[과학에세이] 수소에너지, 왜 암모니아를 주목하는가

삭힌 홍어를 드셔본 적이 있는지? 삭힌 홍어는 상한 듯한 지독한 냄새가 나는데 왜 먹어도 배탈이 나지 않는 것일까? 홍어는 바닷물에서 삼투압을 조절하기 위해 많은 요소를 가지고 있는데, 이런 홍어를 숙성시키면 요소가 분해되며 암모니아가 발생해 강력한 냄새를 내뿜는다. 이 암모니아가 부패 박테리아의 증식을 억제시켜 우리는 삭힌 홍어회를 먹어도 탈이 나지 않는다.

우리에게 지독한 냄새로 기억되는 암모니아는 어디에 사용되는지? 지구에서 인구가 증가하며 발생한 식량난에 식량의 수요와 공급을 맞추기 위해 대량으로 비료를 생산해야 하는 과제에 직면했다. 유일한 방법은 공기 중 풍부한 질소를 질소 화합물로 변형시켜 비료를 만드는 것이었다. 이 문제를 해결하기 위해 많은 과학자들은 암모니아 합성연구에 전념했는데, 이 암모니아는 땅의 양분으로 필요한 질소를 가지고 있기 때문이다. 그 결과 하버의 연구를 통해 암모니아의 대량 생산이 가능해져 비료를 만드는 데 활발히 사용되고 있다.

세계적으로 기후변화와 환경오염에 관심을 가지며 탄소중립이라는 목표를 세우게 되었다. 탄소중립은 친환경적 에너지를 찾는 계기가 되어 수소에너지에 주목하게 되었는데, 수소는 우주에서도 가장 풍부하게 존재하는 원소다. 또한 수소를 연료로 사용하면 이산화탄소가 배출되지 않으며 고갈의 걱정 없이 재생 가능한 에너지 자원이다. 하지만 수소를 생산하는 과정에서 화석연료를 사용하면 이산화탄소를 배출하는 그레이 수소가 돼 친환경이 되지 못하는 아이러니한 상황이 연출된다.

이런 단점을 보완하기 위해 신재생에너지로 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해 방식을 통해 완전한 친환경 그린수소 에너지를 생산하고 있다. 재생 가능한 친환경 에너지이지만 수소는 저장과 운송이 까다롭다는 단점이 있다. 기체 특성상 저장 시 부피가 커져 저장용기의 측면에서 효율성이 떨어지는데, 이러한 문제점을 해결하기 위해 수소를 액화시켜 만드는 대안이 있다. 하지만 수소를 액화시키기 위해서는 영하 253도까지 냉각을 시켜야 하고 많은 에너지가 필요해 아직 효율을 높이기 위한 연구가 진행 중이다.

수소와 질소를 결합해 온도와 압력을 가하는 하버-보슈 공정에 의해 만들어진 암모니아는 탈수소화 반응을 통해 암모니아에서 수소를 생산할 수 있으며, 이는 수전해 방식과 함께 또 다른 그린수소 생산방식이다. 이때 생성된 질소는 역으로 수소화 반응을 통해 암모니아로 재생이 가능하다. 암모니아는 상온에서 6기압의 압력으로 저장하면 액화가 가능한데 상온, 상압과 유사한 조건에서 액상으로 운송 및 저장이 가능하다는 점은 많은 에너지를 필요로 하지 않는다는 부분에서 이점이다. 또한 부피 대비 저장용량이 액화수소보다 1.7배가 높아 운송률을 70% 정도 향상시켜 효율성을 높일 수 있다. 수송 시에는 온도와 압력에 따른 상태변화 특성이 LPG와 비슷하여 기존 LPG의 탱크를 이용할 수 있다. 기존 저장 방식 및 트럭 기차 배 및 파이프라인과 같은 운송 인프라를 사용하는 것은 경제적 측면에서도 유리한 모습을 보인다.

하지만 암모니아는 질소와 수소가 강력하게 결합되어 있어 수소를 분리하기 위해서는 600~700도 정도 고온의 에너지가 필요하고 암모니아에서 수소를 추출하기 위한 고효율 장수명 촉매 개발이 필수적이다. 최근 세계 각국에서 특수 촉매를 이용해 암모니아로부터 간단하게 수소를 분리하는 방법을 연구하고 있다. 최근에 암모니아 친환경 에너지 특구로 부산이 세 번째로 신규 규제자유 지역으로 지정되었다. 이번 특구에서는 암모니아 기반 연료전지 하이브리드 친환경 선박 실증, 이동형 액화암모니아 표준용기 실증, 그리고 이동형 암모니아 연료선박 벙커링 실증을 통해 암모니아 관련 인프라를 구축하고 국제 표준을 선도하여 탄소중립 신산업 생태계를 조성할 수 있는 기회를 부산에서 펼칠 수 있다. 이를 통해 국내 친환경 조선산업의 신산업 발굴과 역량 강화 및 지역균형발전의 초석이 마련되기를 기대한다. 

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