암모니아(Ammonia)는 세계적인 탄소중립 트렌드를 타고 패러다임 전환이 진행되고 있다.
청정 암모니아는 연소해도 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않으며 수소보다 수송, 저장이 용이해 석탄화력 발전소의 전력원을 탈탄소화하는 새로운 연료로 주목받고 있다.
일본은 산업단지 단위로 암모니아 연료를 도입하고 있으며 NCC(Naphtha Cracking Center) 열원으로 이용하기 위한 기술 개발을 본격화하고 있다.

청정 암모니아, 2050년 73조원대로 성장
암모니아는 수소와 질소로 구성되며 2019년 글로벌 수요가 약 2억톤에 달했다.
80%는 비료, 20%는 카프로락탐(Caprolactam), AN(Acrylonitrile) 등 석유화학제품 원료 등으로 투입되며 앞으로도 인구 증가와 함께 연평균 1%대 성장을 유지할 것으로 예상되고 있다.
일본은 2019년 암모니아 소비량이 약 108만톤이었으며 80%는 레조낙(Resonac: 당시 Showa Denko), 닛산케미칼(Nissan Chemical), 미쓰이케미칼(Mitsui Chemicals), 우베(UBE) 등 주요 4사 생산제품이고, 나머지는 인도네시아·말레이지아산을 수입한 것으로 파악된다.
탄소중립 트렌드는 암모니아 수급에 큰 변화를 일으키고 있다.
특히, 화석 자원을 원료로 생산하는 암모니아 중 제조과정에서 발생한 이산화탄소를 포집‧이용한 블루 암모니아와 신재생에너지 베이스 수소로 제조한 그린 암모니아는 석탄화력발전 연료 혼소용 및 수소 캐리어 등으로 주목받고 있다.
IHS Markit은 2045년경 청정 암모니아 공급이 그레이 암모니아를 상회할 것으로 전망했으며, 일본 경제산업성은 글로벌 시장이 2030년 7500억엔에서 2050년 7조3000억엔으로 급성장할 것으로 기대하고 있다.

정유‧석유화학 인프라를 수입기지로 전환
일본은 청정 암모니아를 탄소중립 달성의 기폭제로 사용하기 위한 수입기지 건설을 적극화하고 있다.
야마구치현(Yamaguchi) 슈난시(Shunan)는 2022년 1월 슈난 산업단지 탈탄소 추진 협의회를 설립했으며 이데미츠코산(Idemitsu Kosan)의 오우라(Oura) 사업장의 LPG(액화석유가스) 탱크를 개조해 수입 암모니아를 도입할 예정이다.
해저 원유 배관에 파이프라인을 통과시켜 인근 도쿠야마(Tokuyama), 제온(Zeon)에게 공급하고 오우라 사업장과 거리가 있는 도소(Tosoh)에는 내항선으로 수송하기로 했다.
2030년까지 총 100만톤을 도입할 수 있도록 정비하고 NCC와 석탄 보일러 등에서 이용하는 체제를 확립할 방침이다.
컨소시엄 구성기업인 도소 역시 기존 설비와 인프라를 활용할 수 있는 암모니아 투자를 본격화하고 있다.
도소는 난요(Nanyo) 사업장의 석탄화력 발전소에 400억엔을 투자해 이르면 2026년경 보일러 1기를 유동층 바이오매스 전소로로 전환할 계획이다.
다만, 모든 설비를 갱신하기에는 투자액이 크기 때문에 나머지 미분탄 보일러 5기는 2030년까지 바이오매스 혼소 비중을 30% 수준으로 높이고 2030년 이후 암모니아 투입을 통해 석탄 비중을 낮출 예정이다.
앞으로 바이오매스 쟁탈전이 본격화될 것으로 예상되는 가운데 연료 BCP(사업계속계획) 면에서 유효한 수단이 될 것으로 기대하고 있으며 도입 탱크 건설을 검토하고 있다.
스미토모케미칼(Sumitomo Chemical)은 에히메현(Ehime) 니하마시(Niihama)에서 청정 암모니아 도입을 준비하고 있다.
이미 탄소중립 실현을 위해 니하마에 LNG(액화천연가스) 기지를 건설하고 있으며 중장기적으로는 청정 연료로 급부상하고 있는 암모니아나 수소를 이용하는 방안을 적극 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
니하마항은 일본 정부의 탄소중립 항만 구상에 선정됐으며 니하마시 차원의 수소, 암모니아 도입을 본격화하고 있다.
2021년 말에는 노르웨이 야라인터내셔널(Yara International)과 청정 암모니아를 원료로 이용하거나 공장 열원으로 활용할 수 있을지 검토하는 작업에 착수한 바 있다.
또한 그린암모니아는 원료로, 블루암모니아는 연료로 구분해 사용하는 방안을 검토하고 있다.
이산화탄소를 땅 속에 매장하는 이산화탄소 포집·저장(CCS)을 둘러싼 시장 평가가 아직 정해지지 않았으나 공업제품 원료를 그린 암모니아로 전환함으로써 탄소발자국을 줄이고 대규모 수송이 불가피한 연료용은 그린 암모니아보다 이른 시기에 보급될 것으로 예상되는 블루 암모니아를 사용하기 위한 것으로 파악된다.
에히메현은 일본 최대급인 1만5000톤 저장탱크 2기를 갖추고 있으며 스미토모케미칼은 연간 수소‧암모니아 취급량이 10만톤 이상이기 때문에 세토(Seto) 내해의 허브 기능을 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
그룹사 스미토모공동전력(Sumitomo Joint Electric Power)의 연료로 이용하거나 인근 사업장 등에 공급하는 방안이 유력시되고 있다.

그레이 암모니아, 생산능력 감축 본격화
우베는 암모니아 생산능력이 38만톤으로 일본 최대이나 2030년까지 생산을 중단하기로 결정했다.
우베는 1933년 우베질소(Ube Nitrogen) 시절 석탄 가스화를 통해 암모니아 사업을 시작했고 현재 오일 코크스를 원료로 생산해 카프로락탐, DMC(Dimethyl Carbonate) 등의 기초 원료로 사용하고 있다.
다만, 최근 설비 노후화로 가동중단이 빈번했고 탄소중립 트렌드가 확대됨에 따라 사업 중단을 검토한 것으로 알려졌다. 암모니아 38만톤 가동을 중단하면 이산화탄소 배출량이 160만톤 줄어 2021년 대비 37% 감축 효과를 얻게 된다.
기존 화석연료로 제조하는 그레이 암모니아는 100여년 전에 개발된 하버보슈법(Haber-Bosch)을 사용하며 주로 화석 베이스 수소와 질소를 섭씨 400-600도, 100MPa 등 고온고압 조건에서 합성해야 해 세계 에너지 소비량의 3%, 이산화탄소 배출량 중에서는 1% 이상을 차지하고 있다.
우베는 암모니아 사업을 중단한 후 중장기적으로 이산화탄소를 포집하거나 신재생에너지 베이스 청정 암모니아를 도입해 외부조달로 변경하는 방안을 검토하고 있다.
다만, 이미 생산능력 절반 수준인 20만톤을 상업 판매하고 있기 때문에 앞으로 암모니아 유도제품 수요가 어느 정도 남게 될지를 주목하고 있다.
우베의 암모니아 사업 중단을 계기로 미쓰이케미칼 등 나머지 생산기업들도 그레이 암모니아 사업의 방향성을 고민하고 있다.
미쓰이케미칼은 오사카(Osaka) 공장에서 암모니아 31만톤을 공급하고 있다.
생산량 중 절반은 요소 35만톤을 거쳐 멜라민과 질소산화물(NOx) 환원 첨가제 애드블루 등으로 유도 생산하고 있으나 나머지는 발전 탈초용 등으로 상업 판매하고 있다.
연료용으로 청정 암모니아 대규모 수입을 계획하고 있으며 1기 5000톤 수준의 탱크 증설을 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
미쓰이케미칼은 요소 등 수요 일부가 꾸준히 유지될 것으로 판단하고 있으나 기존제품을 블루화하고 EC(Ethylene Carbonate) 등 이산화탄소를 원료로 생산하는 유도제품 수요 확대에 맞추어 이산화탄소 포집‧이용‧저장(CCUS) 사업을 적극화할 예정이다.

무역상사, 연료용 서플라이체인 구축 주도
종합상사들도 암모니아 연료 서플라이체인 구축에 나서고 있다.
먼저 제조공정에서 발생하는 이산화탄소를 상쇄한 블루 암모니아는 화력 발전소의 석탄 혼소, 선박용 연료 등으로 보급하며 수요가 2030년 300만톤, 2050년 3000만톤으로 증가할 것으로 예상하고 있다.
암모니아는 소비지 인근에서 생산되는 것이 일반적이며 매년 글로벌 수요의 90% 수준인 2억톤이 비료용으로 가공되고 가공하지 않은 암모니아 자체 취급량은 전체 수요의 10% 미만이다.
블루 암모니아를 생산하기 위해서는 △경쟁력 있는 풍부한 원료 가스 및 신재생에너지 자원 △대규모 CCS △대규모 수출항 등을 갖추어야 한다.
일본 경제산업성은 만약 전체 전력 메이저들이 모든 석탄화력 발전소를 20% 혼소로 전환한다면 2000만톤 가량의 수요가 창출되기 때문에 제조‧수송‧저장으로 이어지는 대규모 서플라이체인 구축이 필요할 것으로 판단하고 있다.
미츠비시(Mitsubishi)상사는 아시아 LNG 시장점유율이 최고수준이며 지분 보유 기준으로 1200만톤을 자랑하고 있다.
암모니아 연료는 전세계 수요지에 공급하고 있으며 블루 암모니아 생산‧수송부터 발전용 공급으로 이어지는 서플라이체인 구축을 본격화하고 있다.
원래 화학제품 원료로 취급했으나 2019년 암모니아 연료 및 수소 도입 프로젝트 팀을 설치했고 2021년 봄 조직개편 과정에서 차세대 발전 연료 사업부를 설치하며 암모니아 연료 및 수소 도입 프로젝트 팀도 이관시켜 사업화 단계에 착수했다.
인도네시아에서는 출자한 암모니아 공장에서 제조공정 중 발생한 이산화탄소를 포집한 후 지중에 매립하는 CCS를 도입해 최대 70만톤의 블루 암모니아를 생산하는 방안을 검토하고 있다.
또 캐나다 서부 앨버타(Alberta)에서는 쉘(Shell) 자회사와 인근 가스전에서 산출된 천연가스를 원료로 블루 암모니아 100만톤을 생산하고 일본 발전 사업자에게 수출할 예정이다.

미국‧AUS‧UAE 투자 본격화
미츠비시상사는 최근 인플레이션 감축법(IRA)을 통해 CCS 투자를 지원하고 있는 미국을 핵심 사업장으로 주목하고 있다.
미국 텍사스에 세계 최대수준인 1000만톤급 공장을 건설하는 방안을 검토하고 있으며 2022년 9월에는 미국 최대 에너지 수출항인 코퍼스크리스티(Corpus Christi) 항만당국과 용지 사용에 관한 양해각서를 체결했다.
앞으로 수년 동안 사업 타당성을 조사하고 일본을 포함해 아시아를 주요 수출 대상으로 설정한 후 사업계획을 구체화할 예정이다.
멕시코만에서는 독립계 석유 개발기업 덴버리(Denbury)의 자회사와 이산화탄소 수송 및 저장과 관련된 주요 조건을 합의했으며 생산설비에서 배출된 이산화탄소를 연간 최대 180만톤 인도하고 100만톤의 블루 암모니아를 생산할 방침이다.
미쓰이(Mitsui)물산은 1974년부터 암모니아를 생산해 아시아 시장점유율이 20%로 60만톤을 취급하고 있으며 2002년 일본에서 화학제품 원료용으로 수입을 시작했고 최근 유럽 가스 가격 폭등과 수급타이트에 대응해 유럽‧미국으로 마케팅 영역을 확대하고 있다.
일본 연료용 암모니아 수요가 2027년 JERA의 헤키난(Hekinan) 석탄 혼소 이후 급증할 것으로 예상하고 아부다비와 미국 프로젝트에서 속도를 내고 있으며, 유럽과 아시아에서 화학제품용으로 공급하고 일본 공급체제를 안정화하는 것을 목표로 하고 있다.
미쓰이물산은 천연가스 업스트림과 LNG, 암모니아 사업에서 축적한 경험 및 파트너십을 활용해 그린 암모니아 서플라이체인을 구축하고 있다.
아랍에미레이트(UAE)에서는 1970년대부터 아부다비(Abu Dhabi) 국영 석유기업 ADNOC과 LNG 사업을 개발‧운영한 노하우를 살려 이르면 2025년 100만톤의 블루 암모니아 생산에 나설 예정이다.
세계 최대 메이저인 CF 인터스트리(CF Industries)와는 멕시코만에서 2027년 생산을 시작하며 역시 기존 트레이딩 사업을 계기로 협업하는 것으로 알려졌다.
오스트레일리아 웨스턴오스트레일리아주(Western Australia)에서는 권리를 보유한 가스 및 폐가스전 등의 자원을 활용해 공급체제를 정비하고 있다.

20% 혼소 전환 시 수요 1300만톤 창출
일본은 세계 최초로 암모니아 연료를 이용해 석탄화력 혼소에 도전하고 있다.
일본은 세계적으로도 상당히 이른 시기에 암모니아 시장 형성에 나서 자국기업들이 유리한 포지션을 점하도록 했다.
해외에서 암모니아를 생산한 후 일본에서 수입해 이용하는 서플라이체인 구축 프로젝트는 이미 다수 진행되고 있으며 전력기업, 정유기업, 상사 등이 주도하고 있다.
JERA는 아이치현(Aichi) 헤키난 화력 발전소 4호기에서 2024년부터 20% 혼소 실증을 진행할 예정이었으나 1년 앞당겨 2023년 시작했으며 2027년에는 상업가동이 가능하도록 할 계획이다.
다른 전력 메이저들도 석탄 혼소 연료로 암모니아 연료를 채용하고 있어 일본 정부가 예상한 2030년 수요 300만톤 창출 가능성이 높아지고 있다.
먼저 발전용 혹은 암모니아 연료선 용도에서 서플라이체인이 확립되고 코스트가 낮아진다면 석유화학 단지의 원료‧연료용 수요가 증가하고 수소 캐리어로서의 우위성 평가에도 속도가 붙을 것으로 기대되고 있다.
플랜트 전문기업들은 암모니아 생산과 수송‧저장, 이용 단계에 맞추어 기술 지원을 실시하고 있으며 추후 아시아 시장이 확대된다면 사업 기회가 더욱 확대될 것으로 기대하고 있다.
일본은 초초임계압 석탄화력 발전소 기준으로 발전용량이 총 2만7000kW에 달하기 때문에 전량 20% 혼소로 전환하면 1300만톤 이상의 암모니아 연료 수요가 발생할 것으로 전망되고 있다.

석탄화력 발전소 수명 연장 “한계”
암모니아 혼소는 석탄화력 발전소 수명을 연장한다는 점에서 비판을 받고 있다.
그러나 고효율 발전소라도 신규 건설하면 이산화탄소가 대량 발생하기 때문에 암모니아 혼소 등으로 기존 프로세스를 저탄소화하는 편이 더욱 합리적이라는 반론도 제기되고 있다.
유럽은 암모니아 연료가 환경에 미칠 영향을 부정적으로 평가했으나 최근 독일이 암모니아 혼소 도입에 관심을 나타내는 등 변화하고 있다.
일본은 IGI와 미츠비시중공업(Mitsubishi Heavy Industries) 등이 석탄화력 발전 보일러를 일본과 아시아 각국에 납품하고 있다.
IHI는 JERA 헤키난 실증에 참여하고 있으며 해외에서는 말레이지아·인도네시아·인디아 현지기업과 석탄화력 혼소 관련 조사를 진행하고 있는 것으로 알려졌다.
미츠비시중공업은 일본에서 석탄화력 혼소 전환을 지원하는 한편, 해외에서는 인도네시아와 칠레에서 실증 사업에 참여하고 있다.
LNG는 이산화탄소 배출이 적어 좋은 평가를 받고 있으나 탄소중립을 위해 수소‧암모니아 혼소 혹은 전소로 전환이 요구되고 있다.
암모니아 가스 터빈은 미츠비시중공업이 대형 고효율 터빈부터 중형까지, IHI는 코제너레이션용 중소형 개발에 주력하고 있다.
미츠비시중공업의 대형 고효율 가스 터빈은 암모니아를 수소로 분해해 연료로 사용하는 방식이며 현재 실증 플랜트에서 분해 촉매 성능을 확인하고 있고 기술 확립 후 수소 캐리어로 활용할 예정이다.
중소형 가스 터빈은 미츠비시중공업과 IHI 모두 암모니아 가스화 혹은 암모니아를 액체 상태로 직접 연소하는 방식으로 개발하고 있으며 역화 방지나 질소산화물 감축에 도움이 될 것으로 예상된다.

일본, 대규모 서플라이체인 구축 지원 가속화
일본 정부는 2021년 공개한 제6차 에너지 기본계획에서 암모니아와 수소를 2050년 탄소중립에 필수적인 에너지원으로 설정하고 2030년 국가 전체 전력 구성에서 암모니아와 수소가 차지하는 비중을 1%로 확대하겠다는 목표를 공개했다.
정부 목표를 실현하기 위해서는 암모니아·수소를 대량 조달하고 수요기업에게 수송할 수 있는 대규모 서플라이체인 구축이 필요하나 암모니아·수소 모두 새로운 에너지이기 때문에 투자 비용이 막대하고 민간기업의 노력만으로는 실현이 어렵다는 한계가 있다.
경제산업성은 2022년 3월 자문기관인 종합자원에너지조사회에 수소 정책 소위원회 및 암모니아 포함 탈탄소 연료 정책 소위원회로 구성되는 합동 회의를 설치했고 암모니아·수소 공급 확대를 위해 민간기업, 특히 선행적으로 서플라이체인 구축에 노력해온 공급기업들의 투자 예견 가능성을 높이는 제도를 검토하고 있다.
동시에 수요 확대를 위해 탈탄소 연료를 효율적으로 수요기업에게 수송하기 위한 공급기지 형성 등 인프라 정비 지원 제도를 도입할 예정이다.
공급기업은 암모니아 사업에 투자할 때 판매가격이 공급 코스트를 하회하는 가격 리스크나 판매량이 기대보다 적은 양적 리스크 등을 부담하고 있다.
따라서 경제산업성은 리스크를 경감하고 공급 사업자 투자 예견성을 확보하기 위해 영국·독일 사례를 참고하며 가격차 지원 제도를 도입하는 방안을 검토하고 있다.
가격차 지원 제도는 공급기업이 투자 회수 가능한 수준에서 기준가격을 결정하고 수요기업이 도입할 수 있는 수준을 참조가격으로 설정한 후 차이를 산정해 정부가 장기간에 걸쳐 보조하는 내용이다.

석탄 가격 고정으로 수요 자극
경제산업성이 2022년 12월 공개한 중간정리안에는 암모니아 참조가격을 석탄 가격에 고정시키는 아이디어가 포함돼 있다.
기존 화석연료 가격까지 공급가격을 낮추어 수요기업의 암모니아 발전과 암모니아 연료선 사업화를 지원해 암모니아 수요가 대량 창출되도록 하는 효과가 있을 것으로 기대된다.
중간정리안에서는 가격차 지원 제도의 지원 기간을 원칙적으로 15년으로 설정하기로 했다.
지원 대상 프로젝트는 청정(저탄소) 암모니아라면 신재생에너지 베이스 수소를 원료로 제조한 그린 암모니아든 천연가스와 석탄을 원료로 사용했지만 제조 과정에서 배출된 이산화탄소를 CCS로 포집한 블루 암모니아든 상관 없으나 이산화탄소 배출량은 국제적인 수준을 충족해야 한다고 명시하고 있다. 화석연료 베이스 그레이 암모니아 프로젝트라도 미래에 블루 암모니아로 전환하는 내용이라면 지원 대상이 될 수 있다.
경제산업성은 탈탄소 연료 공급기지 형성을 위한 공급 인프라 정비 지원 제도도 추진할 계획이다. 해외에서 암모니아를 대량 조달해도 공급량에 상응하는 수요를 창출하지 못하면 서플라이체인 대규모화에 따른 코스트 저감 효과를 누릴 수 없기 때문이다.
합동회의 중간정리안에서는 10년 동안 탈탄소 연료 기지로 대규모 3곳, 중규모 5곳을 조성하기로 했다.
대규모 기지는 대도시권의 석유화학단지나 대규모 화력 발전소 소재지, 중규모 기지는 지방 석유화학단지와 신재생에너지 공급기지 등을 후보로 주목하고 있다.
중장기적으로는 대규모 수요기업이 될 이산화탄소 다배출 산업 밀집 지역에 저장탱크와 파이프라인 등 공동 인프라를 정비함으로써 대규모 수요를 효율적이면서 신속하게 창출하는 것을 목표로 하고 있다.
경제산업성은 비슷한 시기에 암모니아 대규모 서플라이체인 구축에 나선 한국·독일을 경쟁국으로 설정하고 있으며 시장을 형성하기 위해 2024년부터 가격차 지원 제도와 공급 인프라 정비 지원 제도 등을 도입하고 예산은 GX경제이행채로 20조원을 조달해 이용할 계획이다. (강윤화 책임기자: kyh@chemlocus.com)