안녕하세요 스타벅 입니다
탄소중립이 시대의 화두가 되면서 수소가 새로운 에너지 원으로 뜨고 있습니다. 산업계에서 가장 핫한 키워드가 '수소' 인 것 같습니다. 그런데 수소와 함께 가장 많이 언급되는 단어가 있습니다. 바로 '암모니아' 입니다.
특히 선박 추진 쪽에서는 수소 추진선보다는 암모니아 추진선이 훨씬 더 많이 언급되고 개발이 진행되고 있는 것 같습니다.
그럼 '암모니아' 에 대해서 알아보겠습니다
암모니아(NH3) 의암모니아(NH3)의 물리적 특성
암모니아는 가장 간단한 수소화 닉토젠(질소) 계열의 화합물 입니다. 대기 중에도 소량 포함되어 있으며 세균이 질소 함유 유기물을 분해하는 과정에서 생성되기에 미량 존재할 수 있습니다. 또한 자극적인 냄새가 나는 무색 기체이기 때문에 누출 시 바로 알 수 있다는 장점이 있습니다.
밀도가 공기의 0.589배로 공기보다 가볍기 때문에 환기성이 좋으며 천정이나 높은 곳에 모이는 성질이 있어 누출가스의 제어가 쉬운 편입니다. 암모니아 자체의 폭발성이 거의 없어 해양 연료료 사용하는 것이 용이합니다.
암모니아가 공기 중 다른 물질과 결합할 경우 초미세먼지의 주요 성분을 만들어내므로 그대로 방출해서는 안됩니다.
암모니아는 고압에서 쉽게 액화되고 대기온도에서 쉽게 기화합니다. 분자 사이에 강한 수소 결합을 형성할 수 있어 쉽게 액화되며 액체는 -33.3℃ 에서 끓고 -77.7℃ 에서 얼어 결정성 흰색 고체가 됩니다.
| 특성 | 암모니아 |
| 자연발화온도 | 630℃ |
| 대기압에서 비등점(끓는점, 액체 → 기체) | - 33.5℃ |
| 녹는점, 어는 점 | - 78℃ |
| 액상/기상 부피비 | 850 배 |
| 임계온도(액화가 가능한 최고온도) | 132.4℃ |
| 임계압력(액화가 가능한 최대압력) | 11.28 (MPa) |
암모니아 생산 방법
Haber-Bosch 방식
현재 암모니아 생산 공정인 Haber-Bosch 공법은 천연가스나 석탄을 이용한 고압(~200bar), 고온(300~400c) 반응으로 생산합니다. 천연가스 개질이나(steam reforming) 석탄 가스화를 통해 수소를 생산 분리하고 수소와 질소의 발열 반응을 통해 암모니아를 합성합니다.
즉 암모니아(NH3) = 질소(N) + 수소(H)의 결합물입니다.
암모니아 생산을 위한 촉매로는 철 촉매인 iron catalysts 또는 ruthenium-based catalyst 가 가장 많이 쓰입니다. 이 방법은 에너지(고온, 고압) 사용량이 매우 많아 에너지 사용량을 줄이기 위해 반응 압력을 낮추고자 연구가 진행되고 있습니다. 현재의 haber-bosch 방법은 세계 이산화탄소 배출량의 약 1-2%를 생성하는 것으로 분석되고 있습니다.
그린 암모니아 생산
결국 탄소 배출이 없는 그린 암모니아 합성이라는 과제가 있습니다. 그린 암모니아는 물을 전기분해하여 수소를 생산(그린 수소)하고(그린수소)하고 공기에서 분리된 질소를 사용하여 전기적으로 합성하는 것이며 이때 재생에너지를 이용합니다.
이는 미래에 재생에너지 전기 가격이 현재보다 저렴해질 경우 기존 haber-bosch 공정을 대체할 수 있는 원천기술입니다.
암모니아 위험성
1. 독성
고농도의 암모니아 기체에 노출되면 폐 손상과 사망을 초래할 수 있습니다. 암모니아를 함유한 일반 가정용 세정제를 표백제와 같이 사용하면 화학반응을 일으켜 매우 유독한 기체를 생성하므로 함께 사용하면 안 됩니다.
또한 암모니아 액체는 점막을 강하게 자극하고 흡입할 경우 후두 경련, 후두염, 기관지염 등을 일으키고, 신속하게 처치하지 않는 경우 질식사에 이르게 하는 독성이 있습니다.
암모니아는 염기성을 띠기 때문에 생체 조직에 대해서 자극성이 있어서 신체가 암모니아에 장기간 노출되는 경우 눈, 간, 신장, 허파의 손상을 일으킬 수 있습니다.
2. 부식성
보통 가스운반선은 온도나 압력을 조절하여 가스를 액화시켜 운송합니다. 이 때문에 저온에서도 깨지지 않는 강재로 압력을 견딜 수 있도록 가스탱크를 제작해야 합니다. 일반적으로 암모니아는 LPG를 수송하는 선박과 비슷한 사양으로 건조되며 이러한 선박의 탱크는 두 가스의 끓는점(LPG -42C, 암모니아 -33C)과 압력을 동시에 견딜 수 있는 강재로 제작합니다. 탱크가 가스 압력으로 응력을 받으면 해당 부위의 금속 조직이 열화 해 부식이 잘 일어나며, 이로 인해 균열이 생기면 가스가 누출될 수 있습니다.
암모니아 증기가 수분과 접촉하면 구리, 아연, 고무, 플라스틱을 부식시킬 수 있습니다. 은, 금, 수은, 탈륨 등의 중금속은 폭발성 화합물을 형성할 수 있으므로 특히 주의해야 합니다.
3. 가스 증기압
암모니아 액체는 기화하면 약 850배 이상 부피가 팽창하므로 밀폐 설비 내에서 압력 상승을 초래합니다. 암모니아 연료탱크는 독립형 탱크 형식 C를 적용하여 압력식으로만 탱크 내의 압력을 제어할 경우 탱크의 설계압력이 높아질 수밖에 없습니다.
4. 화재 및 폭발 위험성
암모니아의 화재 위험성은 미약하지만, 염소, 할로겐계 물질 등 강한 산화제와 접촉하면 폭발성 혼합물이 생성되어 폭발할 수 있습니다. 또한 기름이나 가연성 물질이 존재할 경우, 대형 폭발이 발생 가능하므로 다른 연료와 분리하여 취급해야 합니다.
5. 냄새
암모니아 가스 특유의 냄새가 매우 강하여 과거 냉장고 냉매로도 사용되었지만 자극적인 냄새가 퇴출 원인 중 하나였습니다. 반대로 누출 시 바로 알 수 있다는 것은 장점이 될 수 있습니다.
암모니아 용도
거의 모든 합성 질소 화합물이 암모니아로부터 얻어집니다. 이렇게 생성된 질산(HNO3) 은 비료, 폭발물 및 다양한 유기 질소 화합물을 생산하는 데 사용됩니다.
1. 비료
암모니아가 중요한 물질인 이유가 비료 합성과 질소 공정법(haber-bosch)으로 세계 인구의 폭발적 증가에 기여했다는 것입니다. 비료의 제조방법에 따라 질소질 비료, 인산질 비료, 가리질 비료, 복합비료로 구분되는데 암모니아는 질소질 비료에 30% 이상 사용되는 원료입니다.
전 세계에서 생산되는 암모니아의 약 88%가 염, 용액 혹은 무수물 형태의 비료로 사용되고 있습니다.(2014년 기준)
2. 산업용 원료
고순도 암모니아(순도 99.99995, 5N5)는 갈륨비소(GaAs), 실리콘 게르마늄(SiGe), 인듐인(InP), 실리콘 카바이드(SiC) 등 화합물반도체화합물 반도체를 비롯해 발광다이오드(LED), LCD 패널 시장에 주로 쓰이고 있습니다. 최근 암모니아 시장 확대는 반도체와 LCD 패널이 주도해 왔다고 볼 수 있습니다. 특히 차세대 조명으로 떠오르는 UV-LED(자외선 발광다이오드)는 높은 휘도와 낮은 제조원가로 살균, 폐수처리, 의료용, 환경센서 등 응용범위가 확산되고 있어 초고순도 암모니아(순도 99.99999% 이상, 화이트 암모니아) 수요 증가는 계속될 것으로 예상됩니다.
3. 냉매
암모니아는 프레온 가스와 함께 대표적인 냉매로 사용되는 물질로써 현재까지 대형 산업용 냉동장치와 선박용으로 많이 쓰여 왔습니다. 이렇게 냉매로 쓰일 수 있는 이유는 암모니아가 액화가 쉽고, 쉽게 증발하는 특성이 있기 때문입니다.
4. 자동차 연료 첨가제
암모니아는 요소수의 형태로 변화되어 배기가스의 NOx를 저감 시키는 역할을 합니다. 또한 디에틸아민, 헥사민의 형태로 엔진오일 및 부식 방지 등의 연료 첨가제로 사용되고 있습니다. 또한 화석 연료 연소 과정에서 발생하는 이산화 황을 제거하는 데 사용됩니다.
5. 기타 (세제/소독제, 질소 공급)
가정용 암모니아는 범용 세정제로 사용되며 암모니아 용액은 ph를 조절하고 미생물의 성장을 돕는 질소를 공급하기 위해 사용되고 있습니다. 식품 산업에서 대장균이나 미생물을 죽이기 위한 소독제로 사용되기도 합니다
암모니아를 주목하는 이유
수소 에너지 시대를 준비하는 과정에서 수소 캐리어(Carrier)로 암모니아의 역할이 부상하고 있습니다. 암모니아가 독성 물질로 분류되어 관리와 허가가 까다롭고 안전한 취급을 위해 저온 고압 시설이 필수인데도 선박의 연료로도 급부상하고 있습니다.
현재 선박용 탄소 중립 연료로는 암모니아, 메탄올, 수소, 바이오가스, 바이오디젤 등이 손에 꼽힙니다. 암모니아는 액화 온도가 -33℃로 수소(-253℃)에 비해 액화가 훨씬 수월합니다. 또한 부피가 작아 수소보다 1.5배 많은 양을 수송할 수 있고 에너지 밀도도 액화 수소보다 1.7배가량 높습니다. 바이오 디젤, 가스는 대량생산이 어렵고 수급이 불안정하며 메탄올은 상온, 상압에서 저장 가능한 점이 장점이지만 합성 시 이산화탄소가 필요하고 포집에도 비용이 많이 드는 한계가 있습니다.
물론 탄소 중립 연료를 사용할 경우 선박에서 연료 탱크가 차지하는 크기를 따져보면 기존 Fuel oil 탱크 크기가 1이라고 한다면 암모니아는 4.1배 수소는 7.6배로 탱크 크기가 커지게 됩니다. 반면 바이오디젤은 1로 같은 사이즈면 됩니다.
결론적으로 암모니아 자체만으로는 현재 비료나 산업용 화합물의 사용에서 크게 벗어나지는 않을 것 같습니다. 하지만 수소를 대량으로 운송하고 그린 수소를 만들기 위한 원료로서 암모니아는 주목할 만한 물질인 거 같습니다.
끝.