암모니아가 차세대 연료로? 차세대 에너지로서의 암모니아의 매력

 

지구 온난화로 우리의 미래를 지키기 위해서, 탈 탄소(카본 뉴트럴)가 세계적인 움직임이다.

 

큰 논점인 전력은 일본에서는 현재 발전량의 약 75%가

화력 발전.원자력·태양광·풍력 등 다양한 대체 방법이 검토되는 가운데 차세대 에너지의 하나로서

"암모니아"이 주목되면서 실증 사업도 시작하고 있는 추세이다.

"냄새""유독" 이라는 이미지가 강한 암모니아이지만

정부의 목표에서는 2050년까지 수소와 암모니아로 10% 정도가 전력 자원이 충당되게 된다.

이번에는 암모니아가 주목 받는 이유와 차세대 에너지로서의 매력을 소개한다.

이미 다양한 용도로 이용되고 있는 암모니아

암모니아가 탈 탄소로 주목 받고 있는 배경을 보기 전에 어떤 물질인지 복습한다.

암모니아는 강한 자극취를 갖고 상온에서는 무색 투명의 기체로,

화학식은 "NH₃"로 표기하는 수소(H)과 질소(N)으로 구성된 물질이다.

 

우리가 평소 볼 기회가 있는 것은 약국 등에 두고 있는 물에 녹인 "암모니아 물"에서,

벌레에 물린 곳에 바르는 약, 청소 등의 용도로 사용된다.

주요 용도는 비료로 세계 전체에서 약 80%의 암모니아가 비료로 소비되고 있다.

 

나머지 약 20%는 멜라민 수지나 합성 섬유 나일론 등 공업용 원료이다.

세계 인구가 증가하는 가운데 농산물의 거름으로 이용되는 암모니아의 중요성은 향후도 높아질 것으로 예상된다.

암모니아는 우리의 삶에 필수적인 물질이라고 할 수 있다.

 

차세대 에너지로서의 암모니아의 매력

탈 탄소(카본 뉴트럴)는 이산화 탄소(이하, CO₂)을 포함한 온실 가스 배출량을 실질적으로

플러스 마이너스 제로를 목표로 한다 생각이다.

 

2021년 4월 시점에서 일본을 포함 125개국과 1지역이 2050년까지

카본 뉴트럴 실현을 목표로 하고 있다.

 

모든 전력을 재생 가능 에너지로 조달하기 어렵기 때문에 일본에서는

2050년까지 발전량의 약 50~60%를 재생 가능 에너지로 조달하고

기타를 화력 원자력·수소·암모니아 유래의 전력으로 조달하는 것을 목표로 하고 있다.

 

수십년 후에 육박하는 큰 목표를 향해서 여러가지 방법이 동시 모색되는 가운데

암모니아는 차세대 에너지로 어떤 매력이 있는지 본다.

 

(1)수소를 수송하는 "에너지 캐리어"로서 활용

차세대 에너지로 암모니아와 마찬가지로 주목 받고 있는 수소는

연소 때 CO₂을 발생시키지 않지만 가연성에서 폭발의 위험성이 있고,

부피가 크기 때문에 한번에 옮길 수 있는 양도 적다.

액화하여 수송하는 방법도 있지만, 운반 중에 기화하기 쉽고 취급이 어렵다는 과제가 있다.

 

거기에서  수소를 수송·저장할 때의 에너지 캐리어로 암모니아가 기대되고 있다 .

암모니아는 콤팩트로 옮기기 때문에 수소를 질소와 반응시켜서 암모니아로 수송·저장하고

필요에 따라서 수소를 뽑아서 이용하는 것이다.

 

또 암모니아는 이미 다양한 용도로 이용되고 있어 안전하게 운반하는 기술이 확립되고 있다.

기존 인프라를 활용할 수 있는 것도 큰 매력이다.

 

(2)연소시에 CO₂을 배출하지 않는다

수소와 질소로 구성된 암모니아는 탄소를 포함하지 않아 연소시에 CO₂이 발생하지 않는 카본 프리의 연료이다 .

암모니아만을 에너지원으로 발전하는 "부소"가 이상적이지만,

석탄 화력 발전에 섞어 태우는 "혼합 연소"에서도 CO₂의 배출량을 억제할 수 있다.

일본에서는 정부 주도로, 연료로서 암모니아 도입에 대한 로드맵이 검토되고 있다(그림 1).

2021년에는 석탄 화력에 암모니아를 20%혼합 연소하는 실증 사업을 채택.

혼합 연소 기술의 확립 등 목표에 나서고 있다.

 

그림 1 : 연료 암모니아의 도입 확대를 위한 시점·로드 맵

출처:경제 산업성"연료 암모니아 도입 민관 협의회 중간 정리"를 바탕으로 편집부 작성

만일 국내 대형 전력 회사가 보유하는 모든 석탄 화력 발전소에서

20%의 암모니아 혼합 연소를 이룰 수 있다면 CO₂ 배출량은 연간 약 4,000만톤 감소시킨다.

 

또 석탄 화력 발전이 모두 암모니아 부소라면 감소량은 연간 약 2억톤이 되면 추정된다(그림 2).

현재 일본의 CO₂ 배출량은 연간 약 12억톤, 중 전력 부문은 연간 약 4억톤이다.

20%의 암모니아 혼합 연소 기술이 확립되면 전력 부문 CO₂ 배출량은

현재보다 약 10%삭감되는 것으로 기대된다 .

연료로서 암모니아의 도입은 큰 영향이 있다.

그림 2 : 연료 암모니아에 기대되는 CO₂ 배출 감소량 

출처:경제 산업성"연료 암모니아 도입 민관 협의회 중간 정리"킨키 중국 산림 관리국 Web사이트를 바탕으로 편집부 작성

※1국내 대형 전력 회사가 보유하는 전 석탄 화력 발전에서 혼합 연소/부소을 실시한 사례에서 추정.

※2일본의 CO₂ 배출량은 약 12억톤, 중 전력 부문은 약 4억톤.

※3인간 한명이 호흡에 의한 배출하는 이산화 탄소는 연간 약 320kg.

 

(3)발전 원가는 수소보다 저렴하다

수소와 비교한 발전 비용의 부족도 암모니아의 매력이다.경제 산업성의 자료에 따르면

1kWh당의 발전 원가는 수소만으로 발전한 경우의 비용이 97.3엔(2020년 현재 추산)인 반면

암모니아만이 발전한 경우 비용은 23.5엔(2018년 현재 추산).

 

암모니아의 발전 원가는 수소 약 4분의 1이다 (그림 3).

1kWh:1,000W의 전력을 1시간 사용했을 때에 사용하는 전기의 양.

 

그림 3 : 수소와 암모니아의 발전 비용 비교

	수소 발전(2020년 현재 추산)	암모니아 발전(2018년 현재 추산)
부소의 발전 비용	97.3엔/kWh	23.5엔/kWh

출처:경제 산업성"연료 암모니아 도입 민관 협의회 중간 정리"를 바탕으로 편집부 작성

그린 암모니아와 블루 암모니아, 지구 친화적인 것은?

연소시에는 CO₂을 발생하지 않는 암모니아이지만 지금까지 제조 과정에서 CO₂이 발생하는 것이 큰 문제가 되었었다.

암모니아 합성에 필요한 수소는 현재는 주로 석탄과 천연 가스 등 화석 연료에서 유래한 것이 쓰이기 때문이다.

거기에서 제조 과정에서 CO₂의 배출량을 줄이기 위하여 새로운 방법으로 제조된 암모니아가

"그린 암모니아"과 "블루 암모니아"이다 . 각각의 특징을 보자.

 

그린 암모니아

암모니아 합성에 필요한 수소는 물을 전기 분해하고 만들어진다.

그 때에 필요한 전기는 태양광·풍력·수력·지열, 바이오매스 발전 등 재생 가능 에너지가 사용되기 때문에

제조 과정에서 CO₂가 배출되지 않는다.

블루 암모니아

암모니아 합성에 필요한 수소는 천연 가스 등 화석 연료로부터 만들어진다.

그러나 거기에서 발생하는 CO₂를 회수하고 땅속 깊이에 저장하는 CCS등의 기술에 의해서, CO₂의 배출을 억제하고 있다.

 

그림 4 : 암모니아의 분류와 제조 과정의 이미지 

제조시와 연소시에서 CO₂을 배출하지 않는 그린 암모니아는 탈 탄소에서 이상적인 에너지라고 할 수 있다.

현재 그린 암모니아의 세계 시장은 확대가 전망되고 있으며,

다양한 기업이 그린 암모니아 제조·공급망의 구축에 나서고 있다.

 

탈 탄소에 대한 대응은 자동차의 EV화로 대표되듯이 인프라 기반을 바꿀 가능성이 있다.

 

우리의 생활이나 비즈니스에도 영향을 미칠 만큼 국내외 막론하고 새로운 정보는 항상 체크하는 것이 좋다.