바이오매스로 항공연료 만들기

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2021년에는 거의 4분의 1에 달하는 세계의 이산화탄소 배출량은 운송 부문에서 발생했으며 항공이 중요한 기여를 했습니다. 전기 자동차의 사용이 증가하면서 지상 교통 수단을 정화하는 데 도움이 되지만, 오늘날의 배터리는 비행 시 주요 관심사인 중량 파운드당 전달되는 에너지 측면에서 화석 연료에서 추출한 액체 탄화수소와 경쟁할 수 없습니다. 한편, 예상되는 여행 수요 증가에 따라 국제 항공 산업이 탄소 중립을 약속한 해인 2050년까지 제트 연료 소비가 두 배로 증가할 것으로 예상됩니다.

많은 그룹이 항공기에 100% 지속 가능한 탄화수소 연료를 목표로 삼았지만 큰 성공을 거두지 못했습니다. 문제 중 하나는 항공 연료가 매우 엄격하게 규제된다는 것입니다. "이것은 비행기 엔진에서 문제가 발생할 위험이 없기 때문에 연료의 화학 및 물리적 특성 측면에서 매우 구체적인 요구 사항이 있는 연료의 하위 클래스입니다."라고 Robert T. Haslam 화학공학과 교수. “30,000피트 상공으로 비행한다면 밖은 매우 춥기 때문에 연료가 두꺼워지거나 얼어붙는 것을 원하지 않을 것입니다. 그렇기 때문에 공식이 매우 구체적입니다.”

항공 연료는 두 가지 큰 종류의 화합물의 조합입니다. 그 중 약 75~90%는 서로 연결된 탄소 원자의 긴 사슬로 구성된 "지방족" 분자로 구성됩니다. “이것은 우리가 디젤 연료에서 발견하는 것과 유사하므로, 이는 고전적인 탄화수소입니다.”라고 Román-Leshkov는 설명합니다. 나머지 10~25%는 "방향족" 분자로 구성되며 각 분자는 연결된 6개의 탄소 원자로 구성된 고리를 하나 이상 포함합니다.

대부분의 운송 연료에서 방향족 탄화수소는 오염원으로 간주되므로 최대한 제거됩니다. 그러나 항공 연료에서는 전체 혼합물의 필요한 물리적 및 연소 특성을 설정하기 때문에 일부 방향족 분자가 남아 있어야 합니다. 그들은 또한 한 가지 더 중요한 작업을 수행합니다. 즉, 항공기 연료 시스템의 다양한 구성 요소 사이의 밀봉을 보장합니다. Román-Leshkov는 “방향족 성분이 플라스틱 씰에 흡수되어 부풀어오르게 됩니다.”라고 설명합니다. "어떤 이유로 연료가 바뀌면 씰도 바뀌는데 이는 매우 위험합니다."

결과적으로 방향족 화합물은 필수 구성 요소이지만 지속 가능한 항공 연료(SAF)를 만드는 과정에서 걸림돌이기도 합니다. 기업들은 식물의 먹을 수 없는 부분과 기타 재생 가능 에너지로부터 지방족 부분을 만드는 방법을 알고 있지만 지속 가능한 소스에서 방향족 부분을 생성하는 승인된 방법을 아직 개발하지 못했습니다. 결과적으로 "혼합 벽"이 생긴다고 Román-Leshkov는 설명합니다. "공급원에 관계없이 방향족 함량이 필요하기 때문에 혼합물의 특성을 변경하지 않고 사용할 수 있는 지속 가능한 지방족 탄화수소의 양에는 항상 제한이 있습니다." 그는 휘발유와 유사한 혼합벽이 있음을 지적합니다. “우리는 에탄올을 많이 가지고 있지만 휘발유의 특성을 바꾸지 않고서는 10% 이상을 첨가할 수 없습니다. 실제로 현재 엔진은 개조 없이는 15%의 에탄올도 처리할 수 없습니다.”

재생 가능한 원료가 부족하지 않거나 이를 변환하려는 시도가 없습니다.

지난 5년 동안 SAF 문제를 이해하고 해결하는 것이 Román-Leshkov와 그의 MIT 팀(Michael L. Stone PhD '21, Matthew S. Webber 등)과 워싱턴의 협력자들의 연구 목표였습니다. 주립대학교, 국립 재생 에너지 연구소(NREL) 및 태평양 북서부 국립 연구소. 그들의 연구는 식물의 구조적 지지와 미생물 및 곰팡이로부터 보호해 주는 견고한 물질인 리그닌에 중점을 두었습니다. 바이오매스 탄소의 약 30%는 리그닌에 있지만, 바이오매스에서 에탄올이 생성되면 리그닌이 폐기물로 남게 됩니다.