전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2021.6 Hot News (p16-17)

액체암모니아, 수소 운반체에서 직접 연료로
도호쿠대학 등, 가스터빈 연료로 안정적 연소 기술 개발

온난화 가스를 배출하지 않는 암모니아를 가스터빈의 연료로 이용하는 연구개발이 활발해지고 있다. 도호쿠대학은 액체 암모니아를 연료로 해서 직접 연소시킴으로써 화염을 안정화시키는 기술을 개발했다. 또한 도호쿠대학과 IHI, 산업기술종합연구소가 공동으로 화석연료가 주체인 가스터빈에서 액체 암모니아를 적용하기 위한 개발도 진행하고 있다.

현재의 암모니아(NH3)는 수소(H2)의 수송∙저장 등을 담당하는 수소 운반체로서 주목을 받아 왔다. 그리고 이산화탄소(CO2)를 발생시키지 않는 그린 연료로서의 이용도 가시화되기 시작했다. 그럼 왜 기체가 아니라 액체인 것일까? “액체일 경우 도입 비용을 억제해 암모니아를 이용할 수 있다. 비용과 공간을 줄일 수 있고 탄소중립을 추진할 수 있는 수단이 될 것이다”(도호쿠대학 유체과학연구소 고바야시(小林) 교수). 물론 기체의 암모니아를 연료로 해서 사용하는 방법도 있다.

단, 암모니아는 액체로서 운반∙수송하기 때문에, 암모니아를 기체로 이용하기 위해서는 증발기와 기체 연료에 압력을 가하는 컴프레서 등의 설비가 필요하게 된다. 액체 암모니아 설비는 도입 비용을 상승시키고, 설치 공간을 차지하는 단점이 있다. 액체 암모니아를 직접 연소할 수 있다면 기화에 필요한 설비가 불필요해진다. 또한 액체라면 유량의 조정이 쉽고, 가압에 필요한 에너지가 작기 때문에 소형 설비로 압력을 가해서 가스터빈 등에 투입할 수 있다. 대형 주변 설비를 도입하지 않고 암모니아를 이용할 수 있는 가능성을 안고 있다.

-- 암모니아 연소의 과제를 해결 --
도호쿠대학의 고바야시 교수는 액체 암모니아를 연소하기 위해 기류(선회기류)를 제어해서 화염을 안정화시켰다. 액체∙기체를 불문하고 암모니아 연소는 과제가 많다. 그 하나가 화염이 안정적이지 못하다는 것이다. 암모니아는 연소 속도가 느리고, 새로 투입한 암모니아로 불이 옮겨가기 어렵기 때문이다. 또한 ‘액체 암모니아는 기화할 때 주위에서 매우 많은 열을 빼앗기 때문에 쉽게 옮겨 붙지 않아 화염이 안정되기 어렵다”(고바야시 교수).

그래서 불꽃이 소용돌이치는 공기의 흐름을 만들어 내서 암모니아의 연소 시간을 늘림으로써 신규 투입한 암모니아에 불이 쉽게 옮겨 붙도록 했다. 액체 암모니아의 연소는 공기를 500~600K까지 가열해서 기화할 때 빼앗기는 열량을 보충함과 동시에 연소 속도를 빠르게 했다. 또한 연소 시에 발생하는 질소산화물(NOx)을 억제하기 위해 암모니아 연료와 공기의 투입 비율을 조정하여 NOx의 배출을 억제할 수 있는 비율을 모색했다. 그 과정에서 “암모니아를 공기에 대해서 과다하게 하면 NOx의 발생을 억제할 수 있는 것을 알았다”(고바야시 교수).

2단 연소도 적용했다. 1단에서 나온 생성물을 2단에서 재연소한다. 실은 암모니아 비율을 공기보다 크게 해서 태우면, NOx 이외에 수소, 연소하지 못한 미미한 암모니아가 배출된다. 2단에서 재연소함으로써 시스템 전체적으로 NOx의 생성이 적어지도록 했다. “기체 암모니아를 이용한 연구실 실험에서는 2단 연소로 NOx를 50ppm 정도까지 낮출 수 있었다. 실제 설비도 200ppm 정도로 낮출 수 있다면 촉매 등의 적용으로 충분히 액체 암모니아 이용이 현실화된다”(고바야시 교수).

암모니아는 연소하면 최종 생성물인 질소와 물이 생기는 반응 경로 중에 암모니아의 질소 원자에서 NOx가 생긴다. 한편 천연가스의 주성분인 메탄의 연소에서는 공기 중의 질소가 산화됨으로써 NOx가 생성된다. 즉 암모니아는 메탄 등과 다른 경로로 질소산화물이 증가하기 때문에 암모니아 연료에 대한 대책에서 시행착오를 겪은 것이다.

-- IHI가 상용화를 목표 --
액체 암모니아만으로 움직이는 가스터빈도 개발하고 있다. IHI는 2021년 3월 26일, 세계 최초로 열량 비율 70%까지 액체 암모니아 이용량을 높여, 천연가스와 혼합 연소할 수 있는 2000kW급 가스터빈의 안정적 연소에 성공했다고 발표했다. 천연가스의 이용량을 기존 대비 30%로 억제할 수 있기 때문에 이산화탄소의 배출량도 30%로 삭감할 수 있다.

액체 암모니아의 이용을 통해 기체 암모니아보다 공간을 절약할 수 있다. “요코하마시에 설치한 설비의 경우는 약 40% 면적이 줄어든다”(IHI). 또한 액체 암모니아 100%로 안정적으로 가스터빈을 운전할 수 있었다고도 발표했다. 단, “배출가스 중 유해물질 농도가 아직 높아 지속적으로 연구개발을 계속해 나갈 필요가 있다.

아직 한정적인 운전이다”(IHI). 더욱 NOx를 억제해 “2025년을 목표로 암모니아 전소(액체 암모니아 100% 이용) 가스터빈의 상용화를 목표한다고 한다. 또 IHI는 석탄 화력발전을 대상으로 석탄과 암모니아의 혼합 연소 기술도 개발한다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei Electronics] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.