기존 하버-보슈 공정보다 1/3 낮은 압력에서도 생산 성공
[에너지신문] 합성 비료의 원료로 인류의 식량문제 해결에 크게 기여한 암모니아(NH3)가 최근 들어 다시 떠오르고 있다.
친환경 연료인 수소를 저장, 운반해 줄 수단이자 무탄소 연료로 주목받고 있기 때문이다.
질소(N) 원자 1개와 수소(H) 원자 3개가 결합한 화합물인 암모니아(NH3)는 수소와 호환성이 높으며 상압, 영하 33도에 액화가 가능해 액체 수소 대비 적은 에너지로 운송과 저장이 쉽다.
또 액체 수소에 비해 단위 부피당 약 1.7배 많은 수소 저장이 가능해 대용량 저장과 장거리 운송에 유리하며 연소 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않아 석탄과 천연가스를 대체할 수 있는 연료로 유망하다.
한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 청정연료연구실 윤형철 박사 연구진은 세계 최고 수준의 저압 암모니아 합성 촉매를 대량으로 생산할 수 있는 양산법을 개발했다.
이 기술을 통해 생산한 촉매는 연구진이 설계한 암모니아 생산 공정에 적용돼 기존 하버-보슈 공정에 필요한 압력의 1/3 수준으로도 99.9%의 고순도 암모니아 생산하는데 성공했다.
하버-보슈 공정이란 천연가스를 열분해 해서 추출한 수소와 대기 중의 질소를 반응물로 해 고온(400℃ 이상), 고압(150bar 이상)의 조건에서 철 촉매를 이용해 암모니아를 대량 생산해낼 수 있는 공정으로 두 화학자의 이름을 따서 하버-보슈법 이라고 명명한다.
1909년 개발 이후 현재까지 사용되고 있는 하버-보슈 공정은 화석연료에서 생산한 수소와 공기의 질소를 고온, 고압에서 반응시켜 암모니아를 합성하는 공정으로 과정 중 이산화탄소 방출과 에너지 소모가 크다.
이에 탄소배출을 줄이기 위한 궁극적 목적을 고려한다면 생산 과정에서도 에너지 사용량을 줄일 수 있는 연구가 선행돼야 한다.
더욱이 암모니아 생산 기술은 해외 주요 플랜트 기업이 독점하고 있고 우리나라는 암모니아를 100% 수입하고 있어 관련 연구가 절실한 상황이다.
연구진은 기존 하버-보슈 공정의 한계를 극복하고 암모니아 합성 촉매를 양산하기 위한 제법과 촉매 성형법 개발에 성공했다.
여기에 그치지 않고 일일 1킬로그램(1kg/d)의 암모니아를 생산할 수 있는 실험실 규모 공정을 구축해 50바(bar)의 저압에서도 99.9%의 순도를 갖는 고순도 암모니아 생산에도 성공했다.
연구진은 한국과학기술원 최민기 교수진과 공동 개발한 분말 형태의 루테늄‧산화바륨 촉매를 원주형 펠릿 형태로 만들어 상업적으로 활용할 수 있도록 제품화했다.
또 기존 160도(℃)의 고온에서 제조되는 촉매를 상온에서 제조할 수 있도록 개발해 촉매 합성 시간을 기존 대비 1/3로 줄이고 생산 효율을 높였다.
이를 통해 생산한 촉매는 연구진이 구축한 국내 유일의 암모니아 생산 공정을 통해 성능을 평가했다.
암모니아 생산 공정은 원료인 수소와 질소를 공급하는 공급부와 암모니아를 합성하는 반응부, 합성한 암모니아를 냉각 분리해 고순도의 암모니아를 추출하는 냉각부로 구성된다.
연구진은 공정의 유기적 설계를 통해 50바(bar)의 압력과 400도(℃) 이하의 저온에서도 암모니아를 생산하는데 성공했다.
연구진이 개발한 촉매 양산법과 독자적으로 설계한 암모니아 생산 공정을 이용하면 암모니아 생산 운영에 소요되는 비용을 15% 이상 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
더불어 기존 공정보다 낮아진 압력은 공정의 구성품인 압축기, 반응기 등의 제작비용도 낮춰 생산 비용 전체를 줄일 수 있다.
연구책임자인 윤형철 박사는 “저압·저온 저비용 암모니아 생산 기술은 탄소중립의 미래를 앞당길 수 있는 열쇠가 될 것이며 향후 청정수소 및 무탄소 연료 도입을 위한 암모니아 생산 플랜트 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
연구진은 2024년 암모니아 생산과 장기 운전을 통해 안정성을 확보하고 일일 5킬로그램(5kg/d)의 생산 공정을 제작할 계획이다.
나아가 최종적으로 파일럿 규모인 일일 50킬로그램(50kg/d)까지 규모에서 검증을 통해 우리나라가 청정 암모니아 생산국의 지위를 확보하는데 기여하고자 한다.
한편 이번 연구는 에너지연 기본사업과 해양수산부 친환경 선박 전주기 혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
