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암모니아(Ammonia: NH3)는 주로 비료를 중심으로 화학물질의 원료로 사용됐으나 수소경제 시대를 맞아 역할이 확대되고 있다.
암모니아는 자극적인 냄새를 가진 독성물질로 농업용 비료 생산에 주로 투입됐으나 수소 3개, 질소 1개 원자로 이루어져 수소의 대체물질로 거론되며 2050년 탄소중립 트렌드를 타고 전력 생산의 13.2-21.4%를 담당할 연료로 부상하고 있다.
상압에서 수소(영하 253도)보다 훨씬 높은 영하 33도에서 액화되고, 상온에서는 8기압에서 액화돼 수소에 비해 액화가 쉬우며 밀도도 훨씬 커 부피당 수소 함량이 액화수소에 비해 2배 가량 많은 것이 장점으로 파악된다.
액화에 따른 장점은 암모니아 생산에 필요한 에너지 소모를 상쇄하고도 남아 장거리 수송과 저장 측면에서 경제성이 높은 것으로 평가되고 있다.
암모니아, 발전 연료화 기술적 난관 수두룩…
암모니아는 액화한 후 선박으로 운송해 발전용 석탄, 천연가스를 대체하고 추출공정을 통해 수소로도 전환할 수 있다.
암모니아를 발전용 연료로 투입하기 위해서는 천연가스, 석유, 석탄이 풍부한 중동, 오스트레일리아에서 합성하는 것이 유리하고 합성과정에서 발생한 이산화탄소(CO2)는 분리해 땅속에 저장한다. 재생에너지 전력도 수전해를 통해 암모니아 생산에 활용할 수 있다.
천연가스‧석탄 베이스 화력발전도 이산화탄소 포집·저장(CCS)을 통해 탄소중립이 가능하나 지리적‧기술적 한계로 코스트가 높은 반면, 암모니아는 생산과정에서 이산화탄소를 땅속에 저장함으로써 배출을 근본적으로 차단할 수 있는 장점이 부각되고 있다. 태양광‧풍력도 거론되고 있으나 출력의 변동성이 커 전력 공급의 안정성을 담보할 수 없는 한계가 있다.
특히, 암모니아는 화학물질의 원료로 오랜 기간 상업적으로 활용하고 있어 생산, 수송, 저장 기술의 성숙도가 높은 편이다.
암모니아 합성은 20세기 초 개발된 하버 보슈(Haber Boshe) 공정이 활용되며, 이산화탄소 지중 저장은 원유회수증진 기술로 석유기업들이 오랫동안 사용하고 있다. 액화 암모니아 운반선 역시 상용화된 기술로 조선사들이 암모니아 추진 선박 개발에 나서고 있다.
그러나 2020년 세계 암모니아 생산량 2억톤 중 1800만톤만이 국제적으로 거래됐고, 한국은 수요 140만톤 전량을 수입에 의존하고 있다.
최신 석탄화력발전(1GW급) 1기의 연료 20% 대체에도 55만톤이 필요하고 2030년까지 확대 적용하기 위해서는 935만톤, 2050년 완전 대체하려면 2800만톤이 필요할 것으로 추산돼 암모니아 생산능력 확대와 함께 수송‧저장을 위한 인프라 구축이 요구되고 있다.
또 암모니아는 연소할 때 질소와 물이 생성되고 황산화물 배출은 없지만 연소과정에서 질소산화물(NOx)이 생성되는 문제점도 제기되고 있다.
국내에서는 2021년부터 한국전력, 발전기업, 연구기관들이 공동 연구개발(R&D)을 시작해 2023년까지 연소 및 설비 개조에 필요한 요소 기술을 개발하고 2024년부터 3년간 암모니아 20% 혼소발전 실증을 진행할 예정이다.
일본은 정부와 관련기업들이 오스트레일리아‧중동산 암모니아를 확보함은 물론 혼소발전 실증을 적극 추진하고 있다.
포스코, 두산‧RIST와 암모니아 연료 개발
국내에서는 포스코가 그린·블루 수소로 합성한 암모니아를 연료로 사용하는 발전기술을 개발한다.
포스코, 두산중공업, 포항산업과학연구원(RIST)은 암모니아를 분해해 생성한 수소를 연소해 터빈을 가동하는 발전기술 개발을 공동 추진하고 있다.
암모니아는 가스터빈 연료인 LNG(액화천연가스) 대비 연소 속도가 20% 수준으로 낮고 발열량도 50% 정도에 불과해 발전 연료로 사용하기에는 한계가 따르고 있으나, 암모니아를 그대로 연소하는 대신 분해로를 통해 수소·질소 가스로 분해한 후 연소해 가스터빈을 구동하는 방식을 선택한다.
 수소·질소 가스를 연소하면 암모니아를 그대로 기화해 연소할 때보다 연소 속도와 발열량이 상당히 증가할 것으로 예상하고 있다.
연소단계에서 발생한 배기가스로부터 열 일부를 회수해 분해로에 재투입함으로써 가스의 열량을 높이고 발전효율을 높이는 기술을 개발할 예정이다.
암모니아 연료 발전은 이산화탄소를 전혀 배출하지 않기 때문에 이상적인 친환경 발전 모델의 하나로 부상하고 있으며, 신기술을 LNG 발전에 적용한다면 기존 발전소의 이산화탄소 배출량 저감에도 기여할 것으로 기대하고 있다.
암모니아를 LNG와 열량 기준 20% 비율로 섞어 연소하면 이산화탄소 배출량을 LNG 단독 발전에 비해 약 20% 줄일 수 있기 때문이다.
포스코는 RIST와 함께 암모니아 분해로 개발을 추진할 예정이다. 암모니아는 포스코가 해외 프로젝트에서 생산한 그린수소 등을 합성해 조달한다.
두산중공업은 2020년 가스터빈 국산화 이후 수소 혼소 및 전소 터빈을 개발하고 있으며 원천기술을 바탕으로 수소와 질소로 분해된 가스를 한번에 태우는 연소기와 가스터빈을 개발할 예정이다.
현대‧두산‧롯데‧포스코 협력 그린 암모니아 사업화
국내에서 탄소중립을 위한 그린 암모니아 협의체가 출범했다.
2021년 7월15일 결성된 협의체에는 에너지기술연구원, 화학연구원, 가스안전공사, 수소융합얼라이언스, 탄소중립연구조합, 두산중공업, 두산퓨얼셀, 롯데케미칼, 롯데정밀화학, 삼성엔지니어링, 포스코, 한국조선해양, 한화솔루션, 현대오일뱅크, 현대자동차, 현대제철, 현대중공업, 현대글로비스 등이 참여하고 있다.
그린 암모니아는 이산화탄소 배출 없이 재생에너지와 연계해 생산한 그린수소를 이용해 제조한 암모니아이며, 액화수소와 달리 상온에서 쉽게 액화되고 액화수소 대비 단위 부피당 1.7배나 수소 저장용량이 클 뿐만 아니라 세계적으로 운송 수단 및 유통 인프라가 잘 갖추어져 있어 가장 유력한 수소 캐리어(운반체)로 주목받고 있다.
국제에너지기구(IEA)와 국제재생에너지기구(IRENA)는 그린 암모니아가 수소 캐리어 및 무탄소 연료로서 탄소중립 시대에 중추적인 역할을 할 것으로 전망하고 있다.
18개 참여기업·기관은 △그린 암모니아 생산‧운송‧추출‧활용기반 구축 협력 추진 △그린 암모니아 산업진흥을 위한 정보교류 및 표준화 협력 △정부 소통 및 국제교류 협력을 공동 추진한다.
저가의 그린 암모니아 생산과 운송, 선박 연료 활용, 그린 암모니아 수소 추출을 통한 수소 공급, 가스터빈, 보일러, 연료전지 무탄소 연료 활용 등을 준비하고 있는 것으로 알려졌다.
GS에너지, 블루 암모니아 20만톤 확보
GS에너지는 중동산 암모니아를 대량 확보했다.
GS에너지는 아부다비(Abu Dhabi) 국영 석유기업 ADNOC의 블루 암모니아 개발사업 지분 10%를 확보하며 공동 사업자로 선정됨으로써 블루 암모니아 20만톤을 확보한 것으로 알려졌다.
아부다비에 대규모 블루 암모니아 플랜트를 건설하는 프로젝트로 이산화탄소 포집부터 암모니아 생산까지 모든 공정을 처리하며 2025년 100만톤을 상업 가동할 계획이다.
ADNOC이 지분 80%를 보유하고 나머지는 GS에너지와 일본 미쓰이물산(Mitsui)이 각각 10%씩 보유하며 공동 운영할 방침이다.
앞으로 아부다비에서 생산되는 블루 암모니아를 수입해 계열사 수요, 암모니아 혼소발전, 암모니아 크래킹 연구개발 등에 활용하고 실증 후에는 본격적인 투자를 검토할 예정이다.
GS에너지는 △친환경(그린) 발전 포트폴리오 확장 △스마트 전력 솔루션 시장 선도 △순환자원 생태계 구축 △청정수소 경제 인프라 재편 선도 등을 ESG(환경·사회·지배구조) 4대 경영전략으로 삼고 있다.
또 국내 태양광·해상풍력 사업을 미래 성장동력의 한 축으로 삼을 계획이며 2023년 12월 가동을 목표로 당진에서 200MW 태양광발전 사업을 추진하고 있고 해상풍력 사업 기회도 탐색하고 있다.
2021년 6월에는 세계 2위의 재생에너지 전문기업 이베르드롤라(Iberdrola)와 협약을 체결해 글로벌 재생에너지 시장 진출을 위한 발판을 마련했다.
GS에너지는 블루 암모니아 도입을 시작으로 해외 청정수소·암모니아를 공급할 수 있는 프로젝트 참여를 검토하고 있으며, LNG를 개질하고 배출되는 이산화탄소는 해외 유전 등에 수출하는 블루수소 생산 모델 개발을 서두를 계획이다.
한화‧휴켐스도 암모니아 베이스 수소 사업화
한화 글로벌 부문과 한화임팩트는 2021년 10월8일 원익머트리얼즈, 원익홀딩스와 암모니아 베이스로 수소 생산·공급에 협력하는 양해각서(MOU)를 체결했다.
암모니아를 분해해 수소를 생산할 수 있는 시스템을 공동 개발하고 대규모 수소 생산·공급 설비 건설까지 협력하기로 합의했다.
한화 글로벌 부문은 장기간 암모니아를 취급한 경험을 바탕으로 해외에서 생산된 청정 암모니아를 조달해 분해한 후 청정수소를 공급하는 사업을 추진할 계획이다.
한화임팩트는 미국 PSM, 네덜란드 토마센에너지(Thomassen Energy)를 인수해 LNG 터빈을 수소가스 터빈으로 전환하는 원천기술을 확보했으며 한국서부발전과 협약을 맺고 국내 최초로 수소혼소 발전 프로젝트에 착수했다.
원익머티리얼즈는 국내 최대 반도체·디스플레이 공정용 특수가스 전문기업으로 약 20년 동안 고순도 암모니아를 정제‧생산하며 암모니아와 관련된 다양한 안전관리 노하우를 보유하고 있다.
휴켐스도 광주과학기술원(GIST) 화학에너지 저장 및 변환공정 미래연구센터와 함께 암모니아를 전기분해해 수소를 생산하는 시스템을 2022년 말까지 개발할 계획이다.
온실가스를 배출하지 않는 친환경적인 시스템을 개발하며, 정제나 분리 공정 없이 초고순도 수소 생산이 가능하고 물 전기분해 방식보다 전력 소모량이 적어 이론상으로는 최소 5%의 전력으로 수소를 생산할 수 있다.
휴켐스는 국내 암모니아 수입량의 30% 이상을 사용하는 국내 최대 암모니아 수요기업이며 40년 이상의 관련 지식 및 취급 노하우를 보유해 성공 가능성이 높다고 자신하고 있다.
덴마크, 그린 암모니아 5000톤 건설
유럽은 신재생에너지를 이용해 그린 암모니아를 제조하는 데모 플랜트를 건설하는 등 앞서 나가고 있다.
덴마크에서는 촉매 생산기업 할도 톱소(Haldor Topsoe), 신재생에너지 전문기업 베스타스(Vestas), 신재생에너지 투자펀드 Skovgaard Invest 등이 에너지 기술개발 실증 프로그램으로부터 8100만D크로네(약 142억원)의 보조금을 지원받아 2023년 가동을 목표로 상업화를 추진하고 있다.
풍력, 태양광 발전 등 신재생에너지로 얻은 전력을 전기분해 설비에 직접 공급해 수소를 생산하고 이후 수소를 원료로 암모니아를 추출하는 시스템을 구상하고 있다.
덴마크 서부 유틀란트(Jutlant)에 암모니아 생산능력 5000톤 이상 설비를 건설하고 이산화탄소 배출량을 연간 8200톤 감축할 방침이다.
베스타스가 수소 생산을, 할도 톱소는 암모니아 생산설비 건설을 맡고 있으며 변동 가능성이 있는 풍력‧태양광 발전 베이스 전력을 활용한다.
전해설비에는 베스타스의 기존 풍력발전 설비로 12MW, 신규 건설할 태양광발전 설비를 통해 50MW의 전력을 공급하고 잉여전력은 판매할 방침이다.
발전-전해-암모니아 일관생산체제를 구축함으로써 전력을 축전한 다음 전해설비에서 생산한 수소를 저장하는 기존 생산 시스템보다 코스트를 절감할 수 있는 장점이 부각되고 있다.
일본, UAE와 공동으로 사업 타당성 검토
일본은 블루 암모니아 서플라이체인 구축을 추진하고 있다.
일본은 석유천연가스‧금속광물자원기구(JOGMEC)와 INPEX, JERA 3개 기관이 UAE(아랍에미리트)와 클린 암모니아 생산을 위한 공동 사업 타당성 검토 협약을 체결하고 양국 정부의 협조 아래 2021년 11월까지 사업 타당성 검토를 진행했다.
 일본 경제산업성은 3개 기관 뿐만 아니라 민간기업의 활동을 지원함으로써 2050년 넷 제로(Net Zero) 달성에 박차를 가하고 있다.
UAE 프로젝트에서는 JOGMEC가 천연가스를 베이스로 암모니아를 제조할 때 이산화탄소를 땅속으로 회수‧저류시킨 블루 암모니아의 사업 타당성을 검토한 것으로 알려졌다.
아부다비산 천연가스를 개질시켜 제조한 수소로부터 암모니아를 합성하고, 배출된 이산화탄소는 INPEX가 참여하고 있는 아부다비 육상유전의 석유증진회수법(CO2 EOR)에 사용할 방침이다. 이후 블루 암모니아를 일본으로 수송하고 판매하는 방안은 JERA가 검토하고 있다.
UAE 프로젝트는 일본 경제산업성이 2021년 초 ADNOC과 체결한 연료 암모니아 및 카본 리사이클 관련 양해각서(MOC)의 일환으로 추진하고 있다. 경제산업성과 ADNOC는 MOC 체결을 계기로 협력을 강화하기 위해 워킹그룹을 설치하고 다양한 정보를 공유하고 있다.
일본은 아시아에서 진행되고 있는 다양한 형태의 에너지 트랜지션 지원에 주력하고 있으며 2021년 10월 개최된 아시아 그린 성장 파트너십 각료회의를 통해 UAE와 긴밀한 연계에 나선 것으로 파악된다.
경제산업성은 6월 발표한 그린성장전략 개정판을 통해 수소와 연료 암모니아를 14개 성장 분야 가운데 하나로 설정했다.
특히, 연료 암모니아는 △일본이 조정할 수 있는 수준의 조달 서플라이체인을 조기에 구축해 세계사회에 공급하며 암모니아 이용산업과 이니셔티브를 만들고 △연료 암모니아를 저가에 안정적으로 공급하기 위해 제조, 수송‧저장 대규모화 및 고효율화를 위한 기술 개발을 추진하겠다는 목표를 세우고 있다.
글로벌 암모니아 서플라이체인 주도가 목표
일본은 2050년 탄소중립 달성을 위해 암모니아를 연료로 활용하는 작업이 중요해짐에 따라 신재생에너지를 활용해 암모니아를 생산하거나 발전연료로 암모니아를 이용하는 기술을 실증하고 있으며 해외에서 친환경 암모니아를 수입하는 밸류체인 타당성을 조사하고 있다.
전력기업들은 2030-2040년 석탄화력발전에서 암모니아 전소를 목표로 설정하고 있다.
일본 청정연료‧암모니아협회(CFAA)에는 일본기업 98사가 참여하는 등 산업계 전체적으로 암모니아의 연료화에 관심이 높으며 암모니아 수입 허브 구축을 추진하고 있다.
암모니아는 상압에 섭씨 영하 33도에서 저장‧수송이 가능해 취급이 용이하고 인프라가 정비돼 있을 뿐만 아니라 직접연소를 실시할 수 있어 수소를 추출하지 않아도 이용이 가능하다는 강점이 부각되고 있다.
일본은 암모니아를 연료로 활용하기 위해 내각부가 전략적 이노베이션 창조 프로그램(SIP)을 통해 연구개발을 추진하고 있고 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO) 실증실험에도 다양한 관련기업과 연구기관이 참여하고 있다.
연구개발은 주로 석탄화력발전과 가스터빈, 공업로, 고체산화물형 연료전지, 선박의 연료로 암모니아를 투입하는 기술과 관련돼 있고 신재생에너지 베이스 수소를 원료로 취하는 그린 암모니아 생산기술 관련 연구도 추진하고 있다.
최근에는 연구를 실용화하기 위해 새로운 촉매를 개발하거나 코스트 감축이 가능한 전해합성 기술을 선제적으로 개발하는 움직임이 포착되고 있다.
일본 전력 메이저들은 2050년 탄소중립 실현을 위해서는 기존 석탄화력발전에서 암모니아를 연료로 활용하는 방법이 가장 유효하다고 판단하고 있다.
전력 메이저가 보유하고 있는 석탄화력발전소는 총 70기(약 3900만kW)이며 초초임계압(USC) 발전소가 27기(2180만kW)로 파악되고 있다. USC는 대부분 2000년대 이후 건설됐다.
전력 메이저들은 USC를 중심으로 암모니아 혼소가 본격화되고 USC가 모두 전소로 변경되면 5000만톤 이상의 암모니아 수요가 창출될 것으로 추산하고 있다.
JERA와 IHI는 JERA의 헤키난(Hekinan) 화력발전소 4호기(100만kW)에서 2024년까지 20% 혼소를 실시하기 위한 실증실험을 추진하고 있다. 실증실험에 성공하면 다른 화력발전소에 적용하는 것은 물론 아시아‧태평양 지역으로 확대할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
헤키난 지역은 석탄화력 설비용량이 1820만kW에 달해 혼소가 도입되면 대량의 암모니아가 필요할 것으로 예상된다.
이산화탄소 프리 암모니아를 실현하기 위해서는 천연가스를 원료로 투입하는 제조공정에서 발생한 이산화탄소를 땅속에 저류시키는 CCS로 처리함으로써 블루 암모니아를 생산하거나 신재생에너지 베이스 전력을 사용하는 그린 암모니아를 확대하는 방법이 유력한 것으로 파악되고 있다.
블루 암모니아는 2020년 에너지연구소가 사우디로부터 들여온 후 세계 최초로 실증사업을 추진했고 미츠비시상사(Mitsubishi), 미츠비시중공업(Mitsubishi Heavy Industries), JGC, 우베코산(Ube Kosan) 등이 참여했다.
JOGMEC, 이토추상사(Itochu), 도요엔지니어링(Toyo Engineering)은 러시아의 동시베리아에서 블루 암모니아 밸류체인과 관련된 사업 타당성 조사를 추진하고 있으며 2021년 7월 상세 검토단계에 돌입했다.
오스트레일리아는 수소 공급국으로 부상하고 있으며 일본과 복수의 실증사업 타당성을 조사하고 있다.
암모니아 분야에서는 IHI가 오스트레일리아 우드사이드에너지(Woodside Energy)와 공동으로 수력발전 베이스 그린 암모니아 생산을 위한 사업 타당성 조사에 착수했고, 미츠비시중공업은 그린 수소‧암모니아 전문기업 H2 Investment에 출자해 일본에 밸류체인을 구축하는 방안을 검토하고 있다.
CFAA는 암모니아 연료가 21세기 에너지 분야의 게임체인저이며 LNG에서 달성하지 못했던 일본기업 주도의 글로벌 서플라이체인 구축을 암모니아 연료를 통해 추진할 수 있다고 기대하고 있다.
IHI, AUS‧일본에서 암모니아 연료 프로젝트 추진
IHI는 암모니아 연료 서플라이체인 구축을 본격화하고 있다.
IHI는 오스트레일리아에서 2건의 그린 수소‧암모니아 생산 관련 조사를 추진하고 있으며 일본에서는 이데미츠코산과 공동으로 도쿠야마(Tokuyama) 사업장의 수입기지화 및 주변 공급 사업화를 준비하고 있다.
현재 국내외 석탄화력발전 소성과 관련된 기술 조사에 집중하고 있으나 차세대 수전해 장치나 신재생에너지를 이용하는 효율적인 암모니아 플랜트 개발에도 관심을 나타내고 있다.
수소와 암모니아 제조부터 수송‧저장‧이용에 이르기까지 기술을 확립하고 일본과 아시아 지역에서 사업을 본격화하는 것을 목표로 하고 있다.
IHI는 오스트레일리아 퀸즐랜드(Queensland)에서 전력기업과 공동으로 태양광 발전부터 수소 제조‧판매까지 포괄하는 사업에 대한 사업 타당성 조사(FS)를 추진하고 있다.
1MW급 PEM형 수전해 장치를 사용해 그린수소를 제조할 예정이며 에너지 관리 시스템 설계도 검토하고 있다. 상업화 이후 단계적으로 10MW, 250MW 혹은 GW급으로 확대하고 암모니아를 합성해 수출할 계획이다.
IHI는 태즈메이니아(Tasmania) 프로젝트에서 오스트레일리아 우드사이드에너지, 마루베니상사(Marubeni)와 함께 풍부한 수력발전 자원을 사용해 알칼리 수전해 장치로 수소를 제조하고 암모니아까지 생산하는 목표에 도전하고 있다.
암모니아 생산량이 8000톤인 10MW 설비로 시작해 암모니아 생산량 20만톤의 250MW 설비로 확장하고 이후 50만톤까지 확대할 계획이다.
암모니아 연료 수요 발굴에도 박차를 가하고 있다.
이데미츠코산의 도쿠야마 사업장을 블루‧그린 암모니아 수입기지로 활용하고 나프타(Naphtha) 크래커에 연료로 투입하는 프로젝트를 추진하고 있으며 주변 수소‧암모니아 수요도 조사하고 있다.
IHI는 JERA와 공동으로 석탄화력발전소를 활용한 20% 소성 기술을, 단독으로는 가스터빈 전용 연소기술을 개발하고 있으며 말레이지아에서는 경제산업성의 지원 아래 석탄화력 소성 관련 타당성을 조사하고 있다.
후쿠시마(Fukushima) 소마시(Soma)의 연구개발센터에서는 이산화탄소 프리 수소를 활용하는 기술을 개발하고 있으며, 오스트레일리아 프로젝트의 수전해 장치 관련 노하우를 바탕으로 한 차세대형 수전해 장치 개발에도 관심을 나타내고 있다.
현재 확보한 기술로는 수소 1입방미터를 제조할 때 5kW의 전력을 사용하며 이론상으로 가능한 3.5kW 수준까지 줄이는 것을 목표로 하고 있다.
암모니아 공장 건설을 경험한 미국 IHI E&C와는 신재생에너지를 사용하는 암모니아 공장 건설을 준비하고 있다. 모듈형으로 입지 조건과 생산능력에 따라 유연하게 대응할 수 있는 플랜트를 건설할 방침이다.
암모니아 연료화 발전기술 개발 선도
IHI는 암모니아를 연료로 사용하는 발전기술 실용화에도 박차를 가하고 있다.
IHI는 대형 상용 석탄가스 발전기를 사용한 실증실험을 통해 2024년까지 암모니아 20% 혼소발전을 실용화하겠다는 목표를 세우고 있다.
 액화 암모니아를 사용한 가스터빈 실증을 통해 70% 혼소에 성공했으며 실증실험 성과를 활용해 2025년 상용 석탄화력발전에 혼소 시스템을 도입할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
혼소발전 이후에는 암모니아 전소 발전용 가스터빈 상용화를 추진할 예정이다.
IHI는 JERA와 함께 대형 석탄화력발전기를 사용한 암모니아 혼소발전을 추진하고 있다.
2021년 5월 NEDO 실증사업으로 채택됐으며 JERA의 헤키난 화력발전소 4호기에서 2024년까지 암모니아 20% 혼소발전 실증실험을 진행할 예정이다.
헤키난 4호기의 발전출력은 100만kW이며, 상용 대형 화력발전기를 사용해 대규모 암모니아 혼소발전 실증 사업을 추진하는 것은 세계 최초로 알려졌다. 석탄화력발전에서 이산화탄소 프리 암모니아를 혼소할 수 있게 되면 혼소한 만큼 이산화탄소 배출량 감축이 가능하다.
기존 설비를 그대로 활용하면서 이산화탄소 배출량을 감축할 수 있어 암모니아 조달 코스트가 낮아질 미래에는 석탄가스화 복합 발전 플랜트(IGCC) 등을 신규 건설했을 때와 비교해 훨씬 낮은 코스트로 탄소 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.
IHI는 실증용 버너 개발을 담당하고 있으며 JERA와의 실증실험 결과를 바탕으로 2025년경 혼소 버너를 사용한 발전 시스템을 실용화하고 일본 전력기업에게 제안할 방침이다.
혼소율을 높이기 위한 연구개발에도 집중하고 있으며, 혼소율을 50%로 높이기 위해서는 버너 외에 보일러 본체 등 여러 설비를 개조해야 해 다양한 방안을 검토하고 있다.
NEDO 위탁 사업으로 2000kW급 가스터빈에서 천연가스를 활용하는 혼소발전 기술 개발 프로젝트를 진행하고 있으며 2018년 3월 20% 혼소에 성공했고 2021년 3월 70%도 혼소했다. 한정적 결과이지만 100% 혼소에도 성공해 혼소발전이 코제네레이션 시스템의 제로 에미션을 실현시키는 기술로 급부상할 것을 기대하고 있다.
혼소발전은 암모니아를 액체 상태로 혼소하기 위해 기화기 등 부속설비를 설치해야 할 필요가 없어 제어성이 우수한 것으로 평가되고 있다. 연소기를 개량함으로써 황산화물(SOx) 발생량을 줄였고 추가 개량작업을 추진함으로써 2025년에는 암모니아 전소 가스터빈을 실용화할 방침이다.
NCC, 암모니아 연료로 대체한다!
이데미츠코산은 NCC(Naphtha Cracking Center) 연료로 암모니아를 도입할 계획이다.
 이데미츠코산은 IHI와 도쿠야마 플랜트에서 암모니아 서플라이체인 구축을 위한 공동 실증실험을 추진하고 있으며. 2022년 도쿠야마 공장의 NCC에서 부생되는 가스와 암모니아를 연료로 소성시키는 실증실험을 시작할 예정이다.
이데미츠코산은 해외에서 이산화탄소 프리 암모니아를 조달한 다음 도쿠야마 공장을 암모니아 수입기지로 활용하며 인근 화학기업에게 연료용으로 암모니아를 공급하는 사업을 구상하고 있다.
배출되는 이산화탄소를 회수‧저류한 블루 암모니아나 신재생에너지를 이용한 그린 암모니아를 수입하고 도쿠야마 공장의 기존 탱크 용도를 변경해 암모니아 공급 관련 인허가 취득을 추진할 계획이다.
IHI는 저장용 및 입출하용 설비와 암모니아 소성기술 개발을 담당한다.
IHI는 2014년부터 암모니아 소성기술을 개발하고 있으며 세계 최초로 2000kW급 가스터빈에서 액체 암모니아를 70% 소성하는 성과를 올렸고 이데미츠코산 도쿠야마 NCC와 LPG(액화석유가스) 탱크에 납품한 바 있다.
이데미츠코산은 2021년 5월 석유화학단지를 탄소중립의 핵심기지로 활용하는 CNX 구상을 공개했으며 지바(Chiba) 공장에서 폐플래스틱의 CR(Chemical Recycle) 실증실험에 착수했다.
도쿠야마 공장은 2021년 1월 에너지 절감 효율이 30% 우수한 분해로를 도입했고 2022년경 바이오매스 발전소를 건설해 탈탄소화에 박차를 가할 예정이다.
수소, 암모니아로 고효율 생산한다!
한국에너지기술연구원 정운호 박사 연구팀은 암모니아를 원료로 친환경 에너지인 수소를 시간당 1.8kg 생산하는 기술을 개발했다.
수소의 저장과 운송을 위해서는 기체 상태의 수소를 액체로 바꾸어야 하지만 기존의 액화수소 방식은 저장 밀도가 낮다는 한계가 있어 수소와 질소로 이루어진 암모니아가 수소 캐리어로 주목받고 있다.
암모니아로부터 고순도 수소를 생산하는 공정은 크게 3단계로 구성돼 있다.
암모니아를 고온에서 질소와 수소로 분해한 뒤 상온에서 반응하지 않은 잔류 암모니아를 제거하고 최종적으로 상온 공정에서 수소를 분리해 99.7% 고순도 수소를 생산한다.
연구팀은 자체 설계한 암모니아 분 배기를 이용해 개별 반응기에 암모니아를 균일하게 공급하고 고온의 분해가스를 열 교환시켜 원료 암모니아 예열에 활용함으로써 분해 효율을 높였다.
촉매 입자를 금속 구조체 표면에 직접 형성시켜 기존 코팅법에 비해 얇고 균일하게 촉매 층을 코팅함으로써 고가의 귀금속 촉매 사용량을 10% 수준으로 절감했다.
시간당 수소 생산량은 1.8kg이고 암모니아 분해효율도 90%에 달하는 것으로 알려졌다.
연구팀은 현대자동차의 수소전기자동차 넥쏘 스택에 공급해 50시간 동안 20kW의 전력이 안정적으로 생산되는 것을 확인했고, 앞으로 시간당 수소 90kg을 생산할 수 있는 대용량 암모니아 반응기를 개발할 예정이다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
표, 그래프: <암모니아 분해가스 터빈발전 개념도> <화학저널 2022년 3월 7일> |
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