화학저널

암모니아(Ammonia)는 기후위기 대응수단으로서의 활용가치가 주목받고 있다. 
암모니아는 대부분 비료의 원재료로 사용되고 일부는 화학제품 생산을 위한 중간원료로 활용되고 있으나, 최근에는 탄소중립을 실현할 수 있는 에너지 자원으로 떠오르고 있다. 
암모니아는 공기에 있는 질소와 따로 추출한 수소를 결합해 생산하고 있으며 결합하는 수소에 따라 그레이·블루·그린 암모니아로 분류된다.
탄소중립과 수소경제 확대 논의가 이어지면서 한국 등 주요 국가들이 수소의 저장·수송 뿐만 아니라 암모니아 자체를 연료로 사용하기 위한 연구개발(R&D)을 활발히 진행하고 있다.
마켓츠앤마켓츠에 따르면, 글로벌 그린 암모니아 시장은 2020년 1100만달러에서 2030년 8억5200만달러로 연평균 54.9% 성장할 것으로 예상된다. X

중국, 러시아 수출 제한으로 “반사이익”
암모니아 수출국은 2021년 기준 러시아가 1위로 수출액이 17억달러에 달했으며 사우디가 16억달러로 2위, 인도네시아가 9억달러로 3위를 차지한 것으로 나타났다.
주요 수입국은 EU(유럽연합)를 제외하면 미국 14억달러, 인디아 13억달러, 한국 7억5000만달러 순이다. 한국은 전량 수입하고 있다.
한전경영연구원에 따르면, 글로벌 암모니아 생산능력은 2020년 2억2000만톤으로 중국 34%, 미국 11%, 러시아 10%를 차지했으며 평균 가동률은 81%를 나타냈다.
중국은 2020년 가동률이 72%에 불과해 여유 생산능력이 2100만톤에 달했고 2022년에는 러시아-우크라이나 전쟁으로 암모니아 수출이 급증한 것으로 추정된다. 
차이신에 따르면, 러시아가 유럽으로 천연가스 공급을 제한하면서 유럽에서 암모니아 생산이 70% 급감했으나 중국은 2022년 5월부터 수출량이 급증하기 시작해 7월 1만1000톤, 8월 1만9000톤, 9월 5만8000톤을 수출한 것으로 알려졌다.
한국무역협회에 따르면, 중국은 무수암모니아 수출액이 2022년 1-9월 8006만달러로 전년동기대비 2866.8% 폭증했고 암모니아수는 74만7000달러로 26.5% 증가했다. 주요 수출국은 인디아, 한국, 남아프리카로 파악된다.
바스프(BASF)는 유럽에서 암모니아 생산을 줄이고 글로벌 시장에서 구매하고 있으며 노르웨이 야라인터내셔널(Yara International) 역시 천연가스 공급부족으로 생산능력을 감축했다.
유럽은 한국, 일본과 수입 경쟁을 펼치며 천연가스 비축량이 평균을 상회하는 것으로 파악되나 대부분 난방용이기 때문에 화학기업들과 비료 생산기업들은 암모니아와 천연가스 부족에 시달리고 있다.
한국은 암모니아를 주로 사우디, 인도네시아, 바레인에서 수입하고 있다. 러시아산은 2020년 2만3351톤, 2021년 5611톤 수입에 그쳤고 전쟁 이후 수입이 끊긴 것으로 나타나고 있다.

한국, 암모니아 전량 수입 의존
국내 암모니아 시장은 비료에서 출발했으나 경쟁력이 떨어지면서 제로 상태로 전락했다.
1960년대 식량 자급화를 최우선 과제로 삼으면서 식량 증산을 위해 비료를 확보할 필요성이 커 남해화학을 중심으로 암모니아 생산에 착수했고 롯데정밀화학까지 참여했으나 현재는 모두 철수하고 생산하지 않고 있다.
나프타(Naphtha)를 분해해 암모니아를 생산함으로써 천연가스 베이스에 비해 생산단가 부담이 높아졌기 때문이다.
남해화학은 암모니아 생산능력이 30만톤에 달했으나 2004년 생산을 중단했고 당시 삼성정밀화학(현 롯데정밀화학)이 2022년 20만톤 생산을 중단하면서 전량 수입으로 전환했다.
롯데정밀화학은 암모니아 생산을 중단했으나 울산에 93만톤 저장탱크, 여수와 인천에도 터미널과 저장탱크를 운영하고 있어 암모니아 수송 및 국내 저장 인프라는 유지하고 있다.
한국무역협회에 따르면, 국내 암모니아 수입량은 2022년 1-10월 111만9407톤으로 전년동기대비 3.2% 감소했다. 사우디산이 50만3654톤으로 203.5% 폭증했고 인도네시아산 48만4681톤, 바레인산 3만3102톤, 말레이지아산 2만9906톤, 오스트레일리아산 2만6239톤으로 집계됐다. 러시아-우크라이나 전쟁, 유럽 감산 등 특수 상황이 작용해 2021년 12월부터 수입이 없었던 카타르산이 1만6277톤, 중국산이 1만5986톤 유입됐다.
암모니아 수입가격은 2021년 1분기부터 꾸준히 상승했으나 천연가스 가격이 비교적 안정화된 3분기부터 하락하고 있다.
3분기 암모니아 수입가격은 톤당 965달러로 전년동기대비 46.2% 급등했으나 2분기에 비해서는 8.0% 하락했다. 10월에는 926달러로 2022년 초에 비해 5.6% 높아 여전히 고가를 형성하고 있으나 정점을 지난 것으로 판단되고 있다.

비료용, 경작면적 축소로 수요 한계 도달
국내는 암모니아 소비량의 55%를 농업용 비료 생산에 투입하고 있으며 나일론(Nylon), 플래스틱 등 화학제품 16%, 반도체용 가스 10% 순으로 나타나고 있다. 
남해화학은 2022년 3분기 암모니아 구매액이 5896억7200만원, 암모니아 매출은 4318억6600만원을 기록했다. 암모니아와 황산을 포함한 화학제품 판매량은 41만7000톤으로 파악된다. 남해화학은 3분기 복합비료 생산량이 60만2000톤으로 국내 시장의 43%를 차지한 것으로 나타났다.
비료용을 제외한 암모니아 중간제품은 TDI(Toluene Diisocyanate), MDI(Methylene di-para-Phenylene Isocyanate)의 중간제품을 생산하는 휴켐스에 납품한 것으로 파악된다.
롯데정밀화학은 3분기 암모니아 관련제품 매출이 7993억원으로 내수 비중이 75%에 달했고 비료 및 카프로락탐(Caprolactam) 생산기업에게 판매한 것으로 나타났다.
남해화학에 따르면, 3분기 비료화학 사업은 원료가격 상승, 내수 입찰가격 상승, 러시아·중국의 비료 수출 감소에 따른 수출가격 상승으로 매출이 증가했고 영업이익률은 6.8%를 기록했다.
그러나 비료용 수요는 경작면적 감소에 따라 한계에 도달할 것으로 나타났다.
국내 논·밭 경작지는 2021년 154만7000헥타르로 2011년에 비해 8.9% 감소했다. 밭 면적은 소폭 증가했으나 논 면적이 18.8% 줄었기 때문이다. 국내 논 면적은 2012년 96만6000헥타르를 기록한 이후 꾸준히 감소하는 추세이며 2021년 78만헥타르로 80만헥타르가 무너졌다.
한국농어촌공사에 따르면, 한국은 전체 농가 가운데 쌀농가 비중이 가장 크지만, 벼 재배면적은 꾸준히 감소하고 있으며 2020년에는 72만6000헥타르로 최저치로 떨어졌다.
국내 화학 및 에너지기업들은 암모니아를 발전연료로 활용할 계획이며 탄소중립 달성을 위한 수소경제 전환을 위해 암모니아를 활용하는 방안을 고심하고 있다.

발전연료, 혼소 기술에 안전한 공급망 확보 필요
정부는 2021년 발표한 2050 탄소중립 시나리오, 탄소중립기본법에서 온실가스 감축을 위한 방안으로 암모니아-석탄 혼소 발전을 제시했다.
정부는 암모니아 발전, 수소 터빈 등 상용 가능한 무탄소 가스터빈을 통해 전력 166.5-270.0TWh를 공급하는 계획안을 제시했고, 암모니아 발전량 목표는 22TWh로 전체 발전량의 3.6%로 비중을 높일 계획이다.
암모니아 발전에는 산업통상자원부를 비롯해 한국전력, 한국남부발전, 두산에너빌리 등 민간기업들이 참여하는 것으로 알려졌다. 
22TWh를 충족하기 위해서는 석탄발전기 21GW에 암모니아를 20% 혼소해야 하기 때문에 석탄발전 1GW당 50만톤의 암모니아가 필요한 것으로 파악된다. 2020년 국내 암모니아 총 수요 122만톤의 약 9배에 달한다.
혼소를 추진하는 이유는 암모니아를 연료로 직접 사용하기에는 반응성이 낮고 질소산화물이 대량 부생하기 때문이다.
국제에너지기구(IEA) 역시 넷제로2050 시나리오에서 석탄화력발전소의 탈탄소화 수단으로 CCUS(이산화탄소 포집·활용·저장) 설비 도입 외에 암모니아를 무탄소 연료로 혼소 또는 연료로 전환하는 방안을 제시하고 있으며 LNG(액화천연가스) 복합 발전에도 적용이 가능한 것으로 파악된다.
국내에서는 에너지기술연구원이 2022년 7월 100kWh급 순환유동층 연소 시스템에서 암모니아를 연료로 활용하는 기술을 개발한 바 있으며 기존 설비 변경을 최소화하면서 이산화탄소(CO2)와 질소산화물을 동시에 저감하는 암모니아 혼소 운전기술 특허를 확보했다.
한전경영연구원에 따르면, 암모니아는 시장여건 상 당분간 그레이 암모니아 활용이 불가피하며 중장기적 관점에서 안정적인 공급망 확보가 필요한 상태이다.
한전경영연구원 관계자는 “단기적으로는 중국, 중동·아시아, 유럽 등 공급선을 분산시켜야 하며 지정학적 리스크가 적고 신재생발전 여건이 비교적 나은 오스트레일리아 등을 대상으로 그린 암모니아 공동개발, 생산설비 건설 참여, 그린 암모니아 장기 공급계약 등을 추진함으로써 안정적인 그린 암모니아 수급을 도모해야 한다”고 주장했다. 
블룸버그에 따르면, 천연가스 복합발전 대비 그린 수소 적용 수소터빈 발전이 가격 경쟁력을 확보하기 위해서는 2030년 이산화탄소 톤당 50-90달러의 탄소 가격제가 필요하며 암모니아 형태로 수소를 수입하는 국가는 발전용 연료로 그린 암모니아의 직접 활용이 수소 분해 활용보다 더 경제적인 것으로 분석하고 있다.

화학·정유기업, 암모니아·수소 활용 구상단계
화학기업들은 수소 운반체로서 암모니아를 주목하고 있으나 중장기적 로드맵 제시에 그치는 등 현재는 사업 구상단계에 머물러 있다.
롯데·LG·한화그룹은 해외에서 그린 수소나 그린 암모니아를 생산 및 조달한 후 계열사별로 유통 및 분해를 통해 청정수소를 공급할 방침이다. 
롯데케미칼은 2030년까지 4조4000억원을 투자해 해외발전 및 에너지기업들과 협업해 해외에서 그린 수소 44만톤을 직접 생산해 암모니아로 변환한 후 암모니아 연료추진 선박으로 국내에 수입할 계획이며 롯데정밀화학이 그린 암모니아 유통을 담당할 방침이다.
롯데케미칼은 SK가스와 협업해 수입한 암모니아로부터 수소를 추출해 충전소에 공급하고, 2024년 연료전지 발전, 2025년 수소터빈 발전 사업을 추진할 계획이다.
롯데정밀화학은 2022년 1월 아람코(Saudi Aramco)와 블루 수소·암모니아 사업 협약을 체결했고 10월 사빅(Sabic), 마덴(Ma'aden)이 세계 최초로 생산한 블루 암모니아 도입 계약을 진행했다.
한화글로벌 역시 해외에서 생산한 암모니아를 조달해 분해하고 국내에 청정수소를 공급하며 한화임팩트가 수소터빈에 암모니아 개질 수소를 활용할 예정이다.
LG화학은 남해화학, 두산에너빌리티, 삼성물산과 해외에서 생산한 청정수소가 상용화되면 여수 소재 NCC(Naphtha Cracking Center)의 연료로 활용할 방침이다.
LG화학은 암모니아를 수소로 변환할 때 필요한 촉매 개발 등 청정수소 도입 및 활용 전 과정 실증을 담당하고 남해화학은 암모니아 운송과 변환, 활용을 위한 암모니아 저장탱크 등 공급 인프라를 확보한다.
정유기업들은 중동·아시아에서 사업 지분을 확보하거나 협업을 통해 암모니아를 바탕으로 수소를 조달할 방침이다. 
GS에너지는 아부다비 국영 석유기업 ADNOC의 블루 암모니아 개발 사업 지분 10%를 확보했으며 아랍에미리트(UAE)에 블루 암모니아 공장을 건설해 국내에 암모니아를 공급하고 GS그룹 계열 발전소에서 암모니아를 직접 사용하거나 확보한 수소를 수소자동차 연료로 활용할 계획이다.
에쓰오일은 아람코와 손잡고 국내에 암모니아를 저장·공급하고 인프라 구축에 나서며 정제시설 연료를 수소 연료로 전환해 중질유 분해 및 탈황 공정에 수소를 투입할 계획이다. 현대오일뱅크 역시 아람코에서 블루 암모니아를 공급받아 LNG 보일러의 연료로 활용할 방침이다.
SK에코플랜트, 에어리퀴드코리아, 포스코 등도 국내외 관련기업들과 수소 사업 협약을 체결하고 수소·암모니아 활용을 추진하고 있다.

수소 캐리어, 관건은 분해 기술
암모니아는 액화 수소보다 동일 부피에서 수소 저장 밀도가 1.7배 높고 이미 확립된 국제 공급망 활용이 가능해 장거리 수소 저장·운송에 적합한 저장체로 주목받고 있다.
정부는 2022년 11월9일 수소기술 미래전략을 발표하면서 2030년 해외 수소 수입을 위한 차세대 저장·운송 기술개발을 목표로 제시했다.
수소 회수가 관건으로, 수소와 질소를 이용한 암모니아 변환은 간단하게 이루어지지만 이후 분해해 고순도 수소를 얻는 크래킹 과정이 기술개발 과제로 남아있다.
정부 발표에 따르면, 크래킹에 필요한 촉매와 흡착제, 분해 플랜트 기술 확보가 필요한 것으로 파악된다. 
정부는 기술 확보를 바탕으로 2027년 암모니아 하루 40톤 분해 플랜트를 상용화할 계획이다.
현재는 암모니아 기반 청정수소를 시간당 1000뉴턴입방미터 생산할 수 있는 파일럿 플랜트 건설을 2021- 2025년 프로젝트로 진행하고 있다.

CFAA, 청정 암모니아 중간 정의안 설정
일본 청정연료암모니아협회(CFAA)가 저탄소 연료인 청정 암모니아 정의안을 설정해 주목된다.
청정 암모니아 도입을 본격화하기 위해 청정성 여부를 판가름하는 이산화탄소 배출치 등을 단계적으로 설정하고 제조단계에서 이산화탄소 배출량을 천연가스 SMR(수증기 개질)과 비교해 60% 이상 감축한 암모니아를 청정 암모니아로 정의할 방침이다.
CFAA는 도입 초기에 한해 기존 암모니아 SMR 플랜트를 최대한 활용할 수 있도록 조치했으나 앞으로 경제산업성, 금융기관 관계자들과 협의하며 최종안을 정리할 방침이다.
정부의 대규모 서플라이체인 구축을 위한 지원조치 대상 기준으로 활용하는 방안도 검토하고 있다.
청정 암모니아 정의안은 기존의 연료 암모니아 도입 관민협의회의 중간 보고서에 포함된 방향성을 바탕으로 설정했다.
중간 보고서는 연료 암모니아 도입 및 확대를 위한 환경 고려 관점에서 당분간 제조 프로세스상 이산화탄소 처리가 없어도 연료 암모니아 도입‧보급을 도모해야 하고 일정수준을 도입‧보급한 다음에는 생산 시 배출되는 이산화탄소를 이산화탄소-EOR(원유증진회수), 이산화탄소 포집‧저장(CCS), VER(Verified Emission Reduction)을 활용한 오프셋 방법을 통해 합리적인 형태로 이산화탄소를 처리해야 한다고 명기하고 있다.
새로 설정한 정의안은 이산화탄소 배출량 경계로 활용하는 수치를 천연가스 SMR 프로세스를 베이스로 했을 때 배출량을 기준으로 삼고 60% 이상 감축해야 한다고 정했다. 
만약 암모니아 1톤 생산을 기준으로 한다면 이산화탄소 배출량 상한치는 0.84톤이 될 것으로 예상된다. 다만, 잠정치이며 변경될 가능성이 있다.
CFAA는 1단계에서 청정에 해당하는 경계치를 미국‧유럽보다도 완만하게 잡은 이유로 연료 암모니아가 도입되지 않은 현재 단계에서는 기존 암모니아 SMR 플랜트를 최대한 활용하는 것이 유효하기 때문이라고 설명하고 있다.
기존 SMR 플랜트는 수소 정제 시 발생하는 고농도 이산화탄소는 포집하기 쉽지만 수증기 개질 시 천연가스 연소로 발생하는 저농도 이산화탄소는 회수가 어렵다.
수소 정제 시 발생하는 이산화탄소는 전체 제조 프로세스의 65% 정도이며 유럽‧미국과 같이 70% 이상을 감축 경계치로 설정하면 기존 SMR 플랜트와 CCS를 조합해 제조한 암모니아는 청정 암모니아로 정의할 수 없게 된다.
또 유럽‧미국의 경계치는 최신기술을 사용한 최신 플랜트에서 이산화탄소 배출량을 설정해 기준치로 삼은 것으로 기존 플랜트는 고려하지 않았다는 차이가 있다.

개량형 SMR·ATR 이전에는 Well to Gate로 설정
CFAA는 연료 암모니아 도입‧보급단계에 들어서면 이산화탄소 포집량이 많은 개량형 SMR이나 ATR(자기열개질법) 플랜트 등 신규 플랜트가 완성되고 다음 단계로 이산화탄소 감축률을 높이는 등 청정 암모니아의 정의를 더욱 철저하게 지킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
중간 정의안은 이산화탄소 감축을 산정하는 범위를 우선 제조 프로세스만으로 설정하는 Gate to Gate로 정하고 있다.
현재는 미국, 오스트레일리아, 중동 등 도입처들의 이산화탄소 배출량 실태를 알 수 없기 때문에 유럽‧미국의 산정 범위까지 포함한 Well to Gate로 설정하는 것이 주류가 되고 있다.
실제로 유럽연합(EU)의 저탄소 수소 인증 스킴에서도 Well to Gate를 채용한 것으로 알려졌다.
CFAA는 앞으로 주요 도입처의 데이터를 수집할 수 있게 된다면 Well to Gate 확장을 검토할 계획이다.
이산화탄소 감축을 위해서는 CCS 외에 유럽에서는 화석연료 감축 움직임에 반하는 대상으로 취급하지 않는 EOR까지 포함했다.
다만, CCS와 마찬가지로 동등한 저장 효과가 인정된 사례만 제한적으로 인정하기로 했고 식림 등 VER 활용을 대상으로 삼을지는 정하지 않았다.
일본은 정부 차원의 청정에너지 전략을 최종적으로 설정하기 위해 종합자원에너지조사회 수소정책 소위원회와 암모니아 등 탈탄소 연료 정책 소위원회 합동회의에서 수소, 연료 암모니아 대규모 서플라이체인 구축을 위한 지원책을 검토하고 있다.
지원 대상을 선정하기 위해 어떠한 형태로든 이산화탄소 배출량 경계치를 설정하기 위한 검토를 진행하고 있으며 CFAA가 설정한 정의안이 검토 토대가 될 가능성이 있는 것으로 알려졌다.

치요다, 신규 촉매 개발‧실증으로 코스트 감축
치요다(Chiyoda)는 암모니아 연료 실용화에 박차를 가하고 있다.
치요다는 최근 저코스트 암모니아 제조기술 국산화를 목적으로 한 일본 신에너지‧산업기술종합기구(NEDO)의 신규 암모니아 촉매 개발‧실증 사업에 참여하고 있다.
2020년대에 석탄화력 혼소발전에 암모니아 연료 도입이 본격화될 것이라는 전망 아래 밸류체인 구축을 위한 해외 대형 암모니아 플랜트나 일본 도입기지 수주를 적극 추진하고 있으며 암모니아 혼소발전에 최적화된 이산화탄소 포집기술 개발도 적극화하고 있다.
일본 정부는 탈탄소 연료로 기대를 모으고 있는 암모니아 연료에 대해 2030년까지 300만톤, 2050년까지 3000만톤에 달하는 수요가 발생할 것으로 예상하고 거래가격을 현재의 노멀입방미터당 20엔대 후반에서 2030년 10엔대 후반으로 낮출 방침이다.
NEDO의 신규 암모니아 촉매 개발‧실증 사업 프로젝트도 2050년까지 제조 코스트 감축을 가능케 하는 기술 확립을 목표로 하고 있다.
치요다가 간사를 맡아 JERA 등과 공동으로 추진하며 재위탁처로 선정된 나고야(Nagoya)대학, 도쿄(Tokyo)공과대학, 교토(Kyoto)대학 등을 중심으로 3개 팀이 경쟁하면서 최적화된 촉매를 개발할 계획이다.
치요다는 나고야대학과 함께 촉매 개발에 도전하며 개발된 최적화된 촉매를 사용하는 프로세스 개발까지 진행하기로 했다.
현재의 하버-보슈법보다 저온‧저압인 섭씨 300-400도에 5-10MPa 레벨을 충족시키고 치요다 단독으로는 2030년 사업 종료 후 파일럿 플랜트에서 실증실험을 추진하고 상업화도 검토한다.

석탄화력 혼소발전용 이산화탄소 포집기술 개발
치요다는 2020년대 수요 증가에 대비한 제조 플랜트 대형화, 도입기지 개발도 진행하고 있다.
비료용 암모니아 플랜트는 생산능력이 일반적으로 하루 300톤 수준이나 LNG 플랜트에서 실적을 거둔 모듈공법을 사용함으로써 건설 코스트를 낮추고 생산능력을 2배 확대하는 것을 목표로 하고 있다.
동시에 CCS와 프로세스 내 에너지 절감을 통해 제조 시 저탄소‧탈탄소화를 추진할 예정이며 중동, 북미, 오스트레일리아 등 산업가스 생산국과의 협력 가능성을 모색하고 있다.
도입기지 개발을 위해서는 LNG 분야에서 일본 시장점유율 50% 이상을 확보했다는 점을 활용해 상사, 전력 기업 등과 협력하고 있다.
이산화탄소 포집기술은 석탄화력 혼소발전 도입에 필요할 것으로 판단하고 있다.
현재 실용화된 포집기술은 석탄화력발전소의 배출가스(이산화탄소 농도 10% 이상)에 대응하는 수준이나 중장기적으로 암모니아 혼소 비율이 높아지면 배기가스 중 이산화탄소 농도가 낮아지는 점에 주목하고 있다.
이산화탄소 농도 3-4% 수준에 적합한 포집기술을 개발하고 2030년까지 실용화하며 LNG 플랜트에도 적용해 액화 프로세스의 청정화를 도모한다. (홍인택 기자: hit@chemlocus.com, 강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)