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암모니아가 뜬다 ① 암모니아, 최적의 수소 저장・이송 매체로 ‘부상’

IEA “액상 암모니아, 액체수소・LOHC보다 더 경제적”
일본 등 주요국, 재생에너지 이용 그린 암모니아 기술개발 중
국내도 그린 암모니아 생산·수소추출 공정개발 추진
현대차, 포테스큐와 암모니아 기반 수소생산기술 개발 나서

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[월간수소경제 이종수 기자] 정부가 지난 2019년 1월 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’에 따르면 오는 2030년 연간 194만톤, 2040년 연간 526만 톤의 수소가 필요한 것으로 전망된다. 정부는 이러한 전망에 따라 부생수소, 추출수소, 수전해 수소, 해외생산 등 다양한 공급방식으로 수소 수요에 대응할 계획이다. 


이산화탄소 배출이 없는 그린수소 확대를 위해 재생에너지 연계 수전해 수소의 공급 비중을 확대하는 것이 바람직하지만 국내 그린수소 생산능력과 기술적 한계, 부생수소 공급 여력, 추출수소의 온실가스 배출 문제 등을 감안하면 2030년부터는 해외에서 재생에너지, 갈탄 등을 활용해 생산된 그린수소를 국내로 도입해야 할 것으로 보인다. 


정부는 2030년 이후 국내 수소 수요의 최소 10~50%의 그린수소를 해외로부터 조달해야 할 것으로 예측하고 있다. 


정부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’에서 2030년 이후 해외생산 수소를 활용하기 위해 수소 액화·액상기술, 수소 운반선, 액화플랜트 등 관련 인프라·기술개발 등을 통해 해외생산 수소 인수기지 건설을 추진할 계획임을 밝혔다.  

 


암모니아 수소 저장・운송기술 ‘주목’

해외에서 그린수소를 생산해 국내로 들여오기 위해서는 대용량 장거리 수소 저장・운송기술이 필요하다. 향후 해외생산 그린 수소 저장·운송 방안으로 액화수소(LH2), 액상유기수소화물(LOHC), 액상 암모니아가 제시되고 있다. 


이미 일본은 호주, 브루나이 등과 협력해 이 3가지 수소 저장・운송기술의 실증과 함께 실제 해외생산 그린수소를 일본 내로 들여오는 프로젝트를 진행 중이다. 


최근 3가지 기술 중 액상 암모니아가 크게 주목받고 있다. 액화수소와 LOHC 보다 경쟁력이 있고, 가장 현실적인 기술이라는 인식 때문이다.  


수소를 액상 암모니아 형태의 화합물로 변환하면 더 많은 양의 수소를 저장해 원하는 곳까지 장거리 운송이 가능하다. 액상 암모니아는 액화수소보다 수소저장밀도가 높아 같은 부피에 1.5배가량 더 많은 양의 수소를 저장할 수 있다.  


또 천연가스 추출 수소와는 달리 암모니아(NH3)는 분해 시 수소(H2)와 질소(N)만을 생성해 친환경적으로 수소를 생산할 수 있는 장점이 있다. 암모니아는 전 세계적으로 수출입이 활발해 생산시설, 운반선 등의 인프라가 이미 갖춰져 있어 암모니아를 수소 캐리어로 활용할 경우 막대한 인프라 관련 투자가 필요하지 않아 수소공급의 경제성도 확보할 수 있는 것으로 평가된다.     


국제에너지기구(IEA)가 지난 2019년 발표한 ‘수소의 미래’ 보고서에서도 액상 암모니아는 파이프라인과 배로 운송할 경우 액체수소와 LOHC보다 더 저렴한 최적의 수소 저장 및 장거리 운송기술로 언급됐다.    

 

그린 암모니아 기술・시장 현황

국내 연구기관들에 따르면 현재 암모니아는 1900년대 초반 개발된 하버-보슈(Haber-Bosch) 공정을 통해 생산된다. 이 공정은 350℃ 이상, 250~300bar 이상의 고온・고압에서 진행되어 에너지 소비가 많고, 온실가스를 다량 배출한다.    


이러한 문제를 해결하기 위해 그린수소를 이용해 저온·저압에서 암모니아 생산이 가능한 기술개발이 진행 중이다. 재생에너지 기반 암모니아 생산은 기존 기술인 수전해와 하버-보슈 공정의 조합으로 빠른 스케일업(scale-up)과 상업화가 가능하지만 에너지 소비를 줄이기 위해 낮은 온도·압력에서 충분한 암모니아 합성률을 보이는 촉매 개발과 함께 저에너지로 암모니아를 분리・농축할 수 있는 기술개발이 필요하다. 수전해 효율 개선도 필요하다. 


유럽의 암모니아 생산 대표 기업인 YARA International(노르웨이)이 프랑스 기업 ENGIE와 함께 재생에너지원이 풍부한 호주의 필라바 지역에서 호주 정부(ARENA)의 지원으로 그린 암모니아 생산 공정을 연구개발 중이다. 


호주의 풍부한 재생에너지원을 사용해 2022년까지 그린 암모니아 생산량 100kg/day 달성, 2030년까지 공정 스케일업 및 500kg/day의 생산량을 목표로 기술개발을 진행하고 있다.


미국에서는 미네소타대학, 스타파이어 에너지 등이 미국 에너지부 ARPA-E 프로그램의 지원으로 그린 암모니아 생산 공정을 연구개발 중이다. 스타파이어 에너지는 2019년 10kg/day 프로토타입 제작 후 현재 평가를 진행 중이고, 2023년 2톤/day까지 스케일업 예정이다.




일본은 일본 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)와 SIP Energy Carrier Projects의 지원으로 JGC corporation과 AIST에서 저온·저압 암모니아 합성 촉매 소재 개발뿐만 아니라 재생에너지를 이용한 수전해 수소 생산 연계 그린 암모니아 합성, 터빈발전 실증 연구개발을 진행 중이며, 현재 10kg/day 파일럿 운전 평가 중이다.


일본과 미국에서는 수소충전소・수소전기차 공급용 고순도 수소제조를 위해 액상 암모니아에서 수소를 추출하는 과제도 수행 중이다.


영국도 그린 암모니아 생산 공정을 개발 중이며, 현재 지멘스, 카디프대학, 옥스퍼드대학이 협력해 그린 암모니아 데모 플랜트를 건설해 실증 중이다.


국내는 기초연구에 머물러 있다. 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원, 한국화학연구원 등이 암모니아 합성 공정의 압력과 온도를 낮출 수 있는 촉매, 저에너지 암모니아 분리・농축을 위한 소재・공정 등의 연구개발을 진행 중이다. 


암모니아 기반 수소 저장 연구의 경우 현재 한국에너지기술평가원 과제를 통해 20Nm3/h급 암모니아 기반 고순도 수소추출 시스템 개발이 진행 중이다. 한국과학기술연구원은 지난해 암모니아에서 고순도의 수소를 추출하고 전력까지 발생시키는 기술을 개발했다.  


기업 중에는 원익머티리얼즈가 수소추출 분야 자체 사업으로 연구개발 중이다. 현대건설, 휴켐스, 대림산업 등의 기업들은 해외 암모니아 플랜트, 액화 암모니아 저장탱크 등의 건설・제작 능력을 보유하고 있다.  


전 세계 암모니아 시장은 2018년 기준 약 70조 원 규모로, 암모니아 시장의 90% 이상은 비료이다. 국내에서는 암모니아를 중국, 동남아 등에서 전량 수입해 주로 비료, 반도체 가스, 화약, 질산 등에 소비하고 있다.




최근 야라(YARA) 등 암모니아 메이저 기업들이 암모니아를 새로운 에너지(수소) 캐리어로서의 역할 수행 가능성에 초점을 맞추고 그린 암모니아 기술개발과 신시장 창출을 위해 노력하고 있다. 


IEA는 재생에너지 연계 그린 암모니아 생산・이송 기반의 차세대 무역 모델을 제안하고 있다. 일본, 영국 등 선진국에서도 저탄소 수소경제를 위해 그린 암모니아를 도입할 예정이다. 이에 따라 2050년 연 400조 원 이상의 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다.


이에 따라 향후 그린 암모니아 생산 및 추출 시장을 주도하기 위해서는 저온·저압 암모니아 합성용 촉매 소재 및 시스템에 대한 원천기술 확보가 시급한 상황이다. 

 

재생에너지 연계 그린 암모니아 기술개발 

정부는 ‘수소 기술개발 로드맵’과 연계해 ‘경제성 확보가 가능한 CO2-free 해외수소 생산 및 저장・운송기술 실증을 위한 국제공동연구’ 사업을 추진하고 있다.  


유전 잔유가스 활용 CO2 free 수소 생산 기술개발, 재생에너지 이용 그린 암모니아 생산 및 수소추출 공정개발, 수력에너지를 이용한 그린수소 제조 및 LOHC 수소 저장・추출 기술개발 등 3개 과제로 구분된다. 


재생에너지 연계 그린 암모니아 기술개발은 그린수소 연계 신 하버-보슈 공정(저온, 저압형) 촉매 개발, 신 하버-보슈 공정 개발(500kg/day급), 고효율 고순도 대용량 수소추출 공정 개발(1,000Nm3/h급)이 핵심 과제다.     


대표적인 암모니아 생산 공정인 하버-보슈 공정에서 사용되는 화석연료 수소추출 공정을 ‘수전해 수소생산 공정’으로 대체하는 ‘신 하버-보슈 공정’을 개발함으로써 CO2-free 수소 생산 및 온실가스 저감기술을 확보하는 게 목표다. 


또 그린 암모니아로부터 대용량 고순도 수소를 생산하는 기술을 개발해 향후 해외에서 생산된 그린 암모니아를 국내로 들여와 대량의 수소추출 후 수소배관망 등을 통해 공급함으로써 수소 수요 증가에 대응이 가능할 것으로 기대된다. 


이미 일본과 호주는 액상 암모니아를 활용한 대규모 수소 이송 프로젝트를 추진 중이다. 호주는 태양광 발전의 전력을 활용해 수전해 그린수소를 생산함과 동시에 공기 중에서 질소를 분리해 수소와 합성, 하버-보슈 공정을 통해 그린 암모니아를 생산한다. 일본은 호주가 생산한 대규모 액상 암모니아를 LPG 선박을 통해 일본으로 운송하게 된다. 

 

국내외 기업 행보 ‘관심’  

최근 국내외 기업들의 움직임도 빨라지고 있다. 


중동 최대 산유국인 사우디아라비아가 지난해 7월 미국 산업용 가스회사 에어프로덕츠와 함께 총 50억 달러(약 6조 원)를 투입해 사우디 북서부에 위치한 도시 네옴(NEOM)에 세계 최대 규모의 그린수소・암모니아 생산공장을 짓기로 발표해 큰 화제가 됐다. 


사우디는 오는 2025년부터 4GW 규모의 태양광・풍력발전과 연계한 그린수소(하루 650톤)를생산해 액상 암모니아 형태로 저장해 필요한 장소로 운송하거나 수출할 계획이다. 생산된 그린수소와 공기 중에서 분리한 질소와 합성한 그린 암모니아는 하루 3,500톤(연간 120만 톤) 규모로 생산할 계획이다. 




현대자동차는 지난해 8월 호주 연방과학산업연구기구(CSIRO), 세계 4위의 철광석 생산업체 포테스큐(FMG)와 암모니아 기반 수소 생산 기술 개발을 위한 MOU를 체결했다. 현대자동차, CSIRO, 포테스큐는 CSIRO가 개발한 금속 분리막을 이용해 암모니아로부터 고순도 수소를 경제적으로 생산하는 기술을 공동 개발할 계획이다. 

지난해 12월 수소 500만 톤 생산 체제를 핵심으로 하는 수소사업 비전을 선포한 포스코도  원료공급사인 호주 포테스큐(FMG)와 재생에너지를 활용한 그린수소 사업에서 상호 협력한다. 


먼저 FMG가 호주에서 추진 중인 재생에너지 활용 그린수소 생산 프로젝트에 포스코가 참여하고, 향후 추가 프로젝트 발굴에도 협력하기로 했다. 또 FMG의 그린수소 생산에 필요한 태양광, 풍력 등의 재생에너지 발전 설비에 PosMAC 등 포스코의 프리미엄 강재를 공급하기로 했다. 


포스코는 지난해 11월 온라인으로 진행된 한호경제협력위원회에서 해외에서 그린수소를 생산해 국내에 들여오는 사업모델을 제시하고, 그 핵심지역으로 재생에너지가 풍부한 호주와 오만 등 중동지역이 유망하다고 발표한 바 있다.


국내 조선사들은 LNG 연료추진선 개발에 집중하는 동시에 중장기적으로 이산화탄소 배출이 없는 암모니아 추진선 개발도 추진하고 있다.    


현대미포조선은 지난해 8월 영국 로이드선급(LR)으로부터 암모니아 추진 선박에 대한 선급 기본인증서(AIP)를 받았다. 현대미포조선은 독일 선박 엔진 제조사인 만 에너지 솔루션즈(MAN Energy Solutios), 영국 로이드선급과 암모니아 추진선을 공동 개발 중이다. 




삼성중공업도 지난해 9월 영국 로이드선급으로부터 ‘암모니아 추진 A-Max 탱커’에 대한 기본인증(AIP)을 획득했다. 


양사 모두 오는 2025년 상용화를 목표로 하고 있다. 대우조선해양도 LR 선급인증을 위한 기술개발을 진행 중이다. 


정부도 암모니아 추진선 개발을 지원한다. 지난해 12월 23일 확정・발표한 ‘제1차 친환경선박 기본계획’을 통해 미래 친환경 선박 세계 선도기술 확보를 위해 LNG·전기·하이브리드 핵심 기자재 기술 국산화ㆍ고도화 → 혼합연료 등 저탄소 선박기술 → 수소ㆍ암모니아 등 무탄소 선박기술로 이어지는 친환경 선박・기자재 기술개발을 체계적으로 지원키로 했다.   


그간 비료의 주원료로만 인식됐던 암모니아가 수소의 저장・운송 매체로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 선박의 추진 연료 등으로 사용 범위가 확대되면서 큰 인기를 얻을 것으로 전망된다.     






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