새로운 생산 기술개발로 수소경제의 선두주자가 된 암모니아

2020년 12월, 백종범 울산과학기술원(UNIST) 연구팀이 쇠구슬이 회전하면서 부딪히는 물리적인 힘으로 반응을 일으켜 암모니아를 합성하는 기술을 개발했다. 이 사실이 국제학술지 ‘네이처 나노테크놀로지’에 공개되면서 수소경제시대가 앞당겨 질 수 있다는 희망을 갖게되었다.

작은 쇠구슬들이 부딪히는 물리적인 힘으로 기계 화학적 반응을 일으키는 볼 밀링법(Ball-milling)으로 암모니아를 합성하는 데 성공했다. 즉 용기에 쇠구슬과 철가루를 넣고 회전시키면서 질소 기체와 수소 기체를 차례로 주입하는 방식을 사용했다. 즉 빠르게 회전하는 쇠구슬에 부딪혀 활성화된 철가루 표면에서 질소 기체가 분해되고, 여기에 수소가 달라붙어 암모니아가 만들어지는 것이다.

이 방식에는 기온은 45도와 1bar(압력의 단위)의 저온·저압 조건에서 82.5%이라는 높은 수득률로 암모니아를 생산할 수 있다. 이는 지난 100년간 사용하고 있는 하버-보슈법의 경우 기온 450도와 기압 200바에서 약 25%의 수득률을 보였던 기술을 백종범 교수팀이 개발한 기술로 3배나 효율을 높이는데 성공하였다.

1913년 프리츠 하버와 카를 보슈가 개발한 암모니아의 유기 합성법(하버-보슈법)은 암모니아를 비료로 사용하여 농업 생산성을 크게 높였다. 현재 암모니아 대부분은 하버-보슈 공정을 통해 150-300bar의 고압 및 400~ 500℃의 고온에서 수소와 질소의 촉매 반응으로 암모니아를 생산한다. 이는 암모니아를 경제적으로 대량 생산할 수 있다는 장점이 있어 1909년부터 현재까지 사용되고 있다.

하버-보슈법은 상업화된 공정의 최적화를 통해 효율을 지속해서 개선하는 연구가 진행 중이며, 암모니아 생산에 소요되는 에너지는 1950년대 중반 60GJ/ton NH₃ 이상이었으나 최근 27GJ/ton NH₃ 수준까지 감소하여 철 기반 촉매를 주로 사용하고 암모니아 합성효율을 약 70% 정도로 높인 것이다.

세계 암모니아는 연간 생산량은 2억 톤, 시장 가치 700억 달러(약 90조 원)으로 추산된다. 이는 전 세계 두 번째로 생산량이 많은 화학물질로 현재 생산량 80%가량은 비료 생산에 활용되고 있다.

암모니아는 비료, 폭발물, 플라스틱, 의약품 등을 제조할 때 사용되는 화학물질이다. 매년 약 1억 4000만t이 생산되는데 최근 수소를 저장할 수 있는 물질로 주목받고 있어 그의 수요는 획기적으로 늘어날 수밖에 없다.

수소를 암모니아로 변환해 운송하는 화학적 방식을 활용하는데 이는 액화온도가 -259°C이고 밀도가 낮아 저장할 수 있는 비중이 낮아진다. 그런데 암모니아의 액화온도는 -33°C이고 액화수소 대비 1.5배의 수소를 저장할 수 있다. 그래서 암모니아는 수소의 2분의 1이하로 비용을 절감할 수 있기 때문에 수소보다도 암모니아가 수소경제를 선도해 나갈 수 있는 역할을 담당해 나가게 될 것이다.

암모니아의 생성과정에서는 탄소배출이 전혀 없는 무탄소 청정에너지이므로 수소 경제를 이끌어낼 새로운 재생 에너지시대를 선도해 나가는 역할을 담당해 나가고 있게 되었다.

우리나라는 최근 한국전력, 발전공기업과 함께 ‘수소 암모니아 발전 실증추진단’을 발족하고 산업부, 한국전력, 발전사 등 민관 합동으로 ‘Carbon-Free 친환경 암모니아 발전기술 개발 및 실증’을 추진하고 있다.

2024년까지 석탄-암모니아 혼소를 위한 연소 저장기술 등 원천기술 개발, 2025년 상용발전소에 연료공급 인프라 구축, 2025~2026년 잔여 설계수명, 대규모 석탄발전 단지로 인한 규모의 경제, 국가온실가스감축목표(NDC) 등을 고려한 석탄-암모니아 혼소 대상 선정, 2027년까지 4기의 석탄 화력발전 설비를 대상으로 실증을 추진한다는 계획을 수립하고 있다.

이에 따라서 석탄-암모니아 혼소 대상 발전기는 2030년까지 석탄-암모니아 20% 혼소를 진행하고, 2031년 이후 암모니아 혼소 비율을 단계적으로 상향하여 2050년까지 암모니아 전소 기술개발을 추진할 예정이다.

한편 우리나라는 ‘암모니아 직접 연소’와 ‘암모니아 분해연료(수소) 연소’, 두 가지 방향으로 암모니아 가스터빈 기술개발을 추진하고 있다. 암모니아 직접 연소기는 단기간에 개발이 어려우므로 1차적으로 LNG-암모니아 혼소 가스터빈을 개발하고, 최종적으로 암모니아 직접 연소 방식의 가스터빈 개발을 추진한다는 방침이다.

암모니아 분해연료 연소 기술의 경우 우선 대형 가스터빈을 대상으로 기술개발을 추진하고자 한다. 이는 암모니아 분해를 위해서는 고온의 열이 필요하며, 대형 가스터빈에서 배출되는 고온 가스의 열을 회수하여 암모니아 분해에 사용할 수 있기 때문이다.

최근 포스코는 두산중공업, 포항산업과학연구원(RIST)과 함께 암모니아 분해 수소를 활용한 연소기, 가스터빈을 개발하기 위한 업무협약을 체결하였다. 그리고 한국에너지기술연구원은 ‘CO₂-free 암모니아 직접 이용을 위한 ’저 NOx 가스터빈 연소기술 개발’을 통해 암모니아 전소 기술을 개발 중이다.

액화 암모니아는 질량에너지 밀도가 낮아 디젤 연료와 비교할 때 약 4.1배 크기의 탱크가 필요하다. 그리고 가연 범위가 좁을 뿐만 아니라 발화를 위한 조건이 까다로워 화재의 위험성은 상대적으로 낮은 편이다. 이러한 특성에 따라, 암모니아 엔진에서는 파일럿 연료를 필요로 한다. 그리고 암모니아는 구리, 구리 합금 및 아연과 같은 일부 재료에 부식성이 있으므로 재료 선정 시 주의가 필요하다.

또한 암모니아는 상온, 상압에서 무색의 강한 냄새를 가지고 있는 유독성 물질로, 공기보다 가벼워서 천장처럼 높은 곳에 모이는 성질이 있다.

암모니아 추진선의 상용화를 위해서 가장 중요한 마일스톤은 암모니아 엔진의 상용화를 추진하고 있다. 즉 현재 MAN, Wartsila, WinGD, 현대중공업 그룹, STX 엔진 등 주요 엔진사에서는 암모니아 엔진을 개발하고 있으며, 2024년 이후에 출시하겠다는 계획이다.

이같이 탄소중립을 성공적으로 완성시켜 나갈 수 있는 무탄소 청정에너지로서 암모니아가 각광을 받고 있어 국내 최고의 탄소배출지역인 당진시는 암모니아 생산체제 구축을 적극적으로 검토해 나가야 할 것이다.