수소가 미래 청정에너지로 떠오르면서 덩달아 주목받는 것이 바로 암모니아다.
현재 주로 사용되는 수소 저장·운송 방식은 기체수소를 200~700bar의 고압으로 압축하는 것이다. 그러나 에너지밀도가 낮아 수소전기차 등 적은 양을 싣고 중·단거리를 오갈 때는 문제가 없지만 대형선박, 탱크로리 등으로 많은 양을 싣고 장거리를 오갈 때는 효율이 매우 낮아 상업성이 떨어진다.
그래서 나온 대안이 바로 액체수소다. 액체수소는 기체수소를 영하 253℃로 냉각해 액상화시킨 수소다.
기체수소 대비 부피가 약 800분의 1에 불과해 운송, 충전소 부지면적·사용량 등에서 기체수소보다 뛰어난 경제성을 지닌다. 또 통상 대기압 수준인 2bar 정도의 저압으로 저장할 수 있어 효율적이고 안전하다.
문제는 장거리 운송을 하려면 초저온·초고압을 유지하기 위한 특별한 단열탱크와 냉각기가 필요해 운송비가 매우 비싸고 액화 과정에서 많은 에너지가 소모돼 에너지 효율이 떨어진다. 업계는 액체수소를 생산해서 운반하고 보관하는 총비용이 1kg당 12달러에 이를 것으로 보고 있다.
이에 업계는 적절한 수소운반체 찾기에 나섰고 암모니아를 주목하기 시작했다.
암모니아는 1개의 질소원자와 3개의 수소원자가 결합된 알칼리성 화합물이다. 수소가 결합됐기 때문에 상온에서 30%, 0℃에서 최대 45%까지 물에 녹는 성질이 있다. 또 상온에서 10기압 정도면 쉽게 액화되고 잘 증발하지 않으며 액체암모니아의 경우 부피가 기체수소의 1,400분의 1에 불과해 수소를 액체수소보다 1.5배 더 많이 오랫동안 저장할 수 있다.
무엇보다 암모니아는 화학비료, 플라스틱, 폭발물, 의약품의 원료로 사용되고 있어 글로벌 유통시장이 형성돼 있다.
전세계 120여 개 항구에 암모니아 터미널이 구축됐으며 생산설비 규모는 2020년 기준 2억2,000만 톤, 생산량은 1억8,000만 톤이다. 특히 끓는점(–33°C)이 LPG(–42°C)와 비슷해 기존 LPG 인프라를 활용할 수 있다. 그래서 새로운 인프라를 개발할 필요가 없다.
아울러 암모니아를 600℃ 이상 고온에서 분해해 수소를 생산하는 기술인 암모니아 크래킹(Cracking)의 난도가 높지 않으며 탄소가 없어 연소과정에서 이산화탄소가 발생하지 않고 질소만 배출된다. 업계는 암모니아를 운반해서 다시 수소로 분해해도 1kg당 비용이 6달러 미만에 불과할 것으로 보고 수소운반체로 활용하려 한다.
특히 발전, 해운 등 대량의 화석연료를 사용하는 분야는 암모니아를 수소운반체뿐만 아니라 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 연료로 주목하고 있다.
암모니아는 연소속도가 가솔린보다 6배 느리고 발열량이 가솔린의 44% 수준이어서 순수 암모니아만 사용하면 연료소비가 가솔린의 2.3배이다. 또 LNG 대비 50% 수준의 낮은 발열량과 20% 수준의 연소속도로 연소 안정성을 확보하기 어렵다. 연소속도가 느려 운전조건에 따라 연소되지 못하고 배출되는 미연소 암모니아가 발생한다.
그러나 자연발화온도(650°C)와 증발잠열(302kcal/kg)이 높아 공기량을 적절히 공급하면 가솔린, 디젤 등과 비슷한 수준에 열량을 발휘할 수 있고 연소촉진제와 함께 사용하면 암모니아의 가연성과 연소속도를 높일 수 있다. 연료탱크, 연료주입시스템, 배관 등을 부식에 강한 소재로 제작하고 미연소 암모니아와 질소산화물을 억제하는 장치를 설치하면 암모니아를 내연기관 연료로 충분히 활용할 수 있다.
이런 이유로 암모니아는 탄소중립 달성에 필요한 청정에너지원으로 주목받고 있다.
발전
암모니아를 가장 적극적으로 도입하려는 분야가 바로 발전분야다. 발전업계는 석탄화력발전소에서 석탄의 양을 줄이고 암모니아를 섞어 함께 태우는 방식인 암모니아 혼소 발전 기술을 개발하고 있다.
이는 암모니아의 자연발화온도(650°C)가 높아 석탄과 섞어 태우면 탄소배출이 기존 석탄발전보다 적은 데다 터빈, 송배전선로 등 기존 발전소 인프라를 그대로 활용할 수 있기 때문이다.
암모니아 혼소 발전 기술을 가장 적극적으로 개발하는 곳이 바로 일본 최대 화력발전사인 JERA다.
제라(JERA)는 대규모 상업용 석탄화력발전소의 연료를 암모니아로 대체하는 것을 목표로 지난 2021년 7월 암모니아 혼소 기술 개발에 착수했다. 이에 2022년 10월부터 일본의 중공업회사인 IHI와 실증에 필요한 버너, 탱크, 기화기, 배관 등을 개발하고 지난 3월부터 6월까지 일본 아이치현에 있는 헤키난 석탄화력발전소 4호기에서 암모니아 20% 혼소 실증을 진행했다.
제라(JERA)가 암모니아 혼소 비율을 20%로 설정한 것은 암모니아가 연소할 때 발생하는 오염물질인 질소산화물(NOx), 아산화질소(N₂O), 암모니아 슬립(암모니아가 불완전 연소나 누출로 인해 대기 중으로 방출되는 것) 등이 적기 때문이다. 이는 실증을 통해 검증됐다.
한국에너지기술연구원의 문태영 박사는 지난 10월 31일 서울 가빛섬에서 열린 청정수소 국제포럼에서 “IHI가 암모니아 20% 혼소를 기준으로 연소기술을 개발한 결과를분석해보니 이산화탄소 배출량은 석탄전소발전보다 약 20% 감소했으며 NOx 배출량은 공기를 다단으로 나누는 기술 적용으로 석탄전소발전보다 최대 30% 감소한 것으로 나타났다”고 밝혔다.
이어 “해당 기술을 바탕으로 헤키난 석탄화력발전소에서 실증을 진행할 결과 CO₂ 농도, NOx 농도, SOx(황산화물) 농도가 각각 21% 감소했다”며 “N₂O 농도는 1ppm 이하,암모니아 슬립 농도는 0.3ppm 이하 수준으로 나와 우려와달리 크게 문제되지 않았다”고 덧붙였다.
이러한 결과에 제라는 최근 암모니아 혼소 발전 상용화에 대해 본격적으로 투자하고 관련 인프라를 개발하기로 했다.
제라는 이르면 2027년 초 헤키난 4호기에서 암모니아 20% 혼소 발전을 상용화하고 2028년부터 2029년까지 5호기에서 암모니아 50% 혼소 실증을 추진해 2035년에 상용화한다는 계획이다. 또 2030년까지 발전효율이 떨어진 발전소를 단계적으로 폐쇄하고 초초임계압 화력발전소에 암모니아 20% 혼소 발전 기술을 적용한다는 계획도 세웠다.
이를 통해 2040년에 암모니아 전소 발전 기술을 확보한다는 목표다. 업계는 암모니아 혼소 비율이 60%를 넘어가면 천연가스 발전소를 돌리는 것과 같은 데다 발전효율이 높지 않아 최대 50~60% 혼소하는 것이 최적일 것으로 보고 있다.
아울러 제라는 2030년 초 상용화를 목표로 암모니아 전소 가스터빈과 암모니아 크래킹 시스템을 갖춘 가스터빈을 개발하고 있다.
IHI는 일본, 말레이시아, 타이완에 직접 구축한 석탄화력발전소에서 암모니아 혼소 실증을 진행하고 있다.
이를 통해 2030년까지 타이완에 있는 2개의 800MW 화력발전소에 암모니아 5% 혼소 발전 기술을 적용한다는 목표를 세웠다. 말레이시아 현지 업체들과 협력해 청정암모니아 생산부터 혼소 발전까지 전과정을 일원화한 시스템을 개발한다.
국내에서도 암모니아 혼소 발전 실증이 진행되고 있다.
현재 국내 석탄화력발전소는 2023년 말 기준 총 58기며 총 발전용량은 약 40GW에 달한다. 이 중 당진 9호기, 신보령 2호기, 여수 1·2호기, 삼척 1호기 등 총 4곳에서 암모니아 20% 혼소 실증이 진행될 예정이다.
암모니아 20% 혼소 실증이 진행될 4개의 발전소는 발전방식이 다르다. 당진 9호기와 신보령 2호기는 200mesh 이하의 입도까지 미분화한 석탄을 공기와 함께 버너에서 연소실 내로 분사시켜 연소하는 미분탄(PC) 방식이며, 여수 1·2호기와 삼척 1호기는 일정 크기 이하의 연료를 투입해 화로 내에서 순환과정을 통해 재연소를 하는순환유동층연소(CFBC) 방식이다.
미분탄 발전소 암모니아 혼소 실증은 2024년까지 버너를 개발하고 2025년부터 각 발전소에 있는 SCR(선택적 촉매 환원장치) 암모니아 인프라를 활용해 저혼소율 테스트를 진행한다. 이와 함께 암모니아 공급 인프라를 구축해 2027년에 시운전을 개시, 연속운전 240시간과 누적운전 720시간을 달성한다는 계획이다.
CFBC 발전소 암모니아 혼소 실증은 2024년까지 암모니아 공급방식을 선정한다. 문태영 박사는 “CFBC 발전소는 암모니아를 어느 위치에 넣느냐가 가장 중요하다”며 “현재 후보로 거론되는 것은 디젤을 사용하는 시동버너를 암모니아 버너로 교체하는 방식과 연소용 공기가 주입되는 분산판에 공기와 암모니아를 섞어서 넣는 방식”이라고 밝혔다.
암모니아 공급방식을 선정한 후 2025년부터 각 발전소에 있는 SCR(선택적 촉매 환원장치) 암모니아 인프라를 활용해 저혼소율 테스트를 진행한다. 이와 함께 암모니아 공급 인프라를 구축한 후 2027년에 시운전을 개시해 연속운전 240시간을 달성한다는 계획이다.
정부는 이를 통해 확보한 암모니아 혼소 발전 기술을 일부 석탄화력발전소에 적용할 방침이다. 산업통상자원부는 지난 5월에 발표한 ‘제11차 전력수급기본계획 실무안’에서 수소·암모니아 발전량을 2030년 15.5TWh, 2038년 38.5TWh으로 확대한다는 계획이다. 이를 위해 2037~2038년에 수명이 도래하는 12기의 석탄화력발전소를 암모니아 혼소 발전, 수소 전소 발전 등 무탄소 발전으로 전환하기로 했다.
그러나 해결해야 할 문제가 많다.
문태영 박사는 “암모니아 20% 혼소 발전의 기술적 문제는 없으나 청정암모니아를 안정적으로 공급할 수 있는 기반을 마련해야 한다는 문제가 있다”며 “무엇보다 암모니아 20% 혼소 발전 전력단가(93원/kWh)가 석탄전소발전(76원/kWh)보다 높다. 이를 청정수소발전의무화제도(CHPS)를 통해 보완해줄 수 있는 장치가 필요하다. 아울러 독성물질인 암모니아를 안전하게 운영하는 방법을 모색해야 한다”고 조언했다.
선박
해운업계는 기존 엔진을 활용해 암모니아를 연소하는 엔진을 개발하고 있다.
실례로 HD현대중공업은 최근 울산 본사 엔진기술센터에서 진행된 암모니아 이중연료 엔진에 대한 형식승인 시험을 완료했다. 이 시험엔 ABS(미국), DNV(노르웨이), LR(영국), BV(프랑스), RINA(이탈리아), NK(일본), KR(한국) 등 7개 선급 관계자들이 참석했다.
이 엔진의 특징은 세계 최초로 고압 직분사 방식이 적용된 것이다. 이 방식은 엔진 연소실에서 공기를 압축시킨 후 높은 압력으로 암모니아 연료를 분사해 연소시킨다.
이를 통해 최적의 연료 분사 시점과 간격을 설정해 암모니아의 연소율을 극대화하고 선택적 촉매 환원장치(SCR)를 활용해 배기가스 내 질소산화물과 미연소 암모니아의 양을 최소화했다.
HD한국조선해양은 2025년 암모니아 추진선 상용화를 목표로 2020년 국내 처음으로 영국 로이드선급으로부터 암모니아 이중연료 엔진에 대한 기본 인증을 획득했다.
2021년에는 업계 최초로 암모니아 연료공급시스템 개발에 성공했다.
이를 통해 지난해 10월 벨기에 해운사엑스마르(Exmar)사로부터 수주한 4만5,000㎥급 중형 LPG운반선 2척에 암모니아 이중연료 추진엔진을 적용하기로 했다. 운반선은 울산 현대미포조선에서 건조돼 2026년 5월까지 순차적으로 선주사에 인도될 예정이다.
독일의 MAN 에너지솔루션은 올해 말에 첫 번째 2행정 암모니아 이중연료 엔진을 일본 이마바리 조선에 납품한다.
해당 엔진은 20만DWT급 벌크선에 탑재된다. MAN은 지난 2019년부터 암모니아 엔진을 개발해왔으며 2027년에 본격 상용화할 계획이다.
핀란드의 에너지 중공업 회사인 바르질라(Wärtsilä)는 지난해 11월 세계 최초로 4행정 암모니아 선박 엔진을 출시했다. 이 엔진은 노르웨이 해운사 아이데스빅(Eidesvik)에 첫 번째로 납품될 예정이다.
아이데스빅은 친환경 연료 선박으로 개조할 플랫폼 공급선(PSV)에 탑재될 예정이다. PSV는 해양 시추 시설에 물품을 공급하는 선박이다.
엔진뿐만 아니라 연료전지, 가스터빈 등 다양한 암모니아 파워트레인이 개발되고 있다.
한화오션은 지난 9월 미국 휴스턴에서 열린 ‘가스텍 2024(Gastech 2024)’에서 암모니아 가스터빈 추진 LNG운반선 모형을 공개했다.
암모니아 가스터빈은 한화파워시스템이 세계 최초로 개발하고 있다. 이 가스터빈은 엔진 착화를 위한 파일럿 오일도 사용하지 않아 무탄소를 실현한다. 한화그룹은 암모니아 가스터빈 개발을 2028년까지 완료한다는 계획이다.
그 일환으로 한화파워시스템은 올해 초 한화그룹 내 글로벌 가스터빈 수리·개조업체인 PSM와 함께 암모니아 가스터빈에 적용될 연소기 시험을 완료했으며 2027년에 암모니아 가스터빈 실증을 완료한다는 목표를 세웠다.
한화파워시스템은 또 유럽 소재 대형 LNG 캐리어 선사인 가스로그(GasLog)와 LNG 캐리어 추진시스템을 암모니아 가스터빈으로 개조하기 위한 양해각서(MOU)를 체결하기도 했다. 이에 따라 양사는 선박 개조 엔지니어링, 성능 및 경제성 평가 수행 등 종합적인 관점에서 암모니아 가스터빈 적용에 대한 향후 협력을 지속할 전망이다.
삼성중공업은 미국의 암모니아 연료전지 전문업체인 아모지(Amogy)와 함께 암모니아 연료전지 추진 시스템을 개발하고 있다.
암모니아 연료전지는 고온 촉매 반응을 통해 암모니아를 수소와 질소로 분리하고 이를 연료전지에 공급한 후 수소와 산소의 화학반응으로 전기를 생산하기 때문에 기존 엔진을 대체할 수 있고 선박 내 진동과 소음이 적어 유지보수 비용도 절감된다.
필수 청정에너지원
지난 8월 블룸버그NEF가 발표한 분석자료에 따르면 2030년 글로벌 청정암모니아 공급량은 올해보다 22~30배 증가해 최대 3,200만 톤에 이를 것으로 전망된다. 이는 2030년 글로벌 전체 암모니아 공급량의 13%에 해당된다.
2030년 글로벌 청정암모니아 공급량의 70% 이상이 현재 생산공장을 짓고 있거나 실행 가능성이 큰 사전 계획을 마련한 것으로 블룸버그NEF는 분석했다. 나머지 30%는 충분한 수요가 발생하지 않으면 취소 또는 지연될 가능성이 있다.
또 블루암모니아는 투자 결정에 근접한 프로젝트가 늘어나고 있어 단기 공급을 주도할 것으로 보이며 그린암모니아는 글로벌 정책 지원이 강한 만큼 2030년에 블루암모니아를 앞지를 수 있다. 현재 시행 중인 할당량, 입찰 및 수입 보조금 영향으로 2030년 청정암모니아 공급량이 1,400만 톤에 이를 것으로 블룸버그NEF는 전망했다.
이같이 암모니아는 향후 중요한 청정에너지원으로 각광받을 것으로 보인다. 이런 이유로 각국은 안정적인 암모니아 공급망을 구축하는 데 총력을 기울이고 있다.
한국의 경우 지난 1월 국내외 환경변화에 맞춰 자원안보의 대상과 범위를 확대하고 상황에 따라 대응할 수 있는 체계를 구축하는 것을 골자로 한 ‘국가자원안보 특별법’을 제정했다. 자원안보 대상에 암모니아 등 수소화합물이 포함됐으며 전담기관으로 한국석유공사를 지정했다.
석유공사는 석유 도입·인프라 구축 경험을 바탕으로 암모니아 유통 인프라 구축을 추진한다.
현행 ‘제4차 석유비축계획’에 따라 2025년 이후 최소한 약 100만 배럴 규모의 프로판 저장 공동 비축시설 잉여분이 생길 가능성이 크고 암모니아의 액화 온도(-33.4℃)가 프로판(-42℃)과 비슷해 프로판 저장탱크 일부 설비를 개조하면 큰 비용을 들이지 않고도 암모니아 저장탱크로 전환할 수 있다.
이에 석유공사는 석탄발전소가 밀집된 동해·서해·남해 권역별로 암모니아 인수기지 타당성 조사를 2022년 말에 완료했으며 2026년에 완공한다는 목표다. 규모는 2026년 연간 80만 톤, 2030년 400만 톤, 2036년 1,000만 톤으로 확대한다. 수급 비상에 대비해 3개 거점에 암모니아 15일분(총 18만 톤)을 비축할 수 있는 기지를 건설할 계획이다.
인수기지 인근에 암모니아 크래킹 설비를 구축해 2027년부터 LNG-수소 혼소 발전을 위한 수소를 공급한다. 수소공급량은 2027년 연간 5만 톤, 2035년 25만 톤으로 점차 확대할 계획이다.
독일은 지난 7월 수소 및 수소파생물을 안정적으로 수입하기 위한 전략을 승인했다.
해당 전략의 주요 내용은 급증하는 수요에 대응하기 위해 저탄소수소와 그 파생물을 지원대상에 포함하고 궁극적으로는 청정수소와 그 파생물을 안정적으로 공급하는 것을 달성한다는 계획이다. 이와 함께 수소, 수소파생물(암모니아, 메탄올, 나프타 등), 수소운반체(LOHC 등) 등 수소수입을 위한 다양한 제품군을 지원한다.
또 수소수입 인프라 개발을 추진한다. 철도와 도로는 수소파생물과 수소운반체 운송을 중심으로 개발하고 기술적, 경제적 이유로 파이프라인을 연결할 수 없는 지역은 선박을 통해 운송한다. 아울러 많은 국가와의 협력을 강화해 수소 수출입 관련 규제 문제 해소와 기반시설 확대를 통해 가능한 한 광범위한 공급원을 확보한다는 계획도 포함됐다.
일본은 전국에 총 6개의 암모니아 허브 터미널을 구축할 계획이다. 암모니아는 트럭, 철도 등으로 운송하며 일부 지역은 수소배관 대신 온사이트 암모니아 크래킹 시설을 구축해 수소를 공급한다.
이와 함께 다자간 국제 프레임워크를 활용해 암모니아 자원이 풍부한 국가와의 관계를 강화하고 암모니아 관련 기술의 표준화를 촉진하며 생산, 운송, 현지 공장 건설 등 공급망 전반에 걸쳐 자국 기업의 참여를 적극적으로 지원한다는 방침이다.
