암모니아, 차세대 친환경 연료로 각광

[메솔린]

[연재] 암모니아 연소기술의 현재와 미래 1 암모니아, 수소 캐리어만이 아닌 차세대 친환경 연료로 각광

암모니아, 수소 캐리어만이 아닌 차세대 친환경 연료로 각광

가스신문 2024.06.21(요약)

암모니아가 최근 기후변화에 대응하기 위한 중요 재료로 각광받고 있다. 수소의 저장 및 수송을 위해서도 주목받지만, 암모니아 자체를 연료로 쓰고자 하는 연구·개발이 활발히 이뤄지는 중이다. 특히 탄소중립을 이루고자 내연기관을 이용한 차량의 판매 등이 전 세계적으로 금지되는 가운데, 연소시 CO₂를 발생시키지 않는 암모니아는 대체연료로서도 주목받고 있다.

< 암모니아의 물성과 특징 >

암모니아의 분자식은 NH3로, 1개의 질소원자와 3개의 수소원자가 결합된 알칼리성의 화합물이다. 암모니아는 수소결합으로 물에 잘 녹는데, 상온에서 30%, 물의 어는점인 0℃에서 최대 45%까지 녹는 성질을 보인다. 물 뿐만 아니라 에탄올, 에테르에도 잘 녹는다. 녹은 수용액은 단백질을 매우 잘 녹이고, 그 자체가 독극물이 된다.

대기압에서 수소는 –252.9℃에서 액화하지만, 암모니아는 –33℃에서 액화가 가능하며, 액화수소 대비 1.5배의 밀도를 갖는다. 즉, 에너지캐리어인 수소를 옮기는 수소캐리어로써의 역할이 용이하다는 뜻이다.

또한, 암모니아 자체를 연료로 이용하는 내연기관과 연료전지도 세계 각국에서 연구 중에 있다. 암모니아는 탄소(C)가 없기에 연소과정에서 이산화탄소가 발생하지 않고 무해한 질소만 배출되기 때문이다.

4NH3  + 3O2 ---> 2N2  + 6 H2O
<암모니아의 완전 연소 반응식>

위의 반응식에서 보듯이 암모니아는 완전 연소시 수소와 마찬가지로 이산화탄소의 발생이 없이 에너지를 얻는 것이 가능하다.

암모니아는 수치적으로는 프로판과 열역학적 특성이 유사함을 알 수 있지만, 단위 질량당 열량이 타 연료에 비해 낮으며, 자연발화 온도는 타 연료에 비해 높다.

메탄과 암모니아의 화염을 비교해보면, 메탄 화염에 비해 암모니아는 매우 넓고 긴 화염을 보인다. 이를 통해 메탄에 비해 암모니아가 매우 낮은 연소속도를 가진다는 점을 예측할 수 있다.

암모니아를 연료로써 직접 이용하기 위해 극복해야 할 과제는 암모니아의 낮은 반응성과 높은 질소산화물(NOx)의 생성이다.  

암모니아를 연료로 쓰기 위한 연구는 해양 선박연료 분야에서 가장 앞서고 있다. UN산하기관인 국제해사기구(IMO)의 규제 강화로 선박 건조시 온실가스와 NOx, SOx등의 배출이 제한됨에 따라 다양한 가스연료 적용 사례가 늘고 있다.

일본 국립해양연구소(NMRI)는 디젤과 암모니아 혼합 연료(에너지 기준 암모니아 20%)로 작동하는 7.7kW급 단일 실린더 디젤엔진을 연구했으며, 아산화질소(N2O), NOx 및 미연소 암모니아 저감이 가능한 배기가스 후처리 장치 연구도 진행했다.