[수소의 ‘발’, 암모니아①]식량위기 이어 기후위기까지…두번째 인류구하기 나선 암모니아

20세기 ‘하버-보슈법’으로 대량생산 길 열려
100년 후 다시 수소의 저장·운반 형태로 주목
수소 액화점보다 크게 낮아 저비용 이동 가능
수소경제 패권 위해 글로벌 기업 진출

[헤럴드경제=서경원 기자] ‘2NH₃(암모니아)=N₂(질소)+3H₂(수소)’

근대 과학·의료 기술의 발달은 사망률을 감소시켜 수명 연장의 시대를 열었다. 19세기부터 세계 인구는 폭발적으로 증가하게 되는데 이런 인구 증가 속도를 식량 증가 속도가 따라잡지 못해 결국 인류가 빈곤의 벽에 부딪힐 것이라는 우려가 나왔다. 이게 바로 영국의 경제학자 토마스 맬서스가 1789년 그의 저서 ‘인구론’에서 예측했던 ‘맬서스 트랩’이다. 맬서스 트랩은 인구는 기하급수적으로 늘어나나 식량은 산술급수적으로 확대되는 데 그쳐 인구·식량 사이의 불균형 상황이 필연적이라는 이론이다. 당시의 농업기술로는 생산할 수 있는 식량 규모가 제한적이었기 때문에 맬서스를 비롯한 다수의 학자들은 복지예산 축소 등으로 인구 증가 속도를 최대한 낮춰야 한다고 주장했다.

하지만 결국 폭발적인 인구 증가를 막기에는 역부족이었고, 차라리 비료 개발로 식량 생산량을 빠르게 늘리는게 현실적이라는 목소리가 높아졌다. 주식량인 곡물은 주로 탄소, 수소, 산소, 질소로 이뤄져 있어 식물 성장을 촉진시키려면 비료에 이들 성분이 들어가는게 좋다. 그러나 다른 요소와 달리 질소의 경우 매우 안정화된 분자구조 탓에 인위적으로 합성하기가 어렵다. 그나마 질소·수소 화합물인 암모니아가 동물의 배설물에 들어가 있어 말똥 등의 분뇨를 비료로 주기 시작했는데 대량 사용하기에는 턱없이 부족한 수준이었다.

질소·수소 합성은 ‘르 사틀리에 법칙(가해진 조건의 효과를 없애는 방향으로 화학 평형이 이동·일명 청개구리 법칙)’에서 증명된 것과 같이 쉽지 않은 작업이었다. 질소의 강력한 구조를 깨기 위해 열을 가하면 가할수록 질소로 돌아가려는 역반응이 우세해졌다. 이 때 독일의 화학자 프리츠 하버는 암모니아 합성의 최적의 조건(200기압·4~500℃)을 발견해 냈고, 카를 보슈 박사가 여기에 촉매 이용 기술을 더했다. 이렇게 만들어진 이른바 ‘하버-보슈법’은 20세기 암모니아의 상업생산을 가능하게 했고 이는 곡물의 대량 재배 시대를 열었다.

100여년이 지난 지금 인류는 기후위기에 당면해 있고, 암모니아는 다시 한번의 구원 투수로 등판할 채비를 하고 있다. 미래 핵심 에너지원으로 꼽히는 수소의 가장 효율적인 저장·운반 형태로 각광받고 있기 때문이다. 한 지역에서 아무리 수소를 많이 생산해도 다른 곳으로 이동할 수 없으면 에너지로서의 효용가치가 낮을 수 밖에 없다. 이 때문에 기체인 수소를 액화시키는게 관건인데, 수소의 액화점이 영하 253℃이라 고비용이 들어갈 수 밖에 없다. 이에 비해 암모니아의 액화 온도는 33℃로 훨씬 조건이 우호적이다. 또 액화 암모니아는 액화 수소보다 동일 부피에서 수소 저장밀도가 1.7배 높다. 지난해 국제에너지기구(IEA)는 수소의 최적 운송 형태로 암모니아를 선정하기도 했다.

이처럼 수소를 질소와 묶어 암모니아로 들여오면 여기서 수소를 추출해 에너지원으로 사용할 수 있다. 현재 글로벌 에너지 기업들은 수소경제의 패권은 수소의 저장·이동 노하우와 이를 위한 암모니아 변환 기술에 달려있다고 보고 빠르게 시장 선점에 나선 상태다.

gil@heraldcorp.com