'암모니아' 국산화 길 열렸다...'합성촉매' 대량생산 기술개발

김나윤 기자 / 기사승인 : 2024-02-07 16:12:37
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▲저압 암모니아 합성 펠릿 촉매(사진=한국에너지기술연구원)

전량 수입에 의존하고 있는 무탄소 연료 '암모니아'를 국내에서 값싸게 만들 수 있는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

한국에너지기술연구원 청정연료연구실 윤형철 박사 연구팀은 세계 최고 수준의 저압 암모니아 합성 촉매를 대량으로 생산할 수 있는 방법을 개발했다고 7일 밝혔다.

합성비료의 원료가 되는 암모니아는 최근 수소의 저장·운반수단이자 무탄소 연료로 주목받고 있다. 액체수소와 비교해 적은 에너지로 운송·저장이 가능하고 단위 부피당 수소 저장량이 약 1.7배 커 대용량 저장과 장거리 운송에 유리하기 때문이다. 무엇보다 연소 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않아 석탄과 천연가스를 대체할 연료로 꼽힌다.

다만 탄소배출을 줄이려면 생산 과정에서의 에너지 사용량을 줄일 필요가 제기됐다. 기존 하버-보슈 공정은 화석연료로 생산한 수소와 공기의 질소를 400℃ 이상의 고온과 150바(bar) 이상의 고압에서 반응시켜 암모니아를 합성하는 공정으로, 이산화탄소 방출과 에너지 소모가 크다.

더욱이 암모니아 생산기술은 해외 기업이 독점하고 있어, 우리나라는 암모니아를 100% 수입하는 상황이었다. 이에 연구진은 기존에 필요한 압력의 3분의 1 수준인 50바(bar)의 저압에서 99.9% 고순도 암모니아를 생산하는 데 성공했다.

연구진은 한국과학기술원 최민기 교수진과 공동개발한 분말 형태의 루테늄/산화바륨 촉매를 원주형 펠릿 형태로 만들었다. 또 기존 160℃에서 제조되는 촉매를 상온에서 제조할 수 있도록 개발해 촉매 합성 시간을 기존 대비 3분의 1로 줄이고 생산 효율도 높였다.

연구진은 암모니아를 하루 1kg 생산할 수 있는 국내 유일의 실험실 규모 생산 공정을 구축하고, 공정의 유기적 설계를 통해 50바(bar)의 압력과 400℃ 이하의 저온에서도 암모니아를 생산하는데 성공했다.

개발된 공정을 이용하면 생산 비용을 15% 이상 절감할 수 있을 것으로 연구진은 기대하고 있다. 연구진은 올해 하루 5킬로그램(5kg/d)의 생산 공정을 제작할 예정이며, 나아가 하루 생산량을 50킬로그램(50kg/d)까지 확대할 계획이다.

연구책임자인 윤형철 박사는 "저압·저온 저비용 암모니아 생산 기술은 탄소중립의 미래를 앞당길 수 있는 열쇠가 될 것이며 향후 청정수소 및 무탄소 연료 도입을 위한 암모니아 생산 플랜트 국산화에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

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