[공학저널 전찬민 기자] 암모니아 기반 수소생산 기술은 탄소를 배출하지 않는 친환경 기술로, 국제적으로 제기되는 온실가스 감축 요구에 대응하며 인류 공동의 이익 창출에 기여할 수 있는 핵심 기술로 평가받고 있다.
특히 이 기술은 수소 경제 활성화를 위한 정부의 탄소중립 시나리오 2050과 수소경제 로드맵 목표달성에 중요한 역할을 할 것으로 기대를 모으고 있다. 정부 로드맵에 따르면, 2050년에 필요한 그린수소의 80% 이상은 해외에서 수입해야 하며, 이에 따라 암모니아 기반 수소는 해외에서 생산된 그린수소를 저장·운송해 국내에 안정적으로 공급할 수 있는 유일하고 가장 효율적인 방법으로 주목받고 있다.
이렇듯 암모니아를 활용한 수소생산은 수소 생태계 구축에 필수적인 요소이며, 국내 청정에너지 공급망 안정화에도 크게 기여할 것이라는 전문가들의 의견이 대부분이다. 암모니아 기반 수소생산 기술은 국내외 청정에너지 수요 증가와 맞물려 중요한 역할을 하게 될 것으로 예상되고 있다. 특히 탄소중립을 실현하려는 글로벌 기조 속에서 이 기술은 국제 경쟁력을 갖춘 혁신적인 해결책으로 손꼽히고 있다.
한국화학연구원 수소C1가스연구센터 채호정 센터장(사진)은 “정부와 산업계의 적극적인 지원을 통해 기술 개발과 실증이 이루어진다면, 암모니아를 활용한 그린수소 전환 기술은 향후 글로벌 수소 시장에서 주도권을 확보하는 데 중요한 역할을 할 것”이라고 말했다.
암모니아(NH₃)는 수소를 포함하고 있을 뿐만 아니라 액체 상태로 쉽게 저장 및 운반이 가능하며, 비교적 안전한 물질로 평가된다. 암모니아를 수소로 전환하기 위해서는 고효율 저비용의 촉매 기술이 필수적으로, 이에 화학연구원 수소C1가스연구센터는 암모니아로부터 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 혁신적인 촉매 기술을 개발해 눈길을 끌고 있다.
암모니아는 질소(N)와 수소(H)로 구성된 화합물로, 이를 분해하기 위해서는 높은 온도가 필요하다. 채 센터장과 연구진은 이 과정을 촉진하면서도 반응 온도를 낮추기 위해 루테늄(Ru) 기반의 새로운 촉매를 설계했다. 연구 결과, 루테늄의 전자 밀도가 증가할수록 암모니아 분해 반응이 더욱 원활하게 이루어진다는 사실을 발견했고, 이를 바탕으로 세륨(Ce)과 란타넘(La)을 활용한 특별한 지지체를 설계해 암모니아 분해 효율을 극대화한 촉매를 개발했다. 이 촉매는 기존 촉매 대비 낮은 온도에서도 높은 효율로 수소를 생산할 수 있으며, 장시간 안정적으로 작동하는 것으로 확인됐다.
또한, 연구진은 비귀금속 기반 암모니아 분해 촉매 기술개발에도 성공했다. 세륨(Ce) 이온, 알루미늄(Al) 이온, 니켈(Ni) 이온을 활용해 양이온-음이온 이중 가수분해 원리를 적용했으며, 이를 통해 기존 루테늄 촉매를 대체할 가능성을 확인했다. 이 촉매는 경제적인 이점을 갖추면서도 기존 촉매와 동등하거나 더 나은 성능을 보여, 수소생산 비용 절감과 실용화를 동시에 충족하는 기술로 주목받고 있다.
이러한 연구 성과는 2021년과 2022년 에너지·환경 분야의 국제 학술지에 게재됐으며, 2022년에는 관련 기업에 기술이전도 성공적으로 완료됐다. 2023년에는 국가연구개발 우수성과 100선과 출연연 우수 연구 성과로 선정되며 기술의 우수성과 혁신성을 인정받았다.
현재 수소C1가스연구센터는 촉매의 대량 생산 효율성을 높이고 성형 기술을 상용화할 수 있는 기술 확보에 중점을 두고 연구를 진행 중이다. 기존 실험실 규모에서 적용된 촉매 제조 기술을 산업 규모로 확장하는 과정에서, 금속 나노입자 및 고체 촉매의 균일한 분포와 특성 제어를 위한 새로운 성형 기술이 필요해졌기 때문이다. 이러한 연구를 바탕으로 촉매의 품질을 일정하게 유지하고 생산 효율을 극대화할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다. 또한, 대량 생산 환경에서도 일관된 성능을 구현하기 위한 스케일업 기술 연구도 중요한 과제 중 하나로 진행되고 있다.
이에 화학연구원 전남 여수 센터와 협력해 실증사업을 추진하고 있으며, 연구 성과를 실제 산업 현장에 적용하는 과정에서 발생할 수 있는 문제를 실시간으로 파악하고 해결 방안을 모색하고 있다. 또한, 개발된 촉매를 활용한 반응기 개발에도 힘쓰고 있으며, 수요 기업과 협력해 산업적 활용 가능성을 검증하고 있다.
채 센터장은 “현재 진행 중인 연구는 산업 현장에서 요구하는 성능을 만족하는 촉매 및 고효율 반응기 개발을 목표로 하며, 향후 산업적으로 중요한 기술적 성과를 도출할 것으로 예상된다”며 “이를 통해 암모니아 기반 수소생산 기술은 탄소중립 목표 실현과 수소 경제 활성화에 핵심적인 역할을 할 것이며, 국제 사회의 온실가스 감축 노력에도 크게 기여할 것”이라고 전했다.
그는 이어 “국내 수소 경제를 지속해서 발전시키기 위해서는 차세대 그린수소생산·저장·이송을 위한 핵심 원천기술뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 이를 활용할 수 있는 응용 기술개발도 활발히 이루어져야 한다”며 “연구 성과가 상용화되고 산업 전반에 적용됨으로써 수소 경제 활성화에 기여할 수 있도록 최선을 다하겠다”고 덧붙였다.
