MAN ES의 2행정 암모니아 엔진 (1)

1. MAN ES의 2행정 암모니아 엔진 개발 배경

MAN ES(MAN 에너지 솔루션)의 2행정 엔진 포트폴리오를 정의하는 특징 중 하나는 연료 다양성(fuel diversity)입니다.

거의 모든 연료 또는 연료 품질에서 작동할 수 있으며, 효율 저하가 없거나 제한적이며 악천후 상황에서도 기존의 2행정 엔진과 같은 신뢰할 수 있는 성능과 작동 특성을 갖추고 있습니다.

 

오늘날 세계적으로 관심이 높아지고 있고 탈탄소화에 중요한 역할을 할 것으로 예상되는 미래의 연료 후보 중 하나는 암모니아(NH3)이며, 본 목적은 2행정 엔진의 잠재적인 장기 연료로서 암모니아에 대한 지식을 공유하고 암모니아 기반 추진력 개발에 대한 새로운 정보를 제공하는 것입니다.

암모니아는 탄소 및 무황 분자 조성 덕분에 엔진에서 연소하면 거의 제로에 가까운 CO2 및 SOx 배출이 발생합니다.

암모니아는 수력, 풍력 또는 태양 에너지로부터 생산된 전기와 같은 재생 가능한 에너지원으로부터 생산될 때 탄소 중립적인 연료가 되며, 탄소(검은 탄소 또는 그을음), 미연성 탄화수소(HC), 메탄 슬립 및 일산화탄소(CO)와 관련된 대기 오염 물질의 배출이 사실상 제거됩니다.

엔진 측면에서, 암모니아의 무탄소 특성은 암모니아 연소 물리학이 이전에 알려진 2행정 연료의 연소 특성을 완전히 닮지 않을 것이라는 것을 의미합니다. MAN ES 표준의 신뢰할 수 있는 엔진을 제공하기 위해서는 전체 추진 용액과 2행정 엔진 과정, 즉 점화, 연소 및 배출 과정과 연료 처리를 연구하는 것이 중요합니다.

따라서 암모니아를 2행정 엔진의 연료로 연구하기 위해서는 2행정 엔진의 암모니아 점화 특성, 파일럿 연료 요구사항 및 배출에 대한 기본 정보등을 얻기 위한 완전한 엔진 모니터링 장치를 사용한 광범위한 테스트가 필요합니다. 이러한 연구 결과는 암모니아 연소 엔진 시스템의 최종 설계를 좌우할 것입니다.

2. 암모니아의 연료 특성

2.1 물리적 특성

암모니아의 물리적 특성 첫 번째로는 저장과 관련된 특성을 비교한 결과, 대기압에서 수소(H2)는 -253℃ 이하의 온도로 냉각되면 액화되고, LNG는 -162℃에서 액화되며, 반면 암모니아는 -33℃에서 액화됩니다.

주변 온도(20°C)에서 암모니아를 액체상태로 저장하기 위해서는 8.6bar 이상의 압력에서 저장해야 하며, 주변 온도가 상승하면 액체 상태로 유지하기 위해 대략 18bar의 비냉장 암모니아 탱크를 설계하는 것이 일반적입니다.

 

현재 NH3의 연료 공급 압력은 80bar, 분사 압력은 600~700bar입니다. 그러나 이러한 매개 변수는 엔진 테스트 계획에서 추가적인 연구와 최적화의 주제를 구성합니다.

2.2 암모니아의 생성 방법

암모니아의 대규모 산업 생산은 주로 그레이 암모니아, 블루 암모니아 생산으로, 이것은 화석 연료 공급 원료를 기반으로 합니다. 암모니아의 연소가 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 것은 탄소 원자를 포함하지 않기 때문이지만, 이러한 이전의 암모니아 생산은 부산물로서 CO2를 생산하는 것으로, 그린 암모니아를 생산하기 위해서는 재생에너지원만을 이용하여 전기를 생산해야 합니다.

 

일반적으로 암모니아는 수소와 질소로부터 하버-보쉬 합성 과정에서 생성됩니다.
질소는 공기를 분리하여 추출이 가능하지만, 수소를 생산하는 데에는 여러 가지 생산 경로가 사용될 수 있으며, 주로 탄화수소의 수증기 개질 또는 물의 전기 분해에서 생산되며 아래에 자세히 설명되어 있습니다.

공기 중 질소 분리

암모니아 생성을 위해 공기로부터 질소의 분리는 필요한 순도와 암모니아의 양에 따라 다양한 기술을 통해 이루어지며,
질소의 대규모 생산에서 공기는 액화되어 구성 성분으로 분리됩니다.

 

물의 전기분해
물을 전기분해하여 얻은 수소(2H2O → 2H2 + O2)를 이용하여 지속가능한 그린 암모니아를 생산하기 위해서는 재생에너지원만을 이용하여 전기를 생산해야 합니다.

 

그러나 암모니아 합성에 있어서, Haber-Bosch 공정은 여전히 산업적으로 적용되는 방법입니다.

 

그레이 암모니아 : 기존의  Haber-Bosch 공정 으로 생성된 암모니아

블루 암모니아     : 기존의  Haber-Bosch 공정으로 생성하되, 발생된 CO2를 포집하는 것을 포함하며,

                              CCS(Carbon Capture and Storage) 원리에 의해 액화되어 저장됩니다.

그린 암모니아     : 재생에너지원을 이용하여 생성된 전기로 물을 전기분해하여 얻은 수소를 이용하여 암모니아 생성

 

그럼에도 암모니아는 지속 가능한 미래 연료로 선택이 될 가능성이 있습니다. 

암모니아(또는 무수 암모니아)는 세계적으로 거래되는 상품으로, 연간 전 세계 암모니아 생산량은 약 1억 8천만 톤이며, 이 중 약 80%가 비료 생산을 위한 공급 원료가 됩니다. 따라서, 생산 설비로부터 최종 사용자에 이르기까지 암모니아의 수송 및 저장은 수년간 지속되어 왔습니다.

2.3 암모니아 연료의 문제점 및 장점

암모니아의 저장, 운반 및 연소와 관련하여 물리적 화학적으로 문제점이 있지만 이점도 있습니다

- NH3는 탄소 및 황이 없으며 CO2 또는 SOx가 거의 발생하지 않는 깨끗한 연소를 제공
- NH3의 체적 에너지 밀도는 H2보다 높다
- NH3는 N2, H2까지 균열 가능
- NH3는 H2와 달리 폭발성이 없다
- 암모니아가 산업 공정과 농업 비료로 널리 사용되는 것은 그것이 이미 상업적으로 매력적인 제품이라는 것을 의미한다
- 극저온이 필요한 수소 및 기타 연료보다 운송 및 저장 비용이 저렴하고 복잡하지 않다
- 주변 대기 중 발화 위험이 낮아 다량의 암모니아를 수소보다 안전하게 저장할 수 있다

암모니아의 경우 약 18.6 MJ/kg의 낮은 Heating value는 메탄올과 비슷합니다.

암모니아(12.7 MJ/L)와 다른 대체 연료의 단위 부피당 에너지 밀도는 MGO(35 MJ/L)보다 낮습니다. 따라서 암모니아 탱크가 냉각된 경우 MGO와 비교하여 동일한 에너지 함량의 암모니아를 운반하려면 약 2.8배 큰 부피가 필요합니다. 뿐만 아니라 암모니아는 미래의 연료가 될 가능성이 있지만, 규제적으로 아직 해양 연료로 사용하기 위해 방출되지 않은 독성 물질입니다.

3. 해양연료의 동향

산업계가 미래 연료를 위한 장비에 투자하도록 장려하기 위해서는 보조금, 이산화탄소 또는 온실가스 세금에 의해 통제되는 규제 이니셔티브가 도입되어야 합니다. 지구온난화 문제를 해결하고 해양산업이 이산화탄소 배출을 줄이는 데 기여해야 한다는 것이 일반적인 여론이며, 오늘날 해양산업은 전 세계적으로 인간이 일으키는 CO2 배출량의 3~4%를 차지하고 있습니다. 기존 선박들은 연간 3억 톤에 가까운 연료유를 소비하고 있지만, 세계 전체 교역량의 80% 이상을 수송할 정도로 세계 경제에서도 근본적인 역할을 하고 있습니다.

3.1 미래 연료의 예측

어떤 연료가 미래 연료라는 타이틀을 가질 것인지 예측하는 것은 불가능하지는 않더라도 어렵습니다. 여러 연료의 미래 비용을 예측하기 어렵기 때문에 선주들은 대비를 하고 싶어합니다.

그들은 그 변화가 오늘날 우리가 알고 있는 연료 대신 새로운 연료를 필요로 한다는 것을 알고 있습니다. 선주들은 무탄소 연료 가격이 오늘날 연료유 가격보다 몇 배나 높고, 연료가 선박의 가장 큰 운항 비용을 차지하는 경우가 많다는 점에서 복잡한 난제에 직면해 있습니다.

3.2 규정 및 추진사항

미래의 이산화탄소 배출이 없는 연료가 매력적이 되려면 모든 비용/인센티브를 고려할 때 연료 가격이 기존 연료 가격과 비교할 수 있어야 합니다. 언급한 바와 같이 CO2/GHG 규제에 의해 달성되는 경우, 규제가 발효되면 엔진을 미래 연료로 전환하는 기간이 짧을 수 있으며, 선주 및 야드에 미치는 영향을 과소평가해서는 안 됩니다.

기존 선박의 일부가 에너지 효율 설계 지수(EEDI)나 에너지 효율 운영 지표(EEOI)에서 요구하는 것보다 더 엄격하게 CO2/GHG를 규제할 것인지, 아니면 규제가 특정 날짜 이후부터 신규 선박에만 적용될 것인지에 대한 의문이 남아 있습니다. CO2/GHG 규제가 향후 몇 년 내에 발효될 것이라는 가정에 따라 기존 선박과 신규 선박 모두에 대한 규제가 예상될 수 있습니다.

시장을 보면 수소에 비해 암모니아에 대한 선호도가 두드러졌습니다.

 

폭발 위험은 하나의 주장이지만, 실제 수소 처리와 해안 및 선상에서의 처리 비용에 관한 논의가 더 많습니다. 또 다른 중요한 측면은 -253°C에서 수소를 액화하는 데 필요한 높은 에너지 소비입니다. 보다 효율적인 접근 방식은 -33°C에서 액화하는 암모니아의 생산에 수소 가스를 사용하는 것입니다.

암모니아 용액에 비해 수소 처리가 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

 

일반적인 2행정 엔진룸에 적응할 수 있는 수소를 처리하기 위한 실용적인 솔루션을 설계하는 것은 장애물이 없는 것은 아닙니다. 여전히 많은 프로젝트들이 진행 중이고 계속해서 그 수가 증가하고 있습니다.
이 프로젝트들은 암모니아를 처리하기 위한 생산 설비, 물류, 추진 플랜트 엔진 및 연료 공급 시스템(FSS)의 개발에 관한 것입니다. 암모니아를 연료로 사용하는 것에 대한 초기의, 상당한, 그리고 증가하는 관심은 암모니아를 연료로 사용하는 기술을 조사하고 제공하는 MANES의 제로-배출 전략의 일부가 되었습니다.

3.3 암모니아 연료혼합물

오늘날 인도되는 선박 중 많은 선박이 나중에 이중 연료를 사용할 수 있도록 준비되어 있으며, 이는 엔진 제작자가 엔진 설계를 그에 맞게 개조할 준비가 되어 있거나 작업 중이기 때문입니다. 화석 연료가 앞으로 수년간 해양 산업에 남아있을 것으로 예상되지만, 특히 2020년에서 2050년까지의 과도기 동안에는 그레이 암모니아 또는 블루 암모니아 또는 그린 암모니아의 혼합물로 작동할 가능성이 있습니다.

기존의 암모니아는 대량으로 거래되는 상업 상품이기 때문에, 이러한 가능성은 암모니아로 운항하는 선박에 투자하는 것과 관련된 위험을 낮출 것입니다.