현재 수소전기차는 석유화학공정에서 부산물로 얻어지는 부생수소를 연료로 사용한다. 이는 친환경성 문제와 더불어 향후 수소전기차 증가에 따른 수소 수요를 충당할 수 없어 근본적 대안이 요구되고 있다.
수소와 질소 화합물인 암모니아는 액화수소에 비해 수소 저장밀도가 1.7배 높아 가장 경제적인 수소 운송책으로 주목받고 있다.
특히 암모니아는 100년 넘게 비료 등 다양한 분야에서 활용된 만큼 인프라, 취급, 안전기준 등을 갖춰 저장과 운송 문제를 해결할 가장 현실적인 대안으로 평가받고 있다.
암모니아는 수소와 질소만으로 이루어져 있어 수소를 분리할 때는 탄소가 배출되지 않는다. 하지만 분해하는 과정에서 600℃ 이상의 열에너지 공급을 위해 화석연료를 사용하기 때문에 이산화탄소 배출에서 자유로울 수 없다.
따라서 진정한 청정 수소 생산을 위해서는 암모니아 분해 과정에서도 탄소 배출이 없는 에너지원을 사용해야 한다.
암모니아로 청정수소 생산 성공
한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 수소연구단 정운호 박사팀이 암모니아 기반 청정수소 생산기술을 국내 최초로 개발했다.
이에 따라 화석연료 사용 시 발생하는 이산화탄소 배출 없이도 수소전기차용 국제표준을 충족하는 고순도 수소를 생산할 수 있게 됐다.
암모니아 기반 무탄소 수소생산 기술의 기본 원리, 암모니아를 고온에서 촉매와 반응시키면 수소와 질소 그리고 미처 분해되지 못한 미량의 암모니아가 혼합된 분해가스가 생성되고 PSA를 이용해 질소와 미량의 암모니아를 흡착시켜 제거함으로써 고순도 수소를 생산한다. 한국에너지기술연구원 연구팀은 암모니아 분해 반응 후 남은 미량의 수소와 암모니아를 열원으로 재사용, 기존 공정에서 열원으로 활용하던 화석연료 없이도 고순도 수소를 생산하는데 성공했다.
암모니아를 원료로 고순도 수소를 생산하기 위해서는 600℃ 이상 고온에서 루테늄(Ru) 촉매를 이용해 암모니아를 분해하고 압력변동흡착(PSA) 기술을 이용해 수소를 정제한다.
이 과정에서 질소와 수소가 포함된 잔류가스가 발생하고 암모니아 분해 반응기 열원으로 재사용된다.
이 때 잔류가스만으로는 열량이 부족하기 때문에 추가 열량을 보충한다.
기존 기술은 부족한 열량을 천연가스(LNG) 또는 액화석유가스(LPG) 등 화석연료로 보충하기 때문에 연소 시 이산화탄소가 배출되는 문제가 있었다.
하지만 이번에 개발된 시스템을 이용하면 화석연료 대신 암모니아를 공급해 열량을 충당, 이산화탄소 배출을 원천 차단할 수 있다.
연구팀이 개발한 시스템을 이용하면 수소전기차용 연료전지에 공급 가능한 99.97% 이상의 고순도 수소를 시간당 약 0.5㎏(5Nm3)을 생산할 수 있다.
아울러 생산된 수소의 불순물 농도는 질소 300㏙ 미만, 암모니아 0.1㏙ 미만으로 수소전기차용 국제표준 ISO 14687 기준을 충족했다.
기존 기술과 에너지연 개발 기술의 비교. 한국에너지기술연구원 이에 더해 연구팀은 암모니아 추출 수소를 활용해 이산화탄소 배출 없이 전력을 생산하는 1㎾급 건물용 연료전지 시스템에 대한 실증도 성공했다.
㈜두산 퓨얼셀파워BU와 함께 진행한 이번 실증은 그동안 천연가스 기반 연료전지 시스템의 단점 중 하나안 이산화탄소 배출 문제를 극복, 청정수소 연료전지발전 가능성을 제시했다.
암모니아 추출 수소 연계 무탄소 건물용 연료전지. 한국에너지기술연구원 정 박사는 “이번 기술은 암모니아 기반 무탄소 수소 생산기술을 완성했다는 것”이라며 “향후 암모니아와 연료전지를 결합해 친환경 선박에 활용할 수 있고 향후 용량을 확대하면 청정수소 발전시장에도 참여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
