터미널 공역내에서의 온실 가스 저감 출항 절차 연구 - 인천국제공항, B787-9 중심으로

임표 한국항공대학교 항공경영대학원 2023 국내석사

In 1997, specific plans and obligations to reduce greenhouse gas emissions due to global warming were adopted by the Kyoto Protocol at the 3rd Conference Of the Parties (COP3) and the aviation sector was excluded from its application due to its strong international character. It was decided to discuss the matter at ICAO. Accordingly, In 2016, ICAO decided on ANNEX16 VOL.4 Carbon Offset Reduction Scheme International Aviation (CORSIA) that aims to freeze greenhouse gas emissions from international aviation to the 2020 level. Korea officially declared its participation on September 23, 2016, and was designated as a Supporting State in the Buddy partnerships 3rd Phase (2020-2022), requiring support and policy examples at the national level. In airlines, which are service providers, ESG Management is introduced and related investments and efforts are being made to achieve the carbon offset reduction target presented by CORSIA. In terms of aircraft operation, various approaches are being made for each flight stage or field, but the goal achievement strategy is concentrated on the flight management aspect, and the reality is that study and application of departure procedures in the terminal airspace are relatively insufficient. Therefore, in this study, using AEDT (Aviation Environmental Design Tool) developed by the Federal Aviation Administration (FAA), focused on Incheon International Airport, B787-9, An eco-friendly flight strategy was implemented by improving departure procedures within the terminal airspace. The GHGs of the NADP1 and NADP2 procedures currently established at Incheon International Airport were quantitatively calculated for each weight/thrust setting condition, and an improved reduction departure procedure within the design scope of ICAO DOC 8168 was presented and verified. To summarize the study results, it was confirmed that the fuel consumption of NADP 2, which has a direct effect on greenhouse gas emissions, was about -5.1% less than that of NADP 1 at the departure, and the higher the thrust setting, the lower the greenhouse gas emission. In addition, it was concluded that the higher the thrust reduction altitude of NADP 1, the lower the greenhouse gas emission, and the lower the NADP 2 speed increase altitude, the lower the greenhouse gas emission. All greenhouse gas emissions, including fuel consumption, were reduced by around 0.5% on average when the NADP 2 procedure was applied at an 800ft speed increase altitude, showing a relatively greater reduction than the amount of emissions reduced by changing the thrust reduction altitude of NADP 1. From the operational point of view, this study served as an opportunity for pilots to recognize that performing procedures to save fuel in aircraft operation is not simply for the purpose of generating profits, but for reducing greenhouse gas emissions. And, from the airline side, quantitative analysis and presentation of air pollutant emission reductions within the terminal airspace contributed to the achievement of CORSIA goals and the environmental efforts of ESG Management. From a national point of view, although the reduction effect is not numerically satisfactory, it is expected that these efforts will serve as a good example as an ICAO CORSIA Supporting States. The data calculated in this study is based on the B787-9 aircraft, so there may be a slight difference from the greenhouse gas reduction rate of other aircraft. Due to limitations in study tools and limited study topics, impact assessment on the engine life cycle and noise impact assessment were not performed. Therefore, the engine life cycle effect and noise impact assessment of the high thrust take-off method proposed in this study, the NADP 2 speed increase altitude downward method, should be promoted as a future study task. 범 지구온난화로 인하여 1997년 온실가스 배출을 줄이기 위해 구체적인 계획과 의무들을 제3차 유엔 기후변화협약 당사국총회를 통해 교토의정서를 채택하였다. 하지만 국제적 성격이 강한 관계로 항공분야는 그 적용에서 제외되었으며, 동 사안을 ICAO에서 토의하기로 하였다. 이에 ICAO에서 2016년 국제항공 온실가스 배출량을 2020년 수준으로 동결하는 것을 목표로 하는 글로벌 탄소 절충 제도로 Annex 16 Vol.4 국제항공 탄소상쇄 감축제도(CORSIA)를 결의하였다. 우리나라는 2016년 9월 23일 참여를 공식 선언하였으며, Buddy partnerships 3rd Phase (2020~2022)에서 지원국(Supporting States)으로 지정되어 국가 차원의 지원과 정책적 모범이 필요한 상황이다. 서비스 제공자인 항공사에서는, CORSIA에서 제시하는 탄소상쇄감축목표를 달성하기 위해 ESG 경영을 도입하고 관련 투자와 노력이 이루어지고 있다. 항공기 운항적인 측면에서도 각 비행단계 또는 분야 별로 다양한 접근이 이루어지고 있으나, 목표 달성 전략이 운항관리 측면에 집중되어 있고, 터미널 공역에서 이뤄지는 출항절차에 대한 연구와 적용은 상대적으로 미흡한 것이 현실이다. 그러므로, 본 연구는 인천국제공항과 B787-9을 대상으로 미 연방항공청(FAA)에서 개발한 AEDT(Aviation Environmental Design Tool)를 활용하여, 터미널 공역 내에서의 출항 절차 개선을 통한 친환경 비행 전략을 구현하였다. 현재 인천국제공항에 수립되어있는 NADP1, NADP2 절차의 온실가스 표준 배출량을 중량/추력설정 조건별로 정량적으로 산출하고, ICAO Doc.8168의 설계 범위 내에서 개선된 저감 출항절차를 제시 검증하였다. 연구 결과를 요약하면, 출항 시 NADP 1보다는 NADP 2가 온실가스 배출량과 직접적인 영향이 있는 연료소모량이 약 –5.1% 적으며, 추력 설정은 높을수록 온실가스 배출량이 적음을 확인하였다. 그리고 NADP 1의 추력감소 고도는 높을수록 온실가스 배출량이 감소하고, NADP 2의 증속고도는 낮을수록 온실가스 배출량이 감소한다는 결론을 얻었다. 이 중 NADP 2 절차의 800ft 증속고도 적용 시 연료 소모량을 포함해 모든 온실가스 배출량이 평균 0.5% 내외로 감소하여, NADP 1의 추력감소 고도 변경에 의한 배출 저감량보다 상대적으로 많은 저감효과를 보였다. 본 연구를 통해 운항적인 측면에서 항공기 운항의 연료 절감을 위한 절차의 수행이 단순히 수익 창출의 목적이 아닌 온실가스 저감을 위한 실천임을 조종사에게 인식시키는 계기가 될 수 있기를 바라며, 항공사의 측면에서는 터미널 공역 내의 대기오염물 배출 감축량을 정량적으로 분석·제시하여 CORSIA 목표 달성과 ESG 경영의 환경에 대한 노력에 기여할 수 있는 기초 자료로 활용되기를 기대한다. 마지막으로, 국가 측면에서는 저감효과가 수치적으로 만족스럽지는 못할지라도 이러한 노력이 ICAO CORSIA 지원국으로서 좋은 모범의 사례가 될 수 있을 것이라 기대한다. 하지만, 본 연구에서 산출한 데이터는 B787-9 항공기를 기준으로 산출되어 타 항공기의 온실가스 저감 비율과는 약간의 차이가 발생할 수 있고, 연구 도구의 한계와 연구 주제 한정으로 인한 사유로 엔진 수명 주기에 대한 영향 평가와 소음영향평가는 수행하지 못한 것이 아쉬운 점으로 남는다. 그러므로, 본 연구에서 제시된 고 추력 이륙방안, NADP 2 증속 고도 하향 방안의 엔진 수명 주기 영향 및 소음영향 평가가 향후 연구 과제로 추진되어야 할 것이다.

글로벌 항공 분야 탄소배출 규제와 항공사 대응 방안 연구

박동석 인하대학교 물류전문대학원 2024 국내석사

최근 들어 ESG 경영에 대한 사회적 관심이 증가하는 가운데 환경에 대한 부분은 기업의 지속 가능한 생존을 위해 반드시 이행해야 할 사항이다. 1992 년 UN 기후변화협약을 시작으로 2015년 파리협정을 통해 전 세계가 참여하 는 공통된 대응을 해나가고 있다. 항공 부문의 탄소배출은 전체 탄소 배출량 의 2%에 불과하지만, 개도국의 경제 성장으로 연간 여객기 3.6%, 화물기 3.5% 항공 수요 증가하여 탄소 배출도 함께 늘어날 것으로 예상된다. 글로벌 항공 분야에서 탄소배출 규제는 EU-ETS와 국제항공기구(ICAO)의 탄소상쇄․감축제도(CORSIA)로 대표할 수 있다. EU는 유럽 역내 취항하는 항 공기의 탄소 배출량을 정하여 기준을 초과할 시 배출권을 구매하여 상쇄하 도록 하고 있다. 2022년 ‘Fit for 55’ 정책을 채택하여 기존 2030년 탄소배 출 감축 목표를 1990년 대비 40%에서 55%로 상향 조정하였고 무상 탄소 할 당량도 단계적으로 축소하는 등 기준을 강화하고 있다. CORSIA는 ICAO 참 여 국가 간 운항에서 발생하는 탄소배출이 할당량을 초과할 경우 배출권을 구매하여 상쇄하는 제도로 2027년부터 의무 단계가 시작된다. 해당 항공사와 국가는 탄소배출에 대한 모니터링, 보고, 검증을 이행해야 한다. 본 연구에서는 전 세계 네트워크 서비스를 제공하는 Full Service Carrier 중 탄소배출 규제에 대응 계획을 마련하고 실천하고 있는 대표 항공사의 사 례를 중점적으로 살펴보았다. 대륙별로 미국 델타 항공, 유럽 루프트한자, 아 시아 캐세이퍼시픽을 선정하였다. 이들의 경우 SAF 사용의 증대, 고효율의 신형 항공기 도입, 탄소 상쇄 프로그램 운영 및 전후방 산업간 협력을 통해 탄소 감축을 위해 적극적으로 대응해 나가고 있음을 확인할 수 있었다. 사례 연구를 바탕으로 우리나라 국적 항공사가 대응 전략을 수립하는데 가이드라 인을 제공할 수 있을 것으로 사료된다. 주제어 : 탄소상쇄․감축제도(CORSIA), 유럽탄소배출권 거래제(EU-ETS), 지속 가능항공유(SAF), 탄소상쇄(Carbon offet), 고효율 항공기 With social interest in ESG management increasing recently, environmental awareness is a virtue that must be implemented for a company's sustainable survival. Starting with the UN Framework Convention on Climate Change in 1992, the world is taking a common response through the Paris Agreement in 2015. Carbon emissions from the aviation sector are only 2% of total carbon emissions, but with economic growth in developing countries, annual growth of 3.6% for passenger flights and 3.5% for cargo flights is expected to continue. Regulations on carbon emissions in the global aviation sector can be represented by the EU-ETS and the Carbon Offset and Reduction Scheme for International Aviation(CORSIA) of the International Aviation Organization (ICAO). The EU sets the carbon emissions of aircraft flying within Europe and purchases emissions credits to offset if the standards are exceeded. By adopting the Fit for 55 policy in 2022, the existing 2030 carbon emission reduction target has been raised from 40% to 55% compared to 1990, and standards are being strengthened by gradually reducing free carbon allocation. CORSIA is a system that purchases emissions credits to offset carbon emissions generated from operations between participating countries if they exceed the quota. Mandatory participation begins in 2027. Airlines and ICAO member countries are required to monitor, report and verify carbon emissions. In this study, I focused on the case of representative airlines that have prepared and implemented response plans for carbon emissions regulations among full service carriers that provide network services around the world. By continent, Delta Air Lines in the U.S., Lufthansa in Europe, and Cathay Pacific in Asia were selected. In their case, it was confirmed that they are actively responding to carbon reduction through increased use of SAF, introduction of new, highly efficient aircraft, launch of carbon offset programs, and cooperation between forward and backward industries. It is believed that the case study will provide airlines to establish response strategies.

A STUDY ON PILOTS’ RECOGNITION AND IMPLEMENTATION IN FUEL EFFICIENT AIRCRAFT CONTROLS

전승준 한국항공대학교 일반대학원 2020 국내박사

The response to climate change of international air transport industry might be initiated by ICAO’s CORSIA (Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation) which will impact on international airlines’ flight operation behavior in the future. Though the airlines’ efforts to reduce fuel consumption has been a major issue in economics of aviation industry, the improvement of fuel efficiency in flight operation will have additional impact on their profitability by introducing carbon emission cost. The fuel consumption in flight operation will be somewhat influenced by pilots’ technical action for maneuvering aircraft during flight operation. This study will investigate pilots’ recognition and implementation in fuel efficient aircraft controls. The data will be collected by the survey through sample pilots of fixed wing aircraft in airlines, asking about their intention and perception on fuel savings during flight operations. The data will be analyzed by AHP, IPA, and Multiple Regression process and the study will find out the factors influencing fuel savings effect. 연료비용은 전반적인 항공사 운영비용에서 적지 않은 비중을 차지하고 있기 때문에 항공사는 연료 절감을 위해 지속적인 노력을 해왔다. 국제 항공 운송 산업의 기후변화에 대한 대응은 ICAO의 CORSIA 이행에 의해 시작될 것이다. CORSIA는 국제 항공 탄소 상쇄 및 저감 계획으로, 국제노선을 운항하는 항공사는 정해진 탄소 배출량보다 초과하게 되면 그에 대한 추가적 비용을 지출해야되기 때문에 탄소 배출량을 줄이기 위한 노력을 더욱더 강화해야 한다. 탄소 배출량 감축은 연료 소모량 감축에 직결된다. 연료 절감에 기여할 수 있는 핵심 항공사 구성원은 항공기 운항을 위한 기술적인 조작을 하는 조종사이다. 이 연구의 목적은 연료 효율적인 조종과 관련된 조종사들의 의견 및 행위에 관한 자료를 수집하고 분석하여 조종사들의 연료 절감 운항을 할 수 있는 부문에 대한 인식을 평가하고 실제 운항 활동에 어느 정도 적용하고 있는지를 파악하는 데에 있다. 조종사들의 의견 및 행위 관련 자료는 항공사 조종사들을 대상으로 하는 설문 조사를 통하여 확보하였다. 설문 문항 구성을 위해 숙련된 조종사들에게 항공기 운항 시 연료 절감에 영향을 미치는 비행단계별 항공기 제어 요인에 대해 면담 조사한 후, 이를 바탕으로 AHP에 의한 중요도 분석을 목적으로 한 설문 문항을 작성하고 설문 조사를 진행했다. 수집된 자료의 AHP 분석을 통해 각 제어 요인들이 연료 절감 에 미치는 영향의 중요도를 확인하였고, 실제 운항 중 어느 정도 활용하는지를 IPA 분석을 통해 알아보았다. 또한 다중회귀분석을 통해 일부 비행 제어 요인이 운항 중 연료 절감에 얼마나 영향을 미치는지 확인하였다. 본 연구의 설문 조사 내용과 분석 결과는 다음과 같다. 우선, 비행단계를 ‘지상 체류 및 이동단계’, ‘이륙 및 상승 단계’, ‘순항단계’, ‘하강 및 접근 단계’, ‘착륙 및 램프진입(Ramp-In) 단계’로 분류했고, 각 비행 단계별로 연료 소모 감축에 기여할 수 있는 요인들을 확인했다. 지상 체류 및 이동단계에서는 ‘APU, GPU, ACU의 사용 여부(최대시간 사용)’와 ‘엔진 시동 시점(택싱을 시작하는 시점에 맞추어 시동)’을 제어 요인으로 선정했다. 이륙 및 상승 단계에서는 ‘FMCS에 맞추어 상승’하는 것과 ‘Reduced Acceleration Altitude(이륙 후 clean config.로 빨리 전환하여 낮은 고도에서 천천히 가속하여 상승)’를 제어 요인으로 했고, 순항단계에서는 ‘Cost Index 순항속도 준수’, ‘Direct Route(목적지까지 최단 거리 비행)’ 운항을 제어 요인으로 했다. 하강 및 접근 단계에서는 ‘Power Idle Descent’, ‘Landing Configuration 시점 결정’을 제어 요인으로 했고, 마지막으로 착륙 및 램프진입 단계는 ‘Reverse Thrust 활용’, ‘Ramp-In with one Engine’, ‘APU 시동 시점’ 등을 제어 요인으로 선정했다. AHP 자료 수집을 위한 설문 조사는 항공사의 조종사들을 대상으로 온라인으로 실시했고, 주로 한국인 조종사들이 응답에 참여하였다. 300여 부의 응답이 접수되었다. AHP 분석 결과, 비행단계 중 가장 긴 구간인 순항단계를 연료 절감에 가장 중요하게 영향을 미칠 수 있는 단계로 평가하였고, 그다음으로 하강 및 접근, 이륙 및 상승 단계 순으로 평가되었다. 연료 절감을 위한 가장 중요한 요인으로는 직선 항로(Direct Route) 비행이었고, 그다음으로 Power Idle Descent, Climb Profile by FMCS 순으로 평가되었다. 이와 같이 조종사들이 인식하는 요인별 연료 절감 영향 중요도가 평가되었지만 실제로 조종사들이 항공기 조작에 연료 절감을 고려할 때 이러한 요인들이 어느 정도 반영되는지를 IPA 분석을 추가하여 확인하였다. 분석 결과는 다음과 같다. ‘FMCS에 맞추어 상승’, ‘Cost Index 순항속도 준수’, ‘Direct Route’, ‘Power Idle Descent’, ‘Landing Configuration 시점 결정’ 등 5가지의 제어 요인들은 중요도와 활용도가 모두 높게 확인되었고, 활용도는 높으나 중요도가 낮은 제어 요인으로는 ‘착륙 후 APU 시동 시점’으로 확인되었다. 또한 중요도와 활용도가 모두 낮은 제어 요인으로는 ‘APU, GPU, ACU 사용 여부’, ‘엔진 시동 시점’, ‘Reduced Acceleration Altitude’, ‘Reverse Thrust 활용’, ‘Ramp-In with one Engine’으로 5가지 요인이 확인되었다. AHP에서 평가된 중요도 1위부터 5위까지의 요인들을 독립변수로하고 실제 비행 중 연료 절감에 고려하는 수준을 종속변수로 하여, 다중회귀분석을 수행해본 결과, AHP에서 중요도 1위였던 Direct Route 운항이 실제 비행 중에는 빈번하게 수행되지 않아 3위로 낮아졌고, Landing Configuration 시점이 가장 영향이 높은 것으로 나타났다. 따라서 정확한 항공로, 고도, 기상데이터 등 실시간 정보를 제공하여 순항단계에서 연료를 많이 줄일 수 있는 환경을 제공해야 하는 필요성을 확인하였다.