암모니아 - 미래 연료

세계 인구의 에너지 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 오늘날 장기적인 지속 가능성에 초점을 맞춘 에너지 경제에 대한 시급한 재검토가 점점 더 필요해지고 있습니다. 현재 이러한 수요는 여전히 주로 화석 연료에 의해 충족되고 있으며, 이는 심각한 부정적 부작용으로 지구 온난화를 초래하고 있습니다. 수소와 같은 비탄소 기반 경제로의 부분적 또는 전면적인 전환이 제안되고 있습니다. 그러나 수소 저장 및 운송의 어려움으로 인해 전 세계적인 수소 경제는 실현 가능성이 낮습니다. 따라서 최근에는 암모니아가 수소 운반체이자 내연기관용 연료로 사용할 수 있는 잠재적인 대안으로 떠오르고 있습니다.

순수 수소에 비해 여러 장점을 갖는 암모니아는 체적 밀도가 더 높으며, 약 10 bar의 압력에서 실온에서 액화될 수 있습니다. 또한 암모니아는 농업(비료 생산)과 산업용 냉각 분야에서 이미 널리 사용되고 있기 때문에 전 세계적으로 광범위한 유통 인프라가 구축되어 있습니다. 또한, 연소 한계 범위가 좁기 때문에 저장 및 운송 측면에서 더 안전합니다. 하지만 독성, 낮은 발열량, 느린 층류 연소 속도 등과 같은 단점도 존재합니다.

암모니아 사용의 주요 단점으로 높은 NO 배출량은 연소 엔진의 배기 가스 후처리 과정에서 촉매 환원(SCR)을 통해 처리될 수 있습니다. 효율적인 연소 엔진은 듀얼 연료 시스템에서 NH₃로 작동할 수 있으며, H₂ 또는 디젤을 보조 연료로 사용하고 제트 점화 또는 디젤 분사 점화 시스템을 통해 연소를 시작할 수 있습니다. 두 경우 모두 디젤 엔진과 같이 주입되는 연료의 양을 조절하여 로드를 제어할 수 있습니다.

ECFM-3Z(Extended Coherent Flamelet Model 3 Zones)는 과거에 이미 여러 차례 개선을 거쳤습니다. 암모니아 연소에 초점을 맞추기 위해, NH₃ 연소 확장 기능을 여기서 간략히 설명합니다. NH₃가 N₂와 H₂O로 연소되는 과정은 발열 반응입니다.

4 NH₃ + 3 O₂  =＞;  2 N₂ + 6 H₂O

기존의 열 NO 메커니즘(Zeldovich)은 NO 배출을 고려하는 데 사용되며, 이 접근법에 필요한 원자 종들은 화학 평형 메커니즘을 통해 결정됩니다.

새로 개량된 ECFM-3Z는 다양한 연소 시스템에 사용 가능합니다. 순수 NH₃스파크 점화 시스템, 디젤 연료의 자동 점화로 점화되는 NH₃시스템, NH₃/H₂/CH₄(또는 기타 탄화수소 연료)를 주 연료로 하고 디젤로 점화되는 시스템의 조합 등입니다.

암모니아는 스파크 점화(SI) 엔진과 압축 점화(CI) 엔진 모두에 사용할 수 있습니다. 듀얼 연료 애플리케이션의 경우, NH₃와 추가 연료는 SI(수소 또는 가솔린) 및 CI(DME 또는 디젤) 엔진에 사용할 수 있습니다.

이 연구에서는 디젤 점화 암모니아 작동 개념이 고려된 엔진을 조사했습니다. 이 엔진은 여러 작동 조건을 수치적으로 테스트한 좋은 검증 사례로 활용되었으며, 이 중 하나(1350 rpm, 람다=1.9)는 수치 모델 설정의 보정용으로 사용되었습니다. 이 연구에서는 암모니아 에너지 비중을 80%로 가정했습니다(디젤 20%, 암모니아 80%). 계산 시간을 절약하기 위해 사용된 엔진은 구조화된 메쉬를 갖는 40° 세그먼트로 구현되었습니다(그림 1 참조).

이 운영 개념의 경우 연료 분사 시뮬레이션이 필요했으며, 이 과정에서 액체 디젤 분사는 라그랑주 분사 모델(Lagrangian spray model)을 사용하여 시뮬레이션되었습니다. 암모니아는 기체 상태(공기와 미리 혼합된 형태)로 실린더에 공급되었습니다. 주입 후 디젤 자체 점화에 의해 방출된 열은 연소실에서 암모니아 연소를 유발합니다. 엔진 내에서의 연소 과정 전체(연료 분사, 점화 및 연소)는 그림 2에 애니메이션으로 표시되어 있습니다.

그림 3은 3D CFD(AVL FIRE™ M) 시뮬레이션과 측정 결과에서 얻은 실린더 평균 압력 곡선의 일치도를 보여줍니다.

FIRE M의 ECFM-3Z 모델은 사용자가 암모니아 연소를 빠르고 효율적이며 안정적으로 시뮬레이션할 수 있는 기능을 제공합니다. 시뮬레이션 시간은 ECFM-3Z 모델을 사용한 종래의 가솔린 및 디젤 엔진 시뮬레이션과 유사하며, GGPR 시뮬레이션보다 훨씬 빠릅니다. 결과는 참조 데이터와 좋은 일치도를 보여줍니다.

따라서 FIRE M의 솔루션은 스파크 점화, 마이크로 파일럿 압축 점화, 외부 연소 촉진제를 사용한 자동 점화 등 모든 일반적인 점화 개념을 지원합니다. 이로 인해 새로운 ECFM-3Z 모델은 현재 고려 중인 모든 암모니아 연소 개념에 적용될 수 있습니다.