암모니아(Ammonia)가 그린수소 사업화의 핵심으로 부상하고 있다. 
암모니아는 탄소를 함유하지 않아 연소 시 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않는 무탄소 연료일 뿐만 아니라 비교적 간단한 공정을 통해 수소로 변환할 수 있다는 점에서 가장 경제적인 수소 수송수단(캐리어)으로 평가받고 있다. 
미국 에너지정보국(EIA)에 따르면, 암모니아는 운송 시 1000km 기준 kg당 약 0.7유로의 비용이 들어 약 0.9유로가 필요한 액화수소에 비해 경제적이며 동일 부피에서 1.7배 많은 수소를 저장할 수 있고 화재 및 폭발 가능성이 더 낮은 것으로 파악된다.
최근 세계적으로 에너지 전환 트렌드가 확대되면서 글로벌 암모니아 수요는 2025-2035년 연평균 53% 급증하고, 국내수요 역시 2030년 500만톤 수준에서 2035년 1000만톤 이상으로 폭증할 것으로 전망되고 있다.
글로벌 암모니아 생산은 2025년-2027년 블루암모니아를 중심으로 신규 생산이 이루어진 후 2030년 이후 그린암모니아로 전환되고 2035년에는 글로벌 총 생산량이 1억2000만톤으로 확대될 것으로 예상되고 있다.

롯데케미칼, 수소 투자로 체질 개선
롯데케미칼(대표 신동빈·이영준·황진구)은 수소 중심 투자 가속화로 체질 개선에 나설 방침이다.
롯데케미칼은 2023년 10월 포스코홀딩스, 한국전력, 사우디 국영 아람코(Saudi Aramco)와 청정 암모니아 국내 도입을 위한 사업 참여 의향서(LOI)를 체결했다.
암모니아는 생산 과정에서 수소가 필수적이며 그레이·블루·그린수소의 명칭과 동일하게 생산방법에 따라 그레이·블루·그린암모니아로 분류하고 있다.
청정 암모니아는 암모니아 제조 시 발생하는 이산화탄소를 포집해 생산 과정에서 탄소를 배출하지 않는 블루암모니아, 태양광·풍력 발전 등 재생에너지로 물을 전기 분해해 만든 수소(H)에 질소(N)를 붙여 암모니아(NH3)로 제조하는 그린암모니아가 있다.
세계 최대의 석유·가스기업인 아람코는 사우디 동부 페르시아만(Persian Gulf)에 인접한 라스 알카이르(Ras Al Khair) 지역에서 천연가스 베이스로 이산화탄소 포집·저장(CCS) 기술을 활용해 2030년부터 청정 암모니아 1000만톤을 생산할 계획이다.
롯데케미칼은 포스코홀딩스, 한국전력과 팀코리아(Team Korea)를 꾸려 청정 암모니아를 장기 구매하고 155억달러(약 21조원)에 달하는 지분 투자 및 구매로 아람코의 블루암모니아 사업에 참여하는 것으로 알려졌다.
롯데케미칼과 포스코홀딩스는 사우디산 청정 암모니아를 국내 석탄 발전소 암모니아 혼소 발전, 수소환원 제철, 석유화학 등 다양한 분야에 활용해 2030 국가 온실가스 감축 목표(NDC) 및 2050 탄소중립 달성에 기여할 것으로 기대하고 있다. 
한국전력은 사우디 에너지 전문 개발기업 알조마이 에너지(AEW: Aljomaih Energy & Water)와 해외 수소 사업 공동 개발을 위한 전략적 파트너십을 구축하기로 합의했다.

롯데·포스코, 미국기업과 협력으로 IRA 조준
롯데케미칼과 포스코홀딩스는 미국 인플레이션 감축법(IRA) 수혜를 위해 미국기업과도 협력하고 있다.
미국 정부는 최근 청정수소 생산 보조금 지급을 위한 IRA 세부 기준을 1년여만에 공개했으며 재무부는 미국 안에서 청정수소를 생산할 때 생산 과정에서 발생하는 탄소 배출량에 따라 kg당 0.6달러에서 최대 3달러의 세액공제 혜택을 부여하기로 했다.
롯데케미칼은 2023년 2월 글로벌 암모니아 생산기업인 미국 CF인더스트리스(CF Industries Holdings)와 청정 암모니아 사업 협력을 위한 업무협약(MOU)을 체결하고 루이지애나에서 블루암모니아 130만톤 생산 투자에 협조하기로 했으며 CF인더스트리스의 암모니아 플랜트 운영‧유통 네트워크 역량 및 글로벌 인프라를 활용해 현지에 생산설비를 건설한 후 한국으로 도입할 계획이다.
미국에서 CCS 기술을 통해 생산한 블루암모니아는 국내 전력 발전이나 선박에 공급하는 벙커링에서 활용하는 방안을 검토하고 있다. 
CF인더스트리스는 미국과 캐나다 등지에 대규모 암모니아 생산 플랜트를 보유하고 있고 연간 생산량이 900만톤에 달하며 포스코홀딩스 역시 9월 CF인더스트리스와 미국 블루암모니아 생산 사업 협력을 추진을 위한 공동개발협약(JDA)을 맺고 ATR(Auto-Thermal Reforming)과 CCS 기술을 바탕으로 블루암모니아를 생산해 국내에 도입하기로 했다.
ATR은 천연가스 연소 대신 산소 주입을 통해 자체 발생한 열로 수소를 생산하는 친환경 제조기술이다.
포스코홀딩스는 루이지애나 프로젝트에서 생산한 블루암모니아를 국내로 운송한 후 수소로 전환해 수소환원제철 및 수소혼소발전 등에 사용할 계획이다.
IRA 세부 기준에 따르면, 수소 생산 시점으로부터 3년 안에 신규 건설한 재생에너지 설비를 통해 생산한 그린수소만 3달러의 보조금을 받을 수 있고 2028년부터 친환경 전력 사용을 시간 단위로 입증해야 하는 등 세제 혜택 조건이 까다로우며 롯데케미칼과 포스코홀딩스가 투자하고 있는 블루수소가 사실상 배제돼 IRA 수혜를 위해서는 청정수소보다 CCS 세액공제 기준에 기대를 걸어야 할 것으로 판단된다.
수소 관계자는 “청정수소 생산 보조금 지급을 위한 세부 기준(45V)에 따르면, 블루수소는 가장 낮은 4단계에 해당해 큰 세제 혜택을 기대하기 어렵다”며 “CCS 세액공제 혜택(45Q)은 아직 세부 기준이 나오지 않았고 수소 관련 사업자가 45V와 45Q 중 1가지 보조금 기준만 선택할 수 있어 상황을 더 지켜보아야 한다”고 밝혔다. 
롯데케미칼은 2035년까지 6조원을 투자해 청정수소 180만톤 체제를 갖춤으로써 매출 9조원을 달성하는 것을 목표로 하고 있으며, 프랑스 에어리퀴드(Air Liquide)와 청정 암모니아 활용 국내 공급망 강화 프로젝트를 추진하고 있다.

삼성물산, 오만 초대형 프로젝트 참여
삼성물산(대표 고정석·오세철·정해린)은 오만의 초대형 그린암모니아 생산 프로젝트에 참여한다.
삼성물산 건설 부문은 일본 마루베니(Marubeni), 오만 국영 에너지기업 OQ 등 글로벌기업과 컨소시엄을 구성해 살랄라(Salalah) H2 그린암모니아 프로젝트에 대한 사업권을 확보했다.
삼성물산은 오만 정부가 그린수소 사업 활성화를 위해 설립한 하이드롬(Hydrom)과 사업 개발 및 토지 사용 협약을 체결했으며 경쟁입찰 없이 단독으로 독점 사업권을 부여받아 빠른 사업 추진이 기대되고 있다.
오만은 글로벌 최대 그린수소 허브를 목표로 친환경 에너지 생산에 적합한 중남부 지역 3곳에 그린수소 존을 선정해 사업을 추진하고 있으며 2023년 상반기 1단계로 두쿰(Duqm) 사업 개발기업을 선정한 바 있다.
살랄라 그린암모니아 프로젝트는 오만 남부 항구도시인 살랄라 자유무역지대에서 그린암모니아 100만톤을 생산하는 초대형 프로젝트로 태양광·풍력 등 대규모 신재생에너지 발전단지를 조성하고 OQ가 보유한 암모니아 플랜트를 활용해 그린암모니아를 생산할 계획이다.
삼성물산은 사전조사, 기본설계를 거쳐 2027년 착공해 2030년 생산을 시작할 예정이며 생산한 그린암모니아는 글로벌 시장에 수출해 무탄소 청정에너지 전력 생산에 활용할 방침이다.
이병수 삼성물산 에너지솔루션사업부장은 “글로벌 에너지 분야에서 확고한 위상을 가진 파트너와의 초대형 그린암모니아 프로젝트 참여로 선도기업으로서 입지를 강화할 것”이라고 강조했다.

에쓰오일, 아람코 저탄소 암모니아 도입
에쓰오일(대표 안와르 알 히즈아지)은 저탄소 암모니아 공급망을 강화하고 있다.
에쓰오일은 2023년 10월 아람코와 국내 수소 사업 본격화를 위해 저탄소 암모니아 구매의향서를 체결했으며 2022년 수소 공급망 구축 협력 업무협약(MOU)을 한층 강화한 것으로 평가된다.
에쓰오일은 2022년 아람코와 암모니아·석유화학 신기술(TC2C), 저탄소 미래 에너지 생산 관련 연구개발(R&D) 및 벤처 투자 등 대체 에너지 협력 강화를 위한 4건의 업무협약을 맺었으며 청정 수소인 블루수소와 블루암모니아를 국내에 도입해 저장·공급하고 활용하는 인프라를 건설하기로 했다.
아람코가 저탄소 암모니아 구매의향서에 따라 CCS 기술을 적용한 저탄소 암모니아를 생산하면, 에쓰오일이 국내로 수입해 수소로 전환한 다음 자체 온실가스(GHG) 저감과 연계사업 개발에 활용할 계획이며 앞으로 저탄소 암모니아 국내 인프라를 확립한 후 연계 사업 개발을 강화할 예정이다. 

고려아연, 오스트레일리아 공급망 확보
고려아연(대표 최윤범)은 오스트레일리아에서 수소·암모니아 공급망을 확보했다.
고려아연의 신재생에너지 사업 자회사 아크에너지(Ark Energy)는 2023년 오스트레일리아 퀸즐랜드주 타운즈빌(Townsville)에 그린수소를 생산‧충전하는 그린에너지 허브인 SunHQ(Sun Hydrogen Hub)를 건설했다. 
2024년 1분기 말 시험 생산을 시작으로 연간 155만톤의 그린수소를 생산하고 수소 상용 모빌리티를 통해 디젤 연료를 대체하는 실증 사업을 추진할 예정이다.
고려아연은 한화임팩트, SK가스와 한국-오스트레일리아 수소 컨소시엄을 결성하고 2030년까지 연간 100만톤 이상의 오스트레일리아산 그린암모니아를 한국으로 보내는 공급망 구축을 검토하고 있으며 오스트레일리아산 그린수소·그린암모니아의 장기적인 국내 도입을 위해 퀸즐랜드 재생에너지 구역에 최대 발전용량 4000MW 이상의 콜린스빌(Collinsville) 그린에너지 허브를 조성할 계획이다. 
국내에서는 암모니아 운송 터미널, 암모니아 크래킹 시설, 수소연료전지 및 수소혼소·전소 터빈 발전소 개발에 투자하고 있으며 2050년까지 탄소 중립을 달성하고 그린메탈도 생산할 방침이다.

정부, 암모니아 혼소발전 조기 상용화 추진
정부는 2027년까지 수소·암모니아 혼소발전의 조기 상용화를 추진하고 있다. 
산업통상자원부는 기존 석탄·천연가스(LNG) 발전설비의 좌초자산화 방지를 위해 2023년부터 USC급 미분탄 보일러와 발전용 순환유동층 보일러에 암모니아를 20% 혼소하는 기술개발 및 실증을 추진하고 있다. 
2023년 4월-2027년 12월까지 총 57개월 동안 USC급 보일러 암모니아 혼소발전 기술개발 및 실증 사업을 지원해 1000MW USC 미분탄 화력발전소(신보령화력 2호기 및 당진화력 9호기)와 순환유동층 화력발전소(삼척화력 1호기 및 여수화력 1·2호기)에서 입열량 기준 암모니아 혼소율 20% 이상으로 석탄-암모니아 혼소 기술개발 및 실증을 완료할 계획이다.
1000MW USC 발전소는 가장 최근 준공해 수명이 가장 오래 남아 있어 실증대상으로 지정된 것으로 파악된다. 남동발전은 여수 순환유동층 발전 보일러를 대상으로 지방자치단체·연구기관·산업계와 파일럿 테스트, 인프라 구축, 실증 후 상업운전에 이르기까지 상호협력 협약을 맺고 암모니아 혼소 발전 기술개발에 본격적으로 나설 예정이며 미래 먹거리 창출로 지역사회에도 기여할 방침이다.
한국석유공사는 일본과 암모니아 사업에 협력하기로 했다.
한국석유공사는 2023년 12월 일본 에너지·금속광물자원기구(JOGMEC)와 에너지 안보, CCS, 수소·암모니아 사업 분야에서 상호 교류 및 협력하기로 했으며 한국·일본 정부와 협의 후 사업을 구체화할 계획이다.
일본 국영 에너지기업 JOGMEC은 석유·광물·수소 등 에너지를 총괄하고 자원개발 사업에 대한 재정 및 기술 지원과 국가 자원외교를 보조하고 있다.
김동섭 석유공사 사장은 12월5일 JOGMEC 본사를 방문해 이치로 타카하라 CEO(최고경영자)를 만나 기후 위기와 에너지 안보를 위한 양사 간 협력 방안을 논의했다.

연구진, 암모니아 생산 반응효율 향상
국내 연구진은 황(S)으로 수소 전달체인 암모니아 생산 반응 효율을 향상시켰다. 
용기중 POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 교수 연구팀은 여러 촉매 반응에서 피독현상을 일으키지만 극소량 사용하면 반응 활성을 높일 수 있는 황을 사용해 암모니아 생산 반응 효율을 높이는데 성공했다.
현재 유일한 암모니아 생산방법인 하버보슈(Haber-Bosch)법은 섭씨 400-500도의 고온 및 200-300atm의 고압 조건이 필요해 에너지 소모가 크고 이산화탄소를 연간 약 6억톤을 배출해 환경에 큰 부담을 주는 문제가 있다.
하버보슈법의 대안으로 주목받는 리튬(Li)을 사용한 질소 환원 반응(Li-NRR)은 반응성이 큰 리튬을 전극에 도금해 질소 기체에서 질소의 삼중결합을 끊고 암모니아를 생산할 수 있으며 온실가스를 배출하지 않아 기존 공정보다 친환경적이지만 안정성과 생산 효율이 비교적 낮은 한계가 있다.
연구팀은 황이 포함된 황화디메틸(Dimethyl Sulfide)을 첨가해 황산리튬(Li2SO4)과 황화리튬(Li2S) 분자를 형성했으며 SEI(고체전해질 계면) 형태가 조밀하고 얇은 필름 구조에서 그물 구조로 변형됨에 따라 이온 전도도를 높이고 리튬이 더 균일하게 증착될 수 있도록 했다.
또 황으로 SEI 전해질 분해와 열화현상을 막아 공정의 안정성을 향상시켰으며 황을 첨가한 셀은 20시간 이상 사용한 후에도 기존 전지보다 2배 이상 높은 에너지 효율을 나타냈다.
용기중 POSTECH 화학공학과 교수는 “황을 활용하면 암모니아를 보다 효율적으로 생산해 친환경 수소 기술 선점에 큰 도움이 될 것”이라고 기대했다.
연구는 한국연구재단 선도연구센터사업과 해외우수연구기관 협력 허브 구축사업의 지원으로 진행됐으며 연구 결과는 국제학술지 ACS 에너지레터스에 2023년 10월26일 게재됐다.

하버보슈법 대체할 신규 프로세스 필요
암모니아는 체적당 수소 함유량이 우수하고 기존 인프라를 이용할 수 있으며 발전 코스트 등 우위성이 높아 수소 캐리어로 주목받고 있으나 이산화탄소를 대량 배출하는 점이 문제점으로 지적된다.
기존 주력 프로세스인 하버보슈법은 암모니아를 100만톤 수준으로 대량생산할 때 적합하나 철계 촉매를 사용해 400-500도, 10-30MPa 등 고온고압 환경에서 질소와 수소를 반응시킴으로써 암모니아를 제조하기 때문에 소비 에너지가 크다.
암모니아를 탄소중립에 기여하는 에너지로 사용하기 위해서는 프로세스상에서 에너지를 절감하거나 기존 프로세스에서 발생한 이산화탄소를 포집해 매립하는 방법 등이 적합한 것으로 평가된다.
더불어 2050년 탄소중립을 위해서는 하버보슈법을 대체할 새로운 프로세스 개발, 신재생에너지와의 조합을 통한 프로세스 전체 그린화 등이 시급한 것으로 파악되고 있다.
호소노 히데오 도쿄(Tokyo)공과대학 교수는 저온저압 프로세스 개발을 주도하고 있으며 2017년 도쿄공과대학 벤처기업인 BHB에 기술을 이전했다.
저온저압 프로세스는 호소노 히데오 교수와 JGC, 일본 산업기술종합연구소가 공동으로 개발한 것으로 루테늄 촉매를 사용해 400도, 5MPa로 반응 조건을 설정했다.
후쿠시마현(Fukushima) 고리야마시(Koriyama)의 FREA(Fukushima Renewable Energy Institute)에 실증 플랜트가 설치돼 있으며 2018년 신재생에너지 베이스 수소를 원료로 암모니아를 생산해 발전까지 성공한 것으로 알려졌다.
다만, 루테늄은 연료용 양산 설비에 적합하지 않기 때문에 일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)가 2022년 1월 그린 이노베이션 기금 사업에서 저코스트 암모니아 제조공법 개발 프로젝트 2건을 선정함으로써 해결책을 찾고 있다.
첫번째 암모니아 촉매 개발 및 실증 프로젝트는 치요다(Chiyoda), 도쿄전력(Tokyo Electric), JREA가 공동으로 수주했으며 나고야(Nagoya)대학, 도쿄공과대학, 교토(Kyoto)대학 등 3개 대학 연구팀이 각각 개발을 진행하고 있다.
저가의 금속 촉매를 이용해 300-400도, 5-10MPa 프로세스를 개발하는 것이 목표이며 2030년에는 파일럿 설비에서 실증을 마치고 상업화 가능한 상태에 도달하도록 할 계획이다.

저온저압 프로세스 개발 잇달아…
일본은 지역별로 신재생에너지 잉여량 혹은 부족량이 다르며 평준화를 위해 전해장치를 사용하는 수소‧암모니아 생산이 본격화될 것으로 예상되고 있다.
그린암모니아 전해 합성 프로세스 개발은 이데미츠코산(Idemitsu Kosan)이 간사를 맡고 있고 도쿄대학 등 4개 대학이 참여한 것으로 알려졌다.
니시바야시 요시아키 도쿄대학 교수팀이 개발한 몰리브덴 촉매를 사용하고 신재생에너지 전력으로 상온‧상압 조건에서 물‧질소로부터 암모니아를 생산하는 프로세스를 개발하고 있다.
이와 별도로 IHI, 홋카이도(Hokkaido)대학 등도 NEDO 첨단 연구로 암모니아 전해 합성 프로세스 개발을 추진하고 있다.
INPEX는 니가타현(Niigata) 가시와자키시(Kashiwazaki)의 가스전에서 블루수소‧암모니아 생산 및 이용 일관 실증실험을 추진하고 있다. 니가타현에서 생산되는 천연가스를 원료로 수소 700톤을 생산하고 발전 연료로 사용하며 일부는 암모니아 생산에 투입하는 내용이다.
발생한 이산화탄소는 가스전에 압입하며 프로세스는 공개하지 않았으나 최근 개발된 저온저압 프로세스를 채용한 것으로 추정되고 있다.
현재 개발‧실증이 이루어지고 있는 저온저압 프로세스가 대량생산에 적합한 하버보슈법을 대체 가능할지는 미지수로 평가된다.
하지만, 직접전해법을 포함해 신재생에너지와 잘 맞는 프로세스이기 때문에 CCS를 실행하기 어렵거나 신재생에너지 코스트가 낮은 국가라면 고효율 전해장치를 다수 병렬시킨 그린암모니아 양산 플랜트를 실용화했을 때 효과가 상당할 것으로 파악되고 있다.
아사히카세이(Asahi Kasei)와 JGC가 후쿠시마 수소 에너지 연구 필드(FH2R)에서 실시하고 있는 알칼리 수전해 장치를 이용한 대규모 수소 제조 및 암모니아 등 그린 케미칼 플랜트 실증 프로젝트도 미래 양산기술 확립을 목표로 한 것으로 비슷한 효과가 기대된다.
특히, 앞으로 암모니아의 환경적 가치가 제대로 평가받는다면 고부가 화학제품 원료로도 충분히 활용될 수 있을 것으로 전망되고 있다. (김진희 기자: kjh@chemlocus.com)