에너지
번개 같은 플라즈마를 이용한 친환경 암모니아의 경제적 생산
친환경 암모니아 경제로의 길
암모니아(NH3)는石油 및 다른 화석 연료로 만들어진 액체 연료를 대체할 수 있는 훌륭한 후보로 간주되어 왔다. 이는 대기 중 질소(N2)와 같은 극도로 풍부한 자원을 사용하여 생산되며,ecessarily로石油이나 메탄이 필요하지 않기 때문이다.
암모니아는 중요한 비료로, 현재 화학 산업의 거대한 부분을 차지하고 있으며, 세계에서 두 번째로 많이 생산되는 화학 물질이다.
현재 암모니아는 주로 하버-보쉬 공정(Haber-Bosch process)을 통해 생산되며, 이는 질소를 수소와 결합하여 암모니아를 생성하는 공정으로, 높은 압력과 높은 온도를 필요로 하여 본질적으로 에너지 집약적이다.
그러나 암모니아 생산을 위한 수소의 출처는 암모니아 생산이 얼마나 오염되는지에 영향을 미친다. 현재 암모니아 생산을 위한 대부분의 수소는 화석 연료에서 추출되며, 암모니아는 세계 탄소 배출의 1.3%를 차지한다.
이상적으로 암모니아 경제는 재생 가능 에너지에서 생성된 녹색 암모니아에 의존해야 한다. 이것은 다음과 같은 다른 유형의 암모니아와 구별된다:
- 회색/갈색 암모니아: 화석 연료에서 생산된다.
- 청색 암모니아: 화석 연료에서 생산되지만, 이산화탄소를 포집한다.
- 분홍색 암모니아 (때때로 노란색 암모니아라고도 함): 원자력 에너지에서 생산된다.
- 터키석 암모니아: 메탄의 열분해로 생산된다. 이것은 메탄을 수소와 고형 탄소로 분해하며, 이후 수소를 암모니아로 전환한다. 고형 탄소는 저장하거나 탄소 섬유와 같은 응용 분야에서 사용할 수 있다.
암모니아가 주로 녹색 암모니아가 아닌 경우, 화석 연료를 대체하기 위해 이를 사용하는 것은 무의미하다. 왜냐하면 이는 화석 연료가 소비되는 지점을 변경할 뿐이기 때문이다.
“산업의 암모니아에 대한 수요는 증가하고 있다. 지난 10년 동안 글로벌 과학 커뮤니티,包括 우리 연구소,는 화석 연료에 의존하지 않는 더 지속 가능한 암모니아 생산 방법을 발견하려고 한다.
이것이 왜 새로운 발견이 암모니아 생산을 변경하고, 세기 오래된 하버-보쉬 공정을 완전히 우회할 수 있는 게임 체인저가 될 수 있는지 설명한다.
这样的 혁신은 오스트레일리아의 시드니 대학교와 중국의 절강 대학교의 연구자들이 공기에서 질소를 생성하기 위해 플라즈마를 사용하여 만들 수 있다. 그들은 그들의 결과를 Angewandte Chemie에 발표했으며, 제목은 “플라즈마 구동 공기-암모니아 전환을 위한 다기능 산소 공극 조절”이다.
왜 암모니아인가?
수소는 직접 사용하는 것보다 암모니아를 사용하는 이유는 무엇인가?
수소와의 차이점은 암모니아가 수소(H2)보다 훨씬 더 큰 분자이며 안정성이 더 높다. 이것은 암모니아의 운송과 저장을 훨씬 더 쉽게 만든다. 암모니아는 또한 액체 수소보다 거의 50% 더 에너지 밀도가 높다.
이 에너지 밀도와 더 쉬운 저장은 암모니아를 특히 에너지 소모가 많은 장거리 여행과 같은 운송에 적합한 후보로 만든다. 이것은 이전에 “녹색 암모니아를 통해 글로벌 해상로의 탈탄화“에서 자세히 논의한 바 있다.
또한 암모니아는 년간 또는 월간 저장에도 좋은 후보로 작용할 수 있다. 이것은 녹색 에너지에 의존하는 에너지 그리드의 균형을 유지하는 데 오래된 문제이다. 예를 들어, 여름이나 바람이 많이 불어오는 주에 남는 太陽 에너지를 사용하여 남는 암모니아를 생산하여, 겨울이나 바람이 적게 불어오는 계절에 사용할 수 있다.
암모니아 생산의 문제점
암모니아 생산이 하버-보쉬 공정에 의존하는 한, 이 전환은 시간이 걸릴 수 있다.
주된 이유는 녹색 수소 생산이 복잡하고 비용이 많이 든다는 것이다. 이는 종종 플라チ나와 같은 희귀 금속이 필요하므로, 나노 기술의 진행으로 변경될 수 있다.
또 다른 이유는 암모니아를 생산하기 위해 수소가 필요하다는 것이다. 이는 여러 단계의 공정이 필요하며, 각 단계에서 자본 투자가 필요하고 전체 생산 공정의 에너지 수율이 감소한다:
- まず 녹색 에너지를 太陽, 바람, 또는 수력 기술을 사용하여 생산해야 한다.
- 그런 다음 전기는 수소를 생성하는 전기분해기에 전달된다.
- 수소는 이후 암모니아 생산에 사용된다.
| 방법 | 에너지 원 | 주요 이점 | 이산화탄소 배출 |
|---|---|---|---|
| 회색/갈색 암모니아 | 화석 연료 | 저렴하고, 확립됨 | 높음 |
| 청색 암모니아 | 화석 연료 + CCUS | 배출량 감소 | 중간 |
| 녹색 암모니아 | 재생 가능 에너지 | 화석 연료 입력 없음 | 거의 없음 |
| 플라즈마 구동 암모니아 | 전기 (플라즈마) | 분산형, 효율적 | 낮음 |
재생 가능 에너지는 일반적으로 더 간헐적이고 분산된 것이므로, 이는 추가 비용을 생성하여 집중화된 수소 및 암모니아 생산을 필요로 한다.
“현재 암모니아를 생성하기 위해서는 집중화된 생산과 제품의 장거리 수송이 필요하다. 저렴하고, 분산화된, 확장 가능한 ‘녹색 암모니아’가 필요하다.”
비열 플라즈마가 녹색 암모니아를 어떻게 혁신할 수 있는가
비열 플라즈마란 무엇인가?
하버-보쉬 공정 외에도 암모니아를 생산하는 다른 방법이 있다. 일반적인 아이디어는 전기를 사용하여 질소를 산화시키고, 이후 수소 원자를 추가하는 것이다(질소 환원 반응 – eNRR).
그러나 이러한 방법은 질소의 낮은 용해도와 수중에서 물이 포함된 경우 발생하는 원치 않는 반응으로 제한된다. 이것이 왜 비열 플라즈마(NTP)가 사용되는 이유이다. 비열 플라즈마는 화학적 환원보다 산화 반응에 더 적합하다.
결과적으로 생성된 질산염(NO₃⁻)과 亚질산염(NO₂⁻)은 물中的 용해도가 N₂보다 거의 40,000배 더 높다.
이러한 방법은 유망하지만, 질소와 산소를 공기에서 추출하고 정제하는 것이 필요하며, 이는 비용을 증가시킨다.
이것이 왜 공기를 직접 활성화하여 NOx를 생성하고, 이후 생성된 중간체를 전기화학적 전환을 통해 NH₄⁺로 환원하는 접근법이 매력적인가이다.
구리-철 촉매
연구자들은 구리 나노그리드를 사용했으며, 산소 플라즈마 대기를 사용하여 결함(Cu_xO/Cu)을 생성하고, 높은 반응성의 종류인 O⁻ 이온, O 원자, O₃(오존) 분자를 생성했다. 이러한 반응성 산소 종은 구리와 상호작용하여 표면 산화를 일으킨다.
그런 다음 철 원자를 추가하여 표면에 안정적인 Fe–O–Cu 브리지 결합을 생성했다.
에너지 분산형 X선 분광법(EDS)을 사용하여 연구자들은 이 과정에서 형성된 매우 복잡한結晶 구조를 연구할 수 있었다. 매우 작은 막대와 복잡한 구조는 재료의 표면을 증가시켜 더好的 촉매로 만들었다.
암모니아의 전기화학적 환원
Fe₂O₃ NPs/Cu는 공기와 물에서 암모니아를 생성하기 위한 음극으로 사용되었다. 이는 질소의 산화와 물의 전기분해를 직접 제어했다.
테스트 결과, 구리 위에 Fe₂O₃를 도입하면 전기화학적 활성을 효과적으로 향상시킬 수 있음이 증명되었다.
연구자들은 암모니아 생성이 실제로 매우 빠르게 발생하는 복잡한 다층 화학 반응임을 분석하고, NO₂가 NH₃로 전환되는 것을 확인했다.
더욱 중요한 것은, 이 반응은 300 mA에서 거의 100%의 파라다이식 효율을 보였다. 이는 사용된 전기가 대부분 화학 에너지로 전환됨을 의미하며, 이는 전통적인 수소 생산과 질소-암모니아 전환의 다중 단계보다 효율이 10배 더 높다.
“이 새로운 접근법은 2단계 과정이다. 즉, 플라즈마와 전기분해를 결합한다. 우리는 이미 플라즈마 구성 요소를 에너지 효율성과 확장성 측면에서 실현 가능하게 만들었다.”
향후 방향
전체적으로, 이 방법은 암모니아 생산을 위한 다른 경로가 있음을 보여주며, 이는 하버-보쉬 공정을 완전히 우회할 수 있다. 또한, 녹색 수소를 별도로 생산할 필요가 없다.
이것은 또한 이전 버전의 기술과 비교하여 개선된 것으로, 구리-팔라듐 촉매 대신 철을 사용한다. 팔라듐은 비싼 금속이다.
이 연구는 주로 공기에서 질소를 직접 산화시키는 효율적인 촉매의 개발에 중점을 두었다.
이를 경제적으로 실현 가능하게 하기 위해서는 전기분해기 구성 요소를 개선해야 한다.幸い, 비귀금속 촉매를 사용한 수소 생산이나 자체 최적화 촉매를 사용한 수소 생산의 진행이 이루어지고 있다.
따라서 중기적으로, 우리는 다양한 기술의 조합으로 구성된 상업용 암모니아 생산 기계를 볼 수 있을 것이다. 예를 들어, 구리와 철을 사용한 공기 중 질소의 직접 산화, 비열 플라즈마를 사용한 것과 같은 저렴한 금속을 사용한 물의 전기분해가 포함된다.
이러한 유닛은 녹색 에너지 생산 사이트에 직접 설치될 수 있으며, 생성된 암모니아는 비교적 저렴한 탱크에 저장되어 파이프라인, 트럭 또는 탱커를 통해 운송될 수 있다.
이러한 설계에서 가장 많은 이익을 얻을 수 있는 것은 녹색 에너지 생성, 암모니아 생산, 암모니아 수송을 수직적으로 통합할 수 있는 회사일 것이다.
암모니아 회사
Aker Horizons ASA (AKH.OL)
Aker Horizons는 재생 가능 에너지에 중점을 둔 Aker 그룹의 자회사이다. Aker 그룹은 노르웨이의 대형 콩글로머리트로 재생 가능 에너지와 해양/해상 사업에 중점을 두고 있다.
출처: Aker
Aker Horizons는 여러 자회사들을 보유하고 있는 지주 회사로, 녹색 수소, 육상 및 해상 풍력 터빈, 태양광 발전소 등이 포함된다. 이는 남아프리카(12.3GW)와 다른 국가(아시아, 남아메리카, 유럽)에서 20.4GW의 재생 가능 에너지를 개발 중인 Mainstream Renewable Power와 같은 공용 事業을 포함한다.
이 회사는 특히 녹색 암모니아 생성에 매우 적극적이며, 북극 해상 수송의 탈탄화를 목표로 하고 있으며, 데이터 센터에서도 관심을 보이고 있다.
출처: Aker
Aker는 순수한 녹색 암모니아 회사만이 아니라, 녹색 암모니아의 전체적인 수직적 통합을 처리할 수 있다. 즉, 해상 풍력 터빈에서 녹색 수소 생성(현재까지)까지, 그리고 녹색 암모니아 생산까지 포함한다. 또한, 프랑스의 폐기물-에너지, 독일의 바이오매스 발전소, 중동(사우디아라비아와 UAE)의 탄소 포집 프로젝트에도 관심을 가지고 있다.
2025년 5월, Aker는 녹색 에너지 부문의 낮은 가격으로 인해 구조조정을 검토하고 있다. 이는 본질적으로 탄소 포집 운영을 완전히 재취득하고, Mainstream Renewable Power와 Narvik 녹색 암모니아 프로젝트를 Aker Horizon으로 다시 통합하는 것을 포함한다.
출처: Aker
이것은 녹색 에너지 부문의 장기적인 노출을 찾는 투자자들에게 좋은 주식이다. 특히 녹색 암모니아에 강한 포지셔닝을 가지고 있으며, 다른 녹색 에너지와 지리적 다양화를 제공한다.
참고 연구
1. Wanping Xu, Jiaqian Wang, Tianqi Zhang, Jungmi Hong, Qiang Song, Zhongkang Han, Patrick Cullen. (2025) 플라즈마 구동 공기-암모니아 전환을 위한 다기능 산소 공극 조절. Angewandte Chemie. 22 April 2025 https://doi.org/10.1002/anie.202508240
