블루 암모니아(Ammonia)는 단기간에 화학제품을 저탄소화할 수 있는 현실적인 방안으로 주목받고 있다.
높은 코스트는 과제이나 선박이나 발전용 연료로 투입돼 환경부하를 낮추는데 활용될 것으로 기대되고 있다.
미국은 기존과 동일하게 천연가스를 원료로 사용하면서 수소, 암모니아 프로세스에서 배출된 이산화탄소(CO2)를 포집‧저장(CCS)해 고정화하는 사업모델을 중심으로 투자를 확대하며 글로벌 시장 형성 및 확대를 견인하고 있다.

IRA 혜택으로 대규모 신규투자 급증
미국은 블루 암모니아 투자가 활기를 띠고 있다.
미국은 인플레이션 감축법(IRA)에서 CCS 사업을 세액 공제 대상으로 정한 이후 2032년 가동을 목표로 한  프로젝트 신청이 쇄도하는 등 블루 암모니아 투자가 단번에 급증하고 있다.
2030년까지 에너지 및 비료 메이저들이 멕시코만을 중심으로 15기 이상의 신규 플랜트를 건설할 것으로 예상된다.
생산능력을 공개하지 않은 프로젝트도 있으나 대부분 100만톤을 상회하며 미국 관계당국은 유럽, 한국, 일본을 주요 수출지역으로 설정하고 있다.
암모니아는 한동안 수소 캐리어로 주목받았으나 선박 연료와 화력발전소 연료, 비료 원료 분야에서 블루 암모니아 사용이 기대되고 있다.
다만, 블루 암모니아 프로젝트는 암모니아 합성과 CCS, 수출 등 물류 부문까지 총괄하는 종합적인 사업이어서 서플라이체인 전체에 대한 폭넓은 노하우를 갖추고 거액의 투자자금을 마련할 수 있는 메이저 중심, 혹은 합작 프로젝트 위주로 이루어질 수밖에 없는 것으로 파악된다.
실제로 루이지애나에 700만톤급 대규모 플랜트를 건설할 예정인 ACE(Ascension Clean Energy)는 엑손모빌(ExxonMobil) 산하의 CCS 자회사 덴버리(Denbury)와 싱가폴에 본거지를 둔 세계 최대 석유탱커 운영기업 하프니아(Hafnia) 등이 합작한 것으로 알려졌다.
캐나다 에너지 인프라 전문기업인 엔브리지(Enbridge)는 노르웨이 비료 메이저 야라(Yara)와 텍사스에 대규모 플랜트를 건설한다. 2028년 No.1 140만톤을 가동하고 이후 2차 투자를 통해 전체 생산능력을 280만톤으로 2배 확대하는 것을 목표로 하고 있다.

저탄소 암모니아 수요 불확실성 불식부터…
비료 및 메탄올(Methanol) 메이저인 네덜란드 OCI는 2022년 기존 텍사스 사업장을 활용해 세계적으로 상당히 이른 시기에 블루 암모니아 플랜트 건설에 뛰어들었으며 2025년 가동할 것으로 예상된다. 최근 2차 투자를 통해 생산능력을 2배 확대하겠다고 공표했다.
세계 최대 암모니아 메이저 CF인더스트리얼즈(CF Industrials)는 일본 미쓰이(Mitsui)물산과 합작투자를 검토하고 있으며 2025년 최종투자결정을 내릴 계획이다. 생산능력은 100만-120만톤을 목표로 하고 있다.
롯데케미칼과 독일 전력 메이저 RWE, 미츠비시(Mitsubishi)상사는 그린 암모니아를 포함해 최대 1000만톤의 암모니아 프로젝트 추진에 합의했다.
도쿄전력(Tokyo Electric)과 주부전력(Chubu Electric)의 합작기업인 JERA 역시 미국에서 청정연료를 생산해 일본에서 사용하는 것을 기본 방침으로 2건의 합작 프로젝트를 계획하고 있다.
그러나 블루 암모니아 보급은 아직 과제가 많은 것으로 파악된다.
캐나다 비료 생산기업 뉴트리엔(Nutrien)은 2023년 여름 코스트 확대와 저탄소 암모니아 수요 불확실성을 이유로 루이지애나 가이스마(Geismar)에서 추진해온 블루 암모니아 프로젝트를 중단했다.
국제에너지기구(IEA)가 2019년 발표한 보고서에 따르면, CCS를 조합한 블루 암모니아 가격은 기존의 블루 암모니아에 비해 약 40% 높을 것으로 추산되며 격차가 더 클 것이라는 주장도 제기되고 있다.
유럽, 아시아 수요기업들이 중장기적으로 어느 정도의 프리미엄을 용인할 수 있을지 예측하기 어려운 상황이어서 블루 암모니아의 높은 코스트는 수요 불확실성을 확대시키는 요인으로 작용하고 있다.
그러나 미국산 천연가스는 중동산에 비해 가격경쟁력이 우수하며 미국은 암모니아 생산량 기준으로 글로벌 시장점유율 약 10%를 확보하고 파이프라인, 수출터미널 등 인프라를 갖추고 있기 때문에 우위에 있는 것으로 평가되고 있다.
도널드 트럼프 행정부에서도 멕시코만을 중심으로 진행하고 있는 프로젝트는 대부분 변함 없이 추진할 예정이며, 미국은 2030년까지 세계 최대 블루 암모니아 수출국으로 등극하기 위해 대규모 투자를 계속할 것으로 예상된다.

일본, 3월부터 20% 혼소 실증 … 
일본은 2030년 연료용 암모니아 300만톤 도입을 추진한다.
석탄화력 혼소 기술이 상용화 수준에 접근하면서 암모니아 연료 도입이 현실화됨에 따라 일본이 공급 인프라 구상을 구체화하고 있는 가운데 JERA와 IHI가 2024년 3-6월간 세계 최초 대규모 암모니아 혼소 실증사업을 추진한 것으로 알려졌다.
양사는 아이치현(Aichi) 헤키난(Hekinan) 화력발전소 4호기에서 석탄화력 20% 혼소 실증을 실시했으며 순조롭게 진행되면 2027-2028년 상용운전이 가능할 것으로 기대하고 있다. 
20% 상용운전에 필요한 암모니아는 연간 50만톤이며 혼소율을 2030년 50%로 끌어올리면 필요량이 125만톤에 달하게 된다.
JERA는 헤키난 발전소 5호기 및 이바라키현(Ibaraki) 히타치나카(Hitachinaka) 화력발전소에서도 암모니아 혼소를 검토하고 있는 것으로 알려졌다.
일본은 암모니아 수요 증가에 대비해 중부권 수소·암모니아 상용화추진협의회가 2030년 150만톤 도입을 선행 추진하고 있다.
주부(Chubu)에서는 기누우라항(Kinuura)에 수입기지를 건설하고 인근 도요타(Toyota Motor), 이데미츠코산(Idemitsu Kosan) 등에게 암모니아 및 암모니아 분해 수소를 공급할 계획이며, 오사카(Osaka)·사카이(Sakai) 센보쿠(Senboku) 지구에서는 미쓰이물산(Mitsui), 미쓰이케미칼(Mitsui Chemicals), IHI, Kepco(Kansai Electric Power)가 오사카 임해공업지대의 수소·암모니아 공급망 정비에 대한 합의를 바탕으로 수입부터 저장, 운송 기능을 정비할 예정이다.
이바라키·가시마(Kashima) 지구에서는 석탄화력 발전소가 소재하는 히타치나카에 암모니아를 공급하고 가시마 지구 및 기타칸토(Kitakanto) 내륙부에서도 이용하는 방안을 검토하고 있으며, 가시마 지구에는 북쪽 일본제철(NIppon Steel)과 가시마산업단지 공동 화력발전소 뿐만 아니라 MGC(Mitsubishi Gas Chemical)와 신에츠케미칼(Shin-Etsu Chemical) 등 유도제품 생산기업의 수요도 기대하고 있다.

2030년 300만톤 도입 추진
야마구치(Yamaguchi)·슈난(Shunan) 지구에서는 이데미츠코산이 NCC(Naphtha Cracking Center)용으로 검토하고 있으며 도쿠야마(Tokuyama)와 도소(Tosoh)의 자가발전, Shunan Power 화력발전소 수요도 예상된다.
에히메(Ehime)·나미카타(Namikata)에서는 Yonden(Shikoku Electric Power)을 비롯해 마쯔다(Mazda), 미츠비시(Mitsubishi)상사, 스미토모케미칼(Sumitomo Chemical), 다이요오일(Taiyo Oil), 다이요닛폰산소(Taiyo Nippon Sanso) 등이 협의회를 구성해 세토내해(Setou Inland Sea) 지역 암모니아 공급을 검토하고 있다.
홋카이도(Hokkaido)에서는 Hepco(Hokkaido Electric Power)를 중심으로 도마코마이(Tomakomai)에 허브기지 건설을 추진하고 있으며 Hokuriku Electric Power의 쓰루가(Tsuruga) 사업장까지 내항 운송하는 방안을 검토하고 있다.
이밖에 2024년 1월에는 JAPEX(Japan Petroleum Exploration), MGC, IHI, 미쓰이물산, MOL(Mitsui O.S.K. Lines)이 후쿠시마(Fukushima)·소마(Soma) 지구에서 암모니아 공급기지 건설을 위한 공동협약을 체결했으며, 미국 루이지애나에서 미쓰이물산, 미츠비시상사가 개별적으로 참여하고 있는 블루 암모니아 프로젝트가 현실화할 가능성이 높아 빠르면 2028년 생산이 시작될 것으로 기대되고 있다.
일본은 미국, 사우디, 아랍에미리트(UAE)에서 프로젝트를 검토하고 있으며 오스트레일리아에서도 그린 암모니아 프로젝트를 추진하고 있다.

롯데정밀화학, 2030년 매출 1조4000억원 목표
국내에서는 롯데정밀화학이 발전소 혼소 및 수소 캐리어용 등 급증할 것으로 예상되는 암모니아 수요를 공략하고 2030년 청정 수소·암모니아 사업 매출 1조4000억원 달성을 목표로 세운 것으로 알려졌다.
롯데정밀화학은 최근 울산항에서 베트남으로 암모니아 초도물량 8500톤을 수출했으며 별도로 동북아시아 시장에 3만톤 수출계약을 완료함에 따라 동아시아 유통량을 확대할 계획이다.
2월 수출설비 건설을 완료하고 암모니아 운송 선박 구매계약을 마쳤으며 국내수요 확대 시기에 맞추어 울산에 대규모 암모니아 베이스 수소 생산설비를 건설할 예정이다.
김용석 롯데정밀화학 대표는 “암모니아 수출 초도물량 출하는 한국이 아시아 청정 암모니아 허브로 첫발을 내딛는 포석이라는 의미가 있다”며 “2월 암모니아 운송선 구매와 더불어 적극적인 인프라 투자를 통해 2024년 본격화될 발전소 혼소 수요 확보 경쟁에 총력을 다하겠다”고 강조했다.

삼성중공업·한화오션, 암모니아 추진선 개발 가속화 
무탄소 암모니아 추진선 도입을 위한 환경도 정비되고 있다. 
글로벌 해운시장은 2023년 국제해사기구(IMO)가 신규 선박 환경규제에 이어 기존 선박에도 환경규제를 본격 시행하면서 탄소중립이 가속화되고 있다. 
한국 정부도 2030년 무탄소 선박 상용화를 추진하고 있다. 정부는 수소, 암모니아 등 무탄소 연료를 사용하는 연료전지 또는 배터리를 전기추진 선박의 발전원으로 사용하는 기술 확립을 목표로 하고 있다.
또 연료전지와 배터리를 선박에 적용해 충분한 운항 거리를 확보하고 안전하게 활용하기 위한 대용량화 설계 및 최적화 기술을 개발할 계획이다.
삼성중공업, 한화오션 등 국내 조선기업들도 암모니아 추진선 개발에 박차를 가하고 있다. 
삼성중공업은 부산 벡스코에서 개최된 2024 국제해양플랜트 전시회에 참가해 영국, 프랑스와 친환경 솔루션 협력을 약속했다.
영국선급(LR)과는 그린 암모니아 부유식 생산·저장·하역설비(FPSO) 개념 개발을 위한 협약을 체결했으며, 프랑스선급(BV)과는 CCS 기술을 활용한 최적 솔루션을 공동개발하기로 했다. 9월에는 미국선급(ABS)으로부터 인증받은 부유식 블루 암모니아 생산설비 홍보에 나선 바 있다.
한화오션은 9월 미국 휴스턴에서 개최된 가스텍(Gastech) 2024에서 노르웨이선급(DNV), BV 등으로부터 친환경 선박 추진 기술을 승인받으면서 탈탄소 비전에 대한 자신감을 확보했다.
국내에서 암모니아 추진선 개발에 속도를 내는 가운데 IMO는 최근 암모니아를 선박 연료로 사용하기 위한 안전기준안에 합의한 것으로 알려졌다.

IMO, 글로벌 안전기준안 채택 논의
IMO는 세계적으로 해운산업이 배출하는 온실가스(GHG)를 감축하기 위해 암모니아 등을 연료로 사용하는 선박 개발이 진행됨에 따라 새로운 연료에 대한 안전 가이드라인 설정을 검토했으며, 안전성을 고려해 암모니아 가스를 냉각해 액체상태로 연료탱크에 격납하는 방안과 누설검사기 농도 역치 및 독성 영역 범위 등을 결정했다.
안전기준안은 12월 개최된 해상안전위원회(MSC109)에서 승인·채택 과정을 거쳐 2026년 7월 발효될 예정이다.
암모니아 추진선은 연료 누설 시 선원의 건강을 고려할 필요가 있다.
IMO는 ①경보 발령 농도는 폐쇄구간 기준 25ppm, 나머지 구간 110ppm으로 ②선원이 긴급행동을 취할 필요가 있는 농도는 110ppm으로 ③안전 시스템 작동 농도는 220ppm으로 각각의 상황에 따라 결정했다.
독성 영역 범위는 △액화가스 선적 운반선의 구조 및 설비에 관한 국제기준(IGC 코드)를 기준으로 고정거리에 따라 설정하는 방법과 △누설 시 가스 확산 해석을 실시해 설정하는 방법 모두를 사용하기로 정했으며, 선상에서 연료를 공급할 때 운용 절차서를 갖추어야 하는 규정 등을 추가하기로 했다.
IMO는 액화가스를 선적·운송하는데 필요한 선박구조와 설비에 관한 IGC 코드 개정안에도 합의했다.
보수 점검 외에 사람이 들어가지 않는 빈 공간에 대한 환기 요건과 부체식 액화가스 저장·재가스화 설비(FSRU)의 배관에 관한 개정 기준안을 MSC109에 제출했으며 승인·채택되면 2028년 1월 발효된다.

이데미츠코산, 세계 최고 반응속도 달성
일본은 상온상압 조건에서 암모니아 생성 속도를 가속화하는데 성공했다.
이데미츠코산, 도쿄(Tokyo)대학, 오사카(Osaka)대학, 일본 산업기술종합연구소 등은 2024년 7월 상온상압 조건에서 암모니아를 합성하는 새로운 반응계에서 세계 최고의 반응속도를 달성했다.
물과 질소를 원료로 사용하는 전해합성으로 재생에너지 베이스 전력을 사용한다면 이론상 연속적인 그린 암모니아 생산을 실현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
4개 기관은 탄소중립 시대에 맞추어 연료와 수소 캐리어 용도에서 암모니아 수요가 급증할 것으로 기대하고 2032년까지 수만톤, 2040년에는 100만톤 수준을 사업화하는 것을 목표로 설정했다.
4개 기관은 일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)의 그린이노베이션 기금을 활용해 2021년부터 그린 암모니아 생산기술 개발을 추진하고 있으며 이데미츠코산이 간사를 맡고 있다.
개발한 반응계는 도쿄대학 니시바야시 요시아키 교수 연구팀이 개발한 몰리브덴 촉매를 사용했으며, 외부 전기에너지를 구동력으로 전해조 양극에 유기용매와 주입된 질소 가스를 환원시켜 암모니아를 생성한다.
음극에서는 물이 산화돼 산소가 발생하는 동시에 전자와 양성자가 양극에 공급되는 구조이다.
현재 암모니아 생산공법의 주류를 이루고 있는 하버보슈법은 고온고압에서 수소와 질소를 반응시키는 반면, 4개 기관이 개발한 반응계는 수소가 필요하지 않고 온화한 조건에서 반응을 진행할 수 있어 투입에너지 절감이 가능하다.
학술적으로는 이미 유사한 조건의 반응계가 다수 보고된 상태이나 4개 기관은 최근 전극 단위면적당 암모니아 생성 속도를 기존에 보고된 수치의 20배 정도로 가속화하는데 성공했다.
1시간 동안 전극 1평방센티미터당 약 6밀리그램의 암모니아를 생성한 것으로 조만간 학술논문 게재를 진행할 계획이다.

2040년 100만톤 생산 목표
프로젝트 후반부에 해당하는 2028년까지 상업생산에 적용할 수 있는 기술을 확립하고 저가의 재생에너지 전력을 활용해 암모니아 1킬로그램당 제조코스트를 34엔까지 낮추는 것을 목표로 하고 있다.
암모니아 수입가격이 최근 80엔 정도라는 점을 감안하면 목표 달성 시 환경성 뿐만 아니라 상당수준의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이데미츠코산은 실증을 거쳐 2032년 수만톤을 상업생산하고 2040년 전후로 100만톤 체제로 확대한 후 외부와 연계해 해외에서도 생산할 방침이다.
현재는 전극 면적이 수평방센티미터, 촉매 활성 지속시간은 수시간에서 12시간 정도에 그치나 앞으로 반응지속성 향상과 수소 부생 반응 억제 등 과제를 해결하고 스케일업 작업을 진행할 예정이다.
촉매 열화 원인을 분석하고 있어 수년 안에 전극을 수백평방센티미터까지 확대하고 셀 적층을 통해 생산능력을 높임으로써 본격적인 실증에 착수할 계획이다.
개발한 반응계는 폐기물이 발생하지 않는 것이 가장 큰 장점이다.
2019년 니시바야시 교수가 발표한 반응계를 개량한 것으로, 세계 최고수준의 활성을 자랑하는 몰리브덴 촉매를 사용해 당시에도 주목받았으나 환원제로 요오드화사마리움(Samarium Iodide)이 필요하고 암모니아 생성량 대비 폐기량이 많다는 과제가 있다.
4개 기관은 요오드화사마륨의 역할을 전기화학 반응으로 대체했으며 양극에서 공급된 전자를 몰리브덴에 옮기는 매개물로 신규 환원제를 사용해 반복 반응에 관여하도록 했다.
1회만 사용하고 폐기하는 시약이 없고 이론상 암모니아와 산소만이 생성되며 질소와 물을 꾸준히 공급하면 촉매 활성이 이어지는 동안 연속 반응이 가능할 것으로 기대하고 있다. (강윤화 책임기자: kyh@chemlocus.com, 윤우성 선임기자: yys@chemlocus.com)