COLUMN

암모니아의 재탄생

펌프를 이용하면 암모니아를 수소 연료전지로 만들 수 있다

2020.07.02

내연기관에서 암모니아를 연소시키는 것은 가능하다. 하지만 점화해서 천천히 태우는 것이 까다롭기 때문에 기껏해야 트랙터나 농기연료로 쓰이는 게 최선이다.

 

나는 오랫동안 연료전지 회의론자였다. 하지만 최근 토요타 미라이와 현대 넥쏘에 관한 ‘미래의 연료’ 기사를 보고 오세아니아의 한 독자가 호주 연방과학산업연구기구(CSIRO)의 연구를 언급하며 몇 가지 잘못된 점을 지적했다. 그가 언급한 연구는 펌프를 이용해 암모니아로부터 수소를 만들어 수소 유통에 관한 내 우려를 불식할 수 있다는 내용이었다.

 

오늘날 수소는 일반적으로 즉시 사용할 수 있는 액체나 가스 형태로 운송된다. 하지만 액화 과정에서 최종 에너지 함량의 30%가 소비된다. 뿐만 아니라 운송 중 불가피한 증발로 인해 추가 손실도 발생한다. 이에 호주 연구진이 제시한 것은 액체 상태의 암모니아를 운반한 뒤 판매 지점에서 수소로 전환하자는 것이다.

 

호주는 그들이 할 수 있는 것보다 훨씬 많은 재생 가능 에너지에 접근할 수 있다. 호주는 세계에서 태양 에너지가 가장 풍부한 나라다. 전 대륙에 걸쳐 매일 1m²당 7~8kWh의 태양복사 에너지를 공급받고 조력 에너지와 풍력 에너지 또한 풍부하다. 그래서 호주 정부는 청정 에너지를 수출하고 싶어 한다. 게다가 그들은 그 어떤 이산화탄소를 발생시키지 않고 생산된 액화 암모니아를 쉽게 운반할 수 있는 훌륭한 방법을 보유하고 있다.

 

 

오늘날 생산되는 대부분의 암모니아는 탄화수소 원료가 포함돼 있고, 이런 이유로 이산화탄소를 발생시킨다. CSIRO는 전기분해한 물에 공기에서 분리한 질소를 결합해 수소를 생산하는 방식을 제안한다. 이 가스들은 압축돼 탄화수소 기반의 암모니아 생산 방식(철 기반 촉매를 사용하며, 온도는 400~500℃, 압력은 2200~3600psi여야 한다)과 동일한 하버-보쉬 통합 원자로에 공급된다. 암모니아 1kg당 10~20kWh의 에너지를 발생시키며, 모두 깨끗하다.

 

이 과정에 바다로 이동하는 수소 유조선은 존재하지 않는다. 하지만 암모니아는 통상적으로 바다로 운반된다. 현재 CSIRO는 호주의 철광석 회사인 포테스큐 메탈 그룹과 협력해 암모니아를 순수한 수소가스로 바꾸는 2단계 과정을 새로 개발했다.

 

화학반응은 446℃에서 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 루테늄 촉매에서 시작된다. 그 후 암모니아는 약 337℃에서 N2로부터 H2를 걸러내는 바나듐 막이 포함된 두 번째 튜브 세트를 통과해 흐른다. 그리고 양자 교환막 연료전지에 독성을 줄 수 있는 잔존 암모니아 가스를 제거하기 위해 수소를 중탕 냄비에 통과시키면 거품이 일어난다. 시제품은 이 과정을 통해 99.99%의 순수 수소를 생산한다. 상업적 규모의 양산 제품은 현재 개발 중이다.

 

물론 분해 과정에 에너지가 필요하며 손실도 수반한다. 일부 암모니아는 증발하거나 분해하는 데 실패하기도 한다. 그리고 일부 수소는 탈출한다. 게다가 수소를 자동차에 주입하기 위해서는 압력을 가해야 한다. 미국화학협회는 ‘왕복 효율’, 즉 연료 전지 자동차를 움직이는 데 필요한 순수 유용 에너지를 수소 생산, 운반, 압축과 분배하는 데 필요한 총 에너지로 나누는 연구를 수행한 바 있다. 연구 결과, 해당 과정의 효율성은 다음과 같다. 암모니아 생산 58.8%, 암모니아 분해와 선별 75.9%, 수소 압축과 분사 88.0%, 연료전지 자동차 48%, 전체 효율 19%.캘리포니아 연료전지 파트너십의 연구 결과 캘리포니아의 수소 생산, 유통 효율은 65%로 나타났다. 자동차 평균 효율 36~44%, 전체 효율은 23~29%다. 하지만 호주의 분석에서 나타난 모든 수소와 암모니아 생산 에너지는 재생 가능하고 탄소가 없다는 것을 알아두자. 반면 현재 캘리포니아의 수소는 약 3분의 1만이 무탄소 재생 에너지원에서 만들어진다.

 

이 시나리오를 알게 돼 기분이 한결 좋아졌다. 모든 수소 원자는 나의 연료전지 자동차에 들어갈 준비가 되기 직전까지 질소와 잘 만나다, 이후에는 진정한 사랑인 산소와 재회하게 될 것이다. 이렇게 더 행복해진 수소는 탈출을 계획하는 일이 거의 없을 거다. 그리고 요즘처럼 우리가 운전할 때 연료로 사용하는 것보단 훨씬 친환경적인 것 같다.

 

 

 

 

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CREDIT

EDITOR : Frank Markus PHOTO : Motortrend

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