차세대 에너지 왕좌 노린다 “암모니아”- Sciencetimes

수소와 함께 떠오르는 차세대 에너지 원의 숫자는 아마 암모니아가 차지하는지도 모른다. 최근 들어 암모니아를 활용 한 항공기 엔진 및 자동차 엔진, 선박 엔진 등이 국내외에서 개발되고있어 주목을 받고 있기 때문이다.

암모니아를 연료로하는 엔진의 개발 모델 인 SABRE는 원래 극 초음속 비행을 위해 개발 된 ⓒReaction Engines

암모니아는 에너지 원으로서의 장점은 많은 가스이다. 미래의 에너지 원이 먼저 갖추어야 할 자격 요건은 지구 온난화를 촉진 온실 가스를 배출하지 않아야한다. 암모니아는 수소와 같은 연소시 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 미래의 에너지 원으로서의 자격 요건을 갖춘 볼 수있다.

또한 수소에 비해 제조 및 저장하고 운송에 필요한 과정이 간단하고 비용도 저렴하고 경제성이 뛰어나다. 이뿐 만이 아니다. 가솔린에 비해 폭발의 가능성이 낮고, 상대적으로 안전한 에너지 원으로 각광 받고있다.

제트 연료 대신 암모니아 연료를 사용하는 엔진의 개발

암모니아의 이미지는 매우 부정적이다. 악취 떠오르는 가스가 곧 암모니아 때문이다. 그런 가스가 미래의 에너지 원으로 개발되는 경우는 매우 생소하다 생각하는 사람이 많지만, 실제로 암모니아 수송 기기의 에너지 원으로 검토되기 시작한 것은 꽤 오래되었다.

처음 암모니아를 이용하여 엔진을 개발하려고하고 있던 과학자들은 디젤 엔진을 발명 한 독일의 ‘루돌프 디젤 (Rudolf Diesel)’이다. 디젤은 19 세기 후반에 암모니아를 연료로하는 엔진을 7 년간의 연구하다가 안전과 비용 문제로 포기했다. 대신 디젤은 공기를 압축시켜 얻은 높은 열 연료를 점화시키는 디젤 엔진을 개발하고 상용화에 성공했다.

이처럼 디젤이 포기한 암모니아 엔진은 그 때 50 년이 지난 1930 년대에 와서 다시 검토되기 시작했다. 역시 상용화에는 실패했지만, 노르웨이, 벨기에에서 각각 암모니아 트럭과 버스를 개발 한 사례가있다.

암모니아 엔진의 원리와 개요 ⓒuiowa.edu

그런 다음 암모니아를 자동차 엔진이 아니라 항공기 엔진에 적용하려는 움직임이 일어나기 시작했다. 1960 년대 미국에서 개발 된 고속 항공기 인 X-15 로켓 엔진에 암모니아를 에너지 원으로하려는 연구가 진행 한 것. 그러나이 시도도 테스트 과정에서 발생한 폭발 사고로 중단 된 암모니아 엔진은 사람들의 기억에서 잠시 잊을 수.

이처럼 사람들의 뇌리에서 사라진 암모니아 엔진을 다시 현실로 가져온 과학자들은 영국 과학 기술 시설위원회 (STFC) 소속 연구자이다.

친환경 에너지 전문 매체 인 Fuelcellworks 8 월 28 일자 보도에 따르면, 이러한 STFC 연구원은 극 초음속 여객기의 엔진으로 개발 된 세이버 (SABRE) 엔진을 활용하여 항공 연료 대신 암모니아를 연료로 사용하는 제트 엔진을 개발하고있어있는 것으로 나타났다.

선박 및 자동차에서도 암모니아 엔진 개발

SABRE 엔진은 항공 우주 산업이 오랜 염원 해 온 기술이다 초음속 비행을 위해 개발 된 최첨단 엔진이다. SABRE는 현재 차세대 항공기 엔진을 개발하고있는 영국의 Reaction Engines가 제작중인 엔진이다.

항공 우주 업계가 염원했던 이유는 군사적으로도 교통 수단으로 기존의 엔진보다 훨씬 개선 된 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 군사적으로는 초고속 미사일과 대륙간 탄도탄 등을 이용할 수 있으며, 수송의 목적은 세계의 대도시를 몇 시간에 방문 할 수 있기 때문이다.

그러나 STFC 연구자가 SABRE 엔진에 관심을 보이고있는 것은 속도가 아니라 암모니아의 친환경 요소와 추진력이다. 암모니아는 연소 후 질소와 물만 남아 무공해 연료이다. 또한 수소와 혼합 한 가스를 연소 시키면 강력한 추진력을 얻을 수있다.

물론 단점이없는 것은 아니다. 암모니아는 사용할 때의 냉각 과정이 반드시 필요하기 때문에 기존의 제트 연료보다 사용하기가 훨씬 어렵다. 에너지 저장 밀도가 낮고, 연소가 쉽지 않은 점은 단점이 존재하기 때문이다.

이러한 단점 때문에 암모니아를 연료로하는 항공기 엔진 제작은 현재 기초 연구 단계에 불과하다. 특히 암모니아는 심한 악취로 유명한 가스이다. 디젤 암모니아 엔진을 연구하다가 포기한 이유도 바로 악취 때문이다. 그러나 시간이 지남에 지금 배기 가스를 촉매 반응시켜 악취를 없애주는 기술이 개발 된만큼, 상용화의 가능성도 한층 높아지고있다.

암모니아를 연료로하는 선박도 국내에서 개발 된 ⓒmaritime-executive.com

한편, 암모니아를 연료로하는 운송은 항공기뿐만 아니다. 선박 및 자동차에서도 암모니아 엔진을 개발하려는 움직임이 활발 해지고있다.

선박의 경우 이미 민간 기업에서까지 암모니아 엔진을 개발하고있는 상황이다. 현대 미포 조선은 최근 영국의 로이드 선급 (LR)에서 암모니아를 연료로하는 선박의 개발 의뢰를 받았지만, 향후 5 년 이내에 암모니아 추진 선을 상용화 할 방침이다.

삼성 중공업도 한국 조선 해양이 최근 개발에 착수 한 암모니아의 추진 선 프로젝트에 참여했다. 삼성 중공업은 올해 1 월부터 세계적인 선박 제조 회사의 의뢰를 받아 2030 년 상용화를 목표로 암모니아 엔진이 탑재 된 선박을 개발하고있다.

자동차 관련 대표적인 사례로는 한국 에너지 기술 연구원이 LPG와 가솔린 겸용 엔진을 개조 해 만든 암모니아 엔진이다. 정확하게는 암모니아의 70 %와 가솔린 30 %를 혼합 한 연료로의 연구팀은이 엔진이 탑재 된 자동차를 타고 시속 60 ~ 80㎞로 주행 시험 주행까지 마쳤다.

이 연구를 주도한 기무죤나무 박사의 설명에 따르면, 자동차 연료의 70 %를 암모니아로 대체하면 이산화탄소 배출량도 70 % 감소하는 것으로 나타났다. 또한 기존의 LPG 충전소 인프라를 약간만 개조하면 암모니아 충전소로 사용할 수 있다는 점도 암모니아 엔진의 실용화 가능성을 높이는 장점이 꼽혔다.

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