암모니아 혼소 발전, 화력발전과 재생에너지 간극 메꿔줄 수 있나

1. 개요 

현실적으로 어떻게 하면 온실가스 배출량과 흡수량을 같게 만들어 순 배출량이 "0" 가 되는 상태를 의미하는 탄소중립을 달성 할 수 있을까요?

 

기존 화력발전을 갑자기 감축하는 것이 어려운 가장 큰 이유 중 하나는 에너지의 안정적인 수급 측면에서 찾을 수 있습니다.

 

100년 넘게 인프라를 구축해 온 화석 연료 중심 체제는 아직 견고하기에, 이를 전환하는 일에는 시간이 걸립니다.

2019년 기준 전 세계 재생 에너지 발전 비중은 10.39%에 머무르게 있는데요. 석탄은 36.4%, 천연가스 23.3% 에 비하여 아직 갈 길이 멀다는 사실을 알 수 있습니다.

 

결국 전력 안정성을 높이기 위해서라도 당분간은 화석연료에 어느 정도 의지 할 수 밖에 없는 현실입니다. 그렇다면 화석연료를 사용하되, 탄소배출을 줄이는 방법은 없는 것 인가요? 많은 이들이 탄소제로 시대로의 과도기를 현명하게 버틸 수 있는 해결책으로 암모니아에 주목 하고 있습니다.

 

사실 암모니아는 이미 한번 인류에게 큰 도움을 준 적이 있습니다. 합성비료의 주재료로서 식량 생산량을 급격히 향상시켜 20세기 초단 들이닥친 식량 부족의 위기에서 우리를 구해준 것이죠. 이런 암모니아가 다시 한번, 화석연료와 재생에너지 사이의 간극을 메워줄 구원투수로 등장 할 수 있을 까요?

 

2. 보관 수성 편리하고 인프라 갖춰져.. 장점 많은 암모니아.

 

 질소와 수소 화합물인 암모니아는 여러장점이 있습니다. 그중 하나가 보관과 수송이 편리하다는 점입니다. 암모니아는 상온에서 압축하면 10bar 이하에서 액화되기에 비교적 쉽게 저장하거나 운송할 수 있습니다. 수소와의 호환성도 높아 수소를 암모니아로 전환하거나, 반대로 암모니아에서 수소를 추출하는 것도 가능합니다. 이를 활용해 여분의 재생에너지를 수소로 바꾸고, 이를 다시 암모니아로 변환해 보관하거나 옮길 수 있습니다.

 

이미 관련 산업 인프라가 잘 구축 되어있다는 사실도 매력적입니다. 매년 생산되는 암모니아가 무려 1억 8000만톤에 이른다고 하니, 그 규모가 어느정도인지 짐작할 수 있겠습니다.

 

무엇보다도 암모니아가 주목 받는 점은 그 자체로 연료가 된다는 점입니다. 특히 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않기에 기후위기 대응에 활용가치가 높습니다.

 

그런데 이런 암모니아에는 한가지 큰 단점이 있습니다. 자연발화 온도 650도씨 와 최소점화 에너지 680mJ가 높다는 것인데요. 쉽게 표현하자면 연소가 잘 안되어서 연료로서의 활용도가 떨어진다는 의미입니다. 실제 암모니아의 발전량과 연소속도는 기준 LNG연료대비 각각50%, 20% 수준에 머물러 있습니다.

 

이에 암모니아와 다른 연료를 혼합해 사용하는 혼소 발전이 그 대안으로 떠오르고 있습니다. 가장 일반적인 것이 기존 석탄화력과 암모니아를 혼합해 탄소배출은 줄이고, 발전량은 그대로 유지하는 방법입니다.

 

3. 암모니아 혼소 발전에 적극적인 일본, 우리나라도 대기업이 발 벗고 나서

 

 현재 이 분야에 가장 적극적인 나라는 일본입니다. 암모니아 연료 도입에 대한 민관협의회를 구성하고 관련 연구를 진행 할 정도인데요. 일본 석탄발전소에서 암모니아 20% 혼소발전을 추진할 경우, 약 4,000만톤에 이르는 탄소를 감축 할 수 있다고 합니다.

 

이에 일본 최대 발전사인 JERA에서는 구체적인 실증에 나서고 있습니다. 오는 2023년까지 헤키난 화력발전소에서 암모니아 20% 혼소발전시설을 구축하는 것이 목표입니다.

 

한편 국내에서는 포스코, 남부발전 등에서 수소-암모니아 혼소기술 개발에 한창입니다. 암모니아를 분해해 수소와 질소를 만들고, 이를 연소시켜 터빈을 돌리는 것입니다. 암모니아만 연소시키는 것보다 월등한 효율을 보이기에, 최근 국내외에서 많은 주목을 받고 있는 기술입니다.

 

4. 암모니아 연구는 계속된다

 

 그런데 이런 암모니아 혼소가 실용화 되려면 꼭 해결해야 할 숙제가 있습니다. 바로 유독성 물질인 질소산화물인데요. 온실가스는 아니지만 대기오염을 일으키는 물질이라서 배출량을 줄이거나 처리하는 기술이 필요합니다.

이를 위해 주로 이용하는 방법이 고체로 된 촉매를 이용하는 것입니다. 배기가스가 산화타이타늄처럼 질소 원자를 분자로부터 잘 떼어내는 물질을 거치게 해서 질소산화물을 질소 와 산소를 배출하는 것이지요. 질소와 산소기체는 대기의 주성분이라 질소산화물과 같은 오염 물질을 발생시키지 않습니다. 이외에도 흡수제를 이용ㅎ애서 질소산화물 기체를 액체나 고체 상태로 흡착하는 방법, 강한 정압을 건 플라스마 장치에 통과시켜서 분해시키는 방법 등이 있습니다. 질소산화물은 자동차나 선박의 배기가스에도 많이 포하모디어 있어서 이미 기술적으로 다양한 해결방방이 나와있지요.

 

 다만 자동차나 선박에 사용되는 질소산화물 제거 기술은 발전소처럼 대량의 연료를 지속적으로 사용하는 곳에는 처리 용량이 부족할 수 있습니다. 그래서 아예 연료를 태울 때 질소산화물이 최대한 생기지 않게 막는 방법도 연구중입니다. 최근 한국에너지기술연구원은 연료 노즐 설계를 최적화하고, 버려지는 열 재활용으로 효율을 높여 100% 암모니아만을 이용한 연소기술 개발에 나섰습니다. 연료를 여러 단계로 나누어 분사하는 방법으로 질소산화물을 줄이기도 했지요. 비록 상용화까지는 시간이 필요하겠지만, 이러한 시도가 이어진다면 암모니아 활용도가 더욱 높아질 것으로 기대됩니다.

 

출처: 에너지 정보 소통센터