|
세계 인구는 산업혁명 이전 약 6억명에 불과했으나 산업혁명 이후 의료기술 향상, 공중질소 고정에 따른 화학비료 발명 등의 영향으로 급증해 2014년 71억명 이상에 달했으며 2025년 80억명을 돌파할 것으로 예상되고 있다.
이에 따라 화석연료가 대량 소비되면서 자원고갈, 지구온난화가 우려되고 있으며 태양열·태양광, 지열, 풍력 등 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않는 재생에너지를 이용하는 기술 개발이 요구되고 있다.
재생에너지는 전기로 변환해 사용하고 있으나 전기를 대량 저장·수송하기 어려워 에너지 밀도가 높고 CO2가 발생하지 않는 친환경적인 2차 에너지 개발이 요구되고 있다.
수소는 친환경적인 2차 에너지로 주목받고 있으나 상온에서 기체 상태로 극저온·고압 조건에서 압축해 운반해야 하기 때문에 대량 저장·수송하는데 높은 기술력이 요구되고 있다.
이에 따라 일본 정부는 수소를 저장·수송하기 쉬운 화학에너지(에너지 캐리어)로 변환해 이용하는 에너지 시스템 도입에 박차를 가하고 있다.
특히, 암모니아(Ammonia)는 액체의 체적수소밀도가 액체수소보다 높고 실온에서 액화할 수 있으며 수소 발생에 필요한 에너지가 연소에너지의 약 10%에 불과할 뿐만 아니라 탄소를 함유하지 않아 뛰어난 에너지 캐리어로 주목받고 있다.
일본은 2013년 7월1일 독립 행정법인 과학기술진흥기구(JST)의 전략적 창조연구 추진사업(ALCA: 선진적 저탄소화 기술 개발) 특별중점영역으로 에너지 캐리어 프로젝트를 개시해 암모니아 상용화 기술을 개발하고 있다.
암모니아, 고밀도로 에너지 수송 가능
암모니아는 질량수소밀도가 수소저장합금의 약 10배인 17.8mass%로 수소화물 가운데 가장 높고 압축을 통해 실온, 1MPa 이하에서 쉽게 액화할 수 있으며, 액체암모니아는 체적에너지밀도가 고체수소 저장소재보다 높아 액체수소의 1.5-2.5배에 달하는 고밀도로 에너지를 수송할 수 있는 강점이 있다.
암모니아는 수소와 질소를 원료로 사용하는 하버-보슈(Haber-Bosch) 공법을 통해 생산하며 연소를 통해 에너지를 얻을 수 있고 물과 질소만 배출해 CO2가 발생하지 않는 에너지 캐리어로 주목받고 있다.
암모니아를 분해해 수소를 방출시키는데 필요한 에너지는 30.6kJ/molH2로 286kJ/molH2인 수소 연소에너지의 10% 수준에 불과한 것으로 나타나고 있다.
니켈수소전지에 사용되고 있는 수소저장합금(LaNi5), FCV (Fuel Cell Vehicle)용으로 검토된 수소흡장합금(Ti-Cr-V)과 같은 수준이다.
수소 캐리어로 알려진 유기 하이브리드(메틸사이클로헥산: Methylcyclohexane)는 수소 방출에 따른 엔탈피(Enthalpy) 변화가 암모니아의 2배 이상으로 수소에서 발생하는 에너지(연소열)의 24%가 수소 방출에 사용되는 것으로 분석되고 있다.
일본은 암모니아에 포함된 수소 가격이 2012년 CIF N㎥H2(90g)당 20-35엔을 형성했다.
2011년 액체수소 가격은 리터당 96-1044엔, 수소가스는 입방미터당 142-504엔으로 최저가격이 N㎥당 122엔으로 나타나고 있다.
최저가격은 미국의 공급코스트와 같은 수준으로 암모니아 속의 수소 가격은 수소의 20-30%로 파악되고 있다.
암모니아는 수소로 제조함에 따라 코스트가 수소에 비해 높지만 저장·수송과정에서 낮아지는 특징이 있다.
암모니아와 같은 에너지 캐리어는 저장기간이 길어도 코스트가 크게 변화하지 않지만 수소는 BOG(Boil off Gas) 억제 등의 영향으로 코스트가 크게 상승해 장기 보관에는 적합하지 않은 것으로 나타나고 있다.
일본 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)는 2030년 수소 코스트 N㎥당 40-60엔을 목표로 설정하고 있다.
암모니아의 안전성은 크게 연소성과 건강에 대한 유해성이 거론되고 있으나, 인화점과 발화점이 매우 높아 가연성에 대해 매우 안전할 뿐만 아니라 지구온난화계수가 수소와 같은 0으로 친환경적인 것으로 평가되고 있다.
그러나 극물인 점이 문제시되고 있다.
미국산업위생사협회(ACGIH)에 따르면, 암모니아는 하루 8시간의 작업환경에서 인체허용한도를 25ppm으로 제한하고 있다.
2-4% 암모니아 용액은 벌레물림, 가려움, 어깨결림, 요통, 타박, 염좌 등의 약으로 판매되고 있으며 농도가 10%인 암모니아수는 각성제로도 이용되고 있다.
또 미국에서는 가정용 암모니아 용액을 일반적으로 유리클리너, 욕실클리너, 부엌클리너로 사용하는 것으로 알려졌다.
이에 따라 농도가 10% 이하인 암모니아는 사회적 수용성이 높게 나타나고 있다.
아울러 암모니아는 질소산화물 분해·제거 목적으로 발전설비 부근의 탈질장치에 사용되고 있다.
일본, 암모니아 에너지 시스템 개발
질소는 대기에 가장 많이 함유된 기체로 약 78%를 차지하고 있다.
암모니아는 중국, 인디아, 러시아, 미국, 트리니다드토바고 등에서 생산하고 있으며 글로벌 생산량은 1억9800만톤으로 무기화학제품 가운데 3번째로 많은 것으로 나타나고 있다.
수소는 주로 천연가스의 수증기 개질로 생산하고 있으며 암모니아 제조 시에는 CO2를 방출하는 것으로 알려졌다.
암모니아를 이용한 수소경제를 구축하기 위해서는 태양열을 이용해 수소로부터 그린 암모니아를 제조하는 기술, 암모니아를 이용하는 기술로 구성된 암모니아 에너지 시스템을 개발해야 하는 것으로 파악되고 있다.
일본은 태양열 발전코스트를 2010년 15-30엔/kWh에서 2030년 5-7엔/kWh로, 육상풍력 발전코스트를 9-15엔/kWh에서 5-8엔/kWh로 감축하는 목표를 설정하고 있으며 태양광, 양상풍력에 비해 낮은 수준이어서 장기적으로 저코스트 재생에너지로 자리 잡을 것으로 기대되고 있다.
다만, 태양열을 이용해 물의 열분해로 수소를 제조하기 위해서는 4000℃ 이상이 필요하나 4000℃까지 열을 모으기 힘들고 초고온을 견딜 수 있는 소재도 없어 문제시되고 있다.
이에 따라 일본은 범용소재를 이용할 수 있는 650℃ 수준으로 열을 모아 수소를 제조하는 열화학 수소 및 수증기 전해 수소 제조기술을 검토하고 있으며 태양열을 이용한 열화학법, 열수증기전해법으로 수소를 제조한 후 하버-보슈공법으로 암모니아로 변환해 수송하는 시스템을 구축할 방침이다.
열화학 사이클에 따라 물과 질소로부터 직접 암모니아를 제조하는 프로세스도 개발하고 있다.
하버-보슈 공법을 적용한 암모니아 합성은 하루 2000톤 가량의 대량생산에 적합한 기술로 중·소규모 재생에너지원에 대응하기 어려운 단점이 있어 소규모 재생에너지에 대응할 수 있는 기상 암모니아 합성장치를 개발함으로써 과잉전력 저장에 이용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
수소 캐리어로 연료전지·연소용 채용 기대
JST는 암모니아를 소비지로 운반한 후 에너지 안보를 위해 일부 비축하고 수소 캐리어로 직접 또는 수소 플랜트에서 변환해 가정용 연료전지, 연소용 연료로 공급하는 구조를 상정하고 있다.
가정용 분산형 발전은 전기와 열을 함께 사용하기 쉬워 에너지 효율이 크게 향상되는 장점이 있으며 가정용 연료전지는 고체 고분자형(PEMFC), 고체 산화물형(SOFC)이 있다.
저장·수송이 용이한 암모니아는 수소 충전소로 운반한 후 수소로 변환해 FCV용 연료로 사용할 수 있어 수소 수송코스트가 대폭 감축됨에 따라 FCV 보급을 촉진할 것으로 기대되고 있다.
다만, 암모니아를 분해해 제조한 수소는 미반응 암모니아를 일부 함유하고 있다.
수소는 암모니아 함유량이 1ppm에 불과해도 7일만에 연료전지를 열화시킬 가능성이 있어 분해되지 않은 암모니아를 연료전지에 영향을 미치지 않는 농도인 0.1ppm까지 분리·제거해야 하는 것으로 알려졌다.
아울러 암모니아는 연소해도 CO2가 발생하지 않아 에너지 캐리어로 대규모 발전 등에 이용될 것으로 기대되고 있다.
SOFC는 출력 700W의 가정용 연료전지 발전효율이 47% LHV(저위발열량기준)이며 출력이 200kW 이상인 중규모 SOFC는 전기에너지 변환효율이 50% LHV 이상인 것으로 나타나고 있다.
SOFC에는 주로 화석연료가 사용되고 있으나 JSR은 암모니아 이용방안을 검토하고 있다.
또 트럭, 선박, 항공기 등 대형 이동체는 연료전지를 이용한 구동이 어렵기 때문에 암모니아가 CO2 프리 연료로 내연기관에 이용될 것으로 예상되고 있다.
질소산화물(NOx) 배출량은 가솔린엔진의 20% 이하에 불과한 것으로 보고되고 있다.
여기에 수소, 프로판(Propane), 가솔린(Gasoline) 등의 혼합연료를 이용하는 엔진에 대한 연구도 진행하고 있다.
암모니아는 인화점, 발화점이 높아 단독으로 연소하기 어렵기 때문이다.
다만, 암모니아는 극물이기 때문에 내연기관, 발전용 에너지 캐리어로 이용할 때 안전성을 확보하기 위해 엄중한 관리가 필수로 요구되고 있다.
화석연료 대체로 CO2 감축효과 기대
세계 1차 에너지 소비량은 석유 환산 120억톤에 달하며 일본은 암모니아 10억톤에 상당하는 5억톤 수준으로 나타나고 있다.
일본은 1차 에너지에서 전력이 차지하는 비율이 40% 이상에 달하고 있다.
암모니아는 에너지 밀도가 원유의 50% 수준으로 CO2를 함유하지 않은 암모니아를 4억톤 제조해 발전소에서 이용함으로써 전력을 모두 암모니아로 조달할 수 있어 CO2 배출량이 약 40% 감축될 것으로 예상되고 있다.
소비측 전력화율은 23.1%로 산업, 업무, 가정 부문이 각각 7-8%를 소비하고 있다.
운수 부문의 에너지 소비량은 여객 14.4%, 화물 8.9%로 총 23.3%를 차지하고 있으며 98%가 가솔린, 제트연료, 경유, 중유 등 화석연료를 사용하고 있다.
여객운송 부문의 에너지 소비비율은 승용차 85.7%, 버스 3.1%, 철도 3.4%, 해운 2.4%, 항공 5.4%로 승용차의 에너지 소비량이 가장 많은 것으로 나타났다.
화석연료를 이용하는 수송 부문은 암모니아를 사용함으로써 CO2 감축 효과가 20% 이상에 달할 것으로 예상되고 있다.
이밖에 가정 부문은 14.2%, 업무 부문은 19.6%, 산업 부문은 42.8%를 차지하고 있으며 모두 전체의 40% 이상이 천연가스, 석유, 석탄을 이용하고 있다.
구체적으로 가정 부문은 화석연료 49.4%, 전력 50.6%, 업무 부문은 화석연료 55%, 전력 44%, 산업 부문은 화석연료 72.0%, 전력 17.2%로 나타나 암모니아 활용이 기대되고 있다.
암모니아는 탄소 원자가 없는 수소화물 가운데 유일하게 대량 생산되고 있는 화학물질로 기존 설비를 활용함으로써 에너지 캐리어로서의 가능성을 시험할 수 있는 것으로 알려졌다.
일본은 JST의 에너지 캐리어 프로젝트가 진행됨에 따라 태양열, 풍력 등 재생에너지로 화학에너지인 암모니아를 제조해 카스터빈, SOFC, 차세대 자동차의 에너지 캐리어로 이용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
표, 그래프 : <암모니아와 수소의 코스트 비교><액체암모니아와 액체수소의 수소밀도 비교><암모니아와 수소의 코스트 비교><에너지원의 인화점 비교><일본의 재생에너지 발전코스트 목표>
<화학저널 2016년 5월 23일>
|
