탄소중립시대의 새로운 연금술, 재생에너지만으로 물을 암모니아로 !

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 재생에너지를 이용해 상온 상압에서 암모니아를 생산하는 혁신 공정을 개발했다. 탄소를 전혀 배출하지 않는 암모니아 생산 공정을 고안한 것으로 향후 탄소중립 달성에 획기적으로 기여할 혁신적인 기술로 기대된다.

기계연 플라즈마연구실 이대훈 책임연구원 연구팀은 탄소무배출 암모니아 생산 혁신 공정 개발에 성공하고, 연구성과를 에너지과학 분야의 권위있는 저널 ‘ACS Energy Letters’*에 8월 5일 발표했다.

* 논문제목: Plasma Catalyst-Integrated System for Ammonia Production from H2O an N2 at Atmospheric Pressure 

                  (상압 운전 플라즈마-촉매 시스템으로부터 물과 질소를 이용한 암모니아 생산)

▼ 암모니아 생산 공정 모식도

1913년 프리츠 하버와 카를 보슈가 개발한 암모니아의 유기 합성법(하버-보슈법)은 암모니아를 비료로 사용하여 농업 생산성을 크게 높이면서 농업혁신의 바탕이 된 발견으로 평가받는다. 특히 암모니아는 최근 탄소를 배출하지 않는 친환경 연료로도 주목받고 있다. 질소와 수소 원자가 결합한 암모니아는 연소해도 이산화탄소를 배출하지 않기 때문이다.

하지만 하버-보슈법으로 암모니아를 합성하려면 압력 200기압 이상, 온도 400℃ 이상의 고온 조건을 갖춰야 한다. 또한, 수소를 얻기 위해 천연가스 등의 화석연료를 사용하기 때문에 에너지 소모가 크고, 이산화탄소 배출도 많다.

2020년 영국왕립학회 보고서**에 따르면 하버-보슈법을 이용해 암모니아를 생산하는데 세계 에너지의 1.8%를 사용하고 있으며, 이 과정에서 배출되는 이산화탄소는 전 세계 배출량의 1.8%에 달한다.

** https://royalsociety.org/-/media/policy/projects/green-ammonia/green-ammonia-policy-briefing.pdf

연구팀은 질소 플라즈마에 물을 공급하고 분해하면서 수소와 질소산화물을 생산하고, 이를 촉매로 공급하여 암모니아를 만드는 공정을 개발했다. 이 플라즈마 반응으로 만든 질소산화물의 99% 이상은 암모니아로 쉽게 합성할 수 있는 일산화질소 상태가 된다. 합성된 일산화질소는 함께 생성된 수소와 반응해 95% 이상의 높은 선택도로 암모니아를 합성하며, 이 반응에 필요한 열은 플라즈마 분해 과정에서 발생한 열을 이용한다.

이 공정은 별도의 화석연료를 사용하지 않으며 이산화탄소 배출도 없는 ‘그린 암모니아’를 생산할 수 있는 기술로, 하버-보슈법의 대안으로 제안되고 있는 다양한 전기화학적 암모니아 생산법 대비 300~400배의 수율을 거둘 수 있다.

아울러, 기존의 고온 고압 공정이 아닌 상온 상압 조건에서 물과 질소만으로 암모니아의 생산이 가능하고, 모듈형 시스템을 통해 비교적 쉽게 공정을 대규모로 확대할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 암모니아 생산과 함께 발생하는 부산물 질산염(Nitrate) 수용액은 농업용 양액, 산화제 등으로 유용하게 쓸 수 있다.

연구팀은 향후 스케일 업 및 제품화 기술 개발을 통해 암모니아 생산 비용과 효율을 개선하여 국내외 엔지니어링 업체와 함께 암모니아 플랜트, 특히 상압, 상온 운전이 가능한 중소 규모 플랜트 분야 진출을 모색할 전망이다.

이대훈 책임연구원은 “재생에너지 기반의 전기를 사용하면 이론적으로 탄소배출이 없고 실제 설비 적용이 가능한 수준의 친환경적인 암모니아 생산 공정을 개발한 것”이라며 “앞으로 전 지구적인 탄소 배출량의 획기적 감축에 도움이 될 수 있도록 후속 연구개발에 매진하겠다”고 말했다.

한편 이번 연구는 기계연구원 기본사업과 국가과학기술연구회의 융합연구 사업 지원을 받아 수행됐다.

▲ 한국기계연구원 환경시스템연구본부 플라즈마연구실 이대훈 실장(책임연구원/오른쪽)과 김유나 선임연구원(가운데), 무자밀 이크발(IQBAL MUZAMMIL) 박사후연구원(왼쪽)