암모니아에서 그린수소 뽑아내는 핵심기술 등장

[에너지신문] '그린 암모니아'가 탄소중립의 또 다른 열쇠로 떠오르는 가운데, 한국에너지기술연구원 수소연구단 정운호 박사 연구진은 국내 최초로 암모니아를 원료로 하는 수소생산용 가압형 암모니아 분해 반응기 핵심기술 개발에 성공했다.

미래를 책임질 차세대 에너지원인 수소는 온실가스를 저감시킬 뿐만 아니라 경제적 효용 측면에서도 다른 친환경 에너지에 비해 강력한 잠재력과 확장성을 가지고 있다. 많은 국가와 기업들이 수소 사회의 주도권을 선점하기 위해 연구에 집중하는 이유다.

이에 정부도 수소를 탄소중립 10대 기술로 선정하고, 2030년부터 급격히 증가할 것으로 예상되는 국내 수소 수요량에 선제적 대응을 위해 'CO₂-free' 해외수소 도입 전략을 마련하고 있다.

해외 청정수소 도입 시 수소를 저장, 운송하는 수소 캐리어(carrier)가 필요한데, 이 역할로 암모니아가 가장 많은 주목을 받고 있다. 뿐만 아니라 암모니아는 선박, 발전용 탄소중립 연료로도 쓰임새가 확대돼 수소와 함께 가장 각광받는 에너지원으로 재탄생하고 있다.

수소 캐리어로 고려되는 여러 방법 가운데 암모니아는 단위 부피당 수소 저장 밀도가 액화수소보다 1.7배 높아 대용량 저장이 가능하다. 또한 상온상압의 조건에서 비교적 쉽게 액화되는 이점이 있고, 이미 국제적으로 운송 및 유통 인프라가 잘 갖춰져 있다.

청정수소 공급을 위한 암모니아 분해 기술은 천연가스 개질방식에 비해 반응온도가 낮아 저가 소재의 반응기 제작이 용이하다. 또한 이산화탄소 포집을 위한 CCS 장치가 추가로 필요치 않은 만큼 공정이 단순해 수소생산 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있다.

암모니아로부터 고순도 수소를 생산하는 공정은 3단계로 이뤄진다. 먼저 암모니아를 고온에서 질소·수소로 분해하고, 이어 상온에서 미반응 잔류암모니아를 제거한다. 마지막으로 상온 PSA(압력변동흡착) 공정에서 수소를 분리해 99.97% 이상의 고순도 수소를 생산하게 된다.

연구원은 수소생산의 핵심인 암모니아를 질소와 수소로 분해하는 반응기 및 촉매를 개발했다.

연구진이 개발한 암모니아 분해 반응기는 버너를 중심으로 도넛모양의 금속구조체 촉매가 채워진 8개의 반응기 튜브에 열이 가해지고, 암모니아는 촉매를 거쳐 수소와 질소로 분해된다. 이때 각 반응기에 동일한 양의 암모니아를 공급하고 온도를 유지하는 것이 중요하다.

금속구조체 촉매는 스테인레스스틸 등 금속재질로 구성된 3차원 형상(모노리스, 폼, 메쉬)의 구조체 표면에 촉매가 코팅된 형태로 기존 화학공정에 사용되는 세라믹 펠릿 촉매에 비해 열 및 물질 전달 특성이 우수하다.

연구진은 자체 설계한 암모니아 분배기를 이용해 각 반응기에 암모니아를 균일하게 공급하고, 버너와 반응기의 간격과 위치 등 다양한 변수에 대한 실험을 통해 암모니아가 분해될 수 있는 최적의 조건을 도출했다. 이와 함께 반응을 통해 분해된 고온의 분해가스는 열교환시켜 원료인 암모니아를 예열하는데 다시 이용해 분해 효율을 향상시켰다.

또한 수소연구단 구기영 박사는 침전법을 기반으로 액상에 담긴 금속구조체 표면에 나노촉매를 직접 코팅하는 기술을 개발했다. 암모니아 분해 성능은 유지하면서 고가의 귀금속 사용량을 상용 촉매 대비 1/10 수준으로 절감한 금속구조체 촉매 기술을 국산화했다.

침전법은 촉매 전구체 용액의 산도를 조절, 촉매입자를 금속구조체 표면에 직접 형성시켜 기존 코팅법(워시코팅)에 비해 얇고 균일하게 촉매층을 코팅한다.

암모니아 분해반응과 같이 열공급이 필요한 반응은 열전달 특성이 우수한 금속구조체 촉매를 사용하는 것이 좋지만, 코팅된 촉매가 떨어져 나가는 박리현상이 걸림돌이었다. 연구진은 독자적으로 개발한 코팅기술을 적용해 금속구조체 표면에 촉매를 균일하고 얇게 코팅함으로써 박리현상을 억제함과 동시에 촉매 사용량을 획기적으로 줄였다.

2018년부터 3년간의 연구로 개발한 암모니아 분해용 촉매반응기는 촉매, 반응기, 열교환기, 운전조건 등의 최적화를 통해 90% 이상의 암모니아 분해효율을 달성했으며, 100시간 운전을 통해 각각의 구성요소들의 안정성 검증도 완료했다.

암모니아에서 생산된 수소는 향후 수소충전소에서 수소전기차에 공급하는 것이 가능할 전망이다. 이를 검증하기 위해 암모니아에서 수소를 생산하는 3단계의 공정을 거친 고순도 수소를 현대자동차(공동연구기관)의 수소전기차 넥소 스택에 공급해 50시간 동안 20kW의 전력이 안정적으로 생산되는 것을 확인했다.

연구책임자인 정운호 박사는 “이번에 개발한 고효율 암모니아 분해 촉매반응기 기술을 통해 그린수소를 대량으로 생산할 수 있음을 확인했다. 이는 향후 해외에서 암모니아 형태로 청정수소 수입 시 개발한 기술로 경제적인 수소를 공급할 수 있음을 의미하는 것”이라고 밝혔다.

정 박사는 “특히 암모니아 수소캐리어는 우리나라뿐 아니라 일본, 호주, 유럽 등 전 세계적으로 큰 관심을 갖고 있어 대용량 실증만 완료된다면 국내기술의 해외진출도 가능할 것”이라고 말했다.

연구진은 암모니아 기반 청정수소 산업의 활성화 및 향후 대량의 암모니아 수입을 고려해 1000Nm3/h(약 90kg/h)급 대용량 반응기 개발을 준비하고 있다.

한편 이번 연구는 에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업의 일환으로 씨이에스, 현대자동차, 젠스엔지니어링, 한국과학기술연구원과 에기연이 공동 수행했다.