암모니아(Ammonia) - 무탄소 연료

이전 글 '암모니아 운반선(VLAC), 수소 사회를 끌고 오는가.'란 글에서 수소의 운반체로서 그리고 그 자체로 연소 시 탄소를 배출하지 않는 무탄소 연료로서 암모니아에 대해 간단히 설명을 하고 사실 지난해부터 발주되기 시작하여 올해 국내 대형 조선 3사가 모두 마수걸이로 수주한 VLAC 및 그 시장을 좀 더 highlight 하지 않았나 싶다. 

하지만 많은 분들이 암모니아에 관심갖고 제 블로그를 방문하신다는 통계를 보고 나니 오늘 이에 대해 좀 더 정리하여 보고자 한다. 

전통적인 암모니아 생산과정(그레이 암모니아)

본래 암모니아는 식량 생산 증대를 위해 화학비료를 만들기 위해 개발된 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정으로 천연가스 개질이나 석탄을 가스화하여 수소를 만들고 공기 중의 질소와 약 200 기압, 400~500℃에서 반응시켜 합성 생산하였다. 

19세기말 인구가 폭발적으로 증가하며 인류는 '식량부족'이라는 문제에 봉착하였을 때이고 1930년대쯤 대규모 기아사태가 발생할 것이라는 비관적 전망이 나오고 있을 때, 이렇게 생산한 암모니아와 질산, 황산을 혼합하여 질산암모늄이나 황산암모늄 비료를 만들어 식량 증산에 혁혁한 공을 세운 업적으로 하버와 보슈는 각각 노벨 화학상을 수상하게 된다.

하지만 천연가스와 석탄에서 수소를 뽑아내는 과정 및 합성과정에서 이산화탄소가 많이 발생하고 현재 총 이산화탄소 배출량의 1.8%가 여기서 나오고 있는 것으로 분석되고 있다. 

암모니아 생산 모식도, (출처; 연합뉴스, 원출처; 한국기계연구원)

 

그린 암모니아 생산

전통적인 암모니아 생산 방법은 과정에서 이산화탄소를 배출하기에 궁극적 친환경을 논하기엔 부적절하고, 재생에너지로 생산된 전기로 물을 전기분해하여 생성된 수소와 공기중의 질소를 전기적으로 합성하여 궁극적 암모니아를 생산하는 방법이 개발되었고 상용화하려 추가적인 연구가 진행되고 있다. 현재는 생산비용이 하버-보슈 공정에 비해 많이 소요되고 있으나 재생에너지 생산비용이 현재보다 많이 저렴해질 경우 암모니아도 수소처럼 에너지 저장매체로 활용될 수 있어 재생에너지의 단점인 간헐성 극복에 도움을 줄 수 있을 것이고 전력 공급의 안전성을 도모할 수 있을 것으로 기대한다. 

암모니아 생산과 소비 모식도 (출처; Proton Ventures)

암모니아의 사용

암모니아는 이미 전세계 120여 개 항구에서 관련 제품의 수출입 처리를 하고 있을 정도로 인프라가 어느 정도 갖춰진 상태로 이는 암모니아가 친환경 연료로서의 가능성을 한층 높여주고 있어 최근 암모니아 연료 엔진의 개발이 완료되지 않은 상태에서도 향후 채용을 염두에 두고 Ammonia ready 선박이 발주가 되고 있는 상황이다. (암모니아 운반을 목적으로 발주/건조되고 있는 VLAC와는 구별해서 봐야 한다)

비료

본래 합성비료를 만들기 위해 암모니아 합성법이 만들어진 것에서 알 수 있듯 여전히 30% 정도의 암모니아는 질소질 비료를 만드는 데 사용되고 있다. 

요소수

다들 아실 것이다. 중국의 요소 수출 제한으로 한바탕 대란이 발생하였던 요소수의 요소가 암모니아를 기반으로 만들어 지며 요소수는 디젤차 배기가스인 NOx를 저감 하는 목적으로 흔히 사용되고 있다. 또한 암모니아는 아민의 혼합물을 형성하여 디에틸아민, 헥사민의 형태로 엔진 오일 및 부식방지 용도의 연료 첨가제로 사용되고 있다. 

배기가스 저감장치(SCR)의 촉매

암모니아를 촉매로 한 SCR(선택적 환원촉매, Selective Catalytic Reduction)은 디젤차에서 요소수처럼 선박의 배기계통에 설치하여 NOx를 제거하는 기술로 엔진 배기가스내의 NOx와 반응하여 질소와 수증기 그리고 이산화탄소로 바꾸어 배출시킨다. 

산업용 원료

정제과정을 거친 고순도(블루암모니아) 및 초고순도(화이트암모니아)로 정제된 NH₃는 반도체 및 평판 디스플레이(LED, LCD) 제조 과정에 사용되고 있고, 태양광 패널의 생산에도 사용되는 등 용처가 계속 늘어가고 있다.  

 

암모니아는 위 외에도 산업용 냉동기의 냉매로도 사용되고 있고, 암모니아 엔진의 개발과 더불어 자동차, 선박 등 엔진의 추진 연료로서 그리고 발전연료로서도 용처가 확대될 것으로 보인다. 

 

친환경 연료들의 물성치

암모니아는 37.8℃에서 증기압이 1.46 MPa로서, 비교적 액화하기 쉬운 가스이다. LPG와 유사하게 상온에서도 일정 압력을 가하게 되면 액화가 되어서 지금까지는 주로 LPG 운반선으로 운송하게 된다. 

아지만 타 친환경 연료보다 점화에 많은 에너지가 필요하고 기본연소속도가 작다 보니 실제 엔진의 연료로서는 타 연료들과 비교하여 열세의 특성을 지니고 있으나 무탄소라는 장점, 그리고 쉽게 액화가 가능해서 운송성이 좋다는 점에서 지속 연구가 진해되고 있다. 

특성	암모니아	수소	메탄올	메탄(LNG)	프로판(LPG)
인화점 (℃)	-	-150	11	-188	-105
자연발화온도(℃)	651	535	464	595	459
점화에너지(mJ)	8	0.011	0.14	0.28	0.25
기본연소속도(cm/s)	12	312	56	40	46
공기 중 인화성 농도 범위(%)	15 - 28	4 - 75	5.5 - 44	5 - 15	2.2 - 9.5
액상/기상 부피비	850배	800배	-	600배	300

 

암모니아 운반선에 대해 관심이 있으신 분들은 먼저 글을 한번 살펴 주시길...

암모니아 운반선(VLAC), 수소 사회를 끌고 오는가.