의 원료로 유명한 니트로글리세린 같은 물질이 대표적인 고체연료이다. 고체로켓은 연소관 안에 고체추진제를 채워 넣는데 이 추진제 안에 알루미늄 분말을 넣기도 한다. 이는 알루미늄의 높은 반응성 때문인데, 알루미늄이 고온으로 연소되면서 연소 속도를 빠르게 하기 때문이다. 연료가 빠르게 연소하며 가스를 만들어내면 이것이 로켓 밖으로 배출되면서 추력이 발생한다. 연소관은 고온과 고압에도 잘 견디는 금속 합금을 사용한다. 최근에는 무게가 가벼우면서도 열에는 더 강한 복합소재를 사용하기도 한다. 고체연를 사용한 고체로켓은 그 구조가 단순하고 연료를 보관한 채 오랫동안 대기할 수 있으며 비용도 적게 들지만, 한번 점화하면 제어할 수 없다는 단점을 지닌다.

액체 연료

액체연료 상온상압에서 액체상태인 연료로 대부분은 석유계이다. 석유계 액체연료를 끓는점이 낮은 것부터 배열하면, 가솔린, 제트 연료, 등유, 경유, 중유이다. 석유계 이외의 것으로는 콜타르, 목타르, 동식물성 기름, 메탄올, 에탄올이 있다. 석유자원의 고갈에 따른 대응책의 하나로 석탄, 오일샌드, 오일셰일에서 석유대체연료를 제조하는 시도가 진행중이며 일부는 실용화되고 있다. 이 밖에 식물의 셀룰로오스를 알코올 발효시켜 에탄올로 만들어서 연료로 이용하는 시도도 실용화 단계에 있다.

• 로켓엔진 : 로켓은 액체 상태의 연료, 연료에 불을 붙게 하는 산화제를 각각 다른 공간에 주입하여 추후 투입량을 제어할 수 있게 구성된다. 가장 널리 쓰이는 연료는 등유이며 산화제로는 플로오린, 질산, 과산화수소 등이 있다. 연소실이라는 제3의 공간에서 이곳에 투입한 연료와 산화제에 불이 붙으면 고온고압의 가스가 발생하고, 이 가스가 노즐로 빠져나가며 로켓이 추력을 얻는다. 액체인 연료와 산화제를 연소실로 보내려면 연료와 산화제의 압력이 매우 높아야 한다. 그래서 연료와 산화제를 안정적으로 공급하고자 펌프를 사용하는데, 보통은 풍차 같은 터보 펌프를 사용한다. 액체연료 시스템에서는 부품 냉각, 순환, 가스 압력과 분출 조절 장치 등 상대적으로 시스템이 복잡하고 정교하게 설계된다. 덕분에 만들기 어렵고 비싸지만, 점화와 소화를 반복하여 유연하게 제어할 수 있을 뿐 아니라 아나시스 2호를 쏘아 올린 팰컨9 로켓처럼 재사용 가능하다는 매우 강력한 장점을 가지고 있다. 실제 우주발사체 개발 현장에서는, 액체연료와 고체연료를 용도에 따라 상호보완적으로 결합하여 사용하고 있다. 액체연료를 중심으로 추력을 만들면서도 고체연료로 부스터를 추가해 성능을 높이는 식이다. 2013년 나로호에도 1단에는 액체, 2단에는 고체 부스터가 탑재됐다. 또, 로켓을 발사한 이후 인공위성 같은 작은 비행체를 제어하기 위해서나, 군사용으로 중장거리 미사일을 만들 때처럼 신속히 작은 추력이 필요할 때 고체연료 엔진을 활용한다.

기체 연료

기체 연료는 기체상태로 사용되는 연료로 고체 연료, 액체 연료에 대비되는 말이다. 파이프에 의한 연속수송이 가능하고 착화성이 좋아 연소 조절이 편리하며 연소 뒤에 회분이 남지 않아 청결하기 때문에 공업용이나 가정용으로 많이 이용된다. 기체 연료는 같은 열량을 수송할 때 액체 연료보다 굵은 파이프가 필요하며, 저장에도 대용량의 탱크 설비가 필요하지만, 도시나 공장 등에 집단공급할 때의 경제성과 연소기구의 간이성이 높아 도시가스의 발달을 가져오게 되었다. 대표적인 기체 연료는 천연가스, 석탄가스, 오일가스, 유정가스, 탄갱가스, 제유소가스, LP가스 등 종류가 다양하다. 또한 기체연료는 연소효율이 높고 소량의 공기라도 완전연소가 가능하여 고온을 얻기 쉽다. 또한 연소가 균일하고 연소조절이 용이하며 회분이나 매연이 없어 청결하고 배관공사비의 시설비가 많이 들어 저장이 곤란하지만 다른 연료에 비해 코스트가 높다. 기체 연료의 저장은 제조량과 공급량을 조성하고 품질을 균일하게 하며 압력을 일정하게 유지하기 위하여 가스홀더를 저장하여 두고 공급한다. 또한 유수식 홀더, 무수식 홀더, 고압 홀더를 통해 수분을 동반하지 않으며 저장량은 가스의 압력변화에 따라 증감된다.

참고자료

• 〈연료〉, 《네이버 지식백과》
• 〈연료〉, 《네이버 지식백과》
• 네스고, 〈연료의 정의와 역사〉, 《네이버 블로그》, 2007-07-12
• 사시언스올, 〈고체연료〉, 《사시언스올》, 2009-04-01
• 한국에너지공단, 〈쓰레기가 에너지로! 차세대 에너지원 '바이오매스'〉, 《네이버 블로그》, 2020-05-08
• 대한석탄공사 공식 홈페이지 - https://www.kocoal.or.kr/main/index.php#sec=top
• 〈코크스〉, 《네이버 지식백과》
• ㈜포스코건설 공식 홈페이지 - https://www.poscoenc.com:446/business/steel_iron_making6.asp
• 정유희 과학칼럼니스트, 〈고체연료? 액체연료? 로켓엔진 연료의 세계〉, 《한국과학기술정보연구원》, 2020-09-07
• 사이언스올, 〈액체연료(liquid fuel)〉, 《사이언스올》, 2010-08-19
• 사이언스올, 〈기체연료〉, 《사이언스올》, 2010-08-07
• 에장, 〈연료의 구분 (고체연료/ 액체연료 / 기체연료)〉, 《네이버 블로그》, 2008-09-08

같이 보기

• 석유
• 석탄
• 가스

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