안녕하세요. 최근 우리나라 기업들의 암모니아 운반선(VLAC) 수주 소식이 많이 들여오는데요, 세계 75%를 점유하고 있다고 하니 굉장히 자랑스럽죠?
이 글에서는 앞으로 활용이 계속 늘어날 대체 연료로서의 “암모니아”에 대해 기초적인 정보를 정리해서 같이 알아보려고 해요. 읽어주시는 많은 분들에게 도움을 드리는 내용이 되었으면 좋겠습니다.
암모니아, 그거 냄새가 심한 그거 아니야?
맞습니다. 주로 화장실에 많이 경험해서 우리는 보통 독한 냄새로 인식하고 있죠.
암모니아(NH3)는 질소(N)와 수소(H) 원자로 구성된 무색의 가스이며, 다음과 같은 주요 특징을 가지고 있어요.
화학적 특성
- 분자 구조: 한 개의 질소 원자와 세 개의 수소 원자로 구성되요. 이들은 피라미드 형태의 분자 구조를 이루고 있죠.
- 분자식: NH3
- 물리적 상태: 상온에서는 무색의 가스로 존재합니다.
물리적 특성
- 끓는점: -33.34°C
- 녹는점: -77.73°C
- 밀도: 공기보다 가벼워 공기 중에서는 상승해요.
화학적 성질
- 염기성: 물에 용해될 때 약한 염기성을 나타냅니다.
- 가연성: 공기 중 일정 농도 이상에서 가연성이 있으며, 폭발 위험도 있습니다.
사용
- 비료: 현재 질소 비료의 주요 원료입니다.
- 산업용 화학물질: 청소제, 합성 섬유, 폭발물 등 다양한 화학 제품의 제조에 사용되요.
- 냉매: 저온 냉동 시스템에서 냉매로 사용됩니다.
암모니아 제조 방법
아래와 같이 크게 2가지의 방법이 있는데요, 각각의 장단점을 가지고 있어요.
암모니아의 연소 메카니즘
이를 이해하려면 먼저 화학적 연소 반응의 기본 원리를 먼저 알 필요가 있어요. 연소는 일반적으로 연료와 산화제(대부분은 공기 중의 산소) 사이의 화학 반응입니다. 이 반응은 에너지(대개 열)를 방출하죠.
반응 메커니즘은 다음과 같습니다
이 반응식에서 암모니아(NH3)는 산소(O2)와 반응하여 질소(N2)와 물(H2O)을 생성해요. 이 과정에서 중요한 특징은 바로 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않는다는 것이죠.
이는 암모니아 연소가 기후 변화와 온실 가스 배출 문제에 대한 해결책으로 간주되는 이유 중 하나가 되죠.
그러나, 이 연소 과정에서 주의해야 할 몇 가지 문제가 있습니다:
- 질소 산화물(NOx)의 생성: 이들은 대기 오염의 원인이 되며, 인체에도 해로워요.
- 연소 효율: 화석 연료와 비교할 때 연소 효율이 낮을 수 있어요.
- 연소 온도와 속도: 이 부분도 화석 연료와 다릅니다.
위와 같이 친환경적인 대체 연료로서 큰 잠재력을 가지고 있는데요, 이를 잘 활용하기 위해서는 주의할 점들, 즉 연소 효율을 개선하고, NOx 배출을 최소화하는 방법을 개발하는 데 집중해야겠어요.
암모니아를 연료로 활용하는 분야
아직은 대부분 개발 및 실험 단계에 있지만 미래의 다양한 응용 가능성에 중점을 두고 연구를 하고 있어요. 현
- 발전 분야: 발전소에서 석탄과 함께 암모니아를 혼소(cofiring)하는 방법이 개발되고 있어요. 예를 들어, 일본에서는 1000MW급 석탄 발전소에서 20%의 암모니아를 혼소하여 이산화탄소 배출을 줄이는 방안을 연구하고 있습니다.
- 산업 및 정지형 엔진: 정지형 내연기관(발전기, 펌프, 발전소 기계 등)에서의 사용도 연구되고 있습니다. 이 분야는 효율과 배출가스 관리에 초점을 맞춘 연구가 진행 중이죠.
- 해운업: 해상 연료로 사용하는 방안이 연구되고 있어요. 해운업의 엄격한 배출 규제를 고려할 때, 암모니아는 전통적인 연료에 대한 대체 가능성을 제시하고 있죠.
- 교통 분야: 아직 널리 채택되지는 않았지만, 자동차용 내연기관에 사용하는 방안도 연구되고 있습니다. 이 분야는 저장, 안전, 엔진 설계 적응 등의 도전 과제가 있을 수 있죠.
그럼 어떤 위험성이 있을까?
화학 연료로서 여러 장점이 있지만, 동시에 특정 위험성도 가지고 있어요. 이러한 부분들에 대해서는 유의해서 사용해야 겠습니다.
- 독성: 높은 농도에서 인간에게 독성을 가지며, 흡입 시 호흡기에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.
- 부식성: 금속과 재료에 부식을 일으킬 수 있으므로, 취급과 저장에 특별한 재료가 필요해요.
(ex. 스테인리스 스틸, 니켈 합금, 알루미늄, 에폭시 등의 폴리머 코팅) - 가연성: 일정 농도 이상에서 가연성이 있으며, 화재나 폭발의 위험이 있습니다.
- 환경 영향: 비록 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않지만, 제조 과정에서 온실 가스가 발생할 수 있습니다.
또 다른 대체 연료, 메탄올과의 비교
두 연료는 대체 연료로서 각각의 장단점을 가지고 있어요. 아래와 같이 알아보겠습니다.
암모니아
- 생산: 주로 하버-보슈 공정을 통해 수소와 질소에서 합성됩니다. ‘녹색 암모니아’는 재생 가능 에너지를 사용해 생산할 수 있죠.
- 에너지 밀도: 메탄올보다 높은 에너지 밀도를 가집니다.
- 환경 영향: 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않아요. 그러나 현재는 생산 중에 이산화탄소를 배출합니다.
- 사용 용이성: 독성과 부식성이 있어 취급과 저장에 특별한 주의가 필요해요.
- 응용 분야: 발전소 연료, 산업용 연료, 해운업 분야 등에서 연구되고 있습니다.
메탄올
- 생산: 천연가스, 석탄, 바이오매스 등 다양한 원료에서 생산할 수 있어요. 이는 대규모 생산이 비교적 쉽다는 것을 의미하죠.
- 에너지 밀도: 메탄올의 에너지 밀도는 암모니아보다 낮습니다.
- 환경 영향: 연소 시 이산화탄소를 배출하지만, 바이오매스나 재생 가능 에너지에서 생산된 메탄올은 상대적으로 환경에 미치는 영향이 적을 수 있어요.
- 사용 용이성: 메탄올은 취급과 저장이 상대적으로 간편해요.
- 응용 분야: 메탄올은 선박 연료, 자동차 연료, 발전소 연료 등 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다.
각각의 연료가 장단점을 가지고 있고, 큰 잠재력을 지니고 있으니, 지속적인 연구 기술 개발을 통해 효율적이고 안전하게 사용할 수 있어야 겠네요.
위와 같이 차세대 연료로서 사용할 암모니아에 대해 알아보았습니다. 다양한 전문적인 내용도 많지만, 먼저 기초가 되는 내용을 알아둔다면, 뉴스나 각종 매체에서 이를 활용한 기술에 대해 접했을 때 도움이 되길 기대해 봅니다.
그럼 읽어주셔서 감사드려요!
