수소를 암모니아로 옮긴다고?!

수소를 암모니아로 옮긴다고?!

대학생신재생에너지기자단 20기 서범석, 20기 윤지민, 20기 황지영

 

[수소 전환, 필수!]

 석유나 석탄 같은 화석연료는 언젠가 고갈될 것이다. 때문에 수소를 연료로 사용하려는 시도가 이루어지고 있다. 현재는 화석연료에서 수소를 추출하는 방식이 일반적이지만, 앞으로는 태양광, 풍력 등 재생에너지를 활용하여 수소를 생산할 것이다. 수소 전환의 필요성이 커지면서, 수소를 주요 에너지원으로 산업구조를 바꾸는 수소경제로 점차 나아가고 있다.

 우리나라는 2019년 1월 「수소경제 활성화 로드맵」을 마련해 수소경제 선도국가로 발전하고자 하는 계획을 세웠다. 로드맵에 따르면 2030년 연간 194만 톤, 2040년 연간 525만 톤의 수소가 필요하다고 한다. 이렇게 수소의 수요는 증가할 것으로 보이지만, 국내에서는 수소 생산능력과 기술적 한계, 추출 수소의 온실가스 배출 문제 등 아직 친환경적으로 수소를 생산할 여건이 갖추어져 있지 않다. 따라서 수소를 해외로부터 조달할 필요가 있다. 

 해외에서 생산한 수소를 운송하기 위해서는 대용량 장거리 수소 저장 및 운송 기술이 필요하지만, 수소는 부피당 저장 용량이 적어 운송 시 다른 화합물로의 전환이 필수적이다. 그러므로 우리는 수소를 안전하게 상온 및 상압에서 저장하여 운송하고, 필요한 곳에서 추출하는 역할의 ‘수소캐리어’를 사용해야 한다. 

 

[수소캐리어]

 경제적이고 효율적인 수소 운송하기 위해 수소캐리어의 사용은 필수적이다. 수소캐리어로 사용 가능한 후보물질에는 기체 운송, 액화수소, 액상유기수소운반체(LOHC), 암모니아가 있다. 각각 운반체의 장단점을 알아보고, 가장 적합한 캐리어에 대해 알아보자. 

[자료 1. 수소 운송 방식]

출처: 데일리한국

 첫 번째로 기체 운송 방식은 기체 상태의 수소를 배관 또는 파이프라인으로 운송한다. 이러한 방식은 액화 처리를 할 필요가 없어 비용은 저렴하지만, 중/단거리 운송에 유리하며, 대량 운반이 어렵고 폭발할 위험이 있다.

 두 번째로 액화수소는 별도의 탈수소화 반응이 필요 없다는 장점이 있다. 하지만 효율적인 운송을 위해서는 수소 액화 과정이 필요한데,  –252.9℃ 라는 수소의 낮은 끓는점으로 인해 수소를 액화시키는 과정에서 수소의 가격이 높아진다. 또한, 장기간 보관이 힘들며 누출의 위험이 있다.

 세 번째로는 액상유기수소운반체(LOHC)가 있다. 대표적인 LOHC인 MCH (methylcyclohexane)은 톨루엔으로 변환할 수 있는데, 톨루엔의 끓는점은 101℃로 상온에서 액체 상태로 보관이 가능해서 운송 중 손실을 최소화할 수 있다. 하지만 톨루엔은 탈수소화 반응을 거쳐야 하므로 고온의 조건이 필요하다는 단점이 있다. 

 마지막으로는 액상 암모니아가 있다. 암모니아는 이미 많은 산업 분야에서 사용 중이기 때문에 저렴하며, 기존 인프라와 운송 규제를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 막대한 추가적인 투자가 필요하지 않다. 게다가, 위의 다른 캐리어들과 다르게 상온, 상압 조건에서 비교적 쉽게 액화되어 수소를 액체 상태로 운송할 수 있다. 

 

[암모니아가 제격]

[자료 2. 그린암모니아 생산 활용 개요]

출처: 지앤이타임즈

 액체 상태로 운송 시 기체 대비 부피가 작아 공간 효율성이 높고 압력이 낮아 안전하다. 액체 운송 방법 중에서는 현재 암모니아가 수소 저장·운송 방법으로 가장 효율적인 수소캐리어다. 같은 부피의 액화수소에 비해 1.7배 많은 수소를 저장할 수 있다는 점에서 가장 경쟁력 있고, 현실적인 운반체로 주목받고 있다. 또한, 암모니아(NH3)는 분해할 때 수소(H2)와 질소(N2)만을 생성해 친환경적으로 수소를 생산할 수 있다는 이점이 있다. 이렇게 암모니아를 활용해 수소를 옮긴다면 원활한 수소공급이 가능할 것으로 보인다.

 

[그린 암모니아 합성 공정]

 수소 캐리어를 위한 암모니아를 합성하는 기존의 방식은 하버-보슈법(Haber-Bosch process)이다. 이 공정은 고온 고압에서 철을 촉매로 사용하여 질소와 수소로부터 암모니아를 대량으로 생산하는 합성 방법이다. 이 반응이 일어나기 위해서는 질소 분자 내 두 개의 질소원자 사이의 화학 결합을 끊어야 하는데, 이 결합은 삼중결합으로 이루어져 화학적으로 매우 안정하기 때문에 상당히 높은 온도와 압력이 필요하다. 약 200기압 이상의 압력과 400도 이상의 온도 조건이 필요한데, 실제로 이렇게 높은 압력의 반응 기계를 작동하는 데는 많은 어려움이 있다. 또한, 수소를 천연가스에서 추출하는 과정에서 이산화탄소 배출 문제가 심각하다. 작년 영국 왕립학회 보고서에 따르면, 하버-보슈 법으로 암모니아를 생산할 때 배출되는 이산화탄소는 전 세계 배출량의 1.8%에 달하는 것으로 밝혀졌다. 이렇게 천연가스를 개질하여 기존의 하버-보슈법으로 추출한 수소를 ‘그레이 수소’라고 한다. 

 이 문제를 해결하기 위해 수소를 추출하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 ‘탄소 포집 기술’로 모으는 방식이 주목받고 있다. 이렇게 만들어진 수소를 ‘블루 수소’라고 부른다. 또한, 물을 전기분해하여 수소를 추출할 때 태양광, 풍력 등 재생에너지로 생산된 전기를 활용하는 방식도 쓰이는데, 이렇게 생산된 수소를 ‘그린 수소’라고 한다. 블루 수소를 활용해 만든 암모니아를 ‘블루 암모니아’, 그린 수소를 활용해 만든 암모니아를 ‘그린 암모니아’라고 부르며, 이들을 아울러 ‘청정 암모니아’라고 한다. 현재 노르웨이, 독일, 프랑스, 호주 등 대부분의 국가는 청정 암모니아의 대량 생산에 초점을 맞추고 연구·개발을 진행 중이다.

 대표적인 청정 암모니아 공정은 재생에너지로 생산된 전기를 통해 물을 전기분해하여 수소를 추출하는 방식이다. 태양광 등의 재생에너지가 수전해 장치에 전력을 공급하면, 수전해 장치는 물로부터 그린 수소를 생산하게 된다. 그렇게 생산된 그린 수소와 질소를 결합하여 암모니아를 만들게 되며, 이것을 시장에 유통하게 된다.

 한편, 최근 국내 연구진에 의해 개발된 그린 암모니아 공정은 다음과 같다. 

[자료 3. 질소 플라스마를 이용한 그린 암모니아 합성 공정]

출처: 한국기계연구원 

 질소 플라스마에 물을 공급해 수소와 질소산화물을 생산한 뒤 이를 초개로 암모니아를 만드는 공정을 개발했다. 이 플라스마 반응으로 만든 질소산화물의 99% 이상은 암모니아로 쉽게 합성할 수 있는 일산화질소 상태가 된다. 일산화질소는 함께 만들어진 수소와 반응하여 95% 이상의 높은 선택도로 암모니아를 합성하는데, 반응에 필요한 열은 플라스마 분해 과정에서 발생한 열을 이용한다. 이는 고온 고압 조건 없이 상온 및 대기압에서 물과 질소만으로 암모니아를 생산할 수 있다. 

 

[세계의 트렌드, 그린 암모니아 합성]

[자료 4. 호주 Pilbara의 암모니아 공장]

출처: thewest

 그린 암모니아를 합성하려는 노력은 전 세계에서 이뤄지고 있다. 노르웨이 회사 YARA는 프랑스 기업 ENGIE와 함께 호주 웨스턴오스트 레일리아주 Phibara에 그린 암모니아 공장을 세웠다. 2019년 기준, Pilbara의 암모니아 공장은 전세계 암모니아 시장의 5%를 차지하고 연간 84만 톤의 암모니아를 생산할 정도로 세계에서 가장 큰 암모니아 공장 중 하나이다. 호주 사막의 풍부한 태양열 에너지를 이용하여 200헥타르의 태양열 어레이로부터 100MW 규모의 전기를 생산하고, 암모니아 생산을 담당하는 YARA와 수전해 기술을 담당하는 ENGIE가 협업해 수전해로 그린 수소와 그린 암모니아를 생산한다. 수전해 기술을 통해 불규칙한 태양열 에너지를 저장할 수 있는 수소로 바꿔 지속적인 암모니아 생산을 책임질 수 있다. Pilbara의 공장은 2023년 말부터 수소를 이용한 그린 암모니아를 공급할 예정이다. 

[자료 5. Thyssenkrupp의 그린 암모니아 공장 개요]

출처: Ammoniaenergy

 독일의 철강회사 Thyssenkrupp는 전세계에 10GW 이상 규모의 600개가 넘는 수전해 수소 생산 공장을 소유하고 있으며, 암모니아 공급 업체인 Udhe를 인수하였다. 그린 수소 생산기술과 암모니아 합성 기술을 결합하여 50ton/일, 300ton/일 규모 등의 친환경 암모니아 공장을 마케팅하고 있다. 

 

[그린 수소를 위한 새로운 분해 공정]

 암모니아를 분해하는 공정 또한 수소 사회에 필수적이다. 수소를 안전하게 운송하기 위해 암모니아로 합성했다면, 다시 수소 형태로 에너지를 이용하기 위해 암모니아를 수소로 바꾸어야 할 필요가 있다. 우리나라의 한국에너지기술연구원에서는 CES라는 회사의 주관 하에 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 설비를 개발했다. 암모니아 분해 설비는 3단계 공정으로 이뤄진다. 1. 암모니아 분해 반응기, 2. 잔류 암모니아 제거 장치, 3. 수소 정제 장치이다. 

[자료 6. 암모니아 분해 기술 개념도]

출처: 투데이에너지

  암모니아 분해 반응기에서는 암모니아를 질소와 수소로 분해하는데, 이는 잔류 암모니아 제거 장치에서 반응하지 않은 잔류 암모니아를 흡착하여 제거한다. 그 뒤, 수소 정제장치에서 VPSA 방식을 이용하여 질소와 수소를 분리하여 고순도의 수소를 얻어낸다.  

 수소 생산의 핵심은 암모니아 분해 반응기이다. 한국과학기술원에서는 촉매에 관한 연구를 진행했다. 초기 연구에는 니켈을 사용했지만, 수소의 낮은 순도 등의 문제로 이를 보완할 루테늄계 촉매가 많이 연구되고 있다. 

 루테늄은 같은 족 원소인 철보다 열과 전기를 잘 전달하는 특성이 있고, 고운 분말 상태에서 높은 반응성과 기체 흡착력을 가진다. 루테늄의 산화물인 RuO2은 우수한 산화력을 갖는 촉매로 사용된다. 일본에서는 루테늄(RuO2/-Al2O3)을 이용한 암모니아 분해 촉매를 개발하였다. 암모니아가 촉매 표면에 결합하면서 열이 방출되는데, 이 열을 이용하여 암모니아를 산화시키고 수소를 생성하는 원리이다. 기존 촉매와는 달리 장시간 동안 안정성을 갖고 외부 열원 없이도 암모니아를 분해할 수 있다. 

[자료 7. 암모니아의 분해를 위한 루테늄계 촉매 개념도]

출처: AZO CLEANTECH

 수소 정제 공정에서 사용하는 VPSA 방식은 기존의 기체 분리 방법인 PSA 방식에 진공(Vacuum) 과정을 추가한 기체 분리 방법이다. PSA는 압력 변동 흡착이라 불리며, 압력을 주기적으로 올렸다가 내려 특정 기체를 흡착시키는 방식이다. 

[자료 8. PSA 원리에 의한 가스 분리(질소 발생기)]

출처: 선바이오투

 PSA 공정에서 사용하는 흡착제는 기체 분자의 크기에 따라 흡착하는 속도가 다르다. 예를 들어, 질소 발생기에서는 흡착제가 질소보다 작은 산소를 매우 빠르게 흡착하여 고순도의 질소를 발생시킨다. 기체의 압력을 높일 때는 산소가 흡착제에 흡착하고, 질소를 내보낸 후 압력을 낮춰 산소를 탈착시킴과 동시에 흡착제를 다시 사용할 수 있도록 재생시킨다. 이를 2개 이상의 관에서 진행하여 기체가 끊이지 않고 연속적으로 발생할 수 있게 된다. 암모니아 분해 설비에서는 이러한 원리를 이용하여 고순도의 수소를 만들어낸다. VPSA 공정에서는 진공 펌프 설비를 추가하여 내부를 진공으로 만들어준다. 이 과정에서 내부를 한 번 털어주기 때문에 기체의 탈착률과 기체 회수율이 높다. 

 기존의 수소 생산 방식은 화석 연료를 개질하여 수소를 생산하는 스팀메탄개질(SMR)을 사용해왔다. 황 성분을 제거한 천연가스(메탄)에 고압/고온의 수증기를 넣어 촉매로 수소를 분리하는 방법이다. SMR의 수소 생산 방식은 뜨거운 수증기와 황 제거 공정, 수처리 과정 등이 필요하기 때문에 많은 비용과 에너지 소모, 탄소 배출이 동반된다. 화석연료의 개질로 만들어진 수소는 1kg에 7kg의 이산화탄소가 발생한다. 따라서, 이산화탄소의 배출이 없는 그린 수소가 필요하다. 

 암모니아 분해 시스템은 기존 SMR의 단점을 보완할 수 있다. SMR 방식에 비해 공정이 단순하고 운영비가 적다. 수처리 장비와 물 공급 장치가 필요 없고 더 낮은 온도에서 운영할 수 있어 열 소모량이 적다. SMR 방식의 분해 효율이 80% 대에 그치는 데 반해 암모니아의 분해 효율은 90%가 넘어간다. 만약, 암모니아를 화석 연료가 아닌 재생에너지를 이용한 수소로 합성한다면, 진정한 의미의 그린 암모니아와 그린 수소를 생산해낼 수 있다. 

 

[자료 9. 기존 탄화수소를 이용한 수소 및 암모니아 생산(좌)과 수전해 수소 및 암모니아 생산(우) 전개도]

출처: ammoniaenergy

 전세계적으로 수소, 특히 그린 수소에 대한 수요가 증가하면서 탄소 배출 없는 그린 암모니아가 차세대 수소의 캐리어로 주목받고 있다. 이에 친환경적으로 암모니아를 수소로 분해하는 기술의 중요성이 커지고 있다. 국내는 물론 해외에서도 분해 효율, 용량을 높이려는 노력이 활발하다. 국내에서는 2021년까지 KIST의 기초연구를 바탕으로 CES 엔지니어링, 현대 자동차, 젠스엔지니어링 등의 기업이 공동으로 20Nm3/h의 암모니아 개질 수소 제조 시스템 개발을 진행하고 있다. 이제 암모니아는 비료, 냉각제 분야뿐만 아니라 수소 에너지를 저장하고 운송하는 수단으로 이용되어 수소 사회 조성에 크게 기여할 것이다. 

 

[수소캐리어의 새로운 화두 "그린 암모니아", 전망은?]

 원활한 수소경제를 구축하기 위해서는 수소를 대용량으로 저장할 수 있어야 하며, 장거리 운송을 할 수 있어야 한다. 암모니아는 운송법이 간단하고 화재 위험이 낮으며, 높은 수소 저장 밀도를 가진다는 점에서 효율적인 수소 운송을 위한 에너지 캐리어로 주목받고 있다. 또한 암모니아는 천연가스 추출 수소와는 달리, 분해되어 수소와 질소만을 생성하기 때문에 친환경적이라는 장점이 있다. 기존의 암모니아 합성법은 화석연료를 사용하여야 하기 때문에 상당한 양의 이산화탄소를 배출해왔다는 한계점이 있었다. 한편 수전해를 이용한 그린 암모니아 공정법을 통해 환경적인 문제가 해결되었다. 그린 암모니아를 통해 식량을 탈탄소화하고 수소 경제에 한 발짝 다가갈 수 있을 것이다. 

[자료 10. 그린 암모니아와 그레이 암모니아의 생산 가격 추이]

출처: ammoniaenergy

 파란 선은 그린 암모니아 생산 비용 전망, 빨간 선은 기존의 화석연료를 이용한 암모니아의 생산 비용 전망을 나타낸다. 파란 선, 즉 현재는 높은 태양광 및 전기 분해 비용이 기술의 발전과 함께 계속해서 절감될 것이다. 그린 암모니아의 연구 개발이 활발해짐에 따라 기술 비용을 낮출 수 있지만, 특히 그린 수소가 그레이 수소와 비용 대등한 수준에 도달할 때까지 정부의 지원이 매우 중요하다. 사회의 관심과 지원으로 그린 암모니아 시대가 도래하길 기대해본다.

 

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그린 수소 & 그린 암모니아에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "ESS만이 답이 아니었다? 재생에너지 불안정성의 돌파구, P2X 기술, 18기 김민주 18기 최별  19기 권승호 19기 김수정 19기 임하영, https://renewableenergyfollowers.org/3276 

2. "다가오는 수소경제사회,  액체수소를 주목하라!", 15기 김혜림, https://renewableenergyfollowers.org/3076

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참고문헌

[수소캐리어]

1) 대한민국 정책브리핑, 수소경제, 2020.02.24, https://www.korea.kr/special/policyCurationView.do?newsId=148857966

2) 이종수, “암모니아가 뜬다 ① 암모니아, 최적의 수소 저장·이송 매체로 ‘부상’”, 월간수소경제, 2020.12.30, https://www.h2news.kr/mobile/article.html?no=8687

[암모니아가 제격]

1) 김종서, “[김종서의 환경교육 이야기] 수소경제를 이끌어 나갈 암모니아 이야기”, nate 뉴스, 2021.06.17, https://news.nate.com/view/20210513n07539

2) 꿈틀E, 한국에너지기술연구원 공식 블로그, “에너지연, 암모니아에서 그린수소 뽑아내는 핵심기술 개발”, 2021.08.17, https://blog.naver.com/energium/222473242468, (2021.08.31)

3) 조명의, “기계연, 탄소배출 없는 그린 암모니아 생산공정 개발”, THE TECH, 2021.08.19., http://www.the-tech.co.kr/news/article.html?no=26951신지하, “[Energy요모저모] <20> 수소 경제에서 주목받는 ‘암모니아’”, 데일리한국, 2021.03.24, https://daily.hankooki.com/lpage/column/202103/dh20210324070018145650.htm

4) 한국과학기술연구원, 한국과학기술연구원 공식 블로그, “수소연료 저장할 최적의 물질 찾아낸다.”, 2021.07.27, https://blog.naver.com/kist_public/222447033976, (2021.08.31)

[그린 암모니아 합성 공정]

1) Svein Tore Holsether, “Can green ammonia stop the world’s addiction to fossil fuels?”, WORLD ECONOMIC FORUM, 2021.01.19, https://www.weforum.org/agenda/2021/01/green-ammonia-stop-fossil-fuels/

[세계의 트렌드, 그린 암모니아 합성]

1) 월간수소경제 편집부, “야라, 호주에 친환경 수소 생산 공장 건설”, 월간수소경제, 2019.02.19, http://h2news.kr/news/article.html?no=7310

2) 이수영·이혜진, “미래 수소 에너지 공급 산업에서 암모니아의 활용성”, Appl. Chem. Eng., 30권, 6호, 668-669쪽, 2019.12.

3) Trevor Brown, “All together now: every major ammonia technology licensor is working on renewable ammonia”, AMMONIA ENERGY, 2018.06.01, https://www.ammoniaenergy.org/articles/all-together-now-every-major-ammonia-technology-licensor-is-working-on-renewable-ammonia/

4) Trevor Brown, “Ammonia plant revamp to decarbonize: Yara Pilbara”, AMMONIA ENERGY, 2019.02.15, https://www.ammoniaenergy.org/articles/ammonia-plant-revamp-to-decarbonize-yara-pilbara/

5) Julian Atchison, “The Ammonia Wrap: world’s largest ammonia manufacturing complex begins decarbonising, and a welcome boost for EU fertiliser producers”, AMMONIA ENERGY, 2021.04.29, https://www.ammoniaenergy.org/articles/the-ammonia-wrap-worlds-largest-ammonia-manufacturing-complex-begins-decarbonising-and-a-welcome-boost-for-eu-fertiliser-producers/

[그린 수소를 위한 새로운 분해 공정]

1) 김재경 외 5인, “제3장 친환경 CO2-free 수소 생산방식 현황”, 친환경 CO2-free 수소생산 활성화를 위한 정책연구, 에너지경제연구원, 45-47쪽, 2019.3.

2) 신중훈, “Ru계 촉매의 산소 화학종과 NH3 선택적촉매산화 반응기구의 상관관계 연구”, 경기대학교 대학원 석사 학위논문, 45쪽, 2017.12.

3) 성재경, “수소경제 주목되는 기술·제품 19. CES의 ‘암모니아 분해 수소생산 시스템’”, 월간수소경제, 2020.07.30, https://h2news.kr/news/article.html?no=8379

4) 성재경, “암모니아가 뜬다 ② 암모니아 분해한 수소로 넥쏘 충전한다”, 월간수소경제, 2020.12.30, https://www.h2news.kr/mobile/article.html?no=8686

5) 홍시현, “암모니아에서 그린수소 생산 길 열려”, 투데이에너지, 2021.08.11, https://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=239161

6) ECO 전도사, LEE&JANG ECO, “산소흡착제, CMS (Carbon Molecular Sieve) for PSA type 질소/산소발생기”, 2020.04.29, https://m.blog.naver.com/dsjang650628/221936256418, (2021.09.24.)

7) Emily Nordvang, “Hydrogen Production from Ammonia for Next Generation Carbon-Free Energy Technologies”, AZO CLEANTECH, 2017.05.05, https://www.azocleantech.com/article.aspx?ArticleID=656

8) Jacob Hansen, FERTILIZERS EUROPE, “PAVING THE WAY TO GREEN AMMONIA AND LOW CARBON FERTILIZERS”, https://www.fertilizerseurope.com/paving-the-way-to-green-ammonia-and-low-carbon-fertilizers/, (2021.09.04.)

[수소캐리어의 새로운 화두 "그린 암모니아", 전망은?]

1) 에너지경제신문, “철강·조선·중공업 업계 "그린 암모니아에 꽂혔다"“, 에너지경제, 2021.07.20, https://www.ekn.kr/web/view.php?key=20210720010003328