지속가능성
번개에서 영감을 받은 플라즈마‑전기화학 반응기가 탄소 발자국 제로로 우리의 암모니아 수요를 해결할 수 있다
암모니아 경제로 가는 길 찾기
재생 에너지가 발전함에 따라 몇몇 제한 사항이 더 명확해지고 있습니다. 재생 에너지의 간헐성은 에너지 저장을 필요로 하며, 이는 배터리일 수 있습니다. 우리는 이전 기사 “에너지 저장의 미래—유틸리티 규모 배터리 기술”에서 이를 탐구했습니다.
하지만, 일부 형태의 에너지 소비는 전기화에 매우 저항합니다. 예를 들어, 장거리 해상 운송이나 항공 화물 운송이 있습니다.
이러한 적용 분야에서는 고밀도 액체 연료가 선호되며, 아마도 항공 여행에 가장 가능성이 높은 옵션일 것입니다. 따라서 화석 연료를 대체하기 위해 암모니아가 고체 대안으로 고려되고 있습니다. 암모니아는 비료와 폭발물과 같은 화학 물질 생산에도 핵심 화합물입니다.
현재 암모니아는 전 세계 에너지 소비와 탄소 배출량의 1.8%를 차지하고 있으며, 이는 운송에 사용하기 전의 수치입니다. 현재는 메탄을 연소시켜 소위 회색 암모니아를 생산합니다. 더 나은 대안은 재생 에너지로 생산되는 소위 녹색 암모니아입니다.
문제는 현재 녹색 암모니아가 석유 기반 연료나 회색 암모니아보다 훨씬 비싸다는 점입니다. 이는 주로 암모니아가 수소를 사용해 생산되는데, 수소 자체를 전기분해로 생산하는 비용이 비싸기 때문입니다.
리튬 매개 촉매와 같은 대안은 가능하고 더 저렴할 수 있지만, 아직 충분히 저렴하지 않을 수도 있습니다.
하지만, 뉴욕 버팔로 주립대학과 뉴질랜드 오클랜드 대학교 연구원들에 따르면 수소에 대한 대안이 있을 수 있습니다. 그들은 최근 미국화학학회지에 “Controlling the Reaction Pathways of Mixed NOxHy Reactants in Plasma‑Electrochemical Ammonia Synthesis”라는 제목으로 플라즈마를 이용한 암모니아 생산 방법을 발표했습니다.
암모니아 생산의 다양한 경로
질소(N2)는 지구에 매우 풍부하며 대기의 78%를 차지합니다. 그러나 식물이나 화학 물질로 활용하려면 암모니아(NH3) 또는 질산염(NO3) 형태가 필요합니다. 질소 원자에 수소 원자를 추가하는 과정은 매우 에너지 집약적입니다.
그 방법 중 하나는 질소 고정 박테리아라고 불리는 특수 박테리아를 이용하는 것입니다. 이는 전 세계 연간 100~300 테라그램의 질소를 공급하는 가장 큰 자연 질소원 중 하나이지만, 일반적으로 집약적인 농업에는 충분하지 않습니다.
앞서 언급했듯이, 또 다른 방법은 수소(H2)를 사용하는 것이지만, 녹색 수소 생산은 비용이 많이 듭니다.
하지만 자연에서 가끔 발생하는 세 번째 암모니아 생산 방법이 있습니다. 번개가 칠 때, 강한 전류가 N2를 분해하여 여러 형태의 질소산화물을 생성합니다.
출처: Britannica
자연에서는 이러한 질소산화물이 박테리아에 의해 암모니아로 전환됩니다. 이는 전체 자연 암모니아 생산량 중 아주 작은 부분에 해당하며, 3~10 테라그램 범위입니다. 이는 인공적으로 재현하여 수소 필요성을 완전히 없앨 수 있는 가능성을 제공합니다.
인공 플라즈마가 번개를 대체하다
연구원들은 전극과 유리 튜브가 있는 용기인 플라즈마 반응기에 공기를 주입했습니다. 플라즈마 방전은 번개의 효과를 재현하여 반응 챔버 내에 복잡한 질소산화물 혼합물을 생성합니다.
출처: ACS Publication
이 혼합 가스는 거품 형태의 구리‑팔라듐 합금 촉매 반응기로 전달됩니다. 이 촉매는 먼저 잔여 공기에서 질소산화물을 흡착한 뒤, 자연에서 산화물을 암모니아로 전환하던 박테리아를 대체하는 역할을 합니다.
촉매 미세 조정
질소산화물을 암모니아로 전환하는 두 번째 단계는 결코 간단하지 않습니다.
“플라즈마 에너지나 번개가 질소를 활성화하면, 다양한 질소산화물 화합물의 혼합물이 생성됩니다. 우리 경우처럼 최대 여덟 가지 서로 다른 화학 물질을 동시에 암모니아로 전환하는 것은 믿을 수 없을 정도로 어렵습니다.”
이는 산화물을 암모니아로 전환하기 위해 8개의 화학 반응만 필요한 것이 아니라, 실제로는 훨씬 더 많은 중간 단계가 필요하며, 각각이 병목 현상을 일으키고 시스템 전체 효율을 감소시킬 수 있음을 의미합니다.
또한 질소산화물은 어느 정도 오염 물질이므로, 이 방법으로 대규모 암모니아를 생산할 경우 가능한 한 잔류 질소산화물을 최소화해야 하는 문제가 있습니다.
따라서 연구원들은 “NOx‑to‑NH3 경로에서 제한적인 중간체의 최적 흡착 및 전환”을 목표로 하는 일련의 양금속 촉매를 제작하고 미세 조정해야 했습니다.
그들은 그래프 이론이라 불리는 수학적 과정을 사용해 모든 반응 경로를 도식화했습니다. 이를 통해 초기 단계부터 병목 현상이 어디에 있는지, 전환 효율을 어떻게 개선할 수 있는지를 파악할 수 있었습니다.
그 결과 대부분의 질소산화물 화합물은 암모니아가 되기 전에 일산화질소 또는 아민을 중간 단계로 거쳐야 함을 발견했습니다. 따라서 이 두 화합물과 친화적으로 결합하는 촉매를 개발했습니다.
규모 확대
최종 설계는 81.2 mg/h/cm2의 암모니아 생산 속도를 달성했습니다. 플라즈마 챔버와 구리‑팔라듐 촉매는 2암페어 전류를 적용한 상태에서 1,000시간 이상 운전 후에도 안정적이었습니다.
연구팀은 현재 실험용 반응기의 규모 확대를 위한 다음 단계로, 스타트업 설립과 산업 파트너에 기술 라이선스 제공을 모두 검토하고 있습니다. 버팔로 대학은 또한 이 반응기에 대한 특허 출원을 진행했습니다.
현재 화석 연료 기반 생산과 달리, 이 플라즈마 기반 암모니아 생산은 몇 가지 핵심 장점을 제공합니다:
- 플라즈마 생성이 전기로만 구동되므로 100% 친환경 에너지로 전력을 공급받을 수 있습니다.
- 중형 컨테이너에 통합하고 태양광 패널에 연결할 수 있어 현재 암모니아 공장의 대규모 설비가 필요하지 않습니다.
- 촉매 과학의 추가 발전은 시스템 비용을 낮추는 데 도움이 될 수 있으며, 특히 태양광과 같은 친환경 에너지 비용도 지속적으로 감소하고 있습니다.
“우리의 반응기를 중형 선박 컨테이너에 태양광 패널을 지붕에 설치한 형태로 상상할 수 있습니다. 이렇게 하면 전 세계 어디에든 배치하여 해당 지역의 수요에 맞춰 암모니아를 생산할 수 있습니다.
이는 우리 시스템의 매우 흥미로운 장점이며, 하버‑보시 공정에 접근하기 어려운 개발도상국에서도 암모니아를 생산할 수 있게 해줄 것입니다.
잠재적으로, 비싼 팔라듐을 필요로 하지 않는 다른 옵션, 예를 들어 적절한 박테리아를 포함한 바이오리액터를 조사하는 것도 추가 개발의 한 방안이 될 수 있지만, 암모니아가 전 세계 연료원으로 자리잡기 위해 필요한 규모로 확대하기는 어려울 수 있습니다.
암모니아 투자
우리는 이전 기사에서 몇 가지 녹색 암모니아 투자 가능성과 그 과학을 이미 다루었습니다. 특히 “다른 수소 연료 – 상위 5개 녹색 암모니아 주식”와 “녹색 암모니아를 통한 전 세계 해운 라인 탈탄소화”가 있습니다.
하지만 이 새로운 플라즈마 기반 암모니아 생산 공정의 등장과 관련해, 보다 관련성 높은 투자 대상은 팔라듐 채굴 기업일 수 있습니다. 규모 확대 생산에는 연구진이 사용한 촉매의 대량이 필요하기 때문입니다.
2023년 팔라듐은 주로 러시아와 남아프리카공화국에서 생산되었으며, 그 다음으로 캐나다와 짐바브웨가 뒤를 이었습니다.
출처: Statista
물론, 동전이나 금속 바 형태의 팔라듐에 직접 투자하는 것도 귀금속 주화 판매업체를 통해 가능합니다.
출처: US State Mint
팔라듐 가격은 최근 몇 년간 매우 변동성이 컸으며, 우크라이나 전쟁과 러시아 공급의 중요성으로 인해 가격이 급등했습니다. 이후 다시 하락했습니다.
출처: Investing.com
1. Sibanye Stillwater Limited
팔라듐 및 플래티넘에 가장 집중하는 기업으로, Sibanye Stillwater는 업계 선두주자입니다. 또한 세계 최대의 로듐 생산업체이기도 합니다.
(SBSW )
이 금속들 외에도 이 회사는 이리듐, 루테늄과 같은 다른 백금족 금속도 생산합니다. 이는 백금족 금속(PGM)이 동일한 광석에서 함께 발견되고 채굴되는 경우가 많기 때문입니다.
2024년 9월, Sibanye Stillwater는 몬태나 스틸워터 광산을 구조조정하여 생산량을 45% 감축하고 비용을 절감하겠다고 발표했습니다. 이 광산은 플래티넘보다 팔라듐 함량이 더 높으며, 팔라듐 가격 하락으로 어려움을 겪고 있습니다.
이로 인해 4억 3,500만 달러 규모의 감액 손실이 발생했으며, 회사는 2024년 상반기에 손실을 기록했습니다.
이는 팔라듐이 플라즈마를 이용한 대량 암모니아 생산을 위한 중요한 “에너지 금속”이 될 경우, 귀중한 잠재 자산이 될 것입니다.
또한 현재 가격은 대부분의 플래티넘 풍부 지역에서 생산 비용을 겨우 충당할 정도이며, 이는 광산 폐쇄 전 산업의 최저 수준을 의미합니다.
Sibanye Stillwater는 현재 순수 PGM 채굴업에서 벗어나 금 및 배터리 금속 시장으로 다각화하고 있으며, 특히 핀란드의 리튬 채굴 프로젝트에 주력하고 있습니다.
이 회사는 남아프리카의 베이사 우라늄 프로젝트를 통해 우라늄 채굴에도 진출해 있습니다. 최근 이 프로젝트를 Neo Energy에 매각하고, Neo Energy의 40% 지분을 확보했으며, 판매되는 모든 우라늄에 대해 현물 가격에 따라 파운드당 최대 5달러로 제한된 로열티를 받습니다.
“Beatrix 4 광산과 Beisa 우라늄 프로젝트의 매각은 Sibanye‑Stillwater의 전략에 부합합니다. 이는 우리 우라늄 자산의 가치를 실현하기 위한 조치입니다.”
Neal Froneman – Sibanye‑Stillwater 최고경영자
전반적으로 Sibanye‑Stillwater는 세계 최대의 국제 PGM 채굴 기업이며, 에너지 부문이 운송 연료로 수소 또는 암모니아로 전환함에 따라 주주들은 큰 혜택을 받을 것입니다. 이는 해당 분야의 거의 모든 기술이 수소 전기분해, 암모니아 생산 또는 연료 전지를 위해 플래티넘, 팔라듐, 로듐 중 하나를 필요로 하는 촉매 물리학에 기반하기 때문입니다.
또한 리튬에서 우라늄에 이르는 저탄소 에너지 분야로 확장하고 있어, 재생 에너지와 수소/암모니아 기반의 녹색 경제 전환으로 가장 큰 혜택을 받을 가능성이 높은 광산 기업 중 하나입니다.
연구 참고문헌:
1. Ge, X., Zhang, C., Janpandit, M., Prakash, S., Gogoi, P., Zhang, D., Cook, T. R., Waterhouse, G. I. N., Yin, L., Wang, Z., & Li, Y. C. (2024). Controlling the reaction pathways of mixed NOxHy reactants in plasma‑electrochemical ammonia synthesis. Journal of the American Chemical Society, 146(51), 35305–35314. https://doi.org/10.1021/jacs.4c12858 한국어로.
