[기계신문] 기후변화 및 각종 환경오염 문제를 극복하기 위해 세계적으로 탄소 기반의 에너지 사회를 재생에너지 기반의 에너지 사회로 재구축하려는 노력이 이어지고 있다.
하지만 재생에너지는 그 분포가 지역과 시간에 따라 편중되어 있어서, 재생에너지의 보편적 사용을 위해서는 재생에너지를 대용량으로 저장할 수 있는 에너지 저장체를 이용하여 국가 간 혹은 대륙 간 교역 시스템을 구축해야 한다.
수소는 대용량, 장기간으로 안정적인 에너지 저장이 가능한 물질로서 유럽, 일본, 사우디아라비아, 호주 등 다양한 나라에서 재생에너지 저장체로 수소를 이용하여 세계 재생에너지 교역 시스템을 구축하려고 노력하고 있다.
하지만 수소는 부피 대비 매우 낮은 에너지 밀도를 가지기에 해외로부터 경제적으로 대용량의 수소를 수입하기 위해서는 화학적·물리적 수소저장 방법에 관한 연구가 필수적이다.
최근 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 손현태, 윤창원 박사 연구팀이 수소가 저장된 암모니아를 분해하여 수소를 추출하기 위해 사용되는 값 비싼 귀금속인 루테늄(Ru)의 사용량을 60% 줄인 나노 금속 촉매를 개발했다.
수소의 장거리 운송을 위해서는 액체 형태의 수소로 저장하여 운송하는 방식이 고려되고 있는데, 최근 암모니아가 새로운 수소 저장체로 떠오르고 있다.
액화 암모니아(NH₃)는 액화 수소보다 50% 많은 용량의 수소를 저장할 수 있으며, 암모니아를 고온에서 분해하게 되면 오직 수소와 질소 기체만이 생산되기 때문에 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있다.
또한, 암모니아는 현재 전 세계적으로 연간 2억 톤 이상이 생산되어 산업에 사용되고 있어 현존하는 대용량 저장 및 장거리 운송을 위한 인프라를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
하지만 암모니아에서 수소를 추출하는 분해반응 자체가 높은 온도와 압력에서 진행되기 때문에 상당히 많은 열을 공급해야 한다는 문제가 있다.
일반적으로 고체 파우더 형태의 촉매를 반응 중에 함께 사용하면 반응 온도를 낮출 수 있지만, 기존 개발된 루테늄 금속 기반 촉매는 가격이 매우 비싼 데다가 내구성이 좋지 않아 주기적으로 새로운 촉매로 교체해야 한다.
KIST 연구팀은 루테늄 금속 입자와 제올라이트를 진공에서 열처리하여 강하게 결합해, 나노미터 크기 혹은 그보다 작은 루테늄 금속 입자가 제올라이트 지지체의 각 구멍 안에 고르게 담긴 암모니아 분해용 촉매를 개발하였다.
개발된 촉매는 암모니아 분해 성능이 기존 상용 촉매보다 2.5배 이상 좋아 루테륨 금속을 기존의 40%만 사용하고도 동일한 효율을 얻을 수 있었다. 또한, 나노미터 단위의 매우 작은 루테늄 금속 입자가 높은 반응 온도에서도 안정적으로 존재하기 때문에, 기존 촉매의 상용화에 큰 걸림돌이었던 낮은 내구성 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상된다.
손현태 박사는 “개발된 촉매는 결정형 광물인 제올라이트에 1나노미터 크기의 루테늄(Ru) 금속이 고르게 퍼져있는 형태로, 촉매 성능 및 내구성이 기존 보고된 촉매보다 높아 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하는 공정의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다”고 언급했다.
윤창원 박사는 “암모니아를 이용한 대용량 수소 운반의 중요성은 날로 커지고 있으며, 선진국 간의 관련 원천기술 확보가 치열하다”며 “이 촉매를 현재 연구 개발 중인 대용량 암모니아 분해 수소생산 공정에 적용하면 궁극적으로 국가 간 대용량 수소운송 상용화에 도움이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
암모니아 기반 수소추출방법은 기존 천연가스 수증기 개질 방법과 함께 국내 수소공급을 위한 거점 수소공급기지 등에 활용 가능할 것으로 기대된다. 현재 플랜트 엔지니어링 회사인 CES와 한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원, 현대자동차가 함께 20Nm₃/hr급 암모니아 분해 수소생산 시스템을 개발 중이다.
기업 중에서는 원익머트리얼즈와 원익홀딩스가 가장 앞장서서 300Nm₃/hr급으로 연구 개발을 진행 중이다. 이번에 개발된 촉매를 개발 중인 중·대용량급 암모니아 분해반응 공정에 적용할 계획이다.
한편, 산업통상자원부 지원을 받아 한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업으로 수행된 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 학술지 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ 최신 호에 게재되었다.
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