정부가 무탄소에너지(CFE) 확대에 나선 가운데 태양광·풍력와 더불어 수소에 대한 기대감이 높아지고 있다. 특히 높은 수소 저장 밀도, 기존 인프라 활용 등 장점을 토대로 청정수소를 만들어낼 수 있는 암모니아 크래킹(cracking, 분해) 기술이 주목을 받고 있다. 

지난 12일 서울 상암동 DMC타워에서 열린 ‘암모니아 크래킹 기술과 초고효율 수소 복합발전 연계 기술 세미나’에선 수소 산업을 이끌 수소캐리어로 암모니아를 주목했다.

2021년 정부가 발표한 수소경제 이행기본계획에 따르면, 우리나라는 2030년까지 수소 공급량 390만톤, 청정수소 자급률 34%를 목표로 하고 있다. 그러나 수소는 매우 가볍고 작은 분자여서 저장·운송 과정에서 손실될 우려와 동시에 폭발 가능성도 있다. 관련 인프라도 태양광·풍력 등 다른 에너지원 대비 상대적으로 작다.

수소의 저장형태 및 운송방법으로는 고압수소, 액화수소, LOHC(액상유기물), 암모니아 등이 있다. 이중 암모니아는 액화수소 대비 단위 부피당 1.7배 많은 수소를 저장할 수 있으며 높은 에너지 밀도를 보유하고 있다. 또, 기존 인프라를 활용해 장기보관이 용이하다.

정운호 한국에너지기술연구원 박사는 “암모니아 분해 반응은 온도, 압력에 따라 열역학적 평형 조성을 나타내는데, 이론적으로 90%에 가까운 높은 열효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다”면서 “일본이 암모니아 기반 수소생산 기술에 대한 기술개발을 가장 먼저 시작했고, 우리나라 역시 최근 몇 년 간의 연구개발을 통해 수소충전소용 암모니아 크래커 기술 등을 확보했다”고 말했다.

암모니아 크래킹 공정은 액화 암모니아를 공급하면 이를 기화·예열해 반응(크래커)시켜 발생하는 열을 회수한 뒤 잔류 암모니아를 제거하는 방식이다. 여기서 질소 제거(PSA) 과정까지 거치면 고순도의 수소가 생산된다.

암모니아는 열역학적으로 350℃에서 전환율 98% 달성이 가능하지만, 활성화 에너지, 반응속도 장벽 등으로 인해 실제론 500℃ 이상의 반응 온도가 요구된다. 이 과정에서 촉매 또한 중요한 역할을 한다.

손현태 한국과학기술연구원(KIST) 책임은 “효율적 촉매제로는 귀금속 중에서는 루테늄(Ru)이, 비귀금속 중에서는 니켈(Ni)이 가장 많이 연구되고 있으며, Ru의 경우 0.5~5wt.%(weight percent) 중량, Ni은 5~50wt.% 중량으로 개발되고 있다”면서 “다만 Ru의 가격이 Ni 대비 약 800~1000배 높아 여러 합금 촉매 연구가 이어지고 있다”고 말했다.

전문가들은 암모니아를 분해해 생산한 수소를 실제로 활용하려면 궁극적으론 이와 연계한 수소복합발전 기술개발이 필요하다고 조언한다. 

신인철 두산에너빌리티 수석은 “결국 전력공급 등 실제 시장에 상업화되려면 그만한 규모의 저탄소 발전용 암모니아 크래킹 플랜트와 복합발전 플랜트 사이의 연계 및 제어 기술이 중요하다”면서 “생산한 수소를 손실 없이 안정적으로 보내는 것이 곧 타 에너지원 대비 수소의 경쟁력이자 단가에 직접적으로 영향을 미치기 때문”이라고 설명했다.

두산에너빌리티는 단독형(Stand-alone Type) 및 연계형(Integrated Type) 암모니아 크래킹 플랜트 기술을 동시에 개발하고 있다. 신인철 수석은 “해당 분야 원천 기술 확보를 위해 영국 Johnson Matthey社와 파트너십을 구축, 수소 터빈 복합발전 연계 기술개발을 진행하고 있다”고 덧붙였다.

손현태 책임은 “미래의 석유는 암모니아라고 볼 수 있다”면서 “암모니아를 분해(수소 생산) 또는 연소(열생산)를 통해 우리 사회에 필요한 발전, 운송, 난방 등 탄소 기반의 에너지 체계를 완전히 혹은 부분적으로 대체할 가능성이 매우 높다”고 말했다.

김재민 기자 jaemin@kukinews.com