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.

1. 소개

오늘날 지구 환경을 위협하는 화석연료와 같은 주요 에너지원을 온실가스 발생이 없는 많은 용도의 전기화와 함께 재생 가능한 수소, 암모니아를 에너지원으로 대체하고자 많은 연구와 기술개발이 이루어지고 있다.

따라서 이런 대체 연료인 신재생에너지인 수소 및 암모니아는 고온 열, 장거리 이동성, 심지어 중장기 에너지 저장, 특히 전기화하기 어려운 특정 최종 용도에 적합하기 때문에 중요한 에너지 운반체로 주목되고 있다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 '그린 수소'(green hydrogen)는 운송 및 발전 모두에서 가장 유망하고 청정에너지 운반체 중 하나이기 때문에 지속 가능한 에너지 미래로의 세계 전환에서 핵심적인 역할을 할 것으로 예측하고 있다. 그러나 사용 가능한 최상의 기술을 사용하더라도 밀도가 너무 낮은 에너지는 수용 가능한 안전성과 합리적인 비용으로 쉽게 운송 및 보관할 수 없는 문제에 대하여 고민하고 있다.

재생 가능 연료 중에서 암모니아(NH₃)는 현재 잠재적인 재생 가능 무 탄소 에너지 운반체로서 관심이 높아지고 있으며, 연소 시스템이나 연료전지에 직접 사용하기 위한 연료로 활용되거나 분해될 때 효율적인 수소 운반체(질량 기준 수소 함량 17.8%)로 검토되고 있다.

암모니아를 내연기관 연료로 사용하는 것은 수십 년 전부터 고려되어 왔지만 처음에는 가용성, 취급 용이성, 안전성, 에너지 밀도 및 연소 특성 면에서 탄화수소 연료와의 경쟁으로 인해 사용이 제한되었다.

실제로, 아래 표에서와 같이 각각 좁은 가연성 한계(FL)와 낮은 층류 연소 속도로 설명된 바와 같이 난연성이고 연소 강도가 매우 낮은 독성 화학물질이다.

<표>에서 보는 바와 같이 어려운 연료특성에도 불구하고 지구 온난화에 대한 오늘날의 지구 환경 영향으로 수용할 수 없는 요건을 만들고 있으며, 암모니아는 많은 이점의 가능성을 보여 주고 있다. 첫째, 재생 가능 에너지의 엄청난 발전과 하나의 저장 솔루션으로서의 물 전기분해로 인해 '녹색' 암모니아는 탄소 배출 없이 경제적으로 생산될 수 있었고 연소 시 물과 질소가 주로 방출된다. 또한 표에 표시된 것처럼 암모니아는 주변 온도의 온화한 압력 조건에서 액체로 저장될 수 있으므로 특히 경쟁력 있는 낮은 발열량(LHV)과 관련하여 다른 연료와 유사한 에너지 밀도를 보장하며 수명주기 분석에서 가솔린 차량 대신 암모니아 연료 차량을 사용하면 온실가스 배출량을 거의 3배 정도 줄일 수 있는 것으로 분석되었다.

현재 대부분의 프로젝트가 CI엔진(Compression Iginition Engine:압축 점화 엔진)과 관련되어 있지만 암모니아의 낮은 자동 점화 능력과 높은 옥탄가 등급은 SI 엔진에 더 적합한 사용을 제안하고 있다. 공기와의 화학 양론적 혼합물에 도입된 암모니아의 에너지 함량은 가솔린 보다 높지만 순수 암모니아의 경우 연료 소비가 2배이다. 그러나 낮은 화염 속도와 좁은 가연성 한계는 SI 엔진에서 불완전 연소로 이어질 수 있다. 균형을 맞추기 위해 약 5~10% 비율로 혼합 공급하는 시스템이 연구되고 있다.

2. 순수 암모니아 CI 엔진

SI(Spark Ignition:불꽃 점화) 및 CI 엔진 모두에서 순수한 암모니아의 사용을 조사한 여러 연구가 있었다.

연구보고서에 따르면 만족스러운 연소가 이루어지지 않으며, 일반적으로 연소를 달성하려면 어느 정도의 엔진 개조가 필요한 것으로 나타났다. 암모니아의 화학 양론적 공연비는 디젤의 경우 14.322에 비해 6.0466으로 동일한 공기량 기준으로 디젤에 비해 더 많은 암모니아가 공급되어야 한다. 이는 암모니아가 더 많은 연료를 주입하여 낮은 에너지 밀도를 보상할 수 있음을 의미하며, 이로써 화학 양론적 공기-연료 혼합물인 디젤의 에너지 밀도와 거의 동일한 에너지 밀도를 달성할 수 있다.

그러나 암모니아의 연소 특성이 디젤의 연소 특성, 특히 암모니아의 낮은 세탄가와 매우 다르기 때문에 기존 디젤 엔진에서 순수한 암모니아의 압축 점화는 달성하기 어렵다. 연소를 달성하기 위해서는 연소가 각각 ~100℃ 및 ~50℃의 실린더 및 공기 가열로 35:1의 압축비가 필요하기 때문에 새로운 엔진 설계가 필요하다는 연구보고서가 발표되었다.

3. 이중 연료(Dual-Fuel)

기존 ICE에서 큰 수정 없이 연소하는 것은 순수한 암모니아를 사용하여 달성하기 어렵기 때문에 대안이 필요하다. 암모니아의 가연성은 연소 촉진제를 사용하여 개선할 수 있다. 연소 촉진제는 가연성과 화염 속도를 개선하기 위해 암모니아와 함께 사용되는 반응성 연료이다. 연소 촉진제는 디젤 및 가솔린과 같은 일반적인 ICE 연료일 수도 있고 바이오디젤, 수소, 에탄올, DME 등과 같은 대체 연료일 수도 있다.

이중 연료 솔루션은 경험이 적은 분야이므로 연료 분사, 점화 제어 및 시스템의 최적 설계 측면에서 많은 개발이 필요하다. 그러나 다른 기존 CI 및 SI 엔진에 대한 이중 연료 솔루션으로 유형의 예비 실험이 이미 수행되었다.

위 그림은 한국에너지기술연구원이 암모니아와 가솔린을 7:3비율로 혼합한 연료를 사용하는 암모니아 연료차 암비(AmVh)의 엔지시스템 개요를 보여준다.

4. 수소와 암모니아

많은 연구에서 암모니아로 연료를 공급하는 SI 엔진에서 연소 촉진제로 수소를 사용할 것을 권장하고 있다. 수소의 연소 특성은 암모니아와 결합 될 때 바람직하며 적절한 비율의 수소는 암모니아의 느린 화염 속도 및 점화 요구 사항을 보완할 수 있다. 수소의 최소 점화 에너지는 0.016로 소량의 수소가 필요한 에너지양을 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다. 퍼잘(Pearsall)의 보고서에 데이터를 다시 표시한 결과 5질량%의 수소를 추가하면 탄화수소(~71.65Kcal)에 필요한 에너지양을 줄일 수 있음을 알 수 있다고 하였다. 수소의 암모니아 함량은 배기가스 열에 의해 구동되는 촉매에서 암모니아의 해리(解離)에 의해 활용될 수 있다.

상업적으로 루테늄 기반 촉매는 SI 엔진에서 암모니아와 함께 사용하기 위해 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 것으로 입증되었으나 경제성에 한계가 있다. 촉매는 450℃ 이상의 온도에서 암모니아를 수소로 완전히 전환시킬 수 있다. 보고서에 따르면 공연비가 1이고 속도가 2500∼3500RPM일 때 배기가스 온도는 보조 장치로 전기 없이도 시스템을 가동하기에 충분한 것으로 보고되었으며 암모니아 + 수소혼합비율은 수소 10%가 최적이며 일반적으로 암모니아가 약 827℃~927℃의 반응온도에서 열 분해될 때 다량의 수소가 발생하는 것으로 알려져 있다.

5. 결론

암모니아 연료특성은 ICE에서 사용할 때 어려움을 일으키고 있으며, 이러한 속성은 표에 요약되어 있다. 암모니아만으로 연료를 공급하는 엔진을 유리하게 만들 수 없으나 수소는 암모니아의 연소를 개선하는 데 탁월한 특성을 나타냈다. 디젤 및 가솔린과 같은 다른 연소 촉진제 역시 전체 작동 범위가 아니라 더 많은 양에서 유망한 결과를 보여 주었으며 혼합 연료를 사용할 때 어느 정도 엔진 개조가 필요하다는 것도 알 수 있다.

따라서 디젤 또는 기타 고 세탄 연료의 파일럿 연료 분사와 함께 암모니아로 연료를 공급하는 선박 엔진은 가까운 장래에 실현 가능한 응용 분야가 될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 엔진은 배기량이 크고, 높은 부하(과급)로 일정한 저속으로 작동하므로 암모니아 연소에 유리합니다. 또한 LPG와 같은 대체 연료로 연료를 공급하는 이중 연료 선박 엔진이 이미 존재하고 암모니아의 물리적 특성이 LPG와 다소 유사하기 때문에 이러한 엔진의 경험은 선박 엔진에서 암모니아 구현을 가속화하는 데 도움이 될 수 있다.

암모니아 운반선은 암모니아 취급 및 저장에 대한 경험이 있으므로 암모니아 연료 엔진을 구현하여 이미 탑재된 연료를 사용함으로써 CO₂ 배출량을 낮추고 경제적인 절감의 이점을 얻을 수 있을 것이다.