세계 각국은 지금 지구온난화 위기에 따른 탄소중립을 실천하기 위해 노력하고 있다. 특히 온난화의 주범인 화석연료를 대체하기 위한 방안으로 수소와 암모니아에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에 필자는 △왜 암모니아인가 △액화 암모니아의 특성 △암모니아 연료 CI엔진 등에 대해 3회에 걸쳐 연재한다.

지구환경 위기를 대처하기 위한 핵심정책 중 하나인 온실가스 발생 제로화를 위한 탄소중립(Net-Zero)은 일부 전문가들이 사용하는 전문용어가 아닌 일반용어로 정착되었으며, 우리는 온실가스에 의한 이상 기후 현상을 실제 경험하고 있다.

온실가스의 주범으로 인식된 화석에너지를 대체하기 위하여 수소에너지를 지목하고 이를 우리 생활과 산업 환경에 적용하기 위한 제도 및 기술개발을 추진한 결과가 우리 주변 환경에 정착되어 가고 있음을 피부로 느끼고 있다.

현재 산업공정 과정에서 생산되는 부생 압축수소에너지는 주로 자동차용으로 활용되고 있으나 이는 저장량과 높은 압력에 대한 불안감과 관련 인프라 시설 확충에 한계가 나타나고 있다.

화물차량과 장거리 운전 대형차량에 대한 수소에너지 활용과 수소에너지의 이동 및 산업에너지로서의 응용성을 높이기 위해서는 액화하여 저장밀도를 높여야 하는데 수소의 액화는 영하 254℃ 이하의 극저온 기술과 촉매전환 기술이 필요하고, 또 이를 유지관리를 위한 고도의 전문기술과 경제성 문제가 대두되고 있다.

따라서 최근에는 우리에게 화장실 냄새와 냉동 공장 냉매로 널리 알려진 암모니아가 에너지원(또는 전달 매체)으로 활용 가능성이 제안되면서 우리의 관심을 불러일으키고 있다. 특히 지난 8월 26일 대전에서는 한국에너지기술연구원이 주관한 제2회 국제 그린 암모니아 컨퍼런스가 개최되어 많은 호응을 얻었다.

100년 넘은 암모니아 활용

암모니아 활용은 100년이 넘는 긴 역사로 우리 주변에 성숙되고 안전하게 잘 관리되고 있는 화학물질로 주된 사용처인 비료생산으로 인류의 생존에 큰 영향을 미치고 있다. 암모니아로 생산된 미네랄 질소 비료는 공기 중의 질소와 함께 우리가 먹는 음식 사이에의 깊은 연결고리를 형성하고 있다. 또 암모니아는 비등점이 영하 33℃로 상온에서 쉽게 액화 할 수 있어 저장과 이동이 용이하다. 그 물리적 특성은 오래전부터 서민연료와 산업용 가열연료로 우리에게 익숙한 LPG와 비슷하여 유지관리에 필요한 관련 기술을 응용 할 수 있을 것이다.

지난 세기 동안 암모니아의 생산은 비료로의 사용으로 인한 인구 증가를 뒷받침하는 역할을 하였으며, 고정 질소 공급원을 제공하는 비료에 암모니아를 사용함으로써 지난 세기 동안 세계 인구의 약 27%를 부양했다. 

이처럼 엄청난 수요 증가를 촉진하기 위해 1908년 독일 화학자 프리츠 하버(Fritz Haber)는 재활용하여 고압 및 고온에서 수소(Hydrogen) 및 질소(Nitrogen)로부터 암모니아 합성 방법을 개발했다. 

이 공정은 칼 보슈(Carl Bosch)에 의해 산업화 되었으며, 1911년에 최초의 암모니아 합성공장이 건설되었다. 이 때문에 고온, 고압에서 수소(H₂) 와 질소(N₂) 로부터 암모니아를 생산하는 공정을 하버 보슈(Haber  Bosch) 공정이라고 한다. 프리츠 하버와 칼 보쉬는 이 과정에 대한 공로로 1918년과 1931년에 각각 노벨 화학상과 2007년 게르하르트 에르틀(Gerhard Ertl)은 철 촉매의 표면 화학에 대한 지대한 공헌으로 노벨화학상을 수상하기도 했다.

따라서 암모니아는 근대 화학산업에 가장 많이 응용되는 물질 또는 화학분자로 그 활용도가 굉장히 넓혀져 있으며, 그중 제일 많은 비중을 차지하는 분야는 단연코 비료생산이다. 그다음으로는 냉각제로서의 활용이다.

암모니아의 끓는점은 다른 기체에 비해서 비교적 높은 편이고 압축할 경우 쉽게 액화되는 데다 기화열이 비교적 크기 때문에 냉장고와 공기조절장치 등의 냉각제로 사용되어오고 있다.

오래전부터 사용되었고, 현재에도 널리 사용되어 우리의 일상생활과 산업용 및 수산물 보관용 상업 냉동기의 80%가 암모니아를 냉각제로 사용하고 있다. 지난 10년 동안 Haber-Bosch(H-B) 암모니아 산업을 물 전기분해 또는 태양열 순환과 같은 재생 가능한 수소 공급원으로 전환하기 위한 많은 모멘텀이 구축되고 있다.

액체 에너지 운반체로서의 암모니아에 대한 초점이 최근 몇 년 동안 발전함에 따라 점점 더 광범위한 응용 분야에 대한 조사도 진행되었다.

암모니아는 원래 수소에너지의 운반체 및 공급자로 이러한 용도가 많은 것으로 나타났다. 액체수소(LH₂), 액체 유기 수소 운반체(LOHC), 이산화탄소(CO₆)환원 제품 및 암모니아(NH₃)를 포함하여 이러한 액체 에너지 운반체에 대한 여러 옵션이 등장하고 있다. 이들 각각은 장단점이 있는데, 예를 들어 수소를 액화하는 데 큰 에너지 비용이 든다거나, 이산화탄소 감소를 기반으로 하는 기술에서 CO₂의 집중 소스가 필요하며, 각각의 상대적인 유용성과 안전성 등이 비교되고 있다. 이러한 혼합 중에서 암모니아는 미래의 재생 가능 에너지원 연료로서 강력하고 점점 더 강력한 후보로 떠오르고 있다. 이러한 맥락에서 공급망에는 수소가스로 분배 및 사용하기 위해 전달 지점에서 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 단계가 포함된다.

액화 암모니아 역할도 기대

지난 몇 년 동안 암모니아 에너지 응용 분야의 비전은 이제 연료로 직접 사용하는 것을 포함하도록 크게 확대되었다. 예를 들어, 버스(1940년대 벨기에에서 구현된 바와 같이)를 포함한 수송 차량의 연료로서, 또는 소형, 중형 및 대형 발전기, 직접 암모니아 연료전지, 전력터빈 및 제트엔진에서 해양 벙커연료를 포함한다.

따라서 암모니아는 거의 모든 응용 분야에서 화석연료를 대체할 가능성은 충분하다. 이러한 장치에서 '연소'가 발생하면 유일한 배기가스는 사용 지점에서 직접 환경으로 안전하게 배출될 수 있는 순수한 질소와 물이어야 한다. 연관 기술의 변화에 따른 암모니아 기술변천은 1세대인 하버-보슈공정에서 2세대의 천연가스 개질 공정을 거쳐 3세대 기술인 재생에너지를 활용한 그린 수소생산 방식인 수전해 시스템으로 정착되어 가고 있다. 화학 양론적으로 암모니아 1톤 생산에는 최소 1.5톤의 물이 필요하며 공정 손실과 배출량을 포함하면 일반적으로 이 양을 20% 이상 증가량이 필요하며, 결과적으로 약 2배의 물이 소요된다.

현재 화학 연료인 천연가스 개질방식에서 암모니아 1톤당 CO₂ 배출량은 약 2.9톤(약 3배)으로 알려져 있으며, 1kg의 암모니아는 0.13kg의 수소를 생산한다. 결론적으로 암모니아는 분명히 가장 까다로운 응용 분야를 제외한 모든 분야에서 화석 연료를 대체하여 수소에너지와 함께 미래에 수송 가능한 재생에너지의 지배적인 형태가 될 잠재력을 가지고 있다. 그것은 재생에너지 기술의 핵심 구성 요소 중 하나로서 수소 및 재생 가능한 탄소 파생 연료를 포함한 다른 형태의 화학 에너지 저장, 그리드 및 로컬 전기에너지 저장을 위한 배터리 저장과 나란히 배치되고 있다. 액화수소의 물리적 특성과 상대적으로 상온에서도 저장과 보관이 쉬운 액화암모니아가 역할을 할 것으로 기대해본다.

최규평 소장은     

◇ 가스기능장

◇ 중소기업기술지도사(기계부문)

◇ 우수숙련기술자(가스부문)

◇ 前 2050 탄소중립 시민회의 위원