암모니아 대량 생산기술을 개발한 윤형철(아랫줄 가운데) 청정연료연구실 박사 등 한국에너지기술연구원 연구팀 [한국에너지기술연구원 제공]

국내 연구진이 그동안 전량 수입에 의존해왔던 수소 저장 수단이자 무탄소 연료로 주목받고 있는 암모니아를 값싸게 대량 생산할 수 있는 핵심 기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원은 윤형철 청정연료연구실 박사 연구팀이 세계 최고 수준 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 3분의 1 수준으로도 99.9%의 고순도 암모니아 생산하는데 성공했다.

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 탄소 배출을 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.

연구팀은 기존 하버-보슈 공정의 한계를 극복, 암모니아 합성 촉매를 양산하기 위한 제법과 촉매 성형법 개발에 성공했다. 특히 하루 1㎏의 암모니아를 생산할 수 있는 실험실 규모 공정을 구축해 50바(bar)의 저압에서도 99.9%의 순도를 갖는 고순도 암모니아 생산에도 성공했다.

연구팀은 최민기 KAIST 생명화학공학과 교수 연구팀과 공동 개발한 분말 형태의 루테늄·산화바륨 촉매를 원주형 펠릿 형태로 만들어 상업적으로 활용할 수 있도록 제품화했다. 또 기존 160도의 고온에서 제조되는 촉매를 상온에서 제조할 수 있도록 개발해 촉매 합성 시간을 기존 대비 3분의 1로 줄이고 생산 효율을 높였다.

연구진이 개발한 촉매 양산법과 독자적으로 설계한 암모니아 생산 공정을 이용하면 암모니아 생산 운영에 소요되는 비용을 15% 이상 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 또 기존 공정에 비해 낮아진 압력은 공정의 구성품인 압축기, 반응기 등의 제작비용도 낮춰 생산 비용 전체를 줄일 수 있다. 윤 박사는 “저압·저온 저비용 암모니아 생산 기술은 탄소중립의 미래를 앞당길 수 있는 열쇠가 될 것”이라며 “향후 청정수소·무탄소 연료 도입을 위한 암모니아 생산 플랜트 국산화에 크게 기여할 수 있다”고 밝혔다.

구본혁 기자