■ 반쪽짜리 수소는 가라! 암모니아로 그린 수소 생산

■ 반쪽짜리 수소는 가라! 암모니아로 그린 수소 생산

 

● 한국에너지기술연구원(대전)은 그린 암모니아(NH3)를 이용해서 그린 수소를 대량 생산하는 기술을 2022년 05월 22일 개발했다. 먼저 암모니아(NH3)를 가열해서 650도로 달궈진 촉매가 들어 있는 반응기를 통과시킨다. 촉매를 만난 암모니아(NH3)는 곧바로 수소와 질소로 분해되는데, 질소를 흡착하면, 순도 99.97%에 달하는 수소를 얻을 수 있다. 이때, 미처 분해되지 못한 암모니아(NH3)는 회수되어 촉매를 가열하는 데에 다시 쓰일 수 있어 어떤 단계에서도 탄소는 발생하지 않는다. 

 

열 전달이 우수한 금속으로 이뤄진 구조체 촉매를 사용하고 있다. 연료를 적게 쓸 수 있기 때문에 결과적으로는 반응기 효율이 좋아지는 효과가 있다. 이번 기술을 이용하면, 해외에서 생산된 값싼 그린 수소를 국내에 들여오는 것도 더 수월해진다. 수소를 압축해서 액체로 운반하려면, 영하 250도의 초저온이 유지돼야 한다. 하지만, 암모니아(NH3) 형태로는 영하 33도만으로도 액체 상태로 수소를 운반할 수 있기 때문이다. 암모니아(NH3)는 단위 부피당 수소 저장 밀도가 높아 액화 수소보다 1.7배 많은 양의 수소를 수송할 수 있다. 연구팀은 2023년 하반기 울산에 매일 수소 2톤을 생산할 수 있는 시설을 구축하고 시범 운전할 계획이다.

 

● 한국에너지기술연구원(대전)을 중심으로 2050 탄소 중립 목표 달성을 위한 방안으로 그린 암모니아 생산. 운송. 추출. 활용 등의 전주기 기술 개발 협력을 위한 협의체가 국내 최초로 2021년 07월 만들어졌다. 출연 연구소, 공공 기관, 민간 기업 등 18개 기관이 참여했다. 국내 기술로 그린 암모니아 생산. 운송. 추출. 활용 산업의 가치 사슬을 구축하고, 저변 확대를 마련하기로 했다. 저가 그린 암모니아 생산, 운송과 선박 연료 활용, 그린 암모니아 수소 추출을 통한 수소 공급, 가스 터빈, 보일러, 전소 혼소 발전, 연료 전지의 무탄소 연료 활용 등이다.

 

● 수소를 생산하는 방법은 크게 3가지로 나눌 수 있다.

 

★ 첫째, 그린(green) 수소는 수소를 생산하는 원료 자체를 깨끗한 것으로 사용하는 것이다. 그린 수소는 물을 원료로 만든다. 물은 수소와 산소로 이루어져 있는데, 전기를 가해주면 수소와 산소로 분리할 수 있다. 환경적인 측면에서 가장 깨끗한 수소라고 말할 수 있지만, 물을 전기 분해해서 생산할 수 있고, 재생 에너지인 풍력과 태양광에서 나온 전기를 사용해야 한다는 제약 조건이 있다. 그렇기 때문에 그레이 수소나 블루 수소에 비해 가격이 상당히 비싸다. 수소 1㎏를 생산하는데 1만원 이상의 전기료가 들어간다. 향후에는 수소 1kg에 1,000원 이하로 만들 수 있다고 예상하고 있다. 

 

★ 둘째, 그레이(gray) 수소는 수소 생산 과정에서 이산화탄소가 배출되는 수소 생산 방식이다. 여기에는 부생 수소나 도시 가스를 개질하는 방식이 포함된다. 가장 대표적인 것이 석유화학 공정 과정에서 부가적으로 생산되는 부생 수소를 이용하는 방식이 있다. 정유 공장에서 나프타를 분해해 휘발유, 경유 등을 뽑아내고 남은 부산물에서 발생하는 수소를 얻는 방식이다. 또한, 수소는 LNG와 LPG 같은 천연가스에 화학적 자극을 가해서 얻을 수도 있다. 도시 가스의 주성분인 메탄은 탄소와 수소로 이루어져 있으므로 화학 반응을 통해 수소를 뽑아낼 수 있다. 도시 가스와 수증기를 섞어 700도 이상의 고온에서 촉매 반응기를 통과시키면, 도시 가스에 있는 수소가 떨어져 나오는 방식이다.

 

★ 셋째, 블루(blue) 수소는 그레이 수소를 만들 때에 이산화탄소가 대기 중으로 배출되지 않게 별도로 포집하여 생산하는 방식이다. 그레이 수소 보다 훨씬 친환경적이기 때문에 블루라는 깨끗한 색깔을 붙여주었다.

 

● 암모니아(NH3)는 수소와 질소가 결합한 화합물이다. 암모니아(NH3)는 수소만 저장하는 것과 비교하여 수소의 양을 1.5배까지 저장할 수 있는 경제적이며 효율적인 수소 운반체이다. 그리고, 수소가 필요한 경우, 암모니아 개질을 통해 수소와 질소를 분리, 추출해서 사용하면 된다. 수소(H2)는 이송 운반 저장에 제약이 있다. 일반적으로 액체 상태로 저장해 운반하기 때문에 부피가 커서 많은 저장 공간이 필요하고, -253도의 극저온에서 액화해야 하는 어려움이 있다. 암모니아(NH3)는 단위 부피당 수소 저장 밀도가 높아 액화 수소보다 1.7배 많은 양의 수소를 수송할 수 있다. 결국, 암모니아를 이용해서 수소를 쉽게 운송할 수 있기 때문에 암모니아를 수소 캐리어 또는 수소 운반체라고 부르고 있다.

 

● 사실, 암모니아는 수소 운반체로서 더 큰 주목을 받아왔다. 수소와 질소로 구성된 암모니아(NH3)는 쉽게 액화할 수 있고, 액화 수소 대비 단위 부피당 수소 저장 용량이 1.7배 크기 때문이다. 현재, 무탄소 연료에 가장 가까운 것은 바로 암모니아(NH3)이다. 하지만, 암모니아는 연소시 탄소를 발생시키지는 않지만, 질소산화물을 발생시키는 만큼 해당 문제를 해결하기 위한 연구가 필요하다. 또한, 암모니아(NH3)는 그 자체를 연료로 활용할 수 있지만 경제성이 떨어진다. 자연 발화 온도가 650℃로 높고, 최소 점화 에너지도 680mJ로 높아 연소가 어렵기 때문이다. 액화 천연 가스(LNG) 대비 암모니아의 발전량은 50%, 연소 속도는 20% 수준에 그친다. 그래서, 암모니아와 다른 연료를 혼합해서 발전하는 혼소 발전이 대안으로 떠오르고 있다. 암모니아(NH3)를 분해해서 수소와 질소로 만들고, 이를 연소시켜 터빈을 돌리는 방식이다. 암모니아만 연소하는 것보다 효율이 높다.