암모니아, 또 한번 인류를 구하다 : 암모니아 밸류체인

화학 분야 역사상 위대한 업적을 남긴 이를 한 사람 꼽는다면, 필자는 19세기 말~20세기 초 독일에서 활약한 ‘프리츠 하버’ 는 제법 적합한 후보라고 생각한다. 프리츠 하버는 전쟁 무기 개발에 적극적으로 참여한 이력을 갖고 있어 좋지 않게 평가하는 사람도 더러 있다. 설령 그렇다 하더라도 하버의 대표적 업적인 암모니아 생산법, 다른 말로 ‘질소 고정 공법’ 에 대해서 만큼은 인류 역사상 과학이 거둔 위대한 승리라는 점에는 동의할 것이다. 19세기 말, 인구 증가 속도가 너무 빨랐던 탓에 식량 부족으로 인류가 멸망할 것이라는, ‘멜서스’ 같은 학자들의 주장이 유행한 적이 있었다. “인구 증가는 기하급수적인데, 식량 증산은 산술급수적이다.” 같은 말이 세간에 퍼지게 된 것도 이와 같은 맥락이었다. 이러한 암울한 사회적 분위기는 극단적인 사상가들의 비관적인 목소리에 힘을 실어 주기도 했다. 이러한 암담한 기조 속에서, 과학기술의 힘으로 사회적 문제를 해결한 인물이 바로 앞서 말한 프리츠 하버 다. 하버는 식량 부족 공포가 창궐하던 20세기 초, 공기 중 질소를 원료로 하는 암모니아 제조 방법을 고안해냈다. 이는 곧장 암모니아의 대량 생산으로, 다시 암모니아로 합성한 인공 질소 비료의 개발로 이어졌다. 덕분에 정체되어 있던 식량 생산량은 폭발적으로 증가하기 시작했다. 그리고 마침내 인류는 식량난에서 완전히 벗어날 수 있게 되었다. 이러한 공로로 당시의 사람들은 하버를 ‘공기로 빵을 만드는 과학자’ 라 칭송하기도 했다. 이제 한국을 포함하여 세계의 주요 국가들이 19세기 말과 반대로 인구 감소를 걱정하는 시대에 접어들었으니, 맬서스가 상상했던 인류 종말의 시나리오는 사실상 폐기된 셈이다. 그러니 암모니아가 종말에서 인류를 구해낸 것이라 평해도 결코 과하지 않을 것이다. 암모니아 생산이 대단한 업적으로 평가받는 또 다른 이유는 기체의 질소를 원료로 암모니아를 만들어 낸다는 것이 기술적으로 쉽지 않기 때문이다. 공기의 주성분이 질소이기 때문에 질소 자체는 굉장히 흔하다. 하지만 공기 중 질소는 화학 반응을 거의 일으키지 않는 안정한 물질이다. 과자의 신선도를 유지하기 위해 제품을 질소로 채워 두는 것을 흔히 볼 수 있는데, 이는 질소가 화학적으로 안정되어 있어 식품을 밀폐·보관하기에 용이하기 때문이다. 질소는 불이 잘 붙지 않을뿐더러, 다른 물질과 반응하여 이물질을 만들어내는 경우도 없다. 이를 반대로 말하면, 질소로 화학 반응을 일으켜서 쓸모가 많은 물질들을 대량 생산하는 것은 매우 어렵다는 뜻이다. 그러니 이런 암모니아를 대량으로 생산한다는 것은 실로 위대한 업적이라 할 만하다. 공기 속의 질소와 달리, 암모니아는 질소를 품고 있으면서도 화학 반응을 잘 일으키는 물질이다. 암모니아라고 하면 보통 악취를 떠올리는 사람들이 많을 것이다. 냄새가 심하다는 말은, 바꾸어 말하면 화학 반응이 활발하다는 것을 뜻한다. 이처럼 화학 반응 유도가 용이한 암모니아를 이용하면 질소가 들어있는 다양한 물질을 보다 쉽게 만들 수 있게 된다. 화약 이 가장 대표적인 예다. 조선시대의 이순신 장군이 사용하던 대포 속 화약부터, 다이너마이트, 최신 C4 폭약까지, 암모니아는 화약의 기본 재료다. 화약 뿐만 아니라 요즘 대량 생산되는 나일론 옷감도 암모니아와 관련 깊은 제품의 좋은 예시다. 이런 재료도 결국 암모니아 같은 물질이 있어야만 쉽게 생산될 수 있는 제품이다. 이 외에도 합성 니코틴에서부터 우주선 연료까지, 암모니아로 만들 수 있는 물질은 무척 다양하다. 우리가 밥을 먹고 살 수 있는 것이 암모니아 비료 덕분인 것 못지않게, 현대의 갖가지 물건이 암모니아에 의해 생산되고 있다. 최근 암모니아는 제품 생산을 넘어 연료 내지는 에너지원으로도 많은 주목을 받고 있다. 그 이유는 기후변화 때문이다. 기후변화의 주원인은 이산화탄소로, 탄소를 품고 있는 연료를 태울 때 생겨나게 된다. 석탄, 석유, 가스, 심지어 나무 장작까지 대부분의 연료는 탄소를 품고 있기 때문에, 이를 태우면 필연적으로 이산화탄소가 발생한다. 그에 비해 암모니아는 질소와 수소로 이루어진 물질이므로 탄소를 전혀 품고 있지 않다. 암모니아를 더욱 저렴하게 많이 만들 수만 있다면, 기후변화 시대에 큰 도움이 될 것이라는 생각은 어렵지 않게 떠올려 볼 수 있을 것이다. 프리츠 하버가 처음 제시한 ‘질소 고정 공법’에서는 석유, 가스 등의 원료를 이용해 암모니아를 생산하는 것이 기본이었다. 따라서 암모니아 생산을 위한 석유와 가스를 사용으로, 이산화탄소 역시 자연히 발생하게 된다. 현재는 이러한 과정까지도 재생에너지를 활용하는, ‘그린 암모니아’의 생산 연구가 활발히 시도되고 있다. 이런 일련의 과정이 충분히 낮은 비용으로 이루어진다면 기후변화 문제도 어느 정도 해결이 가능해질 것이다. 한편, 암모니아는 수소와 질소로 이루어져 ‘수소 캐리어’로써도 세간의 주목을 받고 있다. 수소는 재생에너지를 활용해 얻을 수 있는 연료 중, 배터리부터 연료까지 그 활용도가 매우 높은 연료로 꼽힌다. 게다가 태워도 물밖에 남지 않고, 암모니아나 LNG 등 다양한 연료와 혼소가 가능하여 지금 같은 기후 위기 시대에 가장 이상적인 에너지원이라 말할 수 있겠다. 그런데 이 수소는 저장과 운송이 까다로워 원활한 보급과 활용에 어려움을 겪고 있다. 수소는 세상에서 가장 가벼운 물질로 그 에너지 밀도가 다른 연료에 비해 굉장히 낮다. 때문에 수소를 운반하기 위해서는 영하 253도에서 냉각 후, 1/800수준으로 압축해 액체로 변환해야 한다. 이에 드는 비용이 막대하기 때문에 수소 에너지를 보다 경제적인 형태의 화합물로 전환하여 옮기는 매개체가 필요한 것이다. 이 매개체로 유력한 것이 바로 암모니아 다. 암모니아는 수소와 질소의 혼합물로, 여기서 수소를 추출하는 것은 비교적 어렵지 않기 때문이다. 게다가 극저온에서 액화가 가능한 수소와 달리 암모니아는 비교적 상온과 유사한 영하 33도에서 액화할 수 있어서 운반도 용이하다고 볼 수 있다. 여기에 액화수소와 비교했을 때에도 같은 부피 당 수소 저장용량 역시 더 높다. 암모니아는 세제곱미터당 약 120kg의 수소를 저장할 수 있으므로, 액화수소 대비 약 1.7배의 수소를 더 저장 할 수 있는 셈이다. 암모니아는 앞서 설명한 바와 같이 그 활용도가 다양하므로, 글로벌 수입, 수출이 활발하여 항구 등 운반 인프라가 잘 구축되어 있다. 이를 잘 활용하여 암모니아는 물론, 수소까지 운반할 수 있다면 새로운 인프라 구축이 필요하지 않아 보다 경제적이라 말할 수 있겠다. 한전 전력연구원 자료를 보면, 한국의 암모니아 수입량은 2020년 기준으로 120만 톤에 육박하여 세계 4위 수준 에 달한다. 이러한 노하우를 바탕으로, 암모니아와 수소 간의 시너지를 체계적으로 이루어 낼 밸류체인을 구축에 박차가 가해지는 추세다. 특히 국내 기업에서는 한화가 암모니아 밸류체인을 제시하며 글로벌 협력 인프라를 촘촘하게 만들어가고 있다. 한화의 암모니아 벨류체인은 태양광과 해상 풍력 등 재생에너지를 활용하여 전력을 생산, 이 전력을 활용하여 그린 수소와 그린 암모니아를 생산하는 것이 골자다. 이렇게 생산된 그린 수소와 그린 암모니아는 운반선을 활용하여 운송하는데, 한화가 제시한 운반 솔루션이 특히 주목할 만하다. 한화는 최근 8만㎥급 전기추진 액화수소운반선에 대한 기본 인증(AIP, Approval In Principle)을 획득 한 바 있다. 자연적으로 기화하는 수소가스를 활용해 전력을 생산하고, 추진에 활용하여 운항 과정에서 이산화탄소를 획기적으로 줄인다는 것이 핵심이다. 암모니아의 경우 한화파워시스템과 한화토탈에너지스가 바다의 물을 활용한 수전해 공법으로 생산하고, 암모니아 가스터빈을 통해 연료로 활용하여 그 운반까지 무탄소로 진행하겠다는 비전을 제시하고 있다. 이 암모니아 가스터빈은 암모니아 전소뿐만 아니라 LNG 혼소도 가능하여 현실적인 대안으로 주목받고 있다. 게다가 다른 연료 엔진들과는 달리 파일럿 오일이 필요하지 않아 완전한 무탄소 실현이 가능할 것으로 기대된다. 지상에서는 배터리로 움직이는 전기차가 대안으로 주목받고 있지만, 그동안 선박은 그것이 불가능했다. 배터리로 대형 화물선을 움직인다면, 그 배터리 무게는 어떻게 감당하며, 또 태평양 한가운데에서 방전될 경우 어떻게 충전을 할 수 있겠는가? 이 때문에 탄소 중립 실천에 있어, 선박과 해운 분야는 제법 골치 아픈 난제였다. 그런데 이 난제를 한낱 비료 재료 정도로 생각해 왔던 암모니아에서 비로소 해결 방안을 찾게 된 것이다. 19세기 말, 식량 위기에 대면한 인류를 구한 암모니아가 21세기 지금 기후 위기에 당면한 인류를 또 한 번 구할 수 있을지 주목해 봐도 좋겠다.