암모니아가 뜨는 이유? - 암모니아의 생산방식 - 2편

암모니아가 수소 운반체(또는 수소 캐리어)로 적합한 이유로인해 주목받고 있다고 지난 포스팅에서 논의했습니다. 이 포스팅에서는 주목받는 이유와 암모니아의 생산 방식과 무슨 관련이 있는지, 기존 생산 방식과 친환경 그린 암모니아 생산 방식이 어떤 차이점이 있는지 알아보겠습니다.

하버보슈 공정

일반적인 암모니아 생산 방식

• 하버보슈법 : 고온, 고압에서 천연가스(메탄)와 질소를 반응시켜 암모니아를 얻는 공정입니다.

그러나 함께 배출되는 이산화탄소가 온난화에 큰 영향을 끼치기 때문에 이에 대한 방안을 강구하고 있는 상황입니다.

 

암모니아의 첫 합성

아돌프 프랭크와 니코댐 카로 : 120년 전 산화칼슘을 이용해 첫 암모니아를 인공적으로 합성했습니다. 암모니아의 존재는 약 200년 전에 알려졌지만 합성하지 못한 상황이었습니다. 산화칼슘을 이용한 반응식은 다음을 따릅니다.

CaO + 3C -> CaC2 + CO

CaC2 + N2 -> CaCN2 + C

CaCN2 + 3H2O -> CaCO3 + 2NH3

반응 중 발생하는 일산화탄소는 재활용할 수 있기에, 이산화탄소가 발생하지 않는 그린암모니아 생산법이라고 볼 수 있습니다. 그러나 많은 에너지 (높은 공정 온도)를 필요로하기에 하버보슈법이 고안되었습니다. 

 

하버보슈법의 장점

첫 하버보슈 공정을 활용하여 암모니아를 생산할 당시에는 6%의 효율로 낮았으나 현재는 높은 효율로 현재 대량 생산이 가능합니다.

천연가스를 수소의 소스로 활용하기 때문에 천연가스 시설을 활용할 수 있습니다.

 

단점

1. 거대한 생산 시설이 필요합니다.
2. 많은 양의 이산화탄소가 배출되어 환경에 큰 악영향을 끼칩니다.

 

앞으로의 전망

현재 두 가지 방안으로 갈립니다. 배출되는 이산화탄소를 포집하는 블루 암모니아 생산법과 친환경방법으로 이산화탄소를 배출하지 않는 생산방법 입니다.

전자의 경우엔 기존 설비를 그대로 활용할 수 있다는 장점과 포집한 이산화탄소를 활용할 방법이 없다는 단점이 있습니다.

후자인 친환경적 방법은 이산화탄소를 배출하지 않는 다는 장점과, 연구 초기 단계이기 때문에 생산량과 효율이 낮습니다.

 

암모니아

친환경 암모니아 생산 방식

하지만 과학자들이 열심히 연구하여 효율과 수율을 개선시키고 있으니 안심하셔도 될 것 같습니다. 대표적인 친환경적인 암모니아 생산 방식에 대해 알아보겠습니다. 

 

전기화학적 방식

대표적으로 물과 질소를 활용하여 그린암모니아를 생산하는 방식입니다. 물에서는 수소를, 공기중에서 질소를 뽑아내 전기를 가해 암모니아를 만들어 냅니다. 

 

기계적 방식

수소 기체와 질소 기체를 챔버에 불어 넣고, 쇠구슬을 함께 넣어 열심히 흔드는 방법입니다. 쇠구슬들이 서로 부딪히면서 질소와 수소의 분자를 깨트려 암모니아로 변환시킵니다

 

열화학적 방식

하버보슈공정보다 낮은 온도와 압력에서 암모니아를 생산하는 방법입니다. 다만 원료나 공정 중간에 염을 추가하여 고체형태의 이산화탄소(정확하게는 이산화탄소를 포함하고 있는 덩어리)를 배출합니다. 고체 형태의 유기물은 활용하기 쉽기 때문에 최근 주목받고 있는 기술 중 하나라고 볼 수 있습니다.

 

친환경적 암모니아 생산 방법의 장점

1. 당연히 이산화탄소를 배출하지 않는 다는 점입니다.
2. 생산 설비의 규모도 작아 초기 비용의 부담이 적습니다.

단점

1. 연구 초기 단계라 효율이나 수율이 낮습니다.
2. 공정이 정형화되지 않았기 때문에 실생활에 적용하기까지 많은 시간이 필요합니다.

 

환경 문제가 생각보다 큽니다. 친환경에너지에서 특히 수소는 돈으로 찍어 눌러보려해도 어려운 분야입니다. 대형 프로젝트들이 진행되고 있지만 실패도 많습니다. 그러나 과학자로서, 투자자로서 끝까지 포기하지 않고 관심을 갖고 연구하고 지켜본다면 극복할 수 있는 날이 오리라 생각됩니다.