기존 하버-보슈 공정에 필요한 압력 1/3 수준으로 99.9% 고순도 암모니아 생산 성공
청정 암모니아 대량 생산 경쟁력 확보로 암모니아 100% 수입 의존 극복 기대
[에너지데일리 변국영 기자] 친환경 암모니아를 대량으로 생산할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 주목된다.
한국에너지기술연구원 청정연료연구실 윤형철 박사 연구진이 세계 최고 수준의 저압 암모니아 합성 촉매를 대량으로 생산할 수 있는 양산법을 개발했다. 연구진은 이 기술을 통해 생산한 촉매를 암모니아 생산 공정에 적용해 기존 하버-보슈 공정에 필요한 압력의 1/3 수준으로도 99.9%의 고순도 암모니아 생산하는데 성공했다.
연구진은 기존 하버-보슈 공정의 한계를 극복, 암모니아 합성 촉매를 양산하기 위한 제법과 촉매 성형법 개발에 성공했다. 여기에 그치지 않고 일일 1킬로그램(1kg/d)의 암모니아를 생산할 수 있는 실험실 규모 공정을 구축해 50바(bar)의 저압에서도 99.9%의 순도를 갖는 고순도 암모니아 생산에도 성공했다.
연구진은 한국과학기술원 최민기 교수진과 공동 개발한 분말 형태의 루테늄/산화바륨 촉매를 원주형 펠릿 형태로 만들어 상업적으로 활용할 수 있도록 제품화했다. 또 기존 160도℃의 고온에서 제조되는 촉매를 상온에서 제조할 수 있도록 개발해 촉매 합성 시간을 기존 대비 1/3로 줄이고 생산 효율을 높였다.
이를 통해 생산한 촉매는 연구진이 구축한 국내 유일의 암모니아 생산 공정을 통해 성능을 평가됐다. 암모니아 생산 공정은 원료인 수소와 질소를 공급하는 공급부와 암모니아를 합성하는 반응부, 합성한 암모니아를 냉각 분리해 고순도의 암모니아를 추출하는 냉각부로 구성된다. 연구진은 공정의 유기적 설계를 통해 50바(bar)의 압력과 400oC) 이하의 저온에서도 암모니아를 생산하는데 성공했다.
연구진이 개발한 촉매 양산법과 독자적으로 설계한 암모니아 생산 공정을 이용하면 암모니아 생산 운영에 소요되는 비용을 15% 이상 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 더불어 기존 공정보다 낮아진 압력은 공정의 구성품인 압축기, 반응기 등의 제작비용도 낮춰 생산 비용 전체를 줄일 수 있다.
연구책임자인 윤형철 박사는 “저압·저온 저비용 암모니아 생산 기술은 탄소중립의 미래를 앞당길 수 있는 열쇠가 될 것”이라며 “향후 청정수소 및 무탄소 연료 도입을 위한 암모니아 생산 플랜트 국산화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
연구진은 2024년 암모니아 생산과 장기 운전을 통해 안정성을 확보하고 일일 5킬로그램(5kg/d)의 생산 공정을 제작할 계획이다. 더 나아가 최종적으로 파일럿 규모인 일일 50킬로그램(50kg/d)까지 규모에서 검증할 예정이다.
