에너지
번개와 같은 플라즈마로 친환경 암모니아를 저렴하게 만들다
녹색 암모니아 경제로 가는 길
암모니아(NH3)는 석유 및 기타 화석 연료로 만든 액체 연료를 대체할 수 있는 잠재력이 큰 후보로 여겨져 왔습니다. 이는 대기 중 질소(N2)라는 매우 풍부한 자원을 사용해 만들 수 있으며, 생산에 석유나 메탄이 반드시 필요하지 않기 때문입니다.
암모니아는 중요한 비료이기 때문에 현재 화학 산업에서 생산량이 방대하며, 전 세계에서 두 번째로 많이 생산되는 화학 물질입니다.
암모니아는 현재 주로 하버-보쉬 공정을 통해 생산되며, 질소와 수소를 결합해 암모니아를 만들고 고압·고온을 사용하기 때문에 본질적으로 에너지 집약적입니다.
하지만 이 수소의 공급원에 따라 암모니아 생산이 얼마나 오염되는지가 달라집니다. 오늘날 암모니아 생산에 사용되는 대부분의 수소는 화석 연료에서 얻어지며, 암모니아가 전 세계 탄소 배출량의 1.3%를 차지하게 합니다.
이상적으로는 암모니아 경제가 재생 에너지로 만든 이른바 녹색 암모니아에 의존해야 합니다. 이는 다른 유형의 암모니아와 구별됩니다:
- 회색/갈색 암모니아: 화석 연료에서 생산됩니다.
- 청색 암모니아: 화석 연료에서 생산되지만 탄소 포집을 동반합니다.
- 핑크 암모니아(때때로 황색 암모니아라고도 함): 원자력 에너지에서 생산됩니다.
- 청록색 암모니아: 메탄의 열분해로 생산됩니다. 메탄을 수소와 고체 탄소로 분해하고, 수소는 이후 암모니아로 전환됩니다. 고체 탄소는 저장하거나 탄소 섬유와 같은 용도로 사용할 수 있습니다.
암모니아가 대부분 녹색 암모니아가 아닌 한, 운송 및 산업에서 화석 연료를 대체하기 위해 사용하는 것은 별 의미가 없으며, 단지 화석 연료가 소비되는 지점을 바꾸는 것에 불과합니다.
“산업계의 암모니아에 대한 수요는 계속 증가하고 있습니다. 지난 10년 동안 우리 연구실을 포함한 전 세계 과학 공동체는 화석 연료에 의존하지 않는 보다 지속 가능한 암모니아 생산 방법을 찾고자 노력해 왔습니다.
이러한 이유로, 수세기 된 하버-보쉬 공정에서 벗어나 암모니아 생산 방식을 완전히 바꾸는 새로운 발견이 게임 체인저가 될 수 있습니다.
이러한 혁신은 호주 시드니 대학교와 중국 저장대학 연구원들이 플라즈마를 이용해 공기에서 질소를 생산함으로써 이룬 것일 수 있습니다. 그들은 Angewandte Chemie1에 “플라즈마 구동 공기-암모니아 전환을 위한 다기능 산소 결함 조절”이라는 제목으로 결과를 발표했습니다.
왜 암모니아인가?
암모니아가 본질적으로 변환된 수소라면, 왜 직접 수소를 사용하지 않을까요?
수소와의 차이점은 암모니아가 H2보다 훨씬 큰 분자이며 훨씬 더 안정적이라는 것입니다. 이는 운송 및 저장이 훨씬 용이해짐을 의미합니다. 또한 암모니아는 액체 수소보다 약 50% 더 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다.
이러한 에너지 밀도와 쉬운 저장성 때문에 암모니아는 특히 선박과 같은 에너지 소모가 큰 장거리 운송에 이상적인 후보가 됩니다. 우리는 이와 관련해 “녹색 암모니아를 통한 전 세계 해운 경로 탈탄소화”에서 자세히 논의했습니다.
또한 암모니아는 연간 또는 월간 저장에 적합한 후보가 될 수 있습니다. 이는 녹색 에너지에 의존하는 전력망의 균형을 맞추는 오랜 과제이며, 예를 들어 여름의 태양광 잉여 전력이나 풍량이 높은 주에 잉여 암모니아를 생산하고 이를 겨울이나 풍량이 낮은 계절에 소비하는 방식입니다.
암모니아 생산의 문제점
암모니아 생산이 하버-보쉬 공정에 의존하는 한, 더 친환경 연료로의 전환은 시간이 걸릴 수 있습니다.
주된 이유는 녹색 수소 생산이 복잡하고 비용이 많이 들며, 종종 플래티넘과 같은 희귀 금속이 필요하기 때문입니다. 하지만 나노기술의 발전으로 니켈 나노로드를 사용하는 등 변화가 예상됩니다.
다른 이유는 수소를 이용한 암모니아 생산이 다단계 공정이며, 각 단계마다 자본 투자가 필요하고 전체 생산 과정의 에너지 수율을 감소시킨다는 점입니다:
- 먼저 태양광, 풍력 또는 수력 기술을 이용해 녹색 에너지를 생산해야 합니다.
- 그 전기가 전해조로 전달되어 수소를 생산합니다.
- 그 후 생산된 수소가 암모니아 생산에 사용됩니다.
| 방법 | 에너지 원 | 주요 이점 | CO₂ 배출량 |
|---|---|---|---|
| 회색/갈색 암모니아 | 화석 연료 | 저비용, 기존 기술 | 높음 |
| 청색 암모니아 | 화석 연료 + CCUS | 배출 감소 | 중간 |
| 녹색 암모니아 | 재생 에너지 | 화석 입력 없음 | 거의 없음 |
| 플라즈마 구동 암모니아 | 전기(플라즈마) | 분산형, 효율적 | 낮음 |
녹색 에너지는 일반적으로 더 간헐적이고 분산되어 있기 때문에, 중앙집중식 수소 및 암모니아 생산이 필요하게 되어 추가 비용이 발생합니다.
“현재 암모니아 생산은 중앙집중식 생산과 장거리 운송이 필요합니다. 우리는 저비용, 분산형, 확장 가능한 ‘녹색 암모니아’가 필요합니다.”
비열 플라즈마가 녹색 암모니아를 혁신할 수 있는 방법
비열 플라즈마란 무엇인가?
하버-보쉬 외에도 암모니아를 생산하는 다른 방법이 존재합니다. 기본 아이디어는 전기를 사용해 질소를 산화시키고, 이후 수소 원자를 첨가하는(질소 환원 반응 – eNRR) 것입니다.
하지만 이러한 방법은 질소의 낮은 용해도와 물이 포함된 용액에서 발생하는 원치 않는 부반응으로 제한됩니다. 따라서 비열 플라즈마(NTP)가 대신 고려되는데, NTP는 화학적 환원보다 산화 반응에 더 적합하기 때문입니다.
그 결과 생성된 질산염(NO₃⁻)과 아질산염(NO₂⁻)은 물에 대한 용해도가 N₂보다 거의 40,000배 높습니다.
이러한 방법은 유망하지만, 공기에서 질소와 산소를 추출하고 정제해야 하므로 비용이 증가합니다.
따라서 공기를 직접 활성화해 NOx를 생성하고, 생성된 NOx 중간체를 전기화학적 전환을 통해 NH₄⁺로 환원하는 접근법이 매력적입니다.
구리-철 촉매
연구진은 구리(P-Cu) 나노그리드를 사용했으며, 산소 플라즈마 분위기에서 결함(CuxO/Cu)과 O⁻ 이온, O 원자, O₃(오존) 분자와 같은 고활성 종을 생성했습니다. 이러한 반응성 산소 종은 구리와 상호작용해 표면 산화를 일으킵니다.
그 후 철 원자를 추가함으로써 표면에 안정적인 Fe–O–Cu 브리지 결합이 형성되었습니다.
에너지 분산형 X-선 분광법(EDS)을 이용해 연구진은 이 과정에서 형성된 매우 복잡한 결정 구조를 조사했습니다. 매우 작은 막대와 복잡한 구조가 물질의 표면적을 증가시켜 촉매 효율을 높였습니다.
암모니아 전기촉매
Fe₂O₃ NPs/Cu를 양극으로 사용해 질소와 물로부터 암모니아를 생산했으며, 질소 산화와 물 전기분해를 통한 수소 생성 모두를 직접 제어했습니다.
시험 결과, 구리에 Fe₂O₃를 도입하면 전기촉매 활성이 효과적으로 향상됨을 확인했습니다.
그들은 암모니아 생산 과정이 어떻게 작동하는지 상세히 분석했으며, 실제로 매우 빠르게 진행되는 복합 다단계 화학 반응이며, NO₂가 NH₃로 전환됨을 확인했습니다.
더 중요한 점은, 이 반응이 300 mA에서 거의 100%에 가까운 파라데이 효율을 보였으며, 이는 사용된 전기의 대부분이 화학 에너지로 전환됨을 의미합니다. 이는 기존의 물 전기분해(수소 생산)와 질소-암모니아 전환의 여러 단계를 거치는 방식보다 한 차원 높은 효율성을 나타냅니다.
“이 새로운 접근법은 플라즈마와 전기분해를 결합한 2단계 공정입니다. 우리는 이미 플라즈마 구성 요소를 에너지 효율성과 확장성 측면에서 실현 가능하게 만들었습니다.”
앞으로 나아가기
전반적으로 이 방법은 하버-보쉬 공정을 완전히 우회할 수 있는 다른 암모니아 생산 경로가 존재하며, 초기 단계에서 녹색 수소를 별도로 생산할 필요가 없음을 보여줍니다.
또한 이는 철 대신 구리-팔라듐 촉매를 사용해야 했던 이전 버전에 비해 개선된 것으로, 팔라듐은 비용이 높은 금속입니다.
이 연구는 주로 정제되지 않은 공기에서 직접 질소를 산화시키는 효율적인 촉매 개발에 초점을 맞추었습니다.
경제성을 확보하려면 수소를 생산하는 전해조 부품을 여전히 개선해야 합니다. 다행히도 이전에 사용되지 않았던 촉매를 이용한 수소 생산이나 자체 최적화 촉매 분야에서 진전이 이루어지고 있습니다.
따라서 중기적으로는 구리와 철을 이용한 플라즈마 직접 질소 산화와 저렴한 금속을 이용한 물 전기분해와 같은 다양한 기술이 결합된 상업용 암모니아 생산 장치를 보게 될 것입니다.
이러한 장치는 녹색 에너지 생산 현장에 직접 설치될 수 있으며, 생산된 암모니아는 비교적 저렴한 탱크(수소 대비)에서 저장되어 파이프라인, 트럭, 선박 등을 통해 운송될 수 있습니다.
녹색 에너지 생산, 암모니아 생산, 그리고 암모니아 운송을 수직적으로 통합할 수 있는 기업이 이러한 설계로 가장 큰 이익을 얻을 것으로 보입니다.
암모니아 기업
Aker Horizons ASA (AKH.OL)
Aker Horizon은 녹색 에너지에 중점을 둔 Aker 그룹의 자회사입니다. 이 그룹은 재생 에너지와 해양/오프쇼어 사업에 집중하는 대형 노르웨이 기업집단입니다.
출처: Aker
Aker Horizon은 녹색 수소, 육상 및 해상 풍력 발전소, 태양광 발전소 등을 포함한 여러 자회사의 지주회사입니다. 여기에는 남아프리카(12.3GW)와 기타 국가(아시아, 남미, 유럽)에서 20.4GW 규모의 재생 에너지를 개발 중인 유틸리티 기업 Mainstream Renewable Power가 포함됩니다.
이 회사는 특히 수소와 녹색 암모니아 생산에 활발히 참여하고 있으며, 북극 해운의 탈탄소화와 데이터 센터의 관심을 목표로 하고 있습니다.
출처: Aker
Aker는 순수한 녹색 암모니아 기업은 아니지만, 해상 풍력에서 수소 생산(현재) 및 녹색 암모니아 생산에 이르는 전체 수직 통합을 수행할 수 있습니다. 또한 프랑스의 폐기물-에너지 전환, 독일의 바이오매스 플랜트, 중동(사우디아라비아와 UAE)의 탄소 포집 프로젝트에도 참여하고 있습니다.
2025년 5월, Aker는 녹색 에너지 부문의 저가로 인한 구조조정을 검토하고 있습니다, 이는 탄소 포집 사업을 완전히 재인수하고, 일부 주식의 별도 상장 후 AKH Holding(주요 재생 에너지와 Narvik 녹색 암모니아 프로젝트)을 Aker Horizon에 재통합하려는 움직임입니다.
출처: Aker
이는 녹색 에너지 분야 전반에 장기적으로 투자하고자 하는 투자자에게 좋은 주식이 되며, 녹색 암모니아뿐만 아니라 다른 녹색 에너지와 북미 주식에서 벗어난 지리적 다변화를 제공하는 강력한 포지션을 가지고 있습니다.
참조 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 결함 조절. Angewandte Chemie. 22 2025년 4월 https://doi.org/10.1002/anie.202508240
