암모니아 생산은 환경에 크게 해롭다 – 엔지니어들이 막 깨끗한 방법을 개발했다

Ammonia: 오염 물질에서 친환경 대안으로

암모니아는 선박, 트럭 운송, 장기 에너지 저장 등 전기화가 어려운 분야에서 화석 연료의 대안으로 논의되어 왔습니다. 또한 수소 연료 전지에 사용할 수 있는 수소를 안전하게 운송하기 위한 중간 단계로 제안되었습니다.

보통 암모니아를 생산하려면 고압·고온 하에서 수소와 질소 가스를 결합하는 하버-보쉬 공정을 사용합니다. 안타깝게도 이 방법은 오염을 일으키고 에너지 효율도 낮습니다.

출처: Research Gate

대신 일리노이 대학교, 텍사스 테크 대학교, 그리고 General Ammonia Company 연구진은 에탄올과 전하를 띤 리튬 전극을 활용한 새로운 암모니아 생산 방법을 최적화했습니다.

이는 그들의 첫 번째 돌파구가 아니며, 이전에 전기촉매 스크린(구리 메쉬)과 ‘태양광‑연료’ 암모니아 발생기에 대한 연구도 수행했습니다.

리튬 “심포니”를 통한 친환경 암모니아 생산

새로운 암모니아 생산 방법은 질소 가스와 에탄올과 같은 수소 제공 유체를 전하를 띤 리튬 전극과 결합시켜 작동합니다.

이 “리튬 매개 암모니아 합성”(LiMAS)은 3단계 연속 과정으로 진행됩니다:

1. 첫 번째 단계는 Li+ 전극 석출 단계입니다. 전류 진동을 이용해 고품질 고체 전해질 계면(SEI)과 전압 안정성을 확보합니다.
2. 두 번째로, 질소 분자가 리튬에 부착되는 리튬 질화 과정이 진행됩니다.
3. 세 번째로, Li3N 프로톨리시스가 수소 원자를 질소에 추가해 암모니아(NH3)를 생성합니다.

출처: ACS Publications

연구진은 이 과정을 “심포니”에 비유했습니다. 각 단계가 효율적으로 조절되어 물질이 다음 화학 반응 루프를 위해 순환하기 때문입니다.

“두 개의 루프가 있습니다. 하나는 수소 공급원의 재생이고, 두 번째는 리튬의 재생입니다. 이 반응에는 순환 과정 때문에 심포니가 존재합니다.

우리는 이 심포니를 더 잘 이해하고, 매우 효율적인 방식으로 조절해 공명을 만들고 속도를 높이려고 했습니다.” – Singh, 일리노이 대학교 화학공학 부교수.

전극 석출 단계는 이번 연구에서 가장 중요한 혁신이며, NH3 선택성을 크게 향상시킵니다.

연구진은 또한 암모니아 생산성을 높이는 두 가지 요인을 발견했습니다:

• 질소 가스 압력을 20바까지 높이는 것.
• 알코올을 수소 공급원으로 사용하는 것.
  • 1-부탄올이 가장 높은 수소 제공 효율을 보였습니다.
  • 물은 지금까지 과학계가 생각했던 것과 달리 훨씬 효율이 낮은 수소 공급원입니다.

이러한 통찰을 종합하면 고압 LiMAS(“리튬 매개 암모니아 합성”)가 저압 LiMAS와 기존 하버-보쉬 반응보다 생산성이 높아집니다.

출처: UIC Today

암모니아 생산에서 발생하는 문제점들

친환경 암모니아

우리는 암모니아 생산이 전체 경제 부문의 탈탄소화와 수소 경제 구축에 핵심 단계가 될 가능성이 높다고 언급했습니다. 이 내용은 우리 기사 “친환경 암모니아를 통한 글로벌 해운 라인 탈탄소화”에서도 다루었습니다.

특히 이 과정이 친환경 에너지(그린 수소 포함)로 구동될 경우, 다른 형태의 암모니아보다 훨씬 친환경적입니다.

친환경 암모니아는 다른 유형의 암모니아와 다음과 같이 구분됩니다:

• 회색/갈색 암모니아: 화석 연료에서 생산됩니다.
• 청색 암모니아는 화석 연료에서 생산되지만 탄소 포집을 동반합니다.
• 분홍(또는 노란) 암모니아: 핵에너지에서 생산됩니다.
• 청록색 암모니아: 메탄 열분해를 통해 생산됩니다. 메탄을 수소와 고체 탄소로 분해한 뒤, 수소를 암모니아로 전환합니다. 고체 탄소는 저장하거나 탄소 섬유와 같은 용도로 활용될 수 있습니다.

오늘날 대부분의 암모니아는 비료 생산 및 화학 산업(염료, 폭발물 등)용으로 생산됩니다. 주로 천연 가스를 포함한 화석 연료를 사용합니다.

그 결과 암모니아는 산업 공정 중 탄소 배출량 기준으로 시멘트에 이어 두 번째로 높은 비중을 차지하며, 전체 탄소 배출량의 1.5%를 차지합니다.

하버-보쉬 공정에 필요한 높은 온도는 암모니아 생산의 에너지 비용을 낮추는 데 도움이 되지 않으며, 이 에너지는 종종 석탄과 같은 고탄소 화석 연료에서 공급됩니다.

LiMAS 산업화

리튬은 가장 저렴한 소재는 아니지만, 지나치게 비싸지도 않으며 고압 LiMAS를 이용한 암모니아 생성 과정에서 소모되지도 않습니다.

따라서 높은 에너지 효율성과 결합하면 이 방법은 저비용 암모니아 공급원이 됩니다.

일리노이 대학교 연구진은 규모를 확대하면 경제적으로 타당할 것으로 추정합니다

“이 공정은 톤당 456달러에 암모니아를 생산할 수 있으며, 이는 기존 리튬 기반 접근법 및 다른 제안된 친환경 방법보다 60% 저렴합니다.”

Singh, 일리노이 대학교 화학공학 부교수.

이는 현재 개발 중인 다른 친환경 대안과 가격대가 비슷함을 의미합니다. 예를 들어 Fuel Positive의 컨테이너형 암모니아 발생 시스템은 톤당 CA$560을 목표로 하고, AmmPower의 모듈형 시스템은 전기 비용만 톤당 $360(유지보수·자본 비용 제외)입니다.

(우리는 이 두 기업 및 기타 기업을 “다른 수소 연료 – 상위 5개 친환경 암모니아 주식” 기사에서 다룹니다.)

톤당 $456은 현재 화석 연료 기반 생산에 의해 좌우되는 세계 대부분 지역의 암모니아 가격과도 일치합니다.

암모니아 가격은 천연 가스 가격이 상승할 때 크게 변동합니다. 예를 들어 2022년 우크라이나 전쟁 초기에 가격이 급등했습니다.

출처: BusinessAnalitIQ

과학자들은 이미 General Ammonia Co.와 협력해 리튬 매개 암모니아 합성 공정을 파일럿 및 확대할 계획입니다. 시카고 지역에 파일럿 플랜트가 건설될 예정이며, 일리노이 대학교 기술 관리 사무소가 해당 공정에 대한 특허를 출원했습니다.

친환경 암모니아 기업들

1. General Ammonia Company

일리노이 대학교 연구진과 협력하는 이 회사는 상장되지 않았지만 “투자를 적극적으로 모색하고 있습니다”.

공인 투자자는 직접 연락해 회사와 고압 LiMAS 파일럿 플랜트에 대한 투자 조건을 논의할 수 있습니다.

2. NitroVolt

NitroVolt는 LiMAS를 이용해 암모니아를 생산하려는 또 다른 기업으로, 리튬 매개 암모니아 합성 공정에 대한 특허 출원을 진행 중입니다.

출처: NitroVolt

덴마크 기업은 자체 흐름 전지 시스템과 LiMAS 공정을 결합해 연속적이고 고효율적인 반응을 구현합니다.

이 기업의 연구는 다음과 같은 권위 있는 과학 저널에 게재되었습니다:

• Science:
  • 연속 흐름 전기합성을 통한 질소 환원 및 수소 산화에 의한 암모니아 생산
  • 산소 첨가에 의한 리튬 매개 암모니아 합성 향상
• Nature: 정량 동위원소 측정을 통한 엄격한 전기화학 암모니아 합성 프로토콜

출처: NitroVolt

이 회사는 2024년 3월 6일 첫 투자^th, 2024를 VC 기업 BackingMinds로부터 받았습니다.

3. FuelPositive Corporation (NHHHF)

FuelPositive는 모듈형·컨테이너형 친환경 암모니아 발생 시스템을 개발했습니다. 첫 목표는 농업 부문으로, 현장에서 현지 에너지로 암모니아를 생산할 수 있습니다. 이 시스템은 하루 최대 300kg, 연간 100톤의 암모니아를 CA$950,000에 생산할 수 있습니다.

출처: Fuel Positive

이 시스템은 1,800에이커 규모 농장에 적합합니다. 태양광 패널 1.5에이커만 설치하면 암모니아 발생에 충분한 전력을 공급할 수 있습니다.

출처: Fuel Positive

FuelPositive는 시스템이 톤당 CA$560에 암모니아를 생산할 수 있다고 주장합니다,

이 스타트업은 초기 단계에 있으며, 2025년에 전면 생산을 시작할 예정이고 현재까지 30건의 주문이 확정됐으며, 첫 번째 납품은 2024년 3월에 예정되어 있습니다.

FuelPositive의 주요 강점은 기술의 모듈성으로, 보다 분산된 접근 방식과 표준화된 대량 생산이 가능하다는 점입니다.

이 회사는 Cipher Neutron과 파트너십을 구축하고 있으며, 이 파트너는 백금족 금속 없이 수소를 생산할 수 있습니다.

LiMAS 방식을 암모니아 생산에 활용·라이선스하는 유사 파트너십도 구축될 수 있습니다. 해당 기업의 강점은 독점적인 암모니아 발생 기술보다 모듈형 설계에 있습니다.

주된 초점은 비료 생산이지만, 암모니아를 현장에서 생산된 에너지로 농업 엔진에 동력을 공급하는 데 활용할 수도 있습니다. 이는 암모니아·수소 기반 농기계 도입 속도에 따라 달라집니다.

FuelPositive 시스템의 분산·모듈형 특성은 미래 암모니아 경제의 핵심 요소가 될 수 있습니다. 비료 시장은 수소와 암모니아 사용이 확대될 때까지 기업이 성장할 수 있는 틈새를 제공합니다.

4. AmmPower Corp. (AMMPF)

AmmPower는 FuelPositive와 유사하게 모듈형 암모니아 발생 시스템을 제공하지만, 규모가 더 커서 기본 모듈이 하루 4톤을 생산할 수 있습니다. 이는 10,000에이커 이상의 대규모 농장이나 섬유, 냉동, 광산, 제약, 반도체와 같은 산업 현장에 적합합니다.

출처: AmmPower

회사는 현재 주문서를 구축 중이며, 단기 예약 잠재력은 3천만 달러로 추정되며, 52개국에서 690대 판매 전망을 가지고 있습니다.

전기 비용은 톤당 약 $360으로 추산됩니다.

모듈형 시스템 덕분에 3~4년이 걸리는 기존 프로젝트에 비해 1년 미만의 빠른 납기가 가능합니다.

또한 CTEC Energy Sales USA와의 합작 투자로 폐기물을 암모니아로 전환하는 기술을 개발하고 있습니다.

이와 같이 LiMAS 암모니아 공정을 모듈 설계에 통합하기 위한 추가 파트너십도 가능할 것입니다.

암모니아를 수소‑암모니아 경제로 전환하기 위해 암모니아를 수소로 분해하는 전용 자회사를 설립하고 별도 추가 자금을 모색하고 있습니다.

산업용 및 대규모 농장에 적합한 규모를 확보함으로써, AmmPower는 대부분 기업보다 더 큰 자본 접근성을 가진 고객을 목표로 하고 있습니다.

암모니아 분해 기술과 결합하면, 수소를 에너지 운반체로 개발하려는 정책에 따라 빠르게 규모를 확대할 수 있습니다.