화학적 수소저장기술로 향후 수소충전소 및 무인비행체 등에 활용 기대
[기계신문] 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 조영석·윤창원 박사 연구팀이 암모니아로부터 고순도의 수소를 추출하고 전력을 발생시키는 기술을 개발, 대용량의 수소를 장거리 운송할 수 있는 수소운반체로서의 암모니아 가능성을 확인했다.
재생에너지 기반의 청정에너지 공급망 확산이 글로벌 이슈로 부상하고 있지만, 재생에너지는 간헐적이고 예측이 어려워 수요-공급 간의 불균형을 유발할 수 있다. 이에 전 세계적인 재생에너지의 확산을 위해서는 대용량 에너지 저장 기술이 반드시 필요하다.
따라서 생산된 대용량 잉여전력의 장거리 운송을 위해서는 수소 기반의 에너지 저장 기술, 특히 고밀도 운송이 가능한 액상 수소(에너지)저장기술이 요구된다.
이러한 이유로, 새로운 형태의 재생에너지 운반체로서, 고밀도의 수소를 함유하고 있는 암모니아를 액상 수소운반체(liquid hydrogen carrier)로 활용하는 방법이 각광받고 있다.
암모니아는 다른 수소저장체들에 비해 매우 높은 무게 및 부피대비 에너지 밀도를 가지며, 수소와 달리 액화가 용이하다. 분해 반응 후 질소와 수소만을 생성하여 이산화탄소를 거의 배출하지 않으며, 현존하는 저장 및 이송 인프라를 거의 그대로 활용할 수 있어 경제적이라는 장점을 가지고 있다.
또한, 암모니아는 현재 상용화된 하버-보쉬 공정(Haber-Bosch Process)을 통해 대용량으로 제조되어 국가간 수출입이 이루어지고 있다. 이와 더불어 재생에너지로부터 생산된 그린수소를 이용하여 이산화탄소 배출이 저감된 환경친화적 암모니아를 생산하는 플랜트 구축도 최근 사우디아라비아, 호주 등을 중심으로 추진되고 있다.
따라서 향후 암모니아를 국내 대용량 수소 공급을 위한 수소운반체로 활용하기 위해서는 암모니아로부터 고순도 수소를 생산하는 기술 개발이 필요하다. 하지만 암모니아로부터 고순도의 수소를 추출하고, 이를 연료전지와 연계하여 전기를 생산하는 연구는 거의 진행되고 있지 않다.
KIST 연구팀은 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산할 수 있는 분리막 소재를 개발하였다. 개발한 촉매와 분리막 소재를 결합하여 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 분리막으로 고순도의 수소를 분리해내는 추출기를 구현하였다.
개발된 기술은 높은 순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있으며, 별도의 수소 정제장치 없이 연료전지와 직접 연계하여 소형 전력발생장치에도 적용이 가능하다.
연구팀은 암모니아 분해 반응과 동시에 수소를 분리함으로써 분해 반응 온도를 550℃에서 450℃까지 현저히 낮추어 에너지 소비를 줄임과 동시에 수소 생산 속도를 기존 기술 대비 2배 이상 높였다.
또한, 자체 개발한 저가금속 기반의 분리막을 활용하여 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정 등 값비싼 분리공정 없이도 99.99% 이상의 순도를 갖는 수소를 생산할 수 있었다.
더 나아가 연구팀은 수증기를 활용하여 분리막의 수소 분리 속도를 개선시킴과 동시에, 생산된 수소를 연료전지에 직접 공급해 전력 생산을 실증하였다. 이를 기반으로 대규모 수소 생산에 활용 가능한 공정을 설계하였으며, 에너지 절감 효과를 증명하였다.
현재 암모니아 운반선을 이용한 대륙 간 운반으로 암모니아에서 수소를 추출하여 활용하는 저장, 운송 관련 인프라는 전 세계적으로 상용화되어 사용되고 있다. 이번 개발 기술이 이러한 인프라에 활용된다면 수소경제 사회로 들어가는데 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상된다.
조영석 박사는 “이번 기술을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 컴팩트한 수소 파워팩을 개발해 드론택시, 무인비행기, 선박 등의 이동수단에 적용하는 후속연구를 계획하고 있다”고 언급했다.
윤창원 수소·연료전지연구단장은 “이번 연구 성과는 순수 국내 연구진이 개발한 암모니아 기반 수소 추출·정제 원천기술로서, 가까운 미래에 암모니아를 활용한 국내 대용량 수소공급에 새로운 장을 열 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구에서 개발한 분리막 반응기와 수소 추출 공정은 암모니아 분해 이외에 다양한 수소 추출 반응에 적용이 가능할 것으로 기대된다. 특히 수소 충전소에 필요한 수소를 현장에서 공급하기 위한 on-site 수소추출기에 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다.
암모니아 기반 수소추출방법은 기존 천연가스 수증기 개질 방법과 함께 국내 수소공급을 위한 거점 수소공급기지, 수소충전소 등에 활용 가능할 것으로 기대된다. 무인비행체, 선박 내 이동형 전력공급장치에 적용된다면 연료전지 구동 시간을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원 아래 KIST 주요사업, 한국에너지기술평가원 “신재생에너지핵심기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구 결과는 분리막 분야 국제학술지 ‘Journal of Membrane Science’에 7월 26일자로 온라인 게재되었다.
기계신문, 기계산업 뉴스채널