[이투뉴스(2025.05.12)] [R&D 리포트] 청정수소 산업의 주역 ‘암모니아’

류영조 가스기술사/공학박사(KGS 경기광역본부장)

[이투뉴스] 전 세계적인 탈탄소화 움직임에 따라 수소 에너지원으로의 전환 시대에 직면하면서 무탄소 에너지원으로서 암모니아가 주목받고 있다. 암모니아는 분자 내 탄소 원자를 포함하지 않아 청정수소 생산이 가능하다. 풍력, 태양광 등 신재생에너지로 얻어진 전력을 이용해 생산한 질소와 수소를 합성하는 경우 그린 암모니아를 제조할 수 있으며, 생산된 암모니아를 상온에서 10기압의 압력으로 쉽게 액화시킬 수도 있다.

-35℃ 액화암모니아의 에너지 밀도는 3.55kWh/L로 -253℃ 액화수소의 2.62kWh/L보다 약 26% 높고 70Mpa 압축수소의 1.92kWh/L 보다는 무려 약 83%나 높아 수소 운반체로서 경제성이 아주 높다. 또한 암모니아는 500 ~ 600℃ 온도에서 쉽게 분해된다. 따라서 청정수소 산업 발전을 위해 암모니아를 수소 운반체로 이용하고 암모니아를 분해해 수소로 전환할 수 있는 상용화 기술개발이 필요하다.

암모니아 기반 수소추출 기술은 암모니아 열분해 기술, 암모니아 광분해 기술, 암모니아 전기분해 기술, 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 기술, 전자기파를 이용한 암모니아 분해 기술 등 다양하다. 현재 국내에는 암모니아 기반 수소추출설비에 대한 관련 기준이 없어 이와 관련된 실증특례 사업이 다수 진행 중이다. 하지만 대규모 수소추출 공정에 대한 운전 사례가 없고 위험성 관련 데이터도 부족해 위험성 데이터 축적과 관련 법령의 정비가 시급한 상황이다.

이에 따라 필자는 파일럿 규모(1,000N㎥/h급)의 암모니아 열분해 설비를 모사한 가상설비에서 암모니아 누출에 따른 폭발에 의한 피해 예측을 FLACS 소프트웨어를 활용해 시뮬레이션한 결과를 바탕으로 위험성 데이터에 대한 고찰과 함께 안전 방안을 제언한다. FLACS(FLame ACceleration Simulator) 코드는 노르웨이의 CMR 연구소에서 해상 모듈의 가스 폭발 모델링을 목적으로 개발됐다.

사고 시나리오는 내용적 100㎥의 수직 실린더형 암모니아 저장탱크(지름 3.0m, 높이 14.1m)에서 연장된 배관 중 긴급차단장치(ESD)와 암모니아 이송펌프(APM) 사이에 설치된 플랜지의 파단으로 암모니아가 대기 중에 누출했다고 설정하고, 누출경은 최악의 누출 시나리오 선정 기준을 적용한 직경 10cm(약 4인치)로 가정했다.

FLACS를 이용한 암모니아 폭발 시뮬레이션을 수행하기 위해 대기로 확산되는 암모니아 중 폭발에 참여하는 폭발하한값(LEL) 이상의 유효 암모니아 질량을 산출했다. 여기에서 암모니아의 대기 중 확산 현상에 대한 전산유체해석을 위해 FDS(Fire Dynamics Simulator)를 사용했다. FDS는 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 화재조사 및 사고현장 재연을 목적으로 개발한 화재분야 전산유체해석(CFD)이다. 다만, 연소와 관련된 기능을 비활성화하고 사용하면 기체의 확산 관련 모델링이 가능하다.

FDS 해석 결과의 각 셀 중에서 암모니아의 부피분율이 LEL보다 높은 것만을 추려낸 다음, 해당 격자에 대한 암모니아의 질량 밀도를 3중 적분한 결과 폭발원인 유효 암모니아의 평균 질량이 193.7kg으로 산출되었고, 유효 암모니아가 존재하는 공간의 총부피에 대한 평균값은 1,248.6㎥이다. 또한 폭발과압을 예측하기 위해 10개의 폭발과압 예측지점(MP)을 설정했는데 예측지점의 위치로 먼저 높이는 사람의 호흡기 높이를 고려한 1.5m와 폭발원의 높이 5m로 설정하고 거리는 높이별로 2n(n=1, 2, 3, 4, 5) 형태로 각각 5개씩 배치했다.

FLACS 시뮬레이션 결과 암모니아-공기 혼합가스는 점화를 유도한 후 수백 밀리초 내에 일어나는 일반 가연성가스의 폭발반응과 달리, 점화 후 2.5초 경과 시 연소반응이 종료돼 미연소 암모니아가 존재하고 연소 후 U자 형태로 잔여 암모니아와 수분 및 질소산화물 등 연소생성물이 대기로 확산해 가는 모습을 관찰할 수 있었다. 연소반응이 도중에 종료된 이유는 암모니아의 낮은 저위발열량(18.6MJ/kg)과 느린 층류연소속도(0.07m/s) 등과 관계되는 것으로 보인다. 폭발과압 예측지점에서 폭발과압이 최대 100Pa 수준으로 아주 미약해 유의미한 과압은 나타나지 않아 심각한 인명 및 재산 피해에는 영향을 미치지 않는 것으로 예측됐다.

◆ 폭발과압 미약…심각한 인명 및 재산피해 영향 미미

다음은 암모니아 개질을 통한 수소추출 공정에서 암모니아 누출과 함께 수소분리기(HSP) 이후에서도 수소가 누출되어 암모니아와 수소의 혼합가스가 대기 중으로 동시에 누출되는 상황을 가정하고, 암모니아-수소-공기 혼합가스의 폭발원에 대해 FLACS 시뮬레이션을 실시했다. 이때 사용한 혼합가스의 당량비(ER)는 선행연구 분석 결과 폭발과압이 가장 크게 측정되었던 1.4로 고정하고 NH3/fuel로 표현되는 암모니아 분율(AF)을 0.3, 0.5. 0.7, 0.9로 각각 달리 적용했다. 그 결과 암모니아-공기 혼합가스의 시뮬레이션과 달리 암모니아-수소-공기 혼합가스가 매우 짧은 시간 안에 연소되고 연쇄반응이 수반돼 폭발과압이 나타났다. 이는 암모니아와 수소 혼합가스에 포함된 수소의 저위발열량(120MJ/kg)과 층류연소속도(3.06m/s)가 암모니아보다 높기 때문인 것으로 판단된다.

암모니아-수소-공기 혼합가스 내 암모니아 분율이 증가하면 수소의 양은 상대적으로 적어지므로 최대 폭발과압의 크기도 감소했는데, 암모니아 분율이 0.3일 때 최대 폭발과압은 8,240Pa 이었으며 암모니아 분율이 0.9일 때 최대 폭발과압은 675Pa이다. 또한 최대 폭발과압이 형성되는 시간은 암모니아 분율 0.3에서는 0.2초이고 암모니아 분율 0.9에서는 0.5초로, 암모니아 분율이 증가할수록 최대 폭발과압이 형성되는 시간이 길어짐을 확인했다.

암모니아-수소-공기 혼합가스의 폭발 시뮬레이션에 의한 최대 폭발과압으로부터 Probit 함수(Y)를 적용해 부상, 사망 또는 구조물 손상 등 여러 가지 피해영향 확률(P)을 산출했다. 그 결과 폭발과압에 의한 폐출혈 또는 폭발 충격이 원인이 되는 사망확률은 0%로 나타났으며, 고막파열에 의한 부상확률도 1% 미만으로 나타났다. 따라서 암모니아-수소-공기 혼합가스의 폭발이 인체에 미치는 영향은 미미한 것으로 판단된다. 다만, 유리창이 파괴될 확률이 AF=0.3에서는 98%, AF=0.5에서는 30.2%, AF=0.7에서는 33.1%로, 혼합가스가 형성된 지역으로부터 10m 거리에서는 대부분 유리창이 파괴될 것으로 예측되고 이로 인한 간접적인 부상을 예상할 수가 있어 주의가 필요하다. 또한 구조물이 파손될 확률이 암모니아 분율이 0.3에서만 0.67%로 사실상 구조물이 파손될 확률은 거의 없다.

폭발과압이 최대인 AF=0.3일 때 유리창이 파괴될 확률(98%)이 고막파열에 의한 부상 확률(0.07%)보다 훨씬 크게 나타났다. 그 이유는 일반적으로 인체는 폭발 충격으로 넘어지면서 충격 또는 과압에 의한 하중을 일부 완화하거나 분산시키는 데 반해, 유리창처럼 구조물의 경우 지면에 고정되어 있으므로 과압에 의한 하중을 모두 받기 때문인 것으로 보인다. 따라서 암모니아를 개질해 수소를 생산하는 수소추출설비 근처에 창문이 설치되는 경우라면 그 창문은 망입유리 등 안전유리로 시공할 것을 제안하며 유리파편 비산으로 인한 간접적인 인명피해를 막을 수 있을 것으로 판단된다.

암모니아는 이산화탄소를 배출하지 않는 무탄소 에너지원으로서 ‘2050 탄소중립’ 실현을 위한 필수 도구이다. 그러나 필자의 연구결과와 같이 화재폭발 위험성이 낮음에도 불구하고 악취와 독성이란 특성 때문에 주민들로부터 외면을 받고 있다. 수소 운반체로서 청정수소 산업의 한 축인 암모니아가 우리나라의 수소경제를 주도해 나가기 위해서는 인체 및 환경 영향을 최소화할 수 있는 암모니아의 누출방지 기술과 누출에 따른 신속한 완화조치 기술을 개발하는 등 암모니아에 대한 국민의 수용성을 높일 수 있는 방안의 국가적 R&D 투자와 정부의 기업지원이 활발히 이뤄져야 할 것으로 생각된다.

출처 : 이투뉴스(http://www.e2news.com)