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[오토저널] 온실가스 저감을 위한 무탄소 연료 - 암모니아(NH3)

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-11-05 22:14:14

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내연기관을 전공한 사람들에게 요즘은 무척이나 힘든 시기이다. 해외에서는 내연기관 퇴출에 대한 발표를 이어가고 있고, 국내에서는 전기차와 수소차에 대한 얘기만 들리기 때문이다. 자동차의 전동화는 승용차뿐 아니라 모터와 배터리로는 힘들거라 생각했던 상용차와 건설기계에서도 나타나고 있어 내연기관이 설 자리가 더욱더 사라지고 있는 것 같다. 하지만 최근 선박부분에서 들려오는 무탄소연료(수소, 암모니아) 추진선박 개발 소식은 내연기관을 전공하고 있는 사람들에게는 희소식일 것이다. 따라서 본 고에서는 수소보다 덜 알려진 암모니아에 대해 소개하고자 한다.

암모니아?
초록창을 통해 두산백과사전에서 찾은 암모니아는 “NH3의 화학식을 갖는 암모니아는 질소원자를 포함하는 화합물로, 식물체에 대한 질소공급원으로 매우 유용하게 쓰이는 물질이다.”라고 되어 있다. 생물체의 체내에서 단백질 섭취 후 분해과정에서 암모니아가 생성되지만 암모니아는 독성물질이기 때문에 사람은 요소라는 비독성 물질로 바꾸어 체내에 모아두었다가 배출한다. 하지만 체내에서 미처 요소로 전환되지 못한 암모니아가 함께 배출되는 경우도 있기 때문에 화장실에서 고약한 냄새가 나는 것이다.
 
식물의 성장을 위해서는 질소가 필요하기 때문에 사람과 동물의 배설물을 예전에는 비료로 많이 사용하였으나, 하버-보쉬법으로 질소를 수소와 반응시켜 비료의 원료인 암모니아를 대량으로 만들고 부터는 화학비료를 많이 사용하고 있다. 암모니아는 독성 물질이지만 수 ppm만 공기중에 존재해도 냄새로 알아차릴 수 있어 누출시 금방 발견할 수 있으며, 물에 잘 녹기 때문에 쉽게 제거할 수 있어 안전하게 사용할 수 있다. 또한 LPG(Liquid Petroleum Gas)와 비슷하게 상온에서 약 6bar 정도로 가압하면 액상으로 보관할 수 있다. 또한 암모니아는 전세계적으로 비료의 원료로 사용되고 있는 만큼 수송에 대한 어려움이 없다. 

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연료로서의 암모니아는 가솔린, 디젤, LPG 등과 비교하면 낮은 발열량, 높은 점화에너지 필요, 늦은 화염속도, 그리고 유독성 등의 이유로 좋은 연료는 아니다. 하지만 연소 후 이산화탄소가 배출되지 않는다는 큰 장점 때문에, 암모니아는 IMO(International Maritime Organization : 국제해사기구)에서 정한 이산화탄소 배출량 감축 규제 발표 이후 선박에서의 이산화탄소 배출량을 획기적으로 줄일 수 있는 무탄소연료로서 수소와 더불어 주목받는 연료 중의 하나가 되었다. 하지만 아직까지 상용화되지 않아 여러 엔진 제작사 및 선박 제조사가 기술 개발을 하고 있는 상황이다. 

암모니아 생산
암모니아는 가장 많이 생산되는 무기 화학 물질 중 하나로, 매년 약 2억톤 정도 생산되고 있다. 이는 우리나라가 매년 사용하고 있는 에너지가 약 2억 toe 정도임(전세계 에너지소비중 약 2% 차지)과 암모니아의 발열량(가솔린 대비 약 47%)을 고려해서 생각해 보면, 한해에 생산되는 모든 암모니아를 이용하면 우리나라에서 사용하는 에너지의 대략 절반 정도를 감당할 수 있을 것이다. 

하버-보쉬법을 통해 생산되는 암모니아는 크게 두 단계의 과정을 거쳐 생산된다. 첫 번째는 암모니아를 합성하기 위해 필요한 수소를 만드는 단계이며, 두 번째는 첫 단계에서 만들어진 수소를 질소와 반응시켜 암모니아를 합성하는 하버-보쉬 합성 공정 구간이다. 이때 수소를 만드는 방법으로 Water�gas shift (WGS) 공정을 이용하는 방법과 수전해를 이용하는 방법이 있다<그림 1>.

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2000년대 들어서는 하버-보쉬법에 따른 암모니아 합성공정을 벗어나 전기합성방법을 이용하여 더 적은 에너지로 큰 수율을 갖도록 하기 위한 연구도 진행되고 있다<그림 2>.

암모니아를 만드는 방법은 여러 가지가 있겠지만, 자연적으로 만들어지는 것이 아닌 이상 에너지를 필요로하게 되며, 전세계에서 소비되는 에너지의 약 2% 정도의 에너지가 현재의 하버-보쉬법을 통해 소비되면서 암모니아가 만들어지게 된다. 따라서 암모니아가 비료 외에 연료로 사용되기 위해서는 추가적으로 더 많은 암모니아 생산이 필요하고, 이에 따라 더 많은 에너지가 생산에 요구되므로 생산과정에서 이산화탄소 및 유해배출물이 최소한으로 나올 수 있도록 친환경적으로 암모니아를 생산할 수 있는 기술과 함께 암모니아 생산 수율을 향상시킬 수 있는 기술이 필요할 것이다.

암모니아 엔진의 과거
온실가스 배출에 대한 관심이 높아지고 있는 최근에서야 무탄소연료로서 암모니아가 주목받은 것은 아니다. 세계대전으로 인해 당장 가용한 자원이 부족해지면서 화석연료 외에 다른 연료에 대한 관심을 가지게 되었고, 화석연료를 대체할 연로로서 암모니아의 가능성이 주목받은 것으로 보인다. NH3 Fuel Association3의 자료에 따르면, 암모니아가 내연기관 연료로 사용된 것은 1943년 벨기에에서 개발된 버스다. 

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제2차 세계대전으로 차량용 연료가 부족해졌지만 대중교통의 마비를 피하고자 암모니아-석탄 가스 엔진을 개발하여 버스에 사용하였다<그림 3>. 2000년대 들어서는 미국 Ohio와 Michigan 대학교에서 암모니아를 연료로 하는 가솔린-암모니아, 디젤-암모니아 혼소 엔진에 대한 결과들을 내놓았다. 특히, 2007년에 Michigan 대학교에서는 가솔린-암모니아 혼소 엔진을 적용한 차량을 제작하여 디트로이트에서 샌프란시스코까지 운행했었다<그림 4>. 우리나라에서는 한국에너지기술연구원에서 암모니아와 가솔린을 흡기 매니폴드에 액상으로 분사하는 가솔린-암모니아 혼소엔진연구를 처음으로 시작하였고, 2013년에는 개발된 가솔린-암모니아 혼소엔진을 적용한 차량을 선보였다<그림 5>. 암모니아는 자동차 연료뿐 아니라 로켓엔진용으로도 사용되었는데, 1960년대에 만들어진 X-15 rocket용 메인 연료로 사용됐다<그림 6>.

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지금까지의 사례와 같이 암모니아는 자동차용 엔진에서부터 로켓엔진까지 개발되었으나, 보편화되지 못했다. 가솔린, 디젤과 같은 화석연료가 충분히 공급되고 있으며, 이를 중심으로 한 기술개발이 대부분이었기 때문에 암모니아를 내연기관의 연료로 널리 보급할 만한 필요성이 부족했다.

암모니아 엔진의 현재와 미래
암모니아의 연료로서의 관심이 최근 몇 년 사이에 급증하고 있다. 이는 앞서 언급했었던 IMO에서의 이산화탄소 감축 규제로 인해 2050년까지 선박에서 배출되는 이산화탄소의 양을 2008년 대비 70%까지 감축해야 하기 때문이다. 엔진 효율 향상, 선박의 저항 감소 등을 이용하여 이산화탄소 배출량을 줄이려는 노력과 함께 전기동력을 이용하는 방법 등 다양한 방법이 논의되고 있다. 하지만 엔진을 사용할 수 밖에 없는 대형 선박의 경우 이산화탄소 배출의 절대량을 줄이지 않고는 이산화탄소 배출 규제를 달성할 수 없기 때문에 수소와 더불어 암모니아의 관심이 높아진 것이다.

최근에는 한국선급에서 “친환경 미래 선박 연료 전망-선박연료로써의 암모니아”4라는 보고서를 내놓았고, 여기서 국내·외 선박 및 선박 엔진제작 업체들의 암모니아의 선박 연료로서의 가능성에 대한 높은 관심도를 다시 한 번 확인할 수 있다. MAN, Wartsila 등 주요 선박용 엔진 제작사에서 암모니아 엔진에 대한 개발을 진행하고 있으며, 가능한 빨리 선박용 암모니아 엔진을 개발하여 이를 적용한 선박을 시장에 내놓을 수 있도록 노력하고 있다. 그러나 국내에서는 한국에너지기술연구원에서의 첫 암모니아 엔진 및 차량 연구 이후 후속 연구가 없어 아쉬운 실정이다. 하지만 올해 6월에 발간된 KEIT PD 이슈리포트 중 하나인 “IMO 친환경선박 관련 규제 및 대응 방안”5 보고서에 제시된 ‘친환경선박 핵심기술 기술로드맵’은 암모니아 관련 기술 개발 계획을 보여주고 있어 앞으로 국내에서도 많은 암모니아 엔진 관련 기술개발 과제가 추진될 것으로 보인다.

아직 암모니아 엔진과 연료시스템에 대한 신뢰도가 생길 만큼의 데이터가 누적되지 않았고, 암모니아 생산량이 수송부분에 사용하기에 부족하기 때문에 아직은 암모니아가 선박과 자동차용 연료로 자리 잡을 거라 장담할 수 없다. 하지만 암모니아는 이산화탄소 배출량 저감에 확실한 강점을 가지고 있고, 물과 공기가 없어지지 않는 한 계속적으로 만들어낼 수 있는 만큼 화석연료를 대체하여 내연기관에 사용될 가능성은 충분하다고 생각되며, 이를 통해 내연기관이 앞으로도 영원히 지속될 수 있을 거라 생각된다.

글 / 장진영 (한국에너지기술연구원)
출처 / 오토저널 2020년 8월호 (http://www.ksae.org) 
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