청정연료 그린 수소와 그린 암모니아

수소와 암모니아가 연료인 시대

​암모니아라고 하면 코를 찌르는 냄새를 생각한다. 그러나 알고 보면 생명체의 몸은 암모니아가 성분인 질소화합물로 구성되어 있다고 해도 과언이 아니다. 오줌 속에 포함된 암모니아는 단백질이 분해되는 과정에 생겨난 물질이 소변을 통해 배출된 것이다. 암모니아가 없다면 모든 생명체는 탄생하지도, 생존할 수도 없다. 지구의 기온을 더 상승시키지 않기 위해 이제부터는 암모니아를 대량 생산하여 화력발전소, 제철소 등을 비롯한 모든 동력기관의 연료로 사용하게 되는 시대가 왔다.

​1개의 질소 원자와 3개의 수소 원자가 결합한 암모니아(NH3)는 무색의 기체이면서 독특한 냄새를 가졌다. 암모니아는 세상의 농부가 사용하는 질소비료의 주원료이고, 폭약인 TNT, 합성물질인 나일론, 레이온, 라텍스 고무 등의 기본 원료이며, 질산의 주성분이기도 하다. 인류가 만든 화학공장에서 가장 대량 생산되는 물질의 하나가 암모니아이다. 2021년에 생산된 전체 암모니아의 양은 2억 3,500만 톤이었고, 이 중에 88%는 질소비료의 원료가 되었다.

암모니아 분자는 1개의 질소 원자와 3개의 수소 원자가 결합하고 있으며, 화학적으로 쉽게 합성할 수 있다.​​

암모니아 기체는 조금만 압축하고 온도를 내리면 액체 상태로 변하는 성질이 있다. 그래서 얼마 전까지만 해도 모든 냉장고와 냉각장치에서는 온도를 내리는 냉매(冷媒)로 암모니아를 사용하다가, 프레온이라는 합성 기체를 암모니아 대신 한동안 사용하게 되었다. 그러나 프레온이 대기권 상층부의 오존을 파괴한다는 사실이 알려지면서, 프레온 대신 지금은 HFC, HFO(hydrofluoroolefin) 등을 대용하게 되었다.​

암모니아 성질 몇 가지

1. 단독으로 두었을 때는 화학적으로 안정된 물질이지만, 다른 물질과 잘 화합하는 성질이 있다.

2. 기체 암모니아는 공기보다 가볍고, 액화된 암모니아는 물보다 가볍다(밀도 0.86kg/m3). 기체 암모니아는 1기압 조건에서 –33.34℃로 온도를 내리면 액체 상태로 변하고, -77.7℃까지 내리면 고체 암모니아가 된다.

액화시킨 암모니아이다.

​3. 암모니아를 분해하면 기체 수소가 발생한다.

4. 화성, 목성, 토성 등의 대기 중에 존재하며, 명왕성에는 고체상태로도 있다.

목성의 대기 중에는 암모니아가 0.026%, 토성은 0.012% 포함되어 있다. 천체의 탄생 과정에 수소와 질소가 결합하여 형성된 것이다.​

5. 암모니아는 물에 매우 잘 녹는다(25℃에서 31% 용해). 암모니아를 녹인 암모니아수는 살균제로 사용된다.​

6. 액체 암모니아는 다양한 물질을 녹이는 성질이 있기 때문에 유리나 도자기 표면의 얼룩을 씻어내는 청소액으로 사용한다.​

7. 뿌리혹박테리아와 같은 질소고정세균이 합성(고정)하는 물질은 식물의 비료인 암모니아이다. N2 + 3H2 → 2NH3​

8. 암모니아를 원료로 가장 많이 제조하는 것이 요소, 황산암모늄, 질산암모늄, 염화암모늄과 같은 질소비료이다.​

9. 부식(腐蝕)시키는 성질이 있고, 농도가 높으면 인체에 유독가스가 된다.​

10. 암모니아에 열을 주면 수소와 질소로 쉽게 분해된다. 이때 발생하는 수소는 바로 기체연료로 사용할 수 있다.

대형 액체 암모니아 저장 탱크. 화석연료 대신 연소해도 이산화탄소가 발생하지 않는 수소와 암모니아를 연료로 사용하게 되면서, 그들에게 청정 수소, 청정 암모니아, 청정에너지라는 애칭을 붙이게 되었다.​

이상적인 청정연료는 수소와 암모니아

지구온난화가 진행되자 세계는 지금까지 사용하던 화석연료 대신 이산화탄소가 발생하지 않는 청정연료가 필요해졌다. 대표적인 청정연료는 수소이다.

수소를 연료로 사용하려면 액화수소로 만들어 고압 탱크에 저장해두고 사용해야 한다. 물을 분해하여 수소를 생산하는 데는 에너지가 많이 소모된다. 그러나 태양에너지 등으로 물을 분해하여 수소를 만들면, 이 수소를 질소와 결합시켜 암모니아로 쉽게 만들 수 있다.​

암모니아 가스는 간단히 액화되고, 액체 암모니아는 수소보다 저장과 수송이 용이하다. 다시 말해 수소를 암모니아 상태로 만들면, 암모니아는 수소를 저장한 운반체(hydrogen carrier)가 되는 것이다.​

물을 전기분해하기는 어렵지만 암모니아는 수소와 질소로 쉽게 분리된다. 2NH3 → N2 + 3H2. 이때 발생한 수소는 바로 청정연료이다. 그래서 암모니아는 오래전부터 로켓의 연료로 사용하기도 했다. 또한 암모니아는 수소연료전지의 연료이다. 이런 암모니아를 그동안 대량 합성하지 않았던 이유는 생산에 필요한 값싼 전력이 충분하지 않았기 때문이다.

로켓 엔진의 연료로 암모니아를 사용하는 미공군의 초음속기 X-15이다. 1959년에 첫 시험비행을 했다.​

그러나 사막과 육지에 태양발전소가 대규모로 건설되고, 원자력발전소가 전력을 생산하게 되면서 여분의 전력(전력 수요가 적은 시간)을 이용하여 청정연료를 생산할 수 있게 된 것이다. 즉 값싼 여분의 전력으로 물을 분해하여 수소를 생산하고, 이 수소를 질소와 결합시켜 암모니아로 만들게 되는 것이다.​

현대자동차, 토요타 등은 암모니아 연료로 자동차의 엔진을 움직이는 연료전지를 개발했다. 언론 보도에 의하면, 사우디아라비아가 건설하고 있는 미래도시 네옴(Neom)에서는 사막의 태양발전소에서 생산된 전력으로 암모니아를 대량 생산하는 동시에 도시에서 필요한 청정연료로 사용할 계획이라고 한다.​

보도에 의하면, 제주에너지공사와 두산에너빌리티는 제주도에서 국내 최초로 그린 수소 플랜트를 가동하고 있으며, 그곳의 행원풍력발전단지에서 남는 전력을 활용하여 그린 수소를 만든다고 한다. 또한 오스트레일리아에서 수소 공장을 건설하기 시작한 고려아연은 생산된 수소를 액체 암모니아로 만들어 국내로 가져와 석탄발전소에서 석탄과 함께 연료로 사용할 계획이라고 한다. 그리고 포스코홀딩스와 삼성엔지니어링도 중동의 오만에서 수소를 생산, 2030년경에는 연간 220,000톤을 생산하여 암모니아 상태로 가져올 예정이라고 알려져 있다.

오하이오주 캔턴시에서 시험운행 중인 수소연료전지 버스.

청정연료를 대량 사용하는 날이 오면 주유소에는 4가지 형태의 에너지 공급시설이 설치되어야 할 것이다.​

화석연료 대신 그린 수소, 그린 암모니아를 연료로 사용하는 날이 빠르게 다가오고 있다. 그때가 되면 청정연료의 대량생산과 동시에 그것을 운반하는 선박, 차량, 저장탱크가 만들어질 것이고, 지금의 송유관이 지나가는 곳에는대량의 액체 암모니아를 흘려보내는 파이프 시스템이 가설될 것이다. 기후변화에 의해 세계적으로 발생하는 재난을 보면 청정연료 시대를 서둘러 개척하지 않을 수 없다. – YS