화학저널

일본, 연구개발 프로젝트 5건 착수 … UINST‧KAIST도 신기술 개발

일본과 한국이 암모니아(Ammonia) 기술 개발에서 경쟁하고 있다.
암모니아는 연소 때 이산화탄소(CO2)가 전혀 배출되지 않아 상용화 가능성이 큰 차세대 친환경 연료로 주목받고 있으며, 수소를 암모니아로 전환하면 액화했을 때보다 약 1.7배 많이 저장할 수 있고 암모니아 액화설비와 운송수단을 그대로 사용할 수 있어 경제적이라는 점에서 수소 운반‧저장체로 부상하고 있다.
그러나 암모니아를 생산할 때 발생하는 다량의 이산화탄소는 세계 배출량의 약 1.8%를 차지해 질소를 물에 녹여 전기분해법으로 그린 암모니아를 생산하는 기술이 주목받고 있으나 질소가 물에 잘 녹지 않을 뿐만 아니라 여전히 화석연료로 생산한 전기를 사용해야 한다는 단점이 제기되고 있다.
일본은 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)가 2022년 총 2조엔에 달하는 그린 이노베이션(GI) 기금 사업을 통해 암모니아 연료 서플라이체인 구축 프로젝트에 착수했다.
앞으로 10년 동안 총 598억엔의 예산을 투자해 차세대 그린 연료로 각광받고 있는 암모니아의 공급 코스트를 낮추고 이용 확대를 촉진할 수 있는 다양한 신기술 확립을 목표로 하고 있다.
암모니아 제조용 신규 촉매 개발 프로젝트는 치요다(Chiyoda)가, 그린 암모니아 전해 합성기술 개발 프로젝트는 이데미츠코산(Idemitsu Kosan)이 주도한다. 신규 촉매 사업은 쓰바메BHB(Tsubame BHB), 전해합성 기술은 닛산케미칼(Nissan Chemical)이 주도하고 화학‧벤처 보유 기술과 노하우를 적극적으로 활용할 계획이다.
신기술을 조기에 실용화함으로써 탄소중립 실현을 앞당길 수 있을 것으로 기대하고 있다.
NEDO는 암모니아 연료 서플라이체인 구축을 위해 총 5개의 연구개발(R&D) 프로젝트를 채택했다.
암모니아 제조용 신규 촉매의 개발 및 실증 프로젝트에는 206억엔을 지원하며 치요다, 도쿄전력(Tokyo Electric), JERA가 참여한다.
3개 개발팀이 일본산 신규 촉매 개발에 도전해 최종적으로 1개를 선정하고 저온저압 프로세스를 구축해 상업 플랜트로 확대하기 위한 벤치 및 파일럿 시험 등으로 기술을 실증할 예정이다. 개발팀 가운데 도쿄(Tokyo)공업대학과 쓰바메BHB 그룹은 귀금속을 사용하지 않는 새로운 촉매를 개발하고 발전용으로 상업화하기 위해 기존 하버보슈 공법보다 제조코스트가 15% 이상 낮은 신규공법을 확립할 방침이다.
그린 암모니아 전해 합성 프로젝트에는 총 23억엔을 배정했으며 이데미츠코산이 리더를 맡은 가운데 도쿄대학, 규슈(Kyushu)대학, 오사카(Osaka)대학, 도쿄공업대학이 참여한다.
도쿄대학의 니시바야시 요시아키 교수가 개발한 몰리브덴 촉매를 개량함으로써 물과 질소를 원료로 전해 반응을 활용하는 상온상압 암모니아 제조공법 확립이 목표이다. 재위탁처 가운데 1곳으로는 도쿄대학대학원의 니시바야시 요시아키 교수와 몰리브덴 촉매를 공동으로 연구하고 있는 닛산케미칼이 선정됐다.
아울러 석탄 보일러를 활용한 암모니아 고소성 기술(전소 포함) 개발 및 실증에 279억엔을 배정했고 2개 연구주제를 IHI, 미츠비시중공업(Mitsubishi Heavy Industries), JERA 등이 추진할 계획이다.
가스터빈의 암모니아 전소기술 개발 및 실증에는 90억엔을 지원하며 IHI, 도호쿠(Tohoku)대학, 산업기술종합연구소 등이 공동 제안 연구주제를 채택했다.
NEDO는 5개 연구개발 주제를 추진함으로써 2030년까지 암모니아 공급가격을 노멀입방미터(열량 등가 수소 환산) 기준 10엔대 후반으로 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있다.
일본 정부는 2050년 암모니아 3000만톤 도입을 목표로 하고 있다.
국내에서는 울산과학기술원(UNIST)과 한국과학기술원(KAIST)이 친환경 암모니아 제조기술을 개발했다.
UNIST 에너지화학공학과 이재성 교수 연구팀은 햇빛을 이용해 이산화탄소 배출 없이 폐수 속 질산염에서 암모니아를 얻는 광촉매 기술을 개발했다.
광촉매가 햇빛을 받아 만든 광전자로 질산염을 환원시켜 암모니아를 합성하는 방식이다.
광촉매를 활용해 아주 낮은 전압에서 95.6%라는 높은 선택도로 질산염을 환원시켜 암모니아를 만들고 실리콘 나노와이어가 고르게 정렬된 광촉매의 구조 특성과 나노와이어 표면에 잘 부착된 미량의 금 입자 성분 덕분에 높은 효율을 얻을 수 있었다. 
KAIST는 일산화질소에서 친환경 암모니아를 생산하는 고효율 전기화학 시스템을 개발했다.
질소산화물(NOx) 처리 기술인 선택적 촉매 환원법(SCR)은 요소수 주입이나 바나듐‧몰리브데넘 등 고가의 금속 촉매가 요구되나 저가의 철 촉매를 활용해 상온·상압에서 최고 수준의 전기화학적 암모니아 생산 속도를 달성했다.
하버보쉬 공법이 섭씨 영상 400도, 200기압 이상의 높은 에너지 조건을 요구하는 반면 전기화학 시스템은 상온·상압 조건에서 가능해 공정 설비와 코스트 부담을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다. (강윤화 선임기자)