친환경 에너지로써 암모니아의 활용성(수소 케리어와 연료전지 활용)
친환경 에너지로써 암모니아(NH3)의 활용은 수소(H)를 저장하고 운반하는 수소 케리어 역할과 직접적인 연소 에너지원으로 활용 가능합니다. 또한 암모니아 연료전지의 활용은 암모니아를 에너지원으로 사용하여 연료전지를 구동시켜 전기를 생산하는 방식으로 수소연료전지와 유사하지만 연료만 다를 뿐이죠. 이처럼 탄소 중립 목표 달성에 중요한 에너지인 암모니아 활용성에 대해 알아보도록 하겠습니다.
암모니아(NH3)의 탄생 배경과 특징
암모니아는 1개의 질소원자(N)와 3개의 수소원자(H)로 된 화합물로, 특유의 냄새를 갖으며 무색인 점이 특징입니다. 이러한 암모니아는 탄소(C)가 없기 때문에 친환경에너지로써 활용할 수 있으며, 탄소중립이란 목표에 일정 부분 기여할 수 있는 잠재력을 지닌 화합물입니다.
기존 암모니아 산업에서는 플라스틱, 의약품, 농업혁명으로 불리는 농업용 비료 등에 활용되어 왔지만, 세계적으로 기후변화에 대응하기 위한 친환경 대체 에너지로 수소와 더불어 암모니아를 활용하기 위해 수많은 연구들이 진행되고 있죠.
암모니아 생산기술은 1900년대 초 독일의 화학자인 하버는 수소와 질소에서 암모니아가 만들어지는 과정을 발견하면서 하버-보슈 법이란 암모니아 대량생산기술이 만들어졌으며 현재까지도 사용하고 있습니다.
이 기술은 고온, 고압에서 철산화물을 이용하여 질소 분자를 떼어내어 수소와 합성시키는 방법입니다. 그래서 암모니아(NH3)가 탄생하는 거죠. 이때 수소가 필요한데, 친환경 에너지를 이용하여 생산된 그린 수소를 활용하여 암모니아를 만들면 그린 암모니아가 됩니다. 그린 수소인지, 블루 수소인지, 그레이 수소인지 여부에 따라 암모니아도 그린, 블루, 그레이로 나뉠 수 있습니다. 결국 친환경 수소를 활용하면 암모니아도 친환경 에너지가 된다는 뜻이죠.
이처럼 암모니아의 역사는 오래되었지만, 공교롭게도 기후변화에 대응하는 이 시점에 이미 세계에 구축된 암모니아의 산업 인프라를 활용한 운반, 보관, 수소생산에 대한 연구개발이 다시금 주목받고 있는 상황입니다.
암모니아 연료전지 시스템 활용
암모니아 연료전지는 수소 연료전지와 동일한 개념입니다. 단지, 연료가 암모니아 혹은 수소인지 여부에 따라 시스템이 조금 다를 뿐입니다. 기본적인 연료전지 시스템은 수소연료전지 개념에서 비롯되며, 작동원리는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기에너지를 만들어내는 시스템입니다. 이 전기를 이용해 자동차의 모터를 작동시키면 전기자동차가 되죠.
위 그림처럼 전기 발생 원리는 전해질을 이용해 수소와 산소를 결합하면 물이 만들어지고 이과정에서 전기가 발생하게 되는 원리입니다. 결과적으로 연료전지 시스템은 물만 배출하기 때문에 친환경 에너지로 불리게 되는 것입니다.
암모니아를 활용한 연료전지로 전기를 발생시키는 타입은 두 가지 원리로 나눌 수 있습니다.
- 대규모 산업시설을 이용하여 암모니아에서 수소 추출 후 이러한 수소에너지를 연료로 사용하여 연료전지 구동
- 암모니아를 연료로 주입하여 암모니아 연료전지 안에서 수소를 추출하고 그 수소에너지로 연료전지 구동
암모니아를 활용한 수소 운반, 저장 역할
수소 운반을 위해 암모니아 활용성은 수소 케리어 역할을 하는 것입니다. 즉, 수소 운반을 위해 암모니아를 운송 및 저장의 매개체로 이용하는 것이죠. 앞서 설명한 것처럼, 암모니아는 질소와 수소의 화합물로 NH3의 화학식을 가지고 있기 때문에, 3개의 수소(H)가 존재합니다. 따라서 암모니아를 운송한 뒤 후처리로 수소를 추출하는 방식으로 단순 액화수소를 운반하는 방식보다는 에너지 밀도 측면에서 더 많은 수소를 운반할 수 있죠. 즉, 액상 암모니아가 액상 수소에 비해 에너지 밀도가 1.7배 높고, 대규모 투자 없이 기존 암모니아 산업 인프라를 그대로 사용할 수 있기 때문에 비용적인 측면에서 훨씬 효율적입니다. 따라서 국가 간 대규모 운송, 장거리 운송이 필요한 경우 운반 및 저장 수단으로 유리합니다.
반면에 액화수소를 장거리 운송을 하기 위해서는 까다로운 고온, 고압 환경이 필요하며, 대규모 시설투자가 필요하기 때문이죠. 하지만, 암모니아를 저장 매개체로 이용하면 이미 암모니아 시설은 세계 전반에 구축되어 있기 때문에 활용만 하면 됩니다.
| 액화수소 | 액화 암모니아 | |
| 액화온도(°C) | -253°C | -33°C |
| 에너지 밀도 | 액화 수소 대비 1.7배 높음 | |
| 장점 | 정제공정 필요 없음 | 기존 인프라 이용 가능, 높은 에너지 밀도 기존 프로판 기반 시설 이용 가능 저장, 운반, 보관 등 기존 인프라 사용 가능 |
| 단점 | 대규모 저장, 운반, 보관 시설 필요 대규모 연구개발 및 추가 시설 필요 |
독성물질로 분류 특유의 냄새 발생 |
이외에도 내연기관 연료처럼 암모니아 연료를 사용하는 활용 방법이 있습니다. 쉽게 이해하면 석유, 휘발유와 같이 연소시키는 방법입니다. 암모니아 내연기관은 연소 후 탄소 배출은 없으나 디젤 연소기관에서 볼 수 있는 질소산화물(NOx)이 배출물로 발생됩니다. 이 질소산화물은 초미세먼지의 원인으로 대기 및 햇빛에 있는 자외선과 반응하여 스모그, 산성비 등으로 인간에게 피해를 주기 때문에 기후변화에 대응하기 위해서는 이러한 단점을 완벽하게 보완해야 합니다.
실제 활용 사례
세계 각국에서 친환경 에너지로 활용하기 위해 암모니아 연료를 이용한 동력원을 얻기 위해 다양한 연구개발을 진행 중입니다.
- 한국의 삼성중공업, 핀란드의 "Wartsila 기업"의 암모니아 내연기관을 적용한 선박 실증 사업 : 암모니아 직접 연소를 통한 내연기관을 적용하여 선박을 운항하는 연구 실시
- 일본 "IHI 기업"의 암모니아를 연료로 하는 전기 발전 사업 : 수소를 분리하지 않고 암모니아를 직접 연료로 작동하는 연료전지(SOFC, 고체 산화물 연료전지) 개발 사업 실시
- 한국 선급(KR) : 2019년 친환경 미래 선박 연료 전망 기술서 발간을 통해 친환경 에너지로써의 암모니아의 특징과 미래 연료로 소개
- 미국 "아모지(Amogy) 기업"의 암모니아 연료전지 : 암모니아를 직접 연료로 하는 연료전지를 소형화하여 트랙터 실증 테스트 성공
우리나라의 경우 2050년 탄소 중립 목표를 실현하기 위해서는 해외에서 그린 수소 도입이 필요합니다. 따라서, 수소 케리어 역할을 할 수 있는 암모니아의 중요성은 가까운 미래에 더욱 부각될 것으로 보입니다.