[사이언스포럼]친환경 미래 에너지, 암모니아

김종남 한국에너지기술연구원 책임연구원

에너지는 인류의 생존과 번영에 필요한 '혈액'과 같다. 1970년대 산업화 이후 오늘날까지 에너지 소비량은 경제발전과 비례하며 증가해 왔다. 세계 인구가 1973년 39억명에서 2010년 68억명으로 1.74배 늘어나는 동안 에너지 사용량은 61억TOE(석유 1곘이 연소할 때 발생하는 에너지의 양)에서 127억TOE로 2.08배 증가했다.

특히 석유, 석탄, 천연가스 등과 같은 화석연료는 인류가 사용하고 있는 에너지 가운데 81%에 달할 만큼 커다란 비중을 차지하고 있다. 하지만 인류가 필요한 에너지 공급을 위해 지난 60여년 이상 석유와 천연가스를 사용한 결과, 예전에는 쉽게 얻어지던 석유와 가스를 요즘은 깊은 바다나 셰일층 등에서 힘겹게 생산하고 있는 실정이다. 머지않은 미래에 고갈될 것이라는 전망도 심심치 않게 나오고 있다.

화석연료 사용을 절감해야 하는 명분은 환경 문제에서도 찾을 수 있다. 지구의 기온 상승은 화석연료 사용으로 배출되는 이산화탄소가 원인으로 지목돼 이를 줄이기 위한 다양한 시도가 진행되고 있다. 최근 우리 연구원이 발표한 '암모니아-가솔린 혼소 자동차'도 궁극적으로 이처럼 자연에너지를 통한 친환경 자동차를 표방하고 있다.

암모니아는 상온 10기압에서 액체로서 저장 및 이송이 용이하고 기구축된 내연기관에 직접 사용이 가능한 무탄소 연료다. 암모니아 자동차는 온실가스 배출을 획기적으로 저감할 수 있으며, 암모니아 연료전지나 암모니아 터빈으로 발전에 활용될 수 있을 것으로 전망된다. 암모니아를 공기 중의 산소와 연소시키면 유해가스가 아닌 물과 질소만 배출된다는 것도 장점이다. 암모니아는 연간 약 2억곘 정도 생산돼 80% 정도가 비료로 사용되고 있기 때문에 저장 및 수송기술이 이미 발전된 상태다.

상업적으로 생산되는 암모니아는 천연가스나 석탄을 가스화해 얻은 수소와 공기 중의 질소를 고온ㆍ고압에서 촉매로 반응시키는 '하버-보슈공정'으로 얻어진다. 하지만 미래 석유고갈과 기후변화에 대응하는 차세대 암모니아 에너지 시스템 구축에 필요한 암모니아는 자연에너지에서 얻은 전기를 활용해 물과 공기 중의 질소를 원료로 무한정 생산이 가능하고 지역 편중이 없으므로 에너지 안보에도 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

암모니아를 활용한 운송수단 개발은 이번이 처음은 아니다. 2차 세계대전 당시 벨기에는 경유 부족을 해결하기 위해 암모니아와 석탄가스를 연료로 사용하는 버스를 운행했고, 1960년대 미국 항공우주국(NASA)은 암모니아로 운행되는 X-15 로켓 비행기를 개발했다. 올해 제네바 모터쇼에 이탈리아 자동차 회사가 개조해 출품한 도요타 스포츠카는 30ℓ의 암모니아로 180㎞를 운행해 연비 6㎞/ℓ를 달성하기도 했다.

우리 연구원이 국내 경차를 개조해 제작한 암모니아 자동차는 연료로 암모니아 70%와 휘발유 30%를 사용하며 시속 60㎞ 속도로 운행했을 때 연비가 10㎞/ℓ였고 일반 휘발유 자동차에 비해 이산화탄소 발생량을 70% 낮출 수 있었다. 암모니아 자동차는 기존 휘발유나 경유 자동차의 연료 계통만 수정하면 운행이 가능하므로 저렴하게 친환경 자동차를 생산할 수 있다는 게 최대 장점이다.

향후 암모니아 연료를 100% 사용하는 운송수단뿐만 아니라 자연에너지에서 생산된 전기를 사용해 물과 공기로부터 암모니아를 저렴하게 생산하는 전기화학적 암모니아 합성법이 개발되고, 암모니아로 전기를 생산하는 연료전지까지 개발된다면 미래에 다가올 화석연료 고갈과 기후변화 문제 해결에 대안이 될 수 있을 것이다.

김종남 한국에너지기술연구원 책임연구원