전 세계 자동차 산업이 내연기관 엔진에서 EV와 FCV 등 더욱 청정한 대안으로의 전환을 적극적으로 추진하는 가운데, 중국 국유 기업인 Guangzhou Automobile Group(GAC)이 눈에 띄는 접근법을 취하고 있다.

Toyota의 오랜 파트너인 중국 기업 GAC는 올 여름 자사의 연례 기술 행사인 테크데이(Tech Day) 중 암모니아로 구동되는 혁신적인 내연기관 엔진을 공개했다.

생소하게 생각할 대부분의 사람들을 위해 설명하자면, 암모니아는 특히 해운 및 트럭 운송 분야에서 가연성 연료(combustible fuel)로 활용되고 있다.

그럼에도 암모니아를 차량 연료로 사용하고자 하는 GAC의 선구적인 시도는 놀랄만한 일이다. 우선 자사의 잘 알려진 분야이기도 한 BEV로 완전히 전환하지 않고 기존 ICE 시스템의 대안 추진(propulsion) 기술을 탐색하려는 독자적인 시도로 보인다. 

즉, GAC는 수소 및 탄소 중립 가솔린을 옹호하는 진영에서 시도하는 것과 정확히 같은 기술을 추구하고 있다. 그런데 암모니아 엔진은 진정한 대안일까?

보도 자료에 따르면 GAC의 프로토타입은 출력이 161HP인 20리터 4기통 암모니아 엔진으로서 강제 흡기(forced induction)은 사용하지 않는 것으로 보인다. 이 엔진에서 가장 크게 다룰 내용은 꽤 높은 리터당 출력보다는 동일한 용량과 출력을 갖춘 화석 연료 엔진 대비 90% 낮은 탄소 배출량일 것이다.

GAC가 연비에 관한 내용을 언급하지는 않았지만 너무 나쁘지도, 특별히 좋지도 않을 것이라 가정할 수 있다.

어느 쪽이든 연비는 요점이 아니다. 이번 기사에서는 암모니아가 어떻게 EV 확산의 대안이 될 수 있을지, 그럴 가능성이 있을지를 이야기하고자 한다. 

◆ 암모니아는 무엇인가?

암모니아(NH3)는 질소와 수소로 이루어진 화합물로서 매우 다목적으로 사용되며, 광범위한 활용성으로 알려져 있다. 주로 농업 비료로 사용되는데, 전 세계에서 생산되는 암모니아의 2/3 이상을 작물 비료로 사용하고 있다. 반면 이 물질은 다양한 분양에서 중요하게 사용되고 있다.

암모니아는 나무나 지하수에서 나지 않는다. 암모니아는 기본 화학 합성 원소이자 다양한 산업 전반의 여러 공정에서 핵심 분자 역할을 한다. 필자보다 훨씬 똑똑한 사람들은 암모니아가 중탄산나트륨, 나일론, 합성 섬유, 플라스틱, 고분자 및 폭약 합성의 중간재라고 말한다.

암모니아는 페인트, 염색약, 가정용 세제 등의 제품의 원료로도 사용된다. 이 외에 암모니아는 냉매, 용매 및 제지 과정에서의 증백제(whiteninga gent)로도 사용된다. 게다가 고무 생산 과정에서는 안정제(stabilizer)로, 야금(metallurgy)에서는 귀중한 환원제로 활용된다.

또한 암모니아는 특히 디젤 엔진의 배기 시스템에서 수용액의 질소산화물(NOx)을 관리하는 시약 역할을 한다. 이러한 광범위한 활용성 덕분에 암모니아는 전 세계에서 가장 많이 생산되고 활용되는 석유화학 제품이다.

영화 <스파이더 맨>에서 벤 삼촌이 스파이더 맨에게 말했듯, 힘이 커지면 책임도 커진다. 암모니아는 일반적으로 취급 시 많은 책임이 따른다.

◆ 암모니아 연료에 관한 찬반 의견

암모니아는 연소 과정에서 이산화탄소를 거의 배출하지 않기 때문에 탄소 중립 연료가 될 수 있다. 그럼에도 현재 암모니아를 사용하는 엔진들은 배기 가스를 생성하며, 여기에는 연소되지 않은 암모니아, 질소 산화물, 아산화질소(N2O)가 포함된다. 이러한 배기 가스는 딱히 건강에 좋지는 않지만 그렇다고 나쁜 것도 아니다.

이 물질은 탄소 원자를 보유하지 않기 때문에 암모니아 연소에 따른 CO2 생성은 무시할만한 수준이다. 이 정도면 훌륭하지만, 암모니아를 내연기관 엔진 연료로 전환하는 데 사용되는 에너지와 장비를 생각해야 한다. 이제 성가신 변수들이 머리를 내밀기 시작하는 것이다.

암모니아를 새로운 가솔린 연료로 만드는 방법은 몇 가지 있지만 일부는 실현 가능성이 낮다. 또한 이 모든 방법들은 대체 연료에서 기대할만한 진정한 장점을 제공하지는 않는 것으로 보인다.

먼저 Porsche의 합성 탄소 중립 연료(e-fuel) 프로젝트와 유사하게 암모니아를 차량에 사용 가능한 연료로 전환하려면 막대한 에너지가 필요하다. 암모니아에 수소 원자 3개가 포함되므로 수소 합성을 위해 암모니아의 일부를 사용하여 에너지 요구사항을 최소화할 수 있다. 즉, 수소를 이용해 전기를 생산하는 연료 전지를 만들 수 있다는 의미이다. 하지만 이 방법 또한 비현실적이고 불필요한 문제가 많다.

이는 Porsche가 합성 가솔린을 만드는 방식과도 유사하다. Porsche는 공기 중의 이산화탄소를 직접 포집해 수소와의 결합을 통해 메탄올로 합성한다. 그 결과로 얻은 메탄올은 메탄올-가솔린 전환(MTG) 공정에 사용되어 기존 가솔린과 동일한 방식으로 작용하는 연료가 만들어진다.

암모니아를 자동차 연료로 변환하는 더욱 실현 가능한 방법은 디젤, 가솔린, 수소 등 여러 원료를 ‘칵테일’처럼 혼합하여 내연기관 엔진에서 다른 연료 유형처럼 사용 가능한 액화 연료를 만드는 것이다.

분명 GAC가 Toyota와 파트너십을 통해 개발한 프로토타입 엔진은 액화 암모니아(NH3) 및 다른 원료와 함께 작동 가능하다. 이 연료는 선박이나 농기구에만 사용된 기술이었다. 이제 왜 차량에 사용하기 어려운지를 알아보자.

◆ 불편한 진실

Toyota는 지난 몇 년간 EV 대열에 다소 느리게 합류한 것과는 달리 혁신적인 대안 에너지 추구와 야심찬 연료 충전 목표를 추구하며 관심을 모았다.

다시 말해 BEV의 대안을 찾는 것과 관련한 Toyota의 노하우가 GAC의 프로토타입 엔진 개발에 일부 반영되었다고 해도 놀랍지 않다. 안타깝게도 액화 암모니아를 둘러싼 많은 경고 신호와 부정적인 변수가 너무 많아, 현재 갤런당 45달러의 비용이 요구되는 Porsche의 탄소 중립 연료도 합리적인 수준으로 보일 정도이다. 

먼저 액화 암모니아는 독성이 높고 극단적인 부식성을 보인다. 무엇보다 연소 후 대기에 다량의 질소를 방출한다. 이러한 세 가지 이유만으로도 암모니아가 현실적으로 탄소 중립 연료를 대체하거나 EV의 대안이 될 가능성이 없다. 그러나 GAC와 Toyota는 프로토타입 엔진에 매우 높은 압축비(compression ratio)를 적용해 질소 배출 부분을 해결했다고 굳게 믿고 있다.

그럼에도 나머지 두 가지 단점은 적어도 현실성 있는 방식으로는 해결이 불가능하다. 암모니아로 구동되는 엔진의 연료 시스템 정비를 처리하는 끔찍한 일을 상상할 수 있는가? 또한 차량의 나머지 부분에서 발생한 예기치 못한 문제로 높은 압력이 유지되지 않으면 어떻게 될까?

화석 연료 차량보다 천 배는 심각한 오염원이 될 것이다. 여기에서 오염은 대기 중 질소 증가를 의미하며, 이는 일반적으로 오존 생성과 호흡기 질환, 산성비 등을 유발한다.

부식성 또한 연료 탱크에 주입하기 전과 후 암모니아를 취급하기 어렵게 만드는 요인이다. 암모니아 엔진이 어떤 의미에서는 원래 해결하려던 문제보다 단점이 더 많은 해결책이라고 생각하는 사람도 많다. 그보다는 앞으로 출시될 수백 만 대의 BEV를 충전하기 위한 기반시설에 집중하는 편이 더 나을 것이다.