터미널 공역내에서의 온실 가스 저감 출항 절차 연구 - 인천국제공항, B787-9 중심으로 = (A) Study on Departure Procedures for Greenhouse Gas Reduction in Terminal Airspace - Focused on Incheon International Airport, B787-9

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

국문 초록 (Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구범위 3
• 1.3 연구방법 4
• 제2장 이론적 배경 6
• 2.1 온실가스 6
• 2.1.1 온실가스의 정의 6
• 2.1.2 온실가스 규제 국제 협약 7
• 2.2 항공기 온실가스 12
• 2.2.1 항공기 배출 온실가스 종류 및 특징 12
• 2.2.2 항공기 온실가스 배출 규제 현황 15
• 2.3 ICAO 항공기 온실가스 저감 방안 19
• 2.3.1 Airport Operations 19
• 2.3.2 Maintenance 20
• 2.3.3 Weight Reduction 21
• 2.3.4 Flight/Route Planning and Other Operational Issues 21
• 2.3.5 Aircraft Operations 23
• 2.4 항공기 온실가스 배출량 산정 및 예측 모델 26
• 2.4.1 항공기 온실가스 배출량 산정 모델 26
• 2.4.2 AEDT/EDMS 29
• 제3장 터미널공역 출항절차 온실가스 배출량 분석 33
• 3.1 연구 대상 개요 33
• 3.1.1 B787-9 개요 33
• 3.1.2 인천국제공항 개요 34
• 3.2 AEDT 예측 신뢰도 검증 36
• 3.2.1 실 비행 데이터 확보 38
• 3.2.2 AEDT 예측 모델링 40
• 3.2.3 AEDT 연료소모 예측값 산출 및 검증 43
• 3.3 B787-9 출항 절차 온실가스 배출량 산정 46
• 3.3.1 B787-9 최대 온실가스 표준 배출량 47
• 3.3.2 B787-9 최소 온실가스 표준 배출량 49
• 3.3.3 B787-9 온실가스 표준 배출량 분석 결과 52
• 제4장 터미널 공역 출항절차 온실가스 저감 방안 56
• 4.1 추력설정 조건 별 온실가스 배출량 분석 57
• 4.2 NADP 1 추력감소 고도 변경 방안 연구 60
• 4.2.1 NADP 1 추력감소고도 별 최대 온실가스 표준 배출량 60
• 4.2.2 NADP 1 추력감소고도 별 최소 온실가스 표준 배출량 62
• 4.2.3 NADP 1 추력감소고도 변경 방안 검증 결과 64
• 4.3 NADP 2 증속고도 변경 방안 연구 65
• 4.3.1 NADP 2 증속고도 별 최대 온실가스 표준 배출량 65
• 4.3.2 NADP 2 증속고도 별 최소 온실가스 표준 배출량 67
• 4.3.3 NADP 2 증속고도 변경 방안 검증 결과 69
• 제5장 결론 71
• 5.1 연구결과 및 의의 71
• 5.2 연구의 한계점 및 향후 연구과제 74
• 참 고 문 헌 75
• ABSTRACT 79V