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- 암모니아 분해 장치가 내장된 개조 내연기관 차량, 순수 암모니아로 주행 가능
- 수소 단점:영하 252도 냉각, 고압에서 액화, 얼만큼 친환경 수소 생산 할수 있을지 불학실
- 암모니아(NH3) 영하 40도 또는 9bar의 압력에서 액화, 수소보다 취급 쉽다
- 암모니아 단점;밀도 낮아 연료탱크 용량 두 배 커야한다. 독성이 잇어 주의 필요

암모니아, 자동차 연료로?
암모니아 분해 장치가 내장된 개조 내연기관 차량, 순수 암모니아로 주행 가능

휘발유나 디젤 대신 암모니아를 사용할 수 있을까? 수소나 전기 모터 외에도 질소 화합물인 암모니아가 미래 자동차의 연료로 고려될 수 있다. 이는 암모니아 분해 장치를 내장하여 암모니아를 수소와 질소로 부분적으로 분해하는 개조 내연기관을 통해 가능해진다. 이 분해 과정을 통해 암모니아의 발화 온도가 낮아지고 연소가 더욱 안정화된다. 이미 시제품 차량이 이러한 추진 원리를 시연했다. 

▲ 이 오래된 쉐보레는 이제 휘발유 대신 암모니아로 움직인다. © First Ammonia Motors

수소는 미래 에너지원으로 주목받고 있지만, 몇 가지 과제가 남아 있다. 첫째, 인화성이 매우 높은 수소는 운송 및 저장 공간 확보를 위해 영하 252도까지 냉각하거나 고압에서 액화해야 한다. 이를 위해서는 수소 부식에 견딜 수 있는 특수 탱크와 파이프라인이 필요하다. 둘째, 풍력 및 태양광 발전을 이용한 전기분해를 통해 미래에 얼마나 많은 "친환경" 수소를 생산할 수 있을지 불확실하다.

수소 저장 매체 및 연료로서의 암모니아(NH3)

또 다른 대안으로 암모니아(NH₃)가 거론되고 있다. 이 질소 화합물은 영하 40도 또는 9bar의 압력에서 액화되므로 수소보다 취급이 쉽다. 암모니아는 활용도가 매우 높다. 화학적 수소 저장 매체로 사용될 수 있을 뿐 아니라 특수 연료 전지에서 직접 전기로 변환될 수도 있다. 또한 연료나 난방제로 연소될 수도 있다.

▲ 암모니아는 질소 원자 하나와 수소 원자 세 개로 이루어져 있다. © 퍼블릭 도메인

따라서 암모니아는 선박 추진, 중장비 운송, 심지어 철강 산업에서도 대안으로 고려되고 있다. 하지만 암모니아는 점화가 어렵고 630도라는 비교적 높은 점화 온도가 필요하다는 단점이 있다. 엔진 연료로 사용하려면 이론적으로 수소나 화석 연료 형태의 화학적 "점화 보조제"를 첨가해야 한다.

암모니아를 사용한 오토 엔진 연료

하지만 프라운호퍼 미세기술 및 마이크로시스템 연구소(IMM) 연구팀과 미국 스타트업 퍼스트 암모니아 모터스(First Ammonia Motors)가 공동으로 시연한 것처럼, 점화 보조제 없이도 엔진 연료로 사용할 수 있다. 이번 협력의 결과물은 휘발유, 석탄가스, 메탄올과 같은 다른 연료를 전혀 첨가하지 않고 암모니아만으로 작동하는 연소 엔진을 탑재한 차량이다. 이러한 암모니아 동력 자동차의 프로토타입인 개조된 쉐보레 실버라도는 2025년 여름 미국에서 시범 주행을 성공적으로 마쳤다.

▲ 프라운호퍼 IMM의 시험 설비에서 엔진 배기가스로 가열되는 암모니아 분해 장치. © First Ammonia Motors

이 암모니아 추진 시스템은 차량 기술에 통합된 암모니아 분해 장치 덕분에 가능하다. 차량 시동 시, 암모니아의 일부가 전기 가열 소자를 통과하면서 열과 촉매를 이용해 수소와 질소로 분해된다. 이렇게 생성된 수소는 남은 암모니아와 혼합되어 연소 엔진의 점화 보조제로 사용된다. 주행 중에는 뜨거운 배기가스가 분해 장치를 가열하는 동안 전기 가열 소자는 비활성화된다.

아직 몇 가지 단점이 있다.

프라운호퍼 연구진에 따르면, 이 암모니아 추진 시스템은 비교적 효율적으로 작동한다. 차량 시동을 걸 때를 제외하고는 추가적인 연료나 전기가 필요하지 않다. 또 다른 장점은 암모니아 연료 차량은 기존 내연기관 차량만큼 빠르게 연료를 보충할 수 있다는 점이다. 더욱이, First Ammonia Motors가 강조하듯이 암모니아 수송 기술은 이미 확립되어 있다.

하지만 암모니아는 디젤이나 휘발유보다 에너지 밀도가 낮아서 동일한 주행 거리를 확보하려면 연료 탱크 용량이 약 두 배는 되어야 한다. 또 다른 단점은 암모니아가 독성이 있어 취급 시 특별한 주의가 필요하다. 또한 암모니아 연소 시 물과 질소뿐만 아니라 유해한 질소산화물(NOx)도 발생한다. 따라서 이러한 추진 방식을 사용하는 차량에는 적절한 배기가스 후처리 시스템이 장착되어야 한다.

암모니아가 대체 연료로 자리 잡을 수 있을지는 앞으로 지켜봐야 할 것이다.

출처: First Ammonia Motors, Fraunhofer Institute for Microtechnology and Microsystems IMM

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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