암모니아 자동차 - 암비(AmVeh)

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암모니아 자동차 - 암비(AmVeh)

한국에너지기술연구원의 김종남/우영민 박사팀이 암모니아-가솔린 자동차 개발에 성공했다는 보도가 나온다. 

암모니아 자동차에 대해 알아보자.

한국에너지기술연구원이 지난해 개발해 선보인 암모니아차 '암비(AmVeh)'다. 

기존 상용화된 액화석유가스(LPG)-휘발유 혼합 연소 자동차를 개조하여 만들었다. 

암모니아와 가솔린을 7:3 비율로 혼합한 연료를 사용한다. 

암모니아를 전력 생산이나 수송용 연료로 쓰려는 시도는 새로운 것이 아니다. 

암모니아로 움직이는 증기기관도 있었고, 제2차 세계대전으로 디젤(경유) 공급이 부족했던 벨기에에서는 암모니아를 연료로 사용하는 버스도 만들었다. 암모니아를 연료로 쓰는 로켓 엔진도 있었다.

1. 암모니아 (NH3) 연료

^[각주:1]

암모니아(NH3)는 공기중의 질소(N2)와 물 속의 수소(H2)를 이용해 생산한다. 

1) 암모니아 연료 장점

•  이산화탄소 배출 저감

암모니아를 연소하면 질소와 물만 배출되고, 이산화탄소 발생이 없다. 따라서 연료의 70%를 액상 암모니아로 대체한 암모니아-가솔린혼소 자동차는 연소후 발생하는 이산화탄소의 70%를 줄일 수 있다.

연구팀은 암모니아-가솔리 혼소 자동차 비율이 국내 자동차 수의 20%가 될 경우, 이산화탄소 발생량을 1060만 톤까지 줄일 수 있다고 밝혔다. 이는 국내 수송부문 이산화탄소 발생량의 15%에 해당하는 양이다.

금번 개발된 자동차는 기존 가솔린 자동차의 일부장치를 수정하고 연구팀이 직접 개발한 일부 부품을 적용하는 것으로 주행이 가능하므로, 엔진 시스템 전체를 바꿔야 하는 수소연료전지자동차에 비해실용성이 뛰어나다.

• 암모니아 연료 생산, 저장, 이송 인프라 구축되어 있음

암모니아는 비료 생산, 냉방기기의 냉매 등으로 이미 전 세계에서 생산되고 있으며, 연간 2억톤에 이를 만큼 생산·이송 인프라도 갖춰져 있다. 

2) 암모니아 연료의 단점, 연구과제  

• 부식성

암모니아 연료는 고무류, 플라스틱, 구리 등과 반응해 부식시킬 수 있다. 기존 차의 부품 중 부식 우려가 있는 연료통과 연료주입 시스템, 배관 등 연료라인을 테플론과 스테인레스 재질로 교체

• 유독성

• 폭발성

폭발 위험성이나 독성 문제도 다른 연료보다 심하지 않은 것으로 조사됐다. 윤형중 한국에너지기술연구원 청정연료연구단 선임연구원은 “미국에서 연구용역을 한 결과 암모니아의 위험성이 휘발유와 비슷하고 프로판가스보다는 안전한 것으로 나왔다. 100년 동안 비료를 생산하기 위해 사용해와 안전기술이 충분히 축적돼 있다”고 말했다.^[각주:2]

• 악취

암모니아는 냄새가 심하다는 점이 걸림돌이다. 촉매장치를 이용해 제거하는 것은 기술적으로 가능하다.^[각주:3]

• 미연소 암모니아 배출

연소되지 않은 암모니아는 부식과 악취를 유발할 수 있다. 촉매를 이용해 질소와 물로 바꾸는 장치 장착하여 해결 가능

• 질소산화물(NOx) 배출

실린더 내부에서 연소되는 대부분의 암모니아는 열역학적으로 안정한 질소와 물로 변하게 된다. 그러나 필요 이상의 산소가 존재하는 상황에서는 산화질소가 발생할 수 있는 가능성도 배제할 수 없다. 대도시에서 스모그를 일으키는 원인으로 알려진 산화질소는 주민들에게 직접적인 피해를 주게 된다.^[각주:4]

촉매를 이용해 질소와 물로 바꾸는 장치 장착하여 해결 가능

• 연소시간

• 발열량

• 생산 단가

암모니아는 질소(N)와 수소(H)로 이뤄져 있다. 질소는 공기의 대부분을 차지할 정도로 흔하고, 수소는 물속에 무궁무진하다. 이 둘을 합성하면 암모니아를 쉽게 만들 수 있다. 암모니아는 지금도 1년에 2억t 가까이 생산된다. 세계 생산량은 2007년 1억3000만t에서 지난해 1억9800만t으로 크게 증가했다. 생산량의 80%가 비료로 쓰이는데 가뭄 등으로 미국에 흉년이 들면서 암모니아 수요량이 크게 늘었다.

세전 판매단가는 1리터에 488원이다. 발열량은 휘발유에 비해 2.3분의 1 수준이다. 

2010년 기준 세전 휘발유값이 1리터에 876원인 데 비해 같은 열량을 내는 암모니아는 1100원으로 다소 비싸다. 하지만 화석연료 가격이 올라가거나 이산화탄소 규제가 강화돼 배출부담금이 부과되면 차세대 에너지로 떠오를 가능성이 높다. 

^[각주:5]

강력한 경쟁자인 수소는 저장·수송에 비용이 크게 들어, 상온에서 액체로 보관하기 쉬운 암모니아의 적수가 아니다. 미국 에너지국(DOE)은 일찌감치 암모니아를 대체에너지 목록에 올려놓았다.

실제로 같은 양(수소로 환산한 값)을 생산하는 데 들어가는 비용은 2013년 기준 수소가 3달러인 데 비해 암모니아는 3.8달러로 암모니아가 다소 비싸다. 하지만 배관으로 이송하는 비용은 수소가 1.87달러이지만 암모니아는 0.19달러밖에 안 된다. 수소 저장비용은 훨씬 비싸 6개월을 저장할 경우 생산·이송·저장 비용이 수소는 19.82달러로 암모니아(4.53달러)의 4.3배에 이른다.

• 저장

가솔린보다 폭발성이 낮고, 액체 상태로 만들 수 있어 수소보다 수송과 저장이 용이

• 수송

가솔린보다 폭발성이 낮고, 액체 상태로 만들 수 있어 수소보다 수송과 저장이 용이

2. 암모니아-가솔린 혼소 자동차 구성요소 개발

1) 암모니아-가솔린 혼소 엔진 제어기

가솔린과 암모니아를 동시에 엔진에 공급하기 위해서는 두 가지 연료를 독립적으로 제어할 수 있는 새로운 엔진제어기가 필요하다. 이를 위해가솔린의 일부를 암모니아로 대체해 운전할 수 있는 암모니아-가솔린혼소엔진 제어기를 개발・적용했다. 또 암모니아 사용량을 최대화하기 위해 각각의 운전조건에 따른 최적의 혼소율 및 제어로직을 구축했다.

2) 암모니아 연료 피드 펌프

액상의 암모니아를 연료탱크로부터 엔진으로 공급하기 위한 이송 펌프이며, 산업용암모니아 펌프를 개조해 사용했다.

3) 암모니아 연료라인

암모니아는 고무류, 플라스틱, 구리 등과 반응하며 부식성이 크다. 연구팀은 전체 연료라인을 테플론과 스테인레스 재질로 교체하고, 연료계부품의 고무링과 같은 기밀제를 암모니아에 적합한 재질로 교체했다.

4) 암모니아 배출 저감

암모니아는 가솔린에 비해 발화점이 높고 연소속도가 느리기 때문에 미연소된 암모니아가 배출될 수 있다. 

배출가스의 청정성을 확보하기 위하여 배기관 후단에 암모니아 산화촉매를 장착하여 암모니아 배출량을 저감했다.

3. 암모니아 생산

연료로 사용하는 암모니아는 가솔린에 비해 폭발성이 현저히 낮고 수소에 비해 수송과 저장도 용이하여 향후 수송연료로서의 발전가능성이 높다.

이에 따라 연구팀은 장기적으로 암모니아 생산의 경제성을 확보하기 위해 저비용 전기화학적 암모니아 생산 기반기술도 개발중이다. 전기화학반응에 필요한 전기를 태양열·풍력·해양온도차 발전 등 신재생 발전으로 생산할 계획.

1) 하버-보슈법(Haber-Bosch Process)

현재 가장 널리 쓰이고 있는 암모니아 생산 방식. 수소와 질소에 철을 촉매로 암모니아 생산.  

1904년 독일 과학자 프리츠 하버와 카를 보슈가 발견하였다. 암모니아가 농작물 재배에 필요한 비료로 사용되어 인류의 복지에 가장 큰 기여를 한 공로가 인정되어 노벨상까지 받았다. 

하지만 하버-보슈법(Haber-BoschProcess)은 500도의 고온과 300기압의 고압을 만들어야 하는 어려움이 있다. 또한 암모니아 생산을 위한 수소를 얻기 위해 천연가스나 석유를 원료로 쓴다는 것이 문제다. 암모니아를 생산하는 데 세계 천연가스 생산량의 3~5%가 쓰이고 세계 에너지의 2%가 소요되고 있다.^[각주:6]

반면 전기화학적 암모니아 생산 기반 기술은 고온과 고압이 없이도 암모니아 합성이 가능해 생산 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 예상된다. 전기화학적 암모니아 생산 기반 기술은 고체상 전해질막이나 용융염을 이용하여  질소와 물에 전기화학 반응을 일으켜 암모니아를 합성하는 방식이다.

2) 고체상 전해질막을 이용한 전기화학적 암모니아 생산 (Solid State Ammonia Synthesis)

전기화학적 암모니아 합성 공정은 물과 공기 중의 질소를 이용해 암모니아를 합성하는 공정이다. 

전해질막(electrolyte)과 전극(양극, 음극)으로 이루어져 있으며, 산소투과막을 활용하는 공정과 수소투과막을 활용하는 공정으로 구분된다.

3) 용융염을 이용한 암모니아 합성(Molten salt ammonia synthesis)

용융염 전기화학적 암모니아 공정은 용융염 내에서 물과 질소이온의 화학적 반응을 통해 암모니아를 합성하는 공정이다.

염화리튬(LiCl), 염화포타슘(KCl), 염화세슘(CsCl) 등 염을 350도 정도로 가열해 만든 용융염 속에서 수증기와 질소이온을 반응시켜 암모니아를 만드는 방법. 

 질소이온 생성(Cathode)과 산소 생성(anode)이 전기화학적으로 이뤄진다.

미래창조과학부 보도자료 참고

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2014. 06. 02 작성

1. http://goo.gl/6Qiqfl [본문으로]
2. http://goo.gl/Cj6Ckf [본문으로]
3. http://goo.gl/Cj6Ckf [본문으로]
4. http://goo.gl/xTPvL7 [본문으로]
5. http://goo.gl/Cj6Ckf [본문으로]
6. http://goo.gl/Cj6Ckf [본문으로]