촉매기술, 암모니아 대량생산으로 인류 구원

암모니아 크래킹 촉매기술, 새로운 미래 열다

■암모니아 대량 생산시대 연 촉매

촉매(觸媒, catalyst)란 반응과정에서 소모되지 않으면서 반응속도를 변화시키는 물질이다.

촉매는 자신은 변하지 않으면서 화학반응속도를 더 빠르거나 느리게 조절해 화학반응을 도우며, 화학반응이 일어나는 최소한의 조건인 활성화 에너지를 변화시키거나 새로운 반응경로를 제공, 원하는 반응만 일어나도록 한다.

촉매는 구성 물질이나 반응 원리에 따라 금속촉매, 광촉매, 분자촉매, 생체촉매 등으로 나뉘며, 화학반응의 속도를 빠르게 하는 촉매를 정촉매, 느리게 하는 촉매를 부촉매로 구분한다.

▲ 촉매의 활성화에너지 변화를 통한 화학반응 작용(출처: 기초과학연구원)

화학공정에서 사용되는 촉매의 예시로는 암모니아(ammonia, NH3) 합성법이 있다. 암모니아는 질소 원자 1개와 수소 원자 3개가 결합해 만들어진다. 반응물인 질소 분자는 질소 원자가 삼중결합으로 되어있고 수소 분자는 수소 원자가 단일결합으로 되어있는데 각 분자 내 결합을 끊어내면 원자 상태의 질소와 수소가 재결합해 암모니아가 생성되는 것이다.

이러한 결합을 끊어내기 위해서는 높은 온도를 가해야하는데, 온도가 높아질수록 역반응이 발생해 암모니아를 생산하기 어려워지는 단점이 있었다. 이를 해결하기 위해 개발된 하버-보슈법은 최적의 고온(400℃)·고압(200기압) 조건에서 철을 기반으로 한 촉매를 사용함으로써 반응 효율을 증가시켜 암모니아 대량생산시대를 열었다. 이처럼 질소비료의 주원료인 암모니아를 대량 생산한 촉매기술은 식량부족을 해결하고 인류를 구했다.

금속으로 이루어진 대표적인 촉매는 자동차의 촉매변환장치(catalyst converter)가 있다. 촉매변환장치는 가솔린 엔진에서 발생되는 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO) 등 유해한 기체를 저감하거나 대기친화적인 물질로 변환하는 기능을 한다.

이외에도 발전소 등에서 배출되는 유해화학물질 제거, 제약 합성을 위해 많은 촉매가 사용된다. 오늘날 산업적으로 생산되는 모든 화학제품의 90% 이상이 제조과정에서 촉매가 필요하다고 추정될 정도로 다양한 분야에서 적용중인 촉매기술의 중요성은 부각되고 있다.

이처럼 과거 암모니아의 대량 생산을 가능하게 한 촉매는 현대 산업에서 빠질 수 없는 소재이며, 차세대 청정에너지원으로 주목받는 수소와 수소 운반을 위한 암모니아의 생산·분해 공정에 있어서도 경제성과 직결되는 효율을 좌우하는 핵심 요소다.

■암모니아, 청정에너지원·수소 운반체로 주목

▲ 암모니아 생산-사용 흐름 프로세스(출처: thyssenkrupp Uhde)

▲ 수소의 저장·운송방식별 비교(출처: 하나은행 금융경영연구소(2024.02))

암모니아는 수소와 질소로 이루어져 분리과정에서 탄소가 배출되지 않으며, 수소에 비해 액화가 쉬워 저장·운송이 용이하다. 때문에 암모니아는 수소운송과 저장, 혼소발전 등 수소의 기술적 난제를 해결할 중요한 수소화합물로 인식되고 있다.

수소는 밀도가 매우 낮아 대량으로 운송하기 위해 액화시킬 경우, –253℃까지 냉각시켜야 하지만 암모니아는 수소에 비해 액화가 쉬워 대량으로 운송이 가능하다. 별도의 인프라를 구축할 필요 없이 기존 인프라를 활용해 사용할 수 있다는 것도 장점이다.

한국은 과거 국내에서 자체적으로 암모니아를 생산했으나 현재는 전량 수입에 의존하고 있으며, 해상운송을 통해 액화 암모니아 형태로 들여오게 된다.

이때 수입된 액화 암모니아를 수소로 활용하기 위해서는 암모니아를 다시 수소로 재분해하고, 분해하기 위한 촉매가 필요하다.

■암모니아 크래킹, 수소 재분해 촉매활용 必

▲ 암모니아 크래킹 프로세스(출처: 삼일회계법인)

▲ 암모니아 크래킹 공정 흐름(출처: 삼일회계법인)

수소를 암모니아로 합성해 수송·운반할 경우, 다시 수소로 사용하기 위해서는 암모니아를 수소와 질소로 재분해할 필요가 있는데, 이를 ‘암모니아 크래킹(분해)’이라 한다.

암모니아 크래킹은 해상운송 등을 통해 수소를 액화 암모니아 형태로 들여온 후, 국내발전소 등 수요지 인근의 크래킹 플랜트에서 촉매를 활용해 수소로 재분해 함으로써 수소를 얻는 방식이다.

암모니아 크래킹은 도입 및 하역, 저장, 생산의 3단계를 거쳐 수소를 만들며 열분해, 광분해 등의 분해가 가능하다. 이중에서 하역 및 저장 탱크는 LNG 등 기존 산업을 중심으로 많이 활용되던 시설로서 새로운 기술이 필요 없기 때문에, 수소 생산 단계의 설비에 해당하는 암모니아 크래킹 설비가 핵심으로 꼽힌다.

하역 설비는 주로 선박이 접안할 수 있는 안벽으로부터 접근성이 있는 항만 부지 내 위치하며, 하역이 완료된 암모니아는 저장 탱크에 이송 및 저장된 후, 배관을 통해 암모니아 크래킹 설비로 공급되게 된다. 암모니아 크래킹 설비는 열분해, 광분해 등 분해방식에 따라 다른 구조를 취하며, 현재 기술적 타당성과 안정성이 우월하다고 인정되는 열분해 방식의 경우 촉매를 활용한 고온의 환경에서 암모니아를 쪼개 수소를 만들어내는 방식이다.

암모니아 크래킹 설비는 600도 이상의 고열로 연소·가열한 후 촉매와 물리화학적 반응을 거쳐 분리된 수소에서 정제시설인 PSA(Pressure Swing Adsorption)로 불순물을 제거한 후 순도 높은 수소를 얻는 방식으로 구성된다.

이는 기존의 SMR 공정과 높은 유사성을 갖고 있으며, 앞으로는 국내외 주요 발전소를 중심으로 LNG 가스터빈을 혼소용으로 개조해 혼소, 전소로 이어지는 로드맵을 실행할 가능성이 매우 높아 암모니아 크래킹을 통한 수소 수요가 본격화될 전망이다.

암모니아를 다시 수소로 전환하기 위해서는 고온조건을 필요로 하나, 실제 상용화를 위해서는 저온에서도 높은 전환율과 장기안정성을 확보해야 한다.

암모니아 크래킹에 필요한 촉매로는 루테늄계의 귀금속 촉매와 니켈(Ni)계의 금속 촉매가 적용처에 따라 사용된다. 루테늄은 암모니아 분해 반응에 가장 활성이 높은 금속으로 알려져 있으며 열원이 부족한 저온 환경에서 수소전환을 용이하게 한다. 니켈 촉매는 발전과 같이 열원이 풍부한 환경에서 활용이 가능하다.

▲ 촉매별 암모니아 변환율(출처: 희성촉매)

■희성촉매, 암모니아 크래킹 촉매 선도

▲ 희성촉매는 팰릿, 구형 등 다양한 형태(팰릿, 구형 등)와 크기(2~20mm)의 암모니아 크래킹 촉매를 생산하고 있다.

국내에서 암모니아 크래킹 촉매를 전문적으로 제조하는 기업으로는 대표적으로 희성촉매가 있다. 희성촉매는 촉매분야에서 기술개발, 생산공정, 양산공급 등 상업화 과정을 독자적으로 40년 이상 수행해온 글로벌 촉매 공급사다.

희성촉매는 암모니아 크래킹의 기술적 과제를 해결하기 위해 △나노구조 제어 △표면 개질(Surface Modification △프로모터(Promoter) 도입 △금속 담지(Metal Loading) 기술을 기반으로 다양한 운영 환경에 최적화된 제품을 제공하고 있다.

대표적으로 저온용 루테늄(Ru)계 촉매는 루테늄의 분산성과 프로모터 기술을 최적화해 열원이 부족한 환경에서도 우수한 반응성을 확보했고 여기에 구형(Sphere), 모노리스(Monolith), 금속 폼(Metal foam) 등 다양한 구조체 적용이 가능하도록 설계해 고활성·고내구성을 실현했다.

고온용 니켈(Ni)계 촉매는 함침법(Impregnation)과 공침법(Co-precipitation) 등 금속 담지 기술을 활용해 제조비용은 낮추고 효율은 높였다. 특히 금속 함량 최대 40%의 고성능 니켈 촉매는 단열(Adiabatic) 및 등온(Isothermal) 크래커 조건에서 높은 활성을 보이면서도 운전 비용을 절감할 수 있다.

또한 희성촉매는 반응속도론적 모델링(Kinetic modeling)법을 통해 실험실 규모부터 실제 산업 현장 규모까지 다양한 반응기에서의 운전모사 연구를 진행하고 있으며, 촉매 자체에 대한 정밀분석 기법 및 반응 설비를 보유하여 종합적인 분석·평가 시스템을 구축했다.

회사는 지난 ’23년 한국수소 및 신에너지학회(KHNE, Korean Hydrogen & New Energy Society) 추계학술대회에서 ‘루테늄계 촉매 상에서 암모니아 분해 반응을 이용한 수소 생산’ 연구로 우수학술논문상을 수상하며 촉매 설계와 제조 기술을 인정받았다.

한편, 희성촉매는 △촉매설계 및 공동개발·개선 △촉매 생산공정 개발 △촉매 scale-up 생산 △OEM 생산 공급 △라이선스 촉매 생산 등을 포함한 파운드리를 구축하고 자동차, 선박, 화학, 환경 등 필요한 고객 맞춤형 촉매를 생산하고 있다.