- 에너지연, 국내 최초로 암모니아에서 이산화탄소 배출 없는 고순도 수소 생산 성공

- 암모니아 분해 시 사용하는 화석연료를 암모니아, 수소로 대체하는 생산 시스템 구현

- 고순도 수소를 활용한 건물용 연료전지 실증도 완료

[사진자료] 암모니아 분해 반응장치 앞 연구진 단체사진(왼쪽부터 정운호 책임연구원, 박용하 선임연구원, 구기영 책임연구원)

■ 한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’) 수소연구단 정운호 박사 연구진이 국내 최초로 화석연료를 사용하지 않는 암모니아 분해 기반 청정 수소 생산 기술을 개발했다. 이로써 화석연료 사용 시 발생하는 이산화탄소 배출 없이도 수소전기차용 국제표준을 충족하는 고순도의 수소 생산이 가능해졌다.

□ 수소와 질소의 화합물인 암모니아는 액화수소에 비해 수소 저장 밀도가 1.7배 높아 가장 경제적인 수소 운송책으로 주목받고 있다. 특히 100년이 넘는 시간 동안 비료 등 다양한 분야에 활용된 만큼 인프라, 취급, 안전 기준도 갖춰져 있어 수소 저장과 운송 문제를 해결할 가장 현실적인 대안으로 평가받고 있다.

□ 암모니아는 수소와 질소만으로 이루어져 있어 수소를 분리할 때는 탄소가 배출되지 않는다. 하지만 분해하는 과정에서 600도(℃) 이상의 열에너지 공급이 필요하며, 이때 화석연료를 사용해 도리어 이산화탄소가 배출된다. 따라서 진정한 청정 수소 생산을 위해서는 암모니아 분해 과정에서도 탄소 배출이 없는 에너지원을 사용해야 한다.

■ 연구진은 암모니아 분해 반응 후 남은 미량의 수소와 암모니아를 열원으로 재사용해 기존 공정에서 열원으로 활용하던 화석연료 없이도 고순도의 수소를 생산하는데 성공했다. 

□ 암모니아를 원료로 고순도 수소를 생산하기 위해서는 600도(℃) 이상의 고온에서 루테늄(Ru) 촉매를 이용해 암모니아를 분해하고 압력변동흡착(PSA*) 기술을 이용해 수소를 정제해야 한다. 이 과정에서 질소와 수소가 포함된 잔류가스가 발생하고 암모니아 분해 반응기 열원으로 재사용된다. 다만 잔류가스만으로는 열량이 부족하기 때문에 추가적으로 열량을 보충해 주어야 한다.

* PSA (Pressure Swing Adsorption): 수소 분리에 가장 많이 사용되고 있는 공정. 혼합기체에서 특정 기체를 분리하는 데에 활용하는 흡착기반의 공정으로, 기체 분자들이 특정 흡착제에 가지는 흡착평형을 활용하여, 공정 압력을 조절하여 기체를 분리함

□ 기존 기술의 경우 부족한 열량을 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG) 등의 화석연료로 보충하기 때문에 연소 시 이산화탄소가 배출되는 문제가 있었다. 하지만 이번에 개발된 시스템을 이용하면 화석연료 대신 암모니아를 공급해 열량을 충당하고 이산화탄소 배출을 원천 차단할 수 있다.

[그림] 암모니아 기반 무탄소 수소생산 기술의 기본 원리(위)

기존 기술과 에너지연 개발 기술의 비교(아래)

■ 개발한 시스템을 이용하면 수소전기차용 연료전지에 공급 가능한 99.97% 이상의 고순도수소를 시간당 약 0.5킬로그램(5Nm3)을 생산할 수 있다. 아울러 생산된 수소의 불순물 농도는 질소 300ppm 미만, 암모니아 0.1ppm 미만으로 수소전기차용 국제표준인 ISO 14687* 기준을 충족했다.

* ISO 14687: 차량 및 고정형 애플리케이션의 사용을 위해 유통되는 수소 연료의 최소 품질 특성을 명시한 국제 표준

[사진] 암모니아 추출 수소 연계 무탄소 건물용 연료전지

■ 연구책임자인 정운호 박사는 “이번에 개발된 기술은 그동안 2% 부족했던 암모니아 기반 무탄소 수소 생산 기술을 완성했다는 점에서 의의가 있으며 청정 수소가 필요한 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”라며, “암모니아와 연료전지를 결합해 친환경 선박의 무탄소 전원으로 활용할 수 있고 향후 용량을 확대하면 청정 수소 발전시장에도 참여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

□ 한편, 이번 연구는 한국남부발전의 지원을 받아 수행됐다.