[월간수소경제 박상우 기자] SK이노베이션은 2022년 6월 미국 암모니아 기반 연료전지시스템 전문기업인 아모지(Amogy)에 3천만 달러를 투자하고 기술 협력에 나선다고 밝혔다.

아모지는 지난 2020년 11월에 설립된 스타트업으로 미국 매사추세츠 공대(MIT) 출신의 박사급 인력들이 경영과 R&D를 주도하고 있다. 본사는 미국 뉴욕주 브루클린에 있다.

아모지는 암모니아 탱크, 암모니아 개질기, 연료전지가 소형으로 일체화된 시스템을 제작해 트랙터, 드론 등 산업용 운송 수단에 적용하는 연구를 중점적으로 벌이고 있다.

아모지는 5kW급 드론, 100kW급 트랙터에 암모니아 기반 연료전지시스템을 적용한 실증 테스트를 마쳤으며 올해까지 트럭과 선박 등 대형 산업용 모빌리티 수단에도 해당 기술을 적용할 계획이다. 향후 500kW급의 암모니아 기반 연료전지 단일 제품과 이를 모듈화해 5MW를 발전할 수 있는 기술 개발에 나선다는 방침이다.

 

최근 아모지가 놀라운 소식을 전했다.

 

아모지는 지난 1월 17일(현지시간) 미국 뉴욕주 스토니브룩대학교 주행 시험장에서 자사 암모니아 연료전지시스템을 장작한 독일 다임러트럭AG 산하 미국 대형트럭 전문기업인 프레이트라이너(Freightliner)의 클래스8 트럭 카스카디아(Cascadia) 주행 시험에 성공했다고 밝혔다.

클래스8 트럭은 차량총중량이 약 15톤에 이르는 미국 최대 규격의 대형트럭으로, 영화 트랜스포머의 주인공인 옵티머스 프라임 트럭이 이에 해당된다.

대형차량을 암모니아로 주행한 건 이번이 세계 최초다. 아모지는 8분간 트럭에 완충한 액체암모니아로 생성한 900kWh의 전기에너지를 활용해 여러 번 주행 시험을 진행했다.

 

이번 테스트로 아모지는 2021년 7월 5kW급 드론, 지난해 5월 100kW급 트랙터에 이어 300kW급 대형트럭까지 암모니아 기반 연료전지시스템의 향상된 기술력을 확보했다. 아모지는 지난 1월 말부터 미국 오하이오주에 있는 미국 최대 자동차 연구기관인 교통연구센터에서 실제 화물운송 상황을 재현한 카스카디아 트럭의 주행 시험을 진행하고 있다.

아모지가 암모니아 기반 수소전기트럭을 상용화할 수 있을지 주목되고 있다.

 

 

수소와 함께 주목받는 암모니아
수소가 미래 청정에너지로 떠오르면서 덩달아 주목받는 것이 암모니아다.

현재 상용화된 수소 저장·운송 방식은 기체수소를 200~700bar의 고압으로 압축하는 것이다. 그러나 에너지 밀도가 낮아 수소전기차 등 적은 양을 싣고 중·단거리를 오갈 때는 문제가 없지만 대형선박, 탱크로리 등 장거리 대량 운송에는 효율이 매우 낮아 상업성이 떨어진다. 

그래서 나온 대안이 바로 액체수소다. 액체수소는 기체수소를 -253℃의 극저온으로 냉각해 액상화시킨 수소다. 기체수소 대비 부피가 약 800분의 1에 불과하기 때문에 운송, 충전소 부지면적·사용량 등에서 기체수소보다 뛰어난 경제성을 지닌다. 또 통상 대기압 수준인 2bar 정도의 저압으로 저장할 수 있어 효율적이고 안전하다.

그러나 장거리 운송을 하려면 초저온·초고압을 유지하기 위한 특별한 보온탱크와 냉각기가 필요해 운송비가 매우 비싸고 액화 과정에서 많은 에너지가 소모돼 에너지 효율이 낮다.

기체수소의 또 다른 대안이 바로 암모니아다.

암모니아는 1개의 질소원자와 3개의 수소원자가 결합된 알칼리성 화합물이다. 수소가 결합됐기 때문에 상온에서 30%, 0℃에서 최대 45%까지 물에 녹는 성질이 있다. 

또한 상온에서 10기압 정도면 쉽게 액화되고 잘 증발하지 않으며 액체암모니아의 부피가 기체수소 대비 1,400분의 1에 불과해 수소를 액체수소보다 1.5배 더 많이 오랫동안 저장할 수 있다. 여기에 600℃ 이상 고온에서 암모니아를 분해해 수소를 생산하는 기술인 암모니아 크래킹(Cracking·분해)의 난이도가 높지 않다.

암모니아는 화학비료, 플라스틱, 폭발물, 의약품의 원료로 사용되고 있어 글로벌 유통시장이 형성돼 있다. 전세계 120여 개 항구에 암모니아 터미널이 구축됐으며 생산설비 규모는 2020년 기준 2억2,000만 톤, 생산량은 1억8,000만 톤이다. 그래서 새로운 인프라를 개발할 필요가 없다. 

무엇보다 암모니아는 탄소가 없어 연소과정에서 이산화탄소가 발생하지 않고 질소만 배출한다. 다만 현재 암모니아는 1900년대 초반 개발된 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정을 통해 생산되는데 이 공정은 350℃ 이상, 250~300bar의 고온·고압에서 진행돼 에너지 소비가 많고, 온실가스를 다량 배출한다. 

이러한 문제를 해결하기 위해 재생에너지로 만든 그린수소를 질소와 합성한 그린암모니아 등 청정암모니아 생산능력을 확보하기 위한 움직임이 활발하다. 

이런 이유로 암모니아는 단순히 수소운반체뿐만 아니라 탄소중립 달성에 필요한 청정에너지원으로 주목받고 있다. 

 

2021년 11월 산업통상자원부는 한국전력, 발전공기업과 함께 ‘수소·암모니아 발전 실증 추진단’을 발족하며 오는 2030년까지 암모니아 혼소(20%) 발전, 2035년까지 수소 혼소(30%) 발전을 상용화해 석탄 발전과 LNG 발전을 대체한다는 계획을 밝혔다.

추진단은 2024년까지 ‘가스터빈 수소 혼소 한계평가 및 연소 최적화 기술개발’, ‘Carbon-Free 친환경 암모니아 발전 기술개발’ R&D를 완료할 예정이다. 이 중 암모니아 발전은 2027년까지 20% 혼소 실증을 완료하고, 2030년에는 전체 석탄발전(43기)의 절반 이상(24기)에 20% 혼소 발전을 적용해 상용화할 계획이다.

석유공사는 암모니아 유통 인프라를 구축하기 위해 석탄발전소가 밀집된 서해·동해·남해권역별 인수기지 타당성 조사를 작년 말에 완료했으며, 올해 인수기지 설계를 착수해 2026년까지 완공할 예정이다. 규모는 2026년 연간 80만 톤, 2030년 400만 톤, 2036년 1,000만 톤으로 확대한다.

또한 인수기지 인근에 암모니아 크래킹 설비를 구축해 2027년부터 LNG-수소 혼소 발전을 위한 수소를 공급한다. 공급량은 2027년 연간 5만 톤, 2035년 25만 톤으로 확대할 계획이다.

한전과 발전5사는 지난해부터 2024년까지 Carbon-Free 암모니아 발전기술 개발을, 한전과 발전4사는 올해부터 2025년까지 접선연소 발전소 암모니아 혼소기술 개발을 진행한다. 특히 남부발전은 민간기업과 협업해 자체적으로 암모니아 혼소발전을 위한 저장탱크, 하역부두 등 인프라 구축을 추진한다.

조선업계도 암모니아를 활용하기 위해 적극적으로 움직이고 있다.

국내 조선3사 및 글로벌 엔진 제조사는 2030년부터 적용될 선박 배출 온실가스 40% 저감 규제에 대응하기 위해 2019년부터 무탄소 암모니아 엔진 및 관련 기자재를 개발하고 있으며 2025년 암모니아 추진선 탑재를 목표로 진행 중이다.

HD현대는 2021년 9월 프랑스 뷰로베리타스와 한국선급(KR)에서 각각 암모니아 연료 암모니아 운반선 AIP와 암모니아 연료공급시스템 AIP를 획득했다. 지난해 6월부터는 스위스 엔진 제작사인 빈터투어가스앤디젤과 2025년 상용화를 목표로 중형급 선박용 암모니아 엔진을 개발하고 있다.

앞선 8월에는 삼성중공업이 노르웨이 선급인 DNV로부터 암모니아 레디 초대형원유운반선 기본설계에 대한 AIP 인증을 획득했다. 이 선박은 LNG 선박 또는 디젤 선박을 암모니아 연료 추진선으로 개조할 수 있도록 △선체구조 △연료탱크 사양 △위험성 평가 등을 설계에 반영한 선박이다.

산업부, 해수부, 중기부는 올해 1,454억 원을 투입해 수소·암모니아 선박 엔진 개발, 전기 선박의 추진기 개발 등 친환경 선박 기술개발 지원 사업을 전개한다.

우선 수소·암모니아 등 무탄소 선박 기술에 329억 원, LNG 선박·전기추진 선박 핵심기술 국산화와 풍력추진 보조장치 등 온실가스 저감장치 개발에 393억 원을 지원한다. 또 인증기준 마련, 저탄소·무탄소선박 시험평가 방법개발 등 시험·검사기준 개발에 110억 원, 수소·암모니아 시범 선박 건조에 195억 원, 해상 실증을 통한 기술검증 및 시장진입 지원에 155억 원을 지원할 예정이다.
 
디젤엔진 개발 때부터 가능성 확인
자동차업계에서도 암모니아를 연료로 활용하기 위한 시도가 오랜 세월 동안 진행돼왔다. 

 

2021년 한국에너지기술연구원에서 발표한 ‘탄소중립을 위한 암모니아 연소기술의 연구개발 필요성-Part Ⅱ 연구개발 동향과 기술적 타당성 분석(저자 이후경·우영민·이민정)’ 논문에 따르면 암모니아는 650°C의 높은 자연발화 온도를 가지며 액체암모니아의 증발잠열은 302kcal/kg으로 높은 편이다. 

내연기관 연료로써 사용하기에는 다소 부적합하게 보일 수 있으나 이론 조건에 대한 상대적인 연료-공기 혼합물의 척도인 이론당량비 조건의 공기연료비가 6.0456으로 다른 연료보다 낮아서 연료공기 혼합기 대비 열량은 가솔린, 디젤 등과 동등 이상의 수준에 해당한다. 즉 기존 양산 엔진으로 적은 공기를 흡입해 동급 이상의 출력을 발휘할 수 있어 암모니아 엔진으로 개조하는 것도 충분히 고려할 수 있다. 

암모니아의 물리적 특성은 LPG와 유사하다. 예를 들어 암모니아와 LPG의 끓는점은 각각 –33°C와 –42°C로 상온에서 일정한 압력을 가하면 쉽게 액화할 수 있다. 이 때문에 기존 LPG 인프라를 활용해 암모니아를 저렴하게 공급할 수 있다.

지금의 디젤엔진을 개발한 루돌프 디젤(Rudolf Diesel, 1858~1913)은 1884년 무렵 증기기관의 증기 대신 가열한 암모니아 증기를 쓰면 열효율을 높일 수 있다고 보고 7년간 연구를 진행했다. 

그러나 암모니아는 냄새가 심하고 금속을 부식시키는 성질 때문에 현실적으로 사용할 수 없었다. 이에 디젤은 암모니아 대신 공기를 이용하는 방법을 사용하기로 했고 공기를 압축시켜 높은 열로 연료를 점화시키는 방식의 디젤엔진을 개발해 상용화했다.

그로부터 약 50년 후인 1933년 노르웨이에서 암모니아 엔진을 탑재한 트럭이 제작됐으며 1943년 2차 세계대전 중 석유공급이 원활하지 않았던 벨기에에서 암모니아 연료 탱크를 장착한 버스가 나오기도 했다. 이후 암모니아 연료 자동차의 필요성이 크게 떨어지고 가격이 다른 자동차보다 상대적으로 높아 자취를 감췄다.

2000년대 들어 미국 아이오와 주립대에서 암모니아·디젤 혼소 시스템과 암모니아·DME 혼소시스템을 적용한 압축식 점화 엔진 연구가 진행됐다. 이 엔진을 사용한 엔진 발전기, 관개 펌프 개발 등도 진행됐다.

2007년에는 미국 미시간대학이 암모니아·가솔린 혼소엔진을 탑재한 차량을 제작해 디트로이트에서 샌프란시스코까지 시험주행을 성공적으로 마쳤다. 이 차량은 공회전에서 가솔린을 사용했고, 연료는 암모니아와 가솔린을 7대3 비율로 섞어 사용했다. 이후 암모니아 연료 개조키트를 상용화하기 위한 연구가 진행되기도 했다.

2013년 3월 이탈리아 타이어 제조업체 마랑고니(Marangoni)는 스위스 제네바에서 열린 2013 제네바모터쇼에서 일본 도요타자동차의 스포츠카인 GT-86을 기반으로 개발한 암모니아-가솔린 혼소 자동차인 ‘Marangoni Toyota GT86-R Eco-Explorer’를 선보였다.

 

이 차량은 마랑고니가 자사의 타이어 기술력이 스포츠카, 친환경차 등 다양한 영역에서 활용될 만큼 우수하다는 것을 알리기 위해 이탈리아의 LPG·CNG 등 가스차 부품 전문업체인 비가스 인터내셔널(Bigas International) 등과 협업해 특별히 제작한 쇼카(Show Car)다. 

이 차량의 기본 엔진은 2.0리터 4기통 수평대향 가솔린 엔진이다. 이 엔진에 비가스 인터내셔널이 개발한 암모니아 공급 시스템이 탑재됐다. 이 시스템은 RI21JE라는 특수 감압장치와 특수 제어장치가 적용돼 암모니아 사용과 관련된 모든 안전 및 신뢰성 요구 사항을 충족한다. 특히 연소 시 발생하는 질소산화물을 완전히 제거해 이산화탄소 배출량을 크게 줄였다.

암모니아 연료탱크의 용량은 30리터로 암모니아로만 약 180km를 주행할 수 있다. 또한 최대 2,800rpm의 엔진 속도에서 암모니아만으로 연료를 공급하고 엔진 부하가 높을수록 직분사 및 가솔린으로 전환된다. 최고출력이 기존 GT86-R보다 높은 약 20마력 향상된 220마력이다.

약 두 달 후인 2013년 5월 한국에너지기술연구원은 액체암모니아와 가솔린을 혼합 사용하는 암모니아-가솔린 혼소 자동차인 ‘암비(AmVeh)’를 선보였다.

암비는 기아가 지난 2011년 5월 국내에 출시한 ‘모닝 바이퓨얼(Bi-Fuel)’을 기반으로 제작됐다. 모닝 바이퓨얼은 경차인 모닝에 가솔린과 LPG를 병행 사용하는 바이퓨얼 엔진이 탑재된 차량이다.

암모니아는 상온에서 조금만 가압하면 액체로 변하는 LPG와 유사한 물리적 특성이 있어 기존 내연기관을 그대로 사용할 수 있으나 연소속도가 가솔린보다 6배 느리고 발열량이 가솔린의 44% 수준이어서 순수 암모니아만 사용하면 연료소비가 가솔린의 2.3배이다.

그래서 암모니아의 가연성과 연소속도를 높이기 위해서는 가솔린, 디젤과 같은 연소촉진제와 함께 사용해야 한다. 이에 연구팀은 암모니아와 가솔린을 혼합해서 사용할 수 있도록 모닝 바이퓨얼을 선택한 것으로 보인다.

연구팀은 암모니아의 부식성을 감안해 연료탱크, 연료주입시스템, 배관 등을 바꾸고 연료량 제어를 위해 암모니아와 가솔린을 각각 독립적으로 제어하는 엔진제어장치를 새로 만들었다. 연소 시 배출되는 미연소 암모니아와 질소산화물을 질소와 물로 바꾸는 장치를 장착했다.

무엇보다 연료를 공기량에 맞춰 정확하게 공급하는 전자제어 방식인 액상 분사 방식의 연료공급장치를 세계 최초로 사용했다. 이전까지는 주로 믹서를 사용하는 연료공급장치가 대부분이었다. 

 

암모니아는 연소속도가 느려 운전조건에 따라 연소되지 못하고 배출되는 미연소 암모니아가 발생한다. 이를 억제하기 위해서는 연료공급량을 정밀하게 제어하는 것이 필요하다. 이에 연구원은 액상 분사 방식의 연료공급장치를 적용한 것으로 보인다. 그럼에도 배출되는 미연소 암모니아는 질소산화물(NOx)을 저감하는데 사용한다.

장진영 한국에너지기술연구원 책임연구원은 “디젤차에는 배출되는 질소산화물을 저감하기 위해 요소수가 들어가는데 이 요소수가 SCR(선택적 환원촉매 설비) 장치에서 열분해되면 암모니아가 나온다”라며 “이 암모니아가 촉매반응을 통해 질소산화물을 물과 질소로 변환시킨다. 이러한 점을 활용하면 배출되는 미연소 암모니아와 질소산화물을 모두 없앨 수 있다고 보고 있다. 즉 미연소 암모니아가 요소수 역할을 하는 것”이라고 설명했다.

연구팀은 암비 제작을 완료한 후 연구원 안에서 시험운행을 진행했다. 운행 당시 암모니아와 가솔린을 7대3 비율로 만든 연료를 사용했으며 평지에서 최대 시속 60km, 내리막에서는 시속 80km의 속도를 냈다. 연비는 리터당 9.74km였다.

한국에너지기술연구원은 현재 디젤+암모니아, LPG+암모니아, 천연가스+암모니아 등 다양한 암모니아 혼소 연료 엔진에 관한 연구를 진행하고 있다. 

 

독성, 냄새 등 거부감 드는 암모니아

이같이 오랜 세월 동안 암모니아 연료 자동차를 개발해왔으나 가용성, 취급용이성, 안전성, 에너지 밀도 및 연소 특성 면에서 탄화수소 연료보다 많이 뒤처지면서 상용화에는 실패했다.

암모니아는 수소와 비교했을 때 폭발 위험성이 적고 안정성이 높다. 그러나 기존 LNG연료 대비 50% 수준의 낮은 발열량과 20% 수준의 연소속도로 연소 안정성을 확보하기 어려우며 연료에 포함된 질소 원자로 인해 고온의 연소 환경에서 질소산화물이 배출된다.

무엇보다 암모니아의 특성인 독성과 냄새를 극복하기가 쉽지 않다. 염기성을 띠는 암모니아는 농도가 높아질수록 위험하다. 암모니아가 압축된 암모니아수가 피부에 닿으면 피부가 붉게 변하거나 진물이 발생할 수 있고 오랜 시간 노출되면 피부염을 유발하기도 한다.

또 암모니아 가스를 흡입하면 입이나 목에 통증을 느끼게 되며 구역질 등의 증상이 발생할 수 있다. 후두염이나 기관지염이 발생할 수도 있고 심할 경우 질식사로 이어진다. 이 때문에 연소 시 발생하는 미연소 암모니아와 냄새가 누출되지 않도록 막는 것이 중요하다.

황지현 한국에너지공과대학교 수소에너지트랙 교수는 “암모니아는 하루에 5~10% 정도 기화되는데 이를 잘못 벤트(환기)해 조금이라도 차 안으로 유입되면 농도에 따라 사람이 그 자리에서 즉사할 수 있다”라며 “만약 암모니아가 대기로 배출된다고 하더라도 지나가는 사람이 흡입하게 되면 위험하다”라고 밝혔다.

이 때문에 미연소 암모니아와 악취를 제거하는 장치와 환기장치, 누출방지장치 등이 반드시 장착돼야 하고 내연기관차의 경우 암모니아와 혼소할 연료를 각각 저장하고 엔진에 공급할 장치가 필요하다. 이는 암모니아 차량의 가격경쟁력을 떨어뜨리는 요인이 될 수 있다.

장진영 책임연구원은 “아모지의 경우 암모니아를 수소로 전환해서 연료전지를 작동하는 방식인데 연료전지가 여전히 비싸서 암모니아를 수소로 전환하는 장치의 가격과 부피를 얼마나 효율적으로 확보하느냐가 상용화의 결정적인 요소가 되지 않을까 생각한다”고 밝혔다.

무엇보다 ‘암모니아는 독성 물질’이라는 인식이 강하기 때문에 거부감을 느끼는 소비자의 구매력을 끌어낼 수 있을지가 관건이다.

오랜 세월의 검증을 거친 암모니아 연료 자동차가 이제는 거부감이라는 문턱을 넘어 상용화에 나설 수 있을지 주목된다.