최근 우리나라 곳곳에서 수소 충전소가 늘어나고 있습니다. 탄소 중립 실현을 위해 수소 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 수소를 어떻게 저장하고 운송할 것인가가 핵심 과제로 떠올랐습니다. 특히 삼면이 바다인 우리나라는 해외에서 청정 수소를 도입해야 하는 상황입니다. 이 과정에서 암모니아가 경제적이고 효과적인 수소 캐리어로 주목받고 있으며, 암모니아 크래킹 기술과 무탄소 선박 개발이 활발히 진행되고 있습니다.
암모니아 기반 수소 운송의 경제성
수소 경제로의 전환을 위해서는 대량의 청정 수소를 효율적으로 운송하는 기술이 필수적입니다. IEA 국제 에너지 기구의 2050년 넷제로 시나리오에 따르면, 태양광이나 풍력 하이브리드 시스템으로 수소를 생산할 때 지역별로 비용 차이가 큽니다. 중국 남부 지역, 칠레, 아르헨티나 같은 곳에서는 수소 1kg을 2달러 이하로 생산할 수 있지만, 우리나라는 4.5불에서 6불 정도로 상대적으로 비싼 편입니다. 재생 에너지 여건이 좋지 않고 토지 가용성이 제한적이기 때문입니다.
이러한 이유로 우리나라는 수소 경제 이행 기본 계획을 통해 2030년부터 해외에서 수소를 도입할 계획을 발표했습니다. 하지만 고압 가스 수소 저장 방식, 액화 수소, 금속 수소화물 등의 기존 방법으로는 장거리 대용량 수소 운반이 어렵습니다. 이를 해결하기 위해 등장한 것이 수소 캐리어 기술입니다. 일본은 무탄소 수소 전주기 기술 개발을 위해 R&D 프로그램을 먼저 수행했으며, 액화수소, LOHC(액상 유기 수소 운반체), 암모니아 세 가지를 주요 수소 캐리어로 연구했습니다.
이 중에서 암모니아는 저장 밀도가 18wt%로 LOHC보다 높고, 상온에서 8바의 압력만으로도 액화가 가능합니다. 자전거 바퀴 압력 정도면 충분한 것입니다. 또한 암모니아는 이미 우리나라에서 전량 수입될 정도로 유통 인프라가 잘 갖춰져 있어 기존 시설을 활용할 수 있다는 장점이 있습니다. 실제로 운송 거리에 따른 비용 비교에서도 8,000km 거리에서 암모니아가 가장 경제적인 수소 캐리어로 분석되었습니다. 암모니아 분자식 NH3는 분해되면 질소와 수소만 생성되어 환경적으로도 무해합니다.
우리나라는 삼면이 바다로 둘러싸여 물을 쉽게 구할 수 있지만, 재생 에너지 여건이 좋지 않아 불가피하게 해외에서 청정 수소를 도입해야 합니다. 그러나 암모니아라는 효율적인 수소 캐리어 기술이 발전한다면, 우리나라는 수소 경제에서 경쟁력을 확보할 수 있을 것입니다. 특히 수소 전기차 분야에서 배터리 전기차보다 수소 연료전지 차량이 화물차 같은 대형 차량에 더 실용적이라는 점을 고려하면, 암모니아 기반 수소 인프라 구축은 더욱 중요해집니다.
암모니아 크래킹 기술의 발전
암모니아를 수소 캐리어로 활용하기 위해서는 암모니아로부터 수소를 분리하는 크래킹 기술이 필수적입니다. 현재 암모니아 합성은 하버-보슈 공정을 통해 이루어지며, 프리츠 하버와 카를 보슈가 개발한 이 공정은 90% 이상의 암모니아를 생산하고 있습니다. 그러나 질소의 3중 결합을 깨기 위해서는 500도 이상의 고온과 200기압 이상의 고압이 필요하며, 철 촉매가 사용됩니다. 문제는 현재 암모니아 합성에 필요한 수소의 70%가 천연가스 개질로, 20%가 석탄 가스화로 생산되어 이산화탄소 배출이 많다는 점입니다.
따라서 재생 에너지로 생산한 그린 수소로 만든 그린 암모니아, 또는 이산화탄소를 포집한 블루 수소로 만든 블루 암모니아를 생산하는 것이 중요합니다. 암모니아 크래킹 기술은 600℃ 이상의 고온 반응기에서 촉매를 통해 암모니아를 수소와 질소로 분해하고, 정제 단계를 거쳐 고순도 수소를 생산합니다. 이때 수소 연료 기준인 ISO 14687을 충족해야 하며, 특히 수소 전기차의 연료전지는 암모니아에 취약하기 때문에 암모니아 농도를 0.1ppm 이하로 낮춰야 합니다.
에너지기술연구원에서는 국내 최초로 가압형 암모니아 크래커와 촉매를 개발했습니다. 시간당 20노말 큐빅미터 규모로 수소차 여섯 대를 충전할 수 있는 시스템입니다. 일반적으로 화학 시스템에서는 세라믹 재질의 촉매를 사용하지만, 이 시스템에서는 구멍이 뚫린 스펀지 모양의 금속 구조체 촉매를 사용했습니다. 루테늄이 코팅된 이 금속 재질 촉매는 열 전달 효율이 세라믹보다 우수하며, 촉매를 얇고 균일하게 코팅할 수 있는 기술 덕분에 귀금속을 적게 사용해 경제적입니다.
이 시스템을 통해 생산된 수소를 현대자동차 넥쏘 스택에 공급해 100시간 동안 안정적으로 운전되는 것을 확인했습니다. 또한 진정한 무탄소 시스템을 구현하기 위해 버너의 연료로 천연가스 대신 암모니아와 정제 시스템에서 나오는 오프가스를 사용하는 무탄소 연료전지 발전 실험에도 성공했습니다. 암모니아 크래킹 기술은 가스 터빈, 산업 열원, 연료전지 발전 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 호주에서는 재생 에너지로 생산한 그린 수소를 암모니아로 전환해 브리즈번까지 운송한 후 수소차에 충전하는 실증에 성공했습니다.
무탄소 선박과 수소 활용의 확장
해상 운송 분야에서도 IMO 환경 규제가 강화되면서 무탄소 연료에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 암모니아는 선박 연료로서 두 가지 방식으로 활용될 수 있습니다. 첫째는 암모니아를 직접 연소하는 엔진 방식이고, 둘째는 암모니아를 크래킹해서 수소를 만들고 그 수소로 연료전지를 구동하는 방식입니다. 에너지기술연구원에서는 후자인 암모니아 기반 무탄소 연료전지 선박 기술을 개발하고 있습니다.
선박은 공간이 제한되어 있기 때문에 콤팩트하고 고효율의 암모니아 크래커를 개발하는 것이 핵심 과제입니다. 이 기술은 2028년쯤 완료될 예정이며, 우리나라 기술로 만든 암모니아 기반 무탄소 선박이 항해할 날이 기대됩니다. 우리나라는 선박 분야에서 세계적으로 앞서 있기 때문에 암모니아 크래킹과 연료전지를 연계한 선박 실증에서 충분히 주도적 역할을 할 수 있습니다.
일본은 호주에서 생산한 청정 수소를 세 가지 캐리어로 전환해 운송하는 실증을 수행했습니다. 하이스트라 프로젝트는 호주의 갈탄을 가스화해서 수소를 생산하고 액화해서 세계 최초의 액화수소 운반선인 스이소 프론티어로 일본까지 운송했습니다. 스페라 프로젝트는 천연가스를 개질해서 블루 수소를 LOHC인 MCH로 전환해 운송했습니다. 암모니아 프로젝트는 호주에서 그린 수소를 암모니아로 전환해 일본의 석탄 발전소에서 혼소하는 세계 최초의 실증을 수행했습니다. 암모니아를 석탄과 함께 연소하면 암모니아를 넣은 만큼 이산화탄소 배출이 줄어드는 탄소 저감 효과가 있습니다.
수소 전기차는 특히 대형 화물차에서 배터리 전기차보다 실용적입니다. 배터리는 무게가 많이 나가지만 수소는 상대적으로 가벼워 적재 효율이 좋기 때문입니다. 암모니아 크래킹으로 만든 수소는 수소 전기차뿐만 아니라 드론, 트랙터, 선박 등 다양한 모빌리티에 적용될 수 있습니다. IAEA의 전망에 따르면 미래 암모니아 시장은 현재 수요의 두 배 이상 증가할 것으로 예상됩니다. 암모니아는 비료 원료로 인류의 식량 문제를 해결했듯이, 이제 수소 에너지 시대에서 경제적이고 효과적인 수소 캐리어로서 탄소 중립 실현에 핵심적인 역할을 할 것입니다.
수소 에너지는 당장의 한계와 단점이 있지만, 암모니아 기반 수소 운송과 크래킹 기술의 발전으로 그 가능성이 점점 현실화되고 있습니다. 우리나라는 선박 기술과 수소 인프라 측면에서 충분한 경쟁력을 갖추고 있으며, 암모니아 크래킹 기술이 상용화된다면 수소 경제에서 한 발 앞서 나갈 수 있을 것입니다. 청정 수소를 안전하고 경제적으로 활용하는 기술 개발에 지속적인 관심과 지원이 필요합니다.
[출처]
느리지만 코랑과 연구소 : 암모니아는 무슨 색깔일까? https://www.youtube.com/watch?v=U_bOonx6QOw&list=PLFs8qkZ9PQlcRuyRtGShHU80UKVMsTsDI&index=50