그린 암모니아 생산을 통한 지속 가능성 촉진

암모니아는 질소와 수소로만 구성된 화합물로, 현대 사회의 일상 생활에서 필수적인 물질입니다. 무엇보다도 비료의 주요 질소 공급원으로서 식량 생산에 사용되어 증가하는 세계 인구에 충분한 식량을 공급하는 데 중요한 역할을 합니다.

암모니아는 농업 외에도 다음과 같은 여러 산업 프로세스에서 광범위하게 사용됩니다.

• 플라스틱, 섬유, 염료, 폭발물 등 다양한 제품의 기본이 되는 화학물질 생산에 사용
• 제약 산업에서 다양한 원료 의약품의 출발 물질 및 pH 조절용으로 사용
• 효율적인 열 전달 특성으로 HVAC의 냉매에 사용
• 식품 산업에서 첨가제 및 방부제로 사용
• 수처리 분야에서 유기 소독을 용이하게 하는 클로라민을 생성하여 상수도 정화에 사용
• 탈지 및 소독 특성으로 다양한 가정용 세정제의 핵심 성분으로 사용
• 섬유 제조 부문에서 원단의 부드러움과 염료 친화성을 개선하기 위해 마감 공정 중에 사용

암모니아는 여러 산업에서 사용되는 매우 중요한 화학물질이지만, 기존의 암모니아 생산 방식은 환경에 영향을 미치기 때문에 친환경적인 대안을 모색해야 할 필요가 있습니다.

암모니아는 촉매가 있는 상태로 고압과 고온에서 질소가 수소와 결합하는 하버-보슈 프로세스를 통해 주로 생산됩니다.

생산 단계는 다음과 같습니다.

• 질소 추출: 공기 분리 장치를 사용하여 액화 및 증류 프로세스를 통해 공기에서 질소(N₂)를 추출합니다. 또는 압력 변동 흡착법을 통해 특수한 흡착제를 사용하여 질소 분자를 선택적으로 포집합니다.
• 수소 생산: 수소(H₂)는 일반적으로 증기 메탄 개질 또는 자동 열 개질을 통해 생산됩니다.
• 암모니아 합성: 정제된 질소 및 수소 가스를 혼합하여 고압(> 200 atm/2,940 psi)과 고온(> 450 °C/842 °F)에서 촉매(일반적으로 철)를 통과시켜 질소 및 수소 원소를 생성하고, 이 원소들이 결합하여 암모니아(NH₃)를 형성합니다.
• 암모니아 및 잔류 수소/질소 냉각: 가스는 450 °C/842 °F 이상의 온도에서 반응기에서 배출되고 폐열 보일러를 겸한 열교환기에 의해 냉각됩니다. 이를 통해 과열 증기가 생성되며, 이 증기는 이후 발전 장치에서 사용됩니다.
• 암모니아 분리: 가스 혼합물은 약 -40 °C (-40 °F)로 냉각되어 암모니아가 응축되고, 비등점이 더 높은 암모니아를 미반응 질소 및 수소 가스와 분리할 수 있습니다. 이렇게 분리된 미반응 가스는 다시 공정에 재활용되어 반응을 완료합니다.

전체 프로세스는 N₂ + 3H₂ ↔ 2NH3 식으로 표시할 수 있습니다.

하버-보슈 방식은 에너지 집약적이며, 브라운, 블랙 및 그레이 수소 생산 프로세스는 온실가스(GHG) 배출에 기여합니다. 이러한 환경적 영향으로 인해 지속 가능한 공급원에서 생산하는 그린 수소와 재생 에너지를 통한 질소 생산의 선호도가 높아지고 있습니다.

암모니아 생성에 사용되는 수소의 생산은 전 세계 이산화탄소 배출량의 약 1.8%를 차지하며, 이는 항공 산업 전체와 비슷한 수치입니다. 이러한 환경 문제에 대응하기 위해 마련된 "그린 암모니아"라는 개념은 재생 에너지원을 이용하는 탄소중립 프로세스를 통해 성분 가스를 공급함으로써 암모니아 생산의 탄소 발자국을 크게 줄이는 것을 목표로 합니다.

그린 암모니아 생산에 사용되는 원료는 공기, 물, 다양한 공정에 사용되는 재생 에너지라는 세 가지 간단한 요소로 구성됩니다.

공기 분리 장치는 극저온 증류 또는 압력 변동 흡착을 이용해 대기에서 질소를 추출합니다. 극저온 증류는 공기를 극저온으로 냉각시켜 암모니아 생산에 필요한 질소를 포함한 성분 가스를 비등점에 따라 분리하는 방식입니다. 또는 압력 변동 흡착법을 통해 특수한 흡착제를 사용하여 질소 분자를 선택적으로 포집합니다.

그린 암모니아는 재생 에너지원을 이용한 수전해로 생산되는 그린 수소를 사용하기 때문에 배출이 발생하지 않습니다. 이 프로세스에는 물 분자를 수소 원자와 산소 원자로 분리해 암모니아 합성을 위한 공급 원료로 수소 가스를 얻고 산소를 공기 중으로 배출하는 과정이 수반됩니다. 전기분해는 검증된 기술인 알칼리 전해조나, 효율성이 더 높고 응답 속도가 더 빠르다고 알려져 있지만 비용이 더 높은 양성자 교환막(PEM) 전해조를 사용해 진행됩니다.
그런 다음 하버-보슈 프로세스에 따라 질소와 수소를 반응시키는데, 이 과정 중에 탄소 발자국이 감소합니다. 생성된 암모니아가 "그린"으로 분류되려면 이 과정의 모든 프로세스에서 재생 에너지를 사용해야 합니다.

암모니아를 암모니아 크래킹 프로세스를 통해 수소로 분해할 수도 있지만, 이 반응은 촉매가 있는 상태에서 600 °C/1,112 °F의 열이 필요하기 때문에 에너지 집약적입니다. 암모니아는 순수 수소보다 대량으로 취급하고 저장하기 더 쉽기 때문에 이 프로세스는 수소가 필요한 일부 분야에서 사용됩니다.

여러 저탄소 프로세스와 마찬가지로 그린 암모니아 생산을 확대하는 데에는 인프라의 한계와 높은 생산 비용이라는 과제가 따릅니다. 먼저, 재생 에너지 부문은 빠르게 성장하고 있지만, 산업 및 소비자 제품 수요를 충족하는 데 필요한 기존 시스템의 그리드 통합 및 전력 저장 수준에는 아직 도달하지 못했습니다. 마찬가지로 그린 수소 생산을 위한 전해조 역시 규모 확대를 위해서는 상당한 투자가 필요합니다.

그러나 지속 가능한 기술이 성숙하고 규모의 경제가 실현되면서 그린 생산은 점점 더 비용 경쟁력이 높아질 것입니다. 최근 몇 년 동안 재생 에너지 비용은 하락하고 있고 이러한 추세는 앞으로 계속될 것으로 예상되므로 그린 수소와 질소의 경제성은 더욱 높아질 것입니다.

또한 암모니아는 무탄소 에너지 운반체로서 일부 분야에서는 직접 연소용으로도 시범적으로 사용되고 있어 태양광과 풍력 발전의 간헐성 문제를 해결하는 데 도움이 되고 있습니다. 뿐만 아니라, 높은 에너지 밀도 때문에 전통적으로 탄소 배출량이 많은 해운 및 장거리 수송용 연료로 사용하는 방안도 모색하고 있습니다.

암모니아는 그 가치에 상관없이 유해한 화학물질이므로 조심스럽게 취급해야 합니다. 암모니아 농도가 0.5%에 불과한 공기만 흡입해도 인체에 치명적일 수 있습니다. 부식성과 독성이 강하기 때문에 생산, 수송, 사용 중에 엄격한 안전 프로토콜이 필요합니다.

표준 개인 보호 장비와 종합적인 직원 교육 외에 누출 감지 시스템은 예기치 않은 누출이 발생할 경우 위험을 완화하는 데 도움이 됩니다. 이 시스템은 전기화학 가스 감지기, 압력 트랜스미터, 기타 첨단 안전 계기 및 부품으로 구성됩니다.

또한 암모니아 생산을 위해 공기에서 질소를 추출하는 데 사용되는 공기 분리 장치에는 순도 분석을 위한 TDLAS 분석기와 프로세스 제어를 위한 압력 센서 같은 계기가 사용됩니다. 수전해 프로세스에서는 전도도 센서가 전해질 품질을 모니터링하여 최적의 전해조 성능과 수명을 보장하고, 유량계가 수소 및 산소 생산을 조절하는 데 도움을 줍니다.

암모니아 합성 루프에서는 반응 조건을 최적화하고 제품 품질을 보장하기 위해 온도 센서, 압력 트랜스미터, 가스 분석기 등 다양한 계기를 사용합니다. 이러한 계기들은 실시간 제어 및 기록 분석을 위해 연속적인 데이터를 제공하여 안전한 작동 조건을 유지하면서 프로세스를 최적화하고 효율성을 극대화할 수 있도록 지원합니다.

암모니아 분해에는 정확한 가스 전달과 최적의 반응 속도를 위한 질량 유량계, 정확한 온도 측정을 위한 써모커플, 순도를 보장하기 위한 수소 스트림 구성 모니터링용 가스 분석기가 필요합니다.

암모니아는 소비자들이 당연하게 여기는 수많은 산업 프로세스에서 매우 중요한 물질이지만, 그린 암모니아의 광범위한 도입에는 여전히 걸림돌이 있습니다. 재생 에너지와 전기분해 인프라는 여전히 제한적이고 투자 비용도 높습니다. 또한 암모니아의 안전한 수송과 저장은 승인된 방법이 잘 확립되어 있기는 하지만, 암모니아의 위험성 때문에 신중한 고려가 필요합니다.

그린 암모니아의 주요 이점은 암모니아 생산에서 화석 연료 의존도를 낮춰 온실가스 배출을 줄인다는 점에 있습니다. 그 결과 정부와 산업계 모두의 주목을 받고 있으며, 이해관계자들은 전략적으로 이 제품을 지속 가능성 계획에 통합하고 있습니다. 그린 암모니아는 비료 산업과 암모니아에 크게 의존하는 수많은 다른 산업 부문의 탄소 발자국을 줄일 수 있는 기반을 마련합니다.

전 세계가 금세기 중반까지 탄소중립 이니셔티브를 달성하기 위해 노력하는 가운데, 생산 및 활용 기술의 지속적인 혁신과 추가적인 연구 개발은 그린 암모니아의 광범위한 도입을 촉진하는 데 필수적인 요소가 될 것입니다.