“수소 생산플랜트에서 수소 발전, 선박 등 잠재력 무궁무진, 그린수소 경제 앞당기는 데 기여” – 채호정 / 한국화학연구원 화학공정연구본부 책임연구원

수소 에너지 시대가 정착되기 위해서는 수소를 생산, 운송, 저장 과정에서 경제성과 친환경, 효율성이 입증되는 기술이 필요하다. 이를 위해 암모니아를 활용하는 기술이 부상하고 있다. 암모니아는 비교적 쉽게 액화할 수 있고 이동이 안전하고 효율적인 장점을 갖추고 있다. 최근 한국화학연구원 채호정 박사 연구팀에서 암모니아를 활용, 수소를 생산 및 저장, 운송할 수 있는 새로운 촉매 공정을 개발해 화제다.

채호정 박사를 통해 이 기술의 장점과 플랜트산업 적용 가능성에 대해 알아본다.<편집자주>

– 최근 암모니아를 활용해, 수소를 저장, 이동, 생산하는 촉매 공정기술을 개발했다고 들었다. 어떤 기술인가.

우리 연구팀은 암모니아로부터 수소를 기존에 보고된 촉매 공정보다 약 100 °C 낮은 온도에서 높은 효율로 생산할 수 있는 촉매 기술을 개발했다.

수소는 최근 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 현재 수소는 고압의 기체수소로 저장·운송하는 방법이 주로 사용되고 있다. 그러나 폭발 위험이 있고 비용이 고가이며, 저장량에 한계가 있다는 단점이 있다. 이에 수소의 저장, 이동에 대한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있는데 그 중 하나가 암모니아를 이용한 연구다. 암모니아는 화학식이 NH3로 수소(H)가 포함되어 있으며, 비교적 쉽게 액화할 수 있어 이동이 안전하고 쉽다.

암모니아는 질소와 수소의 결합으로 이루어져 있다. 따라서 암모니아로부터 수소를 생산하려면, 암모니아에 포함된 질소와 수소가 순차적으로 잘 분리되어야 한다. 높은 열을 가해주면 화합물에 포함된 원자가 분리되는 화학반응이 일어나는데 촉매를 통해 온도를 내릴 수 있다. 암모니아가 촉매에 달라붙으면 수소 원자 3개가 하나씩 떨어지고 질소 원자 1개만 남게 되며, 원자로 분리된 수소와 질소는 분자로 다시 재결합해 기체로 나와야 한다. 특히 질소 원자 2개가 재결합해 질소 분자 기체로 떨어져 나가는 과정이 중요한데, 우리 연구팀은 이러한 질소의 재결합-탈착 반응의 활성화 에너지를 낮추어 암모니아로부터 수소를 고효율로 생산할 수 있는 촉매를 새로 개발했다.

– 그 기술의 산업적, 경제적 기대 효과를 설명한다면.

국내에서는 수소경제 구축을 위한 단계적 수소 기술개발 로드맵이 발표되고 수소법이 세계 최초로 제정된 상황이다. 국내 수소 시장은 석유화학, 철강, 전자, 재료, 반도체 산업 등 기존 산업뿐만 아니라 수소 발전, 수소차, 수소 선박 등의 친환경에너지 연료로 새로운 수요가 크게 늘어날 것으로 예상된다.

하지만, 우리나라의 경우 신재생에너지의 지리적 조건 제한성으로 인해 수전해 수소 생산기술로부터 값싼 수소 공급량을 충당하기 어려우며, 부생수소 및 기존 추출 수소만으로는 수요를 감당하기 어려워 2030년부터 국내 수소 수요의 최소 10~50%의 그린수소를 해외로부터 국내에 조달해야 할 것으로 예측되고 있다.

이를 위해 대용량 장거리 수소 저장·운송기술이 필요한데, 그 방안으로 액화수소, LOHC, 액상 암모니아가 제시되고 있다. 이 중 액상 암모니아는 생산시설, 운반선 등의 인프라가 전 세계적으로 이미 구축되어 있고, 높은 수소 저장 밀도 (17.6 wt.%)와 더불어 수소의 저장 및 방출 시 에너지 손실이 적어 가장 현실적인 기술로 평가되고 있다.

즉, 기존의 암모니아 저장, 공급 인프라가 구축되어 있는 기업과 연계함으로써 국가적으로 추진 중인 수소 생산-저장/이송-활용으로 구성되는 수소 경제 사회 구축 및 국가 핵심 에너지/환경 정책에 대응할 수 있을 것으로 판단되며, 국내 수소 제조기술의 자립화 및 국제 경쟁력 강화를 도모할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

– 특히 기존 수소 생산 촉매 공정과는 다른 장점은 무엇인가.

신재생에너지를 이용하여 생산된 수소를 저장, 이용하는 기술은 각각의 단위공정에서 발생하는 에너지 소모를 최소화하여 에너지효율을 높이는 것이 중요하다. 특히, 암모니아를 이용한 수소 전환 공정은 열역학적으로 암모니아가 수소로 전환될 때 많은 열에너지를 소모하게 됨에 따라, 공정의 열관리가 에너지 소모를 최소화 할 수 있는 대안 중 하나다. 우리가 개발한 촉매는 기존의 촉매 공정보다 반응온도를 100 °C 정도 낮추고, 단위 촉매당 수소를 40% 더 많이 생산할 수 있어 에너지 소모를 최소화하고 대량의 수소를 생산할 수 있음에 따라 플랜트뿐만 아니라 다양한 용도에 적용 가능할 것으로 판단하고 있다. 우리는 촉매 표면에 있는 루테늄의 전자가 풍부해질수록 암모니아로부터 질소의 재결합-탈착 반응이 잘 일어난다는 것을 발견하고, 루테늄에 전자를 잘 줄 수 있도록 촉매 지지체를 설계했다.

이를 위해 암모니아 분해에 최적화된 세륨(Ce)과 란타넘(La)이 포함된 복합산화물 지지체를 합성하고, 이 지지체 표면에 루테늄(Ru) 금속 나노입자가 고르게 분산된 새로운 촉매(Ru/LaxCe1-xOy)를 개발했다. 본 촉매 공정에서는 기존에 보고된 촉매 공정보다 100°C 가량 낮은 450°C에서 수소를 100% 생산할 수 있고 400°C의 온도에서도 90% 이상의 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다.

개발된 촉매는 기존에 보고된 촉매들보다 같은 조건에서 수소 생산량이 약 40% 향상되었고, 수백시간 이상의 내구성 테스트에서도 안정적인 성능을 보여주었으며, 개발된 촉매는 금속 전구체(화합물 원료)를 용액상에서 침전시킨 뒤 열처리하는 방법인 침전법으로 비교적 쉽고 간단하게 제조할 수 있어 대량생산과 상용화에 유리한 장점을 가지고 있다.

우리는 이같은 내용을 에너지·환경 분야 최고 권위지인 Applied Catalysis B-Environmental* (IF: 16.683) 5월호에 게재하였다.

– 이번에 개발된 촉매시스템이 상용화되면, 어느 분야로 적용이 가능한가.

2030년 이후 국내 수소 수요량 중 40% 정도를 해외 그린 암모니아를 통해 공급한다면, 2030년 400만톤 이상, 2040년 1,000만톤 이상이 될 것으로 전망되고 있다. 이에 따라, 암모니아 탱크/파이프라인 등 기존 인프라를 보유한 기업과 연계하여 전국 5-6 곳 정도의 산업단지와 항만 지역에 대규모 수소 생산 플랜트를 구축하여 다가오는 수소 경제 사회에 기여할 수 있을 것으로 판단하고 있다.

이와 더불어, 중·소 규모의 연료전지 발전에 수소를 공급하기 위하여 수입된 그린 암모니아를 발전소에 공급 및 수소로 전환하여 활용이 가능할 것으로 판단되며, 소규모 연료전지 시스템에도 적용 가능하여 조선 해운산업의 탈탄소화를 위해 보조전력으로도 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 다만, 암모니아의 특성상 주민 불안과 갈등이 예상되며 이는 해결해야 하는 과제로써 남아 있다고 생각한다. 이에 따라, 도심에 위치하는 수소 스테이션에 암모니아를 직접 적용하기보다는 도심 외각 지역에 위치하는 플랜트에서 수소를 생산한 후 파이프를 이용하여 공급하거나, 도시 외각 지역의 발전소 또는 소규모 연료전지 시스템에서 전력을 생산하여 공급함으로써 주민 불안 최소화를 통한 수용성을 제고하고 주민 갈등을 해소할 수 있을 것이라 판단하고 있다.

– 상용화를 위한 실증 단계는 어떻게 계획되고 있나.

  현재 국내에서 암모니아를 이용하여 수소를 생산하는 실증 연구는 국내의 기업과 국책연구기관의 연계를 통해 20 Nm3/hr 급의 암모니아 분해 수소 생산/정제 시스템 개발 연구가 수행되었다. 하지만, 대규모 수소 플랜트 개발을 위한 실증공정 개발에 관한 연구는 아직 수행전이며, 현재 정부의 연구사업 지원을 통해 내년부터 추진을 계획하고 있는 것으로 알고 있다.

이에 따라, 본 연구진은 개발한 촉매 원천 기술을 내년부터 추진될 실증단계 연구에 바로 적용하기 위하여, 한국화학연구원의 내부과제를 통해 촉매 대량생산 기술과 실증 및 상용화 단계의 촉매 반응기를 개발하기 위한 scale-up 연구를 수행 중에 있다. 현재 내년부터 추진할 것으로 예상하고 있는 실증 플랜트의 규모는 1,000 Nm3/hr급 이상일 것으로 판단하고 있으며, 이러한 규모는 전 세계적으로 처음 시도되는 큰 규모의 플랜트 실증화 기술 개발 사업이 될 것이라 보고 있다.

–  국내 수소산업 발전을 위해 특히 연구개발해야 할 기술은 무엇이라고 생각하나.

무엇보다 수소 사회에 빠르게 진입할 수 있는 기술이 필요하다. 이러한 관점에서 암모니아는 이미 생산 및 저장에 대한 인프라가 구축되어 있어 다른 수소 저장체 기술에 비해 성숙도가 높은 상황이다. 하지만, 암모니아로부터 수소를 추출하기 위한 플랜트 공정 기술 개발의 부재로 인해 상용화가 지연되고 있으며, 이를 해결하기 위한 대규모 pilot 플랜트 실증화 기술 개발에 대한 연구가 수행되어야 된다고 생각한다.

기존의 요소기술을 확보한 기관들과 암모니아 수입 인프라를 보유한 기업의 협력을 통해 조기 실증화 및 상용화를 추진하고, 이와 더불어 신 요소기술들을 국내외 협력을 통해 개발하여 공정 개선 및 에너지 효율 최적화를 추진한다면 정부 핵심 에너지/환경정책에 대응하여 국내 수소 제조기술의 자립화 및 국제 글로벌 경쟁력 강화로 국내 기업의 세계시장 진출을 유도함으로써 경제적 이윤을 창출할 수 있을 것이라 판단하고 있다.

– 끝으로 개인적으로 연구에 대한 포부나 플랜트산업계에 하고 싶은 의견이 있다면.

향후 10년은 국내 수소 사회 기반 구축을 위하여 매우 중요한 시기로 생각하고 있다. 이러한 수소 사회 진입을 위한 기반 구축에 제가 수행하는 연구가 조금이나마 도움이 될 수 있었으면 하는 것이 작은 바램이다. 그리고 개인적으로 기업에서의 연구와 상용화 경험이 현재 출연연에서 수행하는 연구의 가장 큰 자산이라고 할 수 있다. 이러한 관점에서 연구 개발이 현실적인 미래 비전을 찾고 이를 상용화 기술로 확장할 수 있으려면 기업에서 플랜트를 경험한 연구자들이 함께 새로운 신기술 개발에 협력하거나 직접 참여할 기회가 많았으면 한다.