한국 연구진이 청정 수소의 열쇠로 암모니아에 주목하는 이유
한국 과학자들이 고온에서 암모니아를 수소와 질소로 분해해 화석연료를 태우지 않고 수소를 생산하는 방법을 선보였다. 한국에너지기술연구원(KIER) 엔지니어들은 약 1,112도 화씨(섭씨 약 600도)에서 작동하며 순도 99.97%의 수소를 생산하는 반응기를 개발했다고 밝혔다. 이 수소는 차량이나 건물에 전력을 공급하는 연료전지에 사용할 수 있는 수준이다. 이번 연구는 규모를 키울 수 있는 소재와 공정을 활용하면서 수소 공급망에서 이산화탄소 배출을 줄이는 것을 목표로 한다.
목차
수소는 이미 열차와 시험 비행용 항공기, 승용차, 버스, 선박에 쓰이고 있다. 그러나 오늘날 생산되는 수소 대부분은 천연가스를 수증기와 반응시키는 메탄 수증기 개질 방식으로 만들어지며, 이 과정에서 이산화탄소가 배출된다. 풍력·태양광 전력으로 물을 전기분해하는 방식 등 청정 생산 경로도 확대되고 있다. 수소를 운송하는 일도 과제다. 기체 수소는 밀도가 매우 낮아 장거리 운송을 위해 압축하거나 극저온에서 액화해야 한다. 비료 생산에 널리 쓰이는 암모니아가 대안이 될 수 있다. 암모니아는 온화한 조건에서 액체 상태를 유지하고 분자 결합에 수소를 담고 있다. 도착지에서 암모니아를 청정 수소와 질소로 분해할 수 있다면, 재생에너지가 풍부한 지역과 수요가 큰 지역을 잇는 실용적인 가교가 된다.
KIER 반응기 내부: 암모니아를 연료전지급 수소로 전환
암모니아 분해는 간단한 화학 반응이다. 촉매가 있는 상태에서 암모니아(NH3) 분자를 가열하면 수소와 질소로 나뉜다. 균형 반응식에 따르면 암모니아 분자 2개가 질소 분자 1개와 수소 분자 3개를 만든다. 백금과 같은 계열의 귀금속인 루테늄은 섭씨 약 600도에서 성능이 좋아 흔히 촉매로 사용된다. KIER 설비는 이 촉매 반응 경로를 이용한 뒤 가스를 정제해 연료전지급 수소를 생산한다.
분해기에서 나온 수소에는 질소와 반응하지 않은 암모니아가 미량 섞여 있다. 정유시설에서 표준적으로 사용하는 정제 공정인 압력변동흡착법으로 기체를 분리한다. 다공성 물질을 채운 흡착탑은 압력이 높을 때 오염물질을 포집하고, 압력을 낮추면 고순도 수소를 내보낸다. 여러 흡착탑이 흡착과 재생을 번갈아 수행해 수소를 꾸준히 생산한다. KIER에 따르면 이 반응기는 배관과 호스, 계기, 실린더가 연결된 사각 금속 프레임 안에 설치돼 있다. 또 공정 가스 일부를 재순환해 탄화수소 연료를 태우지 않고도 높은 온도를 유지하는 제어 방식을 적용했다. 이 방식은 전환 과정에서 직접적인 이산화탄소 배출을 막는다.
암모니아가 강력한 수소 운반체인 이유
수소는 저장과 운송이 까다롭다. 액화수소를 보관하려면 영하 253도 안팎의 극저온 탱크가 필요하다. 기화 손실도 관리해야 하며 운송에는 막대한 자본이 든다. 암모니아는 영하 33도 안팎이나 비교적 낮은 압력에서 액화된다. 화학 산업은 이미 암모니아를 대량으로 전 세계에 운송하고 있다. 에너지 분야에서는 재생에너지 전력이 저렴한 곳에서 암모니아를 합성해 선박으로 운송한 뒤, 최종 사용자 인근에서 분해할 수 있다는 뜻이다.
한국의 산업 실증 사업은 이 모델의 신뢰도를 높이고 있다. 시지 플라스모닉스와 롯데케미칼은 울산에서 완전 전기식 암모니아 분해 시스템을 시험했다. 이 설비는 에너지 효율 81%, 전환율 99%를 달성했고 하루 약 290kg의 수소를 생산했다. 보고된 에너지 사용량은 수소 1kg당 약 11kWh였으며, 설계 목표는 1kg당 8kWh다. 양사는 지역 수요에 공급할 소규모 상업용 플랜트 개발을 추진할 계획이다. 이 같은 성과는 한국과 일본을 비롯한 에너지 수요가 큰 지역에 공급할 수입 경로의 가능성을 보여준다.
실험실에서 도로와 선박까지: 운송 분야의 변화 가능성
연료전지 차량에는 고순도 수소가 필요하다. 고분자전해질막 연료전지 스택의 촉매가 불순물에 민감하기 때문이다. KIER가 제시한 순도 99.97%는 이 같은 요구에 부합한다. 유력한 보급 방식은 암모니아를 들여와 현장에서 분해한 뒤 정제 수소를 충전소에 공급하는 지역 거점을 구축하는 것이다. 조선소와 항만, 물류단지는 이미 위험물과 대규모 에너지 흐름을 다루고 있어 초기 설비를 두기에 적합하다.
암모니아를 직접 연료로 사용하는 엔진
한국 엔지니어들은 암모니아를 연료로 직접 사용하는 방안도 연구하고 있다. 한국기계연구원이 현대자동차·기아와 함께한 연합 연구진은 순수 암모니아를 연소실에 직접 분사하는 고압 엔진을 공개했다. 연구진은 다단 연료 분사와 가변 밸브 타이밍을 동기화하고 점화 시스템을 강화해 안정성과 출력을 개선했다. 자체 개발한 후처리 장치는 질소산화물과 미연소 암모니아를 줄여 대기질 문제에 대응한다. 이 설계는 기체 암모니아 개질기가 필요 없어 일부 용도의 시스템을 단순화한다. 해상 추진과 독립형 전력, 대형 차량용으로 개발되고 있으며, 2027년 보급 계획을 검토 중이다.
공급망 구축: 선박, 탱크, 공장
대규모 수소 거래에는 특수 선박과 저장 설비가 필요하다. HD한국조선해양은 영하 253도 안팎의 극저온을 유지하는 진공 단열 방식 수소 운반 탱크에 대해 미국선급협회(ABS)로부터 기본승인(AiP)을 받았다. 회사와 협력사들은 8만㎥급 액화수소 운반선을 검토하고 있다. 액화수소 탱크 개발은 기존 암모니아 운반선단 확충과 함께 진행되고 있으며, 암모니아 운반선은 에너지 수송을 병행 지원할 수 있다.
육상 제조 역량도 확충되고 있다. 현대자동차는 차세대 수소연료전지와 고분자전해질막 수전해 설비를 생산할 신규 공장을 울산에 짓기 시작했다. 투자 규모는 6억4,400만 달러를 웃돈다. 이 공장은 2027년 완공돼 연간 약 3만 대의 연료전지 유닛을 생산할 예정이다. 성능과 비용을 개선하고 수소 생산 핵심 기술을 국내에 확보하는 것이 목표다.
업계 관계자들의 발언
HD한국조선해양 경영진은 탱크 개발 성과가 에너지 운송의 탈탄소화를 위한 더 큰 노력의 일부라고 보고 있다.
에너지 전환을 이끌고 넷제로 목표를 달성하기 위해 글로벌 선도 기업들과 계속 협력해 나가겠습니다.
새로운 탱크와 엔진, 연료전지 제조를 함께 추진하는 것은 실증 사업을 완전한 공급망으로 발전시키려는 공동의 노력을 보여준다.
한국에서 청정 수소 생산 경로가 다변화되고 있다
한국 연구기관들은 여러 청정 수소 생산 경로를 발전시키고 있다. 한국기계연구원은 20kW급 고체산화물 수전해 시스템을 개발해 3,000시간 넘게 효율적으로 수소를 생산했다. 고체산화물 수전해는 높은 온도에서 작동하므로 산업 공정에서 발생하는 열을 활용해 전력 소비를 줄일 수 있다. 철강 공장과 화학 공장에 적합한 방식이다.
다른 연구진은 보완적인 화학 기술을 개발하고 있다. KIER 과학자들은 이산화탄소를 합성연료의 핵심 원료인 일산화탄소로 전환하는 촉매를 발표했다. 대학 연구진은 전기화학 셀을 이용해 상온에서 그린 암모니아를 생산하는 경로를 선보였다. 일본과 한국을 비롯한 국가들은 풍력·태양광 사업과 연계한 그린 암모니아 수입에 관심을 나타내고 있다. 수소보다 저장과 운송이 쉽기 때문이다.
기후 편익을 얻으려면 암모니아도 청정해야 한다
중요한 전제가 있다. 화석연료 기반 수소로 만든 암모니아는 탄소발자국이 크다. 도착지에서 암모니아를 분해해도 생산 과정에서 이미 배출된 온실가스는 사라지지 않는다. 분석가들은 석탄·가스 발전소에서 암모니아나 수소를 혼소하는 경우에도 에너지와 물류의 전체 비용을 따져보면 기후 편익이 제한적이라고 경고한다. 수소를 우선 적용할 분야는 철강과 화학, 해상운송, 계절성 에너지 저장처럼 전기화가 어려운 부문이다. 한국의 정책 당국은 목표와 기준을 마련하면서 이러한 상충관계를 고려하고 있다.
위험과 효율, 앞으로 주목할 점
에너지 사용량은 핵심 지표다. 울산 분해기 실증은 수소 1kg당 약 11kWh를 사용했으며, 설계 목표는 1kg당 8kWh다. 목표치에 도달하면 비용을 낮출 수 있다. 참고로 수소의 저위발열량은 1kg당 약 33kWh다. 촉매와 열 통합, 전기 가열 기술을 개선하면 분해에 따른 에너지 부담을 줄일 수 있다.
안전과 배출 문제에도 세심한 설계가 필요하다. 암모니아는 독성이 있고 냄새가 강하므로 작업자는 감시·환기 체계와 비상계획을 갖춰야 한다. 엔진에 사용할 때는 질소산화물 제어를 위한 후처리가 필요하다. 촉매와 막의 내구성, 압축기와 펌프의 유지보수 주기도 점검 대상이다. 기업들은 풍력과 태양광 전력을 쉽게 활용할 수 있도록 완전히 전기로 작동하는 분해 시스템을 설계하고 있다. KIER는 건물용 수소연료전지도 연구하고 있어 운송과 고정형 전력 공급이 함께 확대될 가능성을 보여준다.
핵심 내용
- KIER는 전환 지점에서 화석연료를 태우지 않고 섭씨 약 600도에서 암모니아를 분해해 순도 99.97%의 수소를 생산하는 기술을 선보였다.
- 이 공정은 루테늄 촉매와 압력변동흡착법을 이용해 연료전지용 수소를 정제한다.
- 시지와 롯데는 울산에서 완전 전기식 분해기를 시험했다. 효율은 81%, 전환율은 99%였고 하루 약 290kg을 생산했다. 에너지 사용량은 수소 1kg당 약 11kWh였으며 설계 목표는 8kWh다.
- 암모니아는 온화한 조건에서 액화되고 성숙한 글로벌 운송 인프라를 갖춰 실용적인 수소 운반체로 쓰일 수 있다.
- 한국기계연구원과 현대차·기아는 순수 암모니아를 사용하는 고압 엔진을 공개했다. 배출을 줄이는 후처리 장치를 갖췄으며, 2027년까지 해상·독립형 전력·대형 차량 분야 적용을 목표로 한다.
- HD한국조선해양은 대형 액화수소 탱크의 기본승인을 받았으며 8만㎥급 운반선 개념을 검토 중이다.
- 현대차는 울산에 6억4,400만 달러 규모의 연료전지·고분자전해질막 수전해 설비 공장을 짓고 있다. 2027년까지 연간 연료전지 3만 대 생산이 목표다.
- 한국은 청정 수소용 고체산화물 수전해와 청정연료 원료 생산을 위한 이산화탄소 전환 촉매도 개발하고 있다.
- 분석가들은 공급망 에너지 사용량을 고려하면 화석연료 발전소에서 수소나 암모니아를 혼소해 얻는 기후 편익은 제한적이라고 경고한다. 이에 따라 철강·화학·해운·계절성 저장이 우선 적용 분야로 꼽힌다.
- 앞으로 주목할 지표는 수소 1kg당 분해 에너지, 질소산화물 제어, 암모니아 취급 안전, 그린 암모니아 조달, 대규모 실증이다.
