산업기술/제조/경영

Nikkei Business_2017. 10. 30 (p74~76)

Technology File
암모니아의 발전(發電) 이용
석탄을 대체하는 ‘수소의 보물창고’
~ 주고쿠(中國) 전력, 도호쿠(東北) 대학, 교토 대학, 노리타케 컴퍼니 리미티드 ~

수소를 많이 함유하고 있으며 태워도 이산화탄소를 배출하지 않는 암모니아. 부식성 등이 과제였으나, 기술혁신으로 이 ‘수소의 보물창고’가 연료로 사용하게 되었다. 석탄화력발전소 및 연료전지 등에서 기존의 에너지를 암모니아로 대체하는 움직임이 서서히 등장하기 시작했다.

주고쿠 전력(中国電力)은 올 7월에 에너지업계의 대혁명을 이끌어 낼 실험에 성공했다. 당사의 미즈시마(水島)발전소 2호기(오카야마(岡山)현)로 석탄연료에 ‘암모니아’를 함께 섞어 연소시킨 것이다. 실제로 대형 발전설비에서 성공한 최초의 사례라고 한다.

실험에서는 4만세대 분량의 전력수요에 해당하는 12만㎾를 발전할 때 암모니아를 투입해도 문제없이 가동된다는 사실을 확인할 수 있었다. 이 때 발전량의 0.8%(1,000㎾상당)를 암모니아로 조달하여 석탄을 줄인 분량만큼의 ㅇCO₂ 배출량을 절감할 수 있었다고 한다.

일본정부가 지구온난화 대책의 축으로 내걸고 있는 ‘수소사회’. CO₂ 배출의 억제를 위해 가정이나 사업소에서 폭넓게 수소 에너지를 활용한다는 계획이지만, 2030년 실현을 앞두고 타고 넘어야 할 높은 장벽이 가로막고 있다. 수소의 운반 및 보관 등으로 새로운 전용 인프라 정비가 필요하기 때문이다. 따라서 일정의 수소를 함유하면서도 연로로서 효율적으로 사용할 수 있는 ‘에너지 캐리어’라는 물질이 각광을 받기 시작했다.

그 대표적인 예가 화학식 ‘NH₃’인 암모니아다. 지독한 냄새의 이미지가 일반적이지만, 수소와 질소만으로 구성되어 있으며 화석 연료와는 달리, 연소해도 CO₂를 배출하지 않는다. 상온에서 비교적 쉽게 액화되며, 체적당 수소의 함유 밀도는 액체수소의 1.5배 전후로 높다. 그만큼 에너지를 효과적으로 운반할 수 있다는 것이다.

유기 하이드라이드 또한 에너지 캐리어로서 기대를 받고 있으나, 수소 밀도 등에서 암모니아가 수위를 차지한다. 따라서 주고쿠 전력은 ‘수소의 보물창고’라고 할 수 있는 암모니아를 활용한다는 방침을 세웠다. 암모니아는 주로 비료의 원료로 사용되어, 국내의 사용률은 1년에 100만톤 정도이다. 국내에서 일정량을 생산할 수 있으며 공급망도 거의 확립되어 있다. 석유 및 석탄 등의 기존 연료를 대체할 수 있다면, CO₂의 억제에 큰 효과가 있을 전망이다.

-- 난연성, 부식성이라는 장애물 --
잠재력과는 다르게, 연료로서의 암모니아 이용은 오랜 세월 동안 추진되지 않았다. 비료 등의 이미지가 너무 강할 뿐 아니라, 2가지 이유가 더 있었다. 그 하나는 태우기 어렵다는 점이다. 발화온도가 651도로 높을 뿐만 아니라 연소 속도가 느려 안정적인 연소가 어렵다. 따라서 발전(發電)에 필요한 화력을 얻기가 쉽지 않다는 문제점이 있다. 또한 그 두 번 째 이유는 부식성과 유독성이다. 이와 같은 장애물을 뛰어넘을 수 있다면, 암모니아를 사용하는 수소사회의 실현에 크게 다가갈 수 있을 것이다.

주고쿠 전력이 암모니아의 연소를 모색하기 시작한 것은 2015년. 연소 조건을 연구하던 도호쿠(東北)대학 유체 과학 연구소의 고바야시(小林) 교수는 소용돌이와 같은 일정한 상태가 일어날 때 암모니아가 집중적으로 타오른다는 사실을 발견했다. 주고쿠 전력은 이 연구를 발판으로 암모니아를 연료로 활용할 수 있다고 판단. 미즈시마 설비를 일부 개조하여 실험에 돌입했다.

전력회사에게 있어서 암모니아는 배연 탈초 장치에서 사용해 온 친숙한 존재이다. 석탄 등을 태우면 대기오염의 원인이 되는 NOx(질소산화물)이 발생하지만, NOx를 제거하기 위한 장치가 바로 탈초 장치이다. 거기에서는 암모니아를 환원제로 이용하고 있다.

미즈시마에는 액화 암모니아 탱크가 있어, 기화시킨 암모니아를 탈소 장치에 투입하는 배관도 갖춰져 있었다. 이번 실험에서는 탈초 장치가 아니라 연소(燃燒)부에도 직접 투입할 수 있게 배관구조를 변경했다. 기존의 인프라를 활용할 수 있다는 점도 암모니아의 장점이다.

일반적으로 암모니아가 연소할 때에도 NOx는 발생한다. 주고쿠 전력의 종합에너지 기술그룹의 다니가와(谷川) 씨는 “연소 시의 온도 및 공기량을 조정하여 운전하거나 탈초 장치를 활용하는 등의 대책을 통해 충분히 대처할 수 있다는 것을 알게 되었다”라고 설명한다. 주고쿠 전력은 앞으로 석탄연료의 20%를 암모니아로 대체한다는 청사진을 그리고 있다. 그럴 경우, CO₂의 배출량은 동일하게 20% 줄어들게 된다. 미즈시마 2호기만으로도 연간 13만톤 이상을 삭감할 수 있다는 계산이다.

-- 식기 기술로 부식을 막는다 --
작은 발전소라고 할 수 있는 ‘연료전지’에서도 빠른 속도로 연구가 진행되고 있다. 에네팜(ENE・FARM)이라는 명칭으로 알려져 가정에서의 보급이 추진되고 있다. 현 시점에서는 수소를 함유한 도시가스 등을 연료로 하는 것이 주류이지만, 교토 대학의 에구치(江口) 교수 팀은 암모니아로의 대체를 위한 연구개발 중이다.

연료전지에서는 수소를 부극(마이너스극)에서 투입하여 반대 측의 정극(플러스극)으로부터 공기를 투입. 가운데 있는 전해질 부분에서 수소와 산소가 반응하여 전기가 발생한다. 발전 기능을 맡고 있는 심장부는 ‘셀 스택’으로 불린다. 골치 아픈 점은, 암모니아의 두 번째 과제인 부식성 및 유독성이다. 셀 스택을 사용하는 부재가 부식, 열화(劣化)될 가능성이 있다. 또한 암모니아가 새어 나오면 위험하기 때문에 특별한 대책이 필요하다.

이에 대책을 담당하는 곳은 식기 제조 업체인 노리다케 컴퍼니 리미티드이다. 글라스 시트 및 글라스 패이스트 등의 배합 비율을 미세하게 조정하여 암모니아로 인해 부식되기 힘든 보호재를 개발했다. 연료전지는 운전 가동 시에 온도가 750도 전후에 달하지만, “고온에서 암모니아를 사용해도 위험하지 않게 당사의 해석기술로 필요한 성분 및 비율을 도출해 냈다”라고 당사 연구개발센터의 다카하시(高橋) 씨는 말한다.

7월에는 암모니아 연료전지로 세계 최대급인 1㎾의 발전에 성공. 도시가스로부터 연료를 전환해도 기존과 거의 같은 능력을 가질 수 있다는 것이 입증되었다. “업무용으로의 사용을 염두에 놓고 향후, 보다 대용량으로의 발전을 목표로 하고 있다”라고 에구치 교수는 자신 있게 말했다.

암모니아 제조법은 실은 100년 이상 변하지 않고 있다. 20세기 초에 확립한 ‘하버-보슈법’을 사용하여 공기에 함유되어 있는 질소와 수소에서 화학 합성을 하는 방법이 현재도 주류이다. 공기를 고온고압 상태로 만들 필요가 있어, 그러기 위해서는 세계 연료 소비의 1~2%가 쓰이고 있다는 계산도 나오고 있다.

활용처가 확산된다면, 암모니아를 보다 효율적으로 생산하기 위한 연구가 가속화될 것이다. 실제로 미국 구글 등은 양자 컴퓨터를 사용하여 박테리아가 암모니아를 합성하는 프로세스를 찾아내려는 시도 중에 있다. 암모니아는 화학 비료의 면에서 세계의 식량증산을 이끌어 온 공로자이다. 에너지 캐리어로서의 역할이 더해지는 것도 적잖은 의미가 있다고 할 수 있겠다.

 -- 끝 --