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[오토저널] 지속가능한 자동차 연료 – 암모니아

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-02-11 11:50:23

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우리는 자동차 없는 세상을 상상하기 힘든 시대에 살고 있다. 우리나라는 등록 자동차 수가 이미 2천만 대를 넘었고, 인구 2.59명 당 1대의 자동차를 보유하고 있는 자동차 강국이다. 세계적으로 자동차 생산대수는 연간 약 9천만 대로서 신흥국을 중심으로 자동차 수가 크게 늘고 있다. 한편으로는 하이브리드부터 수소자동차까지 다양한 자동차가 많이 출시되고 있다. 이렇게 매우 다양하게 자동차를 연구하는 여러가지 이유 중의 하나는 바로 환경오염 때문이다. 자동차 연료에 대한 연구도 자동차로부터 배출되는 오염물질을 저감하기 위한 연구 가운데 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 여러 가지 자동차 연료 중에서 자동차로부터 배출되는 온실가스를 전기자동차 수준까지 획기적으로 줄일 수 있는 미래 연료는 바로 암모니아라고 할 수 있다.

현대적인 자동차는 1885년 칼 벤츠가 제작한 자동차를 벤츠부인이 운전하여 세계최초로 70마일의 장거리 운전에 성공하면서 본격적인 자동차 시대가 열리게 된다. 그리고 1908년 미국 포드사가 모델 T의 대량생산에 성공하면서 마이카시대가 개막하게 된다.

자동차는 편리한 문명의 이기이지만, 1960년대 미국 로스앤젤레스 하늘에 대기오염으로 스모그가 심해지고 그 원인이 자동차와 공장으로부터 배출된 가스가 햇빛과 반응하여 오존을 만드는 데 있다는 것이 밝혀지면서 자동차로부터 배출되는 오염물질에 대한 규제가 본격적으로 시행되게 된다. 이에 따라 1970년대에는 삼원촉매를 개발하여 미연소 연료로부터 배출되는 일산화탄소, 탄화수소 그리고 질소산화물을 획기적으로 저감하는데 성공하게 된다. 최근의 자동차 환경규제는 이들 규제물질은 물론이고 온실가스로 분류되고 있는 이산화탄소의 배출 규제를 도입하고 있다. 탄소 경제에서 이산화탄소는 전체 온실가스배출량의 60%를 차지하고 있으며 기후변화협약 등을 통하여 세계 각국에서 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 노력을 하고 있다.

자동차에서 이산화탄소를 줄이기 위한 방법은 크게 4가지 분야에서 접근할 수 있다. 
첫째, 자동차의 연비를 높이는 것, 다시 말하면 적은 양의 연료를 사용하여 더 많은 거리를 주행할 수 있다면 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있다. 
둘째, 이산화탄소 배출이 없는 전기자동차를 보급하는 것이다. 전기를 만드는 데에도 이산화탄소 배출이 있기는 하지만 많은 양의 전기가 탄소와 관계없는 원자력에너지, 신재생 에너지 등을 활용하는 부분도 있기 때문에 이산화탄소 배출이 많이 저감된다. 
셋째, 하이브리드 자동차 등 고연비 자동차를 보급하는 것이다. 하이브리드 자동차는 정차시 엔진이 정지하고, 제동시 발전기를 돌려 운동에너지를 회수하며, 전기모터로 구동이 가능하므로 엔진의 운전점을 최적효율로 제어하면서 크게 효율이 향상되었다. 
그리고 마지막으로 탄소가 없는 무탄소 연료 자동차를 보급하는 것이다. 현재 적용가능한 무탄소 연료는 수소와 암모니아가 존재한다. 수소는 연소하거나 연료전지에 사용되면 배출물이 물 뿐인 그야말로 청정에너지이지만 자동차에 사용하기에는 아직도 갈 길이 멀다. 우선, 수소의 저장과 이송이 쉽지 않은데, 압축수소의 경우 약 700기압으로 저장할 수 있으나, 에너지밀도가 기존 연료에 비하여 낮고, 이송을 위한 비용이 많이 든다. 또한 수소충전소는 기존 주유소에 비하여 10배의 비용이 들고 설치 장소에 관련한 문제와 충전소까지 수소 연료의 이송이 역시 문제가 된다.

이에 비하여 암모니아는 큰 장점을 가지고 있는데, 바로 그 자체가 수소 이송체 역할을 하면서 물리적 특성은 액화 석유가스, 즉 LPG 연료와 유사하다. 즉 상온에서도 조금만 가압하여 쉽게 액체로 존재하기 때문에 기존의 LPG 충전인프라를 그대로 활용할 수 있다. 따라서 암모니아는 탈탄소시대를 열어나갈 수 있는 획기적인 연료이다. 사실 암모니아를 연료로서 엔진에 처음으로 적용한 것은 어제 오늘의 일이 아니다. 1933년 노르웨이에서는 암모니아를 연료로 사용하는 자동차를 개발한 바 있으며, 1943년 2차대전 중 석유공급이 원활하지 않았던 벨기에에서 암모니아 연료 탱크를 장착한 버스를 선보이기도 했다. 하지만 그 이후에는 이 암모니아 자동차의 필요성을 크게 느끼지 못했고, 비용이 상대적으로 높았기 때문에 자취를 감추게 된다.

2000년대 들어서 미국 미시간대학에서 본격적으로 암모니아를 사용하는 암모니아-가솔린 혼소 자동차를 연구하여 실제 개조차량으로 디트로이트에서 샌프란시스코까지 시범주행을 하여 성공적으로 마쳤다. 이 차량은 아이들링에서 가솔린을 사용하였고, 연료는 가솔린을 최대 70%까지 암모니아로 대체하여 운전하였다. 이후로 암모니아 연료개조키트를 상용화하기 위해 연구를 꾸준히 계속하고 있다. 또한, 아이오와 대학에서는 디젤엔진에서 암모니아 연구를 수행하고 있는데, 이미 암모니아 엔진을 사용한 엔진발전기, 관개펌프 개발 등을 발표한 바 있다.

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암모니아 자동차에 사용된 엔진은 자동차뿐만 아니라, 배에도 사용될 수 있고 제트기관에 암모니아를 사용할 수 있으며, 야외에서 사용하는 엔진발전기와 화력발전에서 사용하는 터빈발전기에도 사용하여 전기를 생산할 수 있다. 미국의 한 비행기 회사에서 이미 초음속 항공기의 로켓엔진에 암모니아를 사용하여 시험비행을 한 적이 있다. 암모니아의 발열량은 가솔린의 44% 정도로 낮지만 산소요구량이 낮기 때문에 배기량 기준으로 기존 가솔린 자동차와 동등 이상의 출력을 낼 수 있다. 다만, 발열량과 비중이 모두 낮기 때문에 동일한 거리의 주행을 위해서는 연료의 부피비로 가솔린의 2.3배 정도의 큰 양이 필요하게 된다.

또한 암모니아는 가솔린보다 연소속도가 작아서 양산엔진에 적용하였을 때 가솔린보다 여섯 배 정도 느리게 연소한다. 따라서 공급하는 연료의 일부로 가솔린을 함께 사용하면 암모니아만 사용할 때보다 연소가 빨라지기 때문에 현재의 빠른 엔진에 적용하기 쉬워진다. 최근 한국에너지기술연구원에서 국내에서 최초로 시제작 암모니아 자동차를 발표한 바 있다. 이 자동차는 LPG와 가솔린을 선택적으로 사용하는 겸용자동차를 베이스로 하여 암모니아-가솔린 혼소자동차로 개조한 것이다. 이를 위하여 암모니아와 가솔린 연료공급시스템을 각각 장착하고, 또한 연료량 제어를 위하여 상용 ECU 대신 암모니아와 가솔린을 각각 독립적으로 제어할 수 있는 엔진제어기를 구축하였다.

이전까지 암모니아 엔진 연구는 주로 믹서를 사용하는 연료공급장치가 대부분이었는데 이를 세계 최초로 액상분사 방식으로 암모니아를 사용했다는 점에 의의가 있다. 액상분사방식은 공기량에 맞추어 정확한 연료의 양을 따로 공급하는 전자제어식 방식으로 이는 LPG자동차가 예전 믹서 방식에서 액상분사식으로 바뀌면서 성능이 10% 이상 개선된 것과 같은 내용이다.

앞서 서술한 바와 같이 암모니아는 연소속도가 느리기 때문에 엔진 운전조건에 따라 미처 연소하지 못하고 배출되는 미연소 암모니아가 발생하기도 한다. 이를 억제하기 위해서는 연료 공급량을 정밀하게 제어하는 것이 필요하다. 한편 질소산화물을 줄이기 위해서는 환원제가 필요한데 즉, 질소원자에서 산소를 떼어내서 수소 같은 다른 원자를 대신 산화시키는 것이 필요하다. 현재 디젤엔진에서 질소산화물을 저감하기 위하여 요소수를 배기관에 분사하기도 하는데 요소수란 요소가 녹아있는 물을 말한다. 그리고 이 요소수에는 암모니아가 다량 포함돼 있는데 이것을 디젤엔진 배기관에 뿌려 촉매반응을 통해 질소산화물을 물과 질소로 변환시키는 역할을 한다. 국내는 물론 세계 각국에서 디젤자동차에 대한 환경규제가 강화되는 추세에 따라 요소수 수요가 증가하고 있다. 하지만 암모니아 자동차는 요소수를 공급하지 않고도 미연소 암모니아를 활용하여 질소산화물을 저감할 수 있는 이점이 있는데 미연소 암모니아가 요소수의 역할을 하게 되기 때문이다.

암모니아-가솔린이 혼합 연소하는 엔진에서 암모니아 사용량을 증가시키면 배기가스 중의 CO2 농도를 크게 낮출 수 있는데 발열량 기준으로 가솔린 70%를 암모니아로 대체하게 되면 CO2 배출량을 70%까지 저감할 수 있게 된다. 이와 같이 암모니아 자동차를 국내자동차의 20%에 적용하게 되면 이산화탄소 배출량을 약 천만톤 이상 저감할 수 있으며 이는 한 해 동안 전체 수송부문에서 배출하는 온실가스의 15%에 해당한다.

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우리가 오늘날 크게 의존하고 있는 석유 에너지는 유한한 자원으로 앞으로 에너지 안보를 해결하고 고유가 시대를 대비하기 위한 대체연료 자동차 기술을 확보하는 것이 필요하다. 또한 기후변화에 대응하여 차량으로부터 배출되는 온실가스를 저감할 수 있는 기술을 확보하는 것이 필요한데 암모니아 자동차는 이 두 가지 요구를 모두 만족시킬 수 있는 유망한 기술이다. 즉 대체연료를 사용하면서 수소자동차, 전기자동차와 마찬가지로 온실가스 배출이 전혀 없는 친환경 자동차 기술인 셈이다.

만약 암모니아 자동차의 전용부품이 개발된다면 기존차량과 비슷한 수준의 비용으로 생산이 가능할 것으로 전망되기 때문에 수소자동차, 전기자동차의 연료전지와 이차전지에 비하여 가격경쟁력이 우수하다. 또한 수소자동차, 전기자동차의 경우와 달리 암모니아 충전소는 기존의 LPG충전소를 충분히 활용가능하기 때문에 연료 공급인프라를 새로 구축할 필요가 없다. 그리고 현재 이차전지의 에너지밀도보다 암모니아 연료의 에너지밀도가 높아 주행거리 등 장점이 있기 때문에 전기자동차에 비하여 보급확대에 유리하다고 할 수 있다.

앞으로 자동차 수가 더욱 증가하게 되면 유가가 더 높아져서 현재와 같이 석유 연료에 의존하기 어려울 것으로 보인다. 따라서 석유를 대체하는 새로운 대체 연료의 도입이 필요하다. 암모니아는 수소와 질소로부터 합성하기 때문에 이러한 석유 의존도를 줄일 수 있는 대안이다. 현재 상업적으로 생산되는 암모니아는 연간 약 2억t에 이르며 90%가 농업생산량 증대를 위한 요소비료를 생산하는데 쓰인다. 1913년 하버-보쉬가 공업적인 암모니아 생산에 성공했는데, 이는 수소를 원료로 하여 철 등의 촉매 조건에서 200기압 이상, 약 500°의 고온 고압에서 질소와 반응시켜 암모니아를 만들어내는 방법이다. 따라서 에너지가 소비량이 커서, 전 세계 에너지 소비량의 약 1%가 암모니아 합성에 들어간다는 보고도 있다.

1t의 암모니아를 합성하기 위하여 약 36GJ의 에너지가 소모되는데, 근래에는 양성자나 산소이온의 투과막을 이용하는 전기화학적 방법에 의해 적은 에너지를 사용하여 암모니아를 합성하는 방법을 개발하였다. 이는 연료전지의 역반응에 해당하는 것으로 물과 질소를 공급하고 전기를 가하면 물의 양성자나 산소가 전해질막을 이동하면서 각각 암모니아가 만들어지는 원리이다. 이를 통하여 암모니아 생산에 투입되는 에너지의 약 절반에 해당하는 양을 줄일 수 있어 더 값싸게 암모니아를 만들 수 있게 될 날이 멀지 않았다.

이미 미국에서는 부시행정부의 에너지 보좌관을 지낸 Matthew Simmons가 암모니아를 에너지 운반체로 사용하는 미래 에너지 시스템을 제안한 바 있다. 이는 미래에 궁극적인 에너지는 흔히 재생에너지로 불리는 자연에너지에 있으며, 이것을 사용하여 태양광, 풍력, 해수온도차 발전 등 전기에너지를 생산하는 것이 에너지 문제를 해결하는 최선의 방법으로 보았다. 그러나 자연에너지의 분포를 보면 적도 부근, 남반구 지역 등 사람이 많이 살지 않는 지역에 풍부하게 분포하고 있기 때문에 이들 지역에서 생산한 전기를 사람이 많이 살고 있는 북반구로 이송하는 것이 필요하다고 하였다.

즉, 자연에너지로부터 만들어진 전기에너지를 이용하여 암모니아를 합성하고 이것을 사용하는 것이 지속가능한 에너지 시스템이 됨을 역설하였던 것이다. 대기오염과 기후변화에 대응할 수 있는 무탄소 연료로서 재생에너지와 연계하여 합성한 암모니아가 인류의 미래 에너지 문제를 해결하는데 기여할 날을 기대해 본다.

 

글 / 우영민 (한국에너지기술연구원)

출처 / 오토저널 15년 8월호 (http://www.ksae.org) 

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