[특별기고] 그린암모니아 생태계 전망 및 대응 전략

이영호 한국해양대학교 연구석좌교수(해상풍력 그린수소암모니아연구센터 센터장)

◇클린 암모니아 프로젝트 161개, 45개국 257파트너 참여

현재 대부분의 암모니아는 '하버-보쉬' 공정으로 생산되고 있다. 질소 가스와 수소 가스를 고압과 고온에서 결합해 높은 압력·온도에서 암모니아를 제조한다. 이 공정에 질소와 수소를 공급하기 위한 원료는 다양하며, 보통 암모니아 생산에 필요한 수소연료의 생산방법에 따라 색상으로 구분하고 있다.

크게, 화석 연료중 석탄액화로 생산된 갈색(brown) 수소와 암모니아, 천연가스의 개질로 만들어진 회색(grey) 수소와 암모니아, 천연가스 개질 시 발생한 탄소를 포집 및 저장(CCS)해 만들어진 청색(blue) 수소와 암모니아, 태양광이나 풍력 등의 재생에너지 전력을 이용한 수전해 수소 생산 기술로 만들어진 그린(green) 수소와 암모니아로 구분될 수 있다. 정책분야에서 자주 인용되는 청정(clean)암모니아는 통상 블루암모니아와 그린암모니아를 대상으로 한다.

상업용 암모니아 생산은 하버-보쉬법으로 지난 1920년대에 시작됐다. 1930년대에는 전체 암모니아 생산량의 약 30%가 전기 기반이었으며, 단일 공장으로는 최대 규모인 연간 10만톤을 생산할 수 있는 시설이 노르웨이의 수력발전소 지역인 리우칸에서 가동됐다. 수전해 기반 암모니아의 전 세계 생산능력은 1960년대에 연간 약 65만톤으로 정점을 찍었고, 전 세계 암모니아 생산량의 약 4%를 차지했다. 그러나 수전해 녹색 암모니아는 이후에 더욱 저렴한 천연가스 개질 암모니아에 밀려 퇴출당했다.

오늘날 암모니아의 약 80%는 농업용 비료로 사용된다. 나머지는 폭약, 플라스틱, 합성 섬유 및 수지, 냉매, 질산과 같은 화학 물질로 사용된다. 최근에는 (액체) 암모니아가 국제적인 수소경제 생태계 관점에서 극저온(-253도(℃)) 액체수소의 선박운송을 대신할 수 있는 에너지캐리어의 대안으로 적극적으로 검토되고 있다.

현재 운행되고 있는 모든 선박의 연료 소비량은 연간 약 3억톤이며, 암모니아로 환산하면 6억5000만톤에 해당한다. 전 세계 암모니아 생산량은 현재 연간 2억톤으로 추정되고 있다. 선박용 연료 암모니아가 식량 생산에 필요한 비료와 경쟁하는 것을 피하려면 녹색 암모니아 및 청색 암모니아의 생산능력이 크게 발전돼야 한다.

그러나 이러한 생산이 반드시 수요가 있는 곳에서 이루어질 필요는 없으며 공급 원료의 수급이 원활한 지역이면 가능하다. 즉, 생산된 암모니아는 선박으로 운송되며, 현재 세계적으로 연간 약 2000만톤 규모의 암모니아가 거래되고 있다. 암모니아 운송은 주로 LPG선과 같은 가스 운반선에 의해 이뤄지며 선박의 운송 적재용량은 통상 4만톤급이나 최근에는 최대 5만4000톤급도 가능하다.

녹색암모니아의 비용은 천연가스에서 생산되는 암모니아보다 2~3배 더 높다. 그러나 녹색암모니아 가격은 향후 낮아질 가능성이 높다. 즉, 학습곡선 효과로 인한 수전해 플랜트 가격 하락과 소요되는 재생에너지 전력 비용의 감소가 크게 이뤄질 것으로 기대되기 때문이다. 나아가 화석연료는 세금과 규제의 대상으로 좀 더 강화된 조치를 부담하게 되면서 해상 및 육상의 모빌리티, 유틸리티 규모 발전 등 모든 산업 분야에서 연료 간 경쟁 구도에 큰 변화를 가져올 것으로 예상한다. 만일, 탄소세가 tCO2(온실가스이산화탄소 배출량으로 환산 단위)당 150~200달러 규모로 책정된다면 녹색 암모니아는 현재에도 석유베이스 연료와도 경쟁할 수 있는 수준으로 가격 경쟁력을 갖추게 된다.

2024년도 노르웨이선급협회(DNV) 보고서에서는 청정암모니아로서 그린암모니아와 블루암모니아를 분석 대상으로 하고 있다. 이 보고서는 해운 분야에서의 암모니아의 공급과 수요에 중점을 두고 분석을 수행했다. 단, 지난해에 공표된 국제해사기구(IMO)의 2050년 온실가스 배출량 넷제로 목표보다 완화된 2018년의 50% 감축목표에 기초한 분석 결과이다. 분석대상인 161개의 프로젝트가 대부분 2030년까지를 실현 목표로 하고 있으며, 여기에 기초해 2030년까지의 클린 암모니아의 수요와 공급을 예측하고 있다.

161개 프로젝트에는 45개국 257프로젝트 파트너가 참여하고 있다. 발표된 클린 암모니아 총 생산량은 연간 2억4400만톤이며 현재의 화석연료 기반 생산량을 초과한다.

주요 국가별 프로젝트 규모 가운데 호주가 압도적으로 큰 비중(22.17%)을 차지하고 있으며 대부분 자국의 태양광 및 풍력을 이용한 녹색암모니아 생산이다. 두 번째 규모(14.38%)인 미국은 대부분이 청색 암모니아 생산에 중점을 두고 있다. 생산되는 셰일 오일과 CCS기술을 접목하려는 시도로 예상된다. 다음으로 사우디아라비아, 모리타니, 오만, 이집트, 모로코 등 중동, 아프리카 지역에서의 생산량이 두드러진다.

DNV보고서에 따르면 선박 연료 전용 암모니아 생산은 10개국에서 30개 프로젝트가 목표로 하고 있다. 총 생산량은 연간 2080만톤이며 대부분은 그린암모니아를 계획하고 있다. 주요 선도국은 호주(49%)와 이집트(33%)이다. 비료, 에너지 등 다목적용으로 연계된 그린암모니아 생산량은 연간 총 1억7400만톤이다. 따라서 발표된 프로젝트 모두가 2030년까지 성공적으로 수행되는 경우에는 선박 연료용 그린암모니아의 공급 가능량은 연간 2100만∼1억5100만톤 범위로 추정되고 있다.

비료생산용 암모니아 생산 신규 프로젝트 수는 16개국에 걸쳐 33개이다. 총 추가 생산량은 연간 1107만톤이며 그중 연간 980만톤이 그린암모니아, 128만톤이 블루암모니아다. 가장 대표적인 비료용 그린암모니아 생산국은 모로코이며 예상 생산량은 연간 400만톤이다. 호주는 암모니아를 연간 약 5400만톤 생산하는 것을 목표로 하고 있으며 비료용 암모니아 프로젝트 총생산량은 55만톤이다. 재생에너지만을 이용한 비료 전용 프로젝트 외에도 여러 혼합 용도 프로젝트가 있으며 총 생산량은 연간 7100만톤으로 예상된다.

암모니아는 가장 유망한 장거리 수소 운반체 후보이다. 41개의 프로젝트가 발전용 수소에너지 운반체로서 암모니아를 구체적인 목표로 하고 있으며 총 생산량은 연간 3250만톤이다. 이 중 98%가 그린암모니아다. 재생에너지를 이용해 에너지용(발전) 그린암모니아 생산을 주도하는 국가는 호주(35.62%)와 아프리카의 모리타니(30.81%)이다. 에너지를 포함해 다목적 용도(비료, 연료 등)에 초점을 맞춘 프로젝트의 총 생산량은 연간 1억7300만톤이다.

DNV의 프로젝트 성공확률 자체 시나리오에 따르면 2030년도의 현실적인 선박 암모니아 공급연료량의 하한은 연간 500만톤으로 추정하고 있다. 혼합용도의 공급량(2720만톤)을 고려하면 총 연간 3220만톤의 공급이 예상된다. 주목할 점은 연료전용 공급량 연간 500만톤은 모두 그린암모니아인 점이다. 그린 및 블루 암모니아 연료의 개발은 암모니아 엔진의 개발과 병행해 진행돼야 한다. 현재 진행중인 암모니아 엔진 개발은 오는 2026년경 완료돼 신조선에 탑재될 것으로 예상한다. 따라서, 2030년경 부터는 그린 암모니아 연료 추진 선박이 해운 운송의 탈탄소화에 크게 기여할 수 있게 될 것이다.

현재 전 세계 암모니아 교역을 위한 공급망이 존재하고 있다. 이러한 공급망 참여자들은 천연가스 개질 암모니아 생산 및 관리, 운송에 대한 지식과 경험을 가지고 있다. 이들은 천연가스 개질에서 발생하는 온실가스 배출을 없애기 위해 기존 공장에 CCS를 개조하거나 새로운 공장에서 블루 수소를 생산할 계획이다.

대규모 암모니아 사용자로는 Yara, Nutrien 등의 비료 생산업체와 Chevron, BP와 같은 정유업체가 있고 이러한 업체들은 현재 시장, 공급망 및 천연가스 개질에 관한 지식을 보유하고 있다. 두 번째 그룹은 청정 암모니아 초기 가치사슬 단계에 속해 있으며 천연가스를 생산하는 기업들이다. 천연가스는 개질을 통한 수소생산과 CCS를 이용한 탈탄소화가 이뤄지지 않으면 좌초자산으로 바뀔 것으로 보여지며 Equinor와 BP가 여기에 속한다. 마지막으로 재생에너지 플레이어들이다. 일부 기업은 통합된 재생에너지 전력을 이용한 전용 수전해 시설을 건설할 계획을 가지고 있으며 Iberdrola와 Statkraft가 대표적이다. 그러나 수전해 역량이 부족한 재생에너지 기업들은 IHI와 같은 수전해 전문기업과 협력하는 경우가 많다. 다음 표는 클린암모니아 시장의 플레이어를 구분해 설명하고 있다.

◇저렴한 해상풍력 전력 공급과 수전해 효율성에 경제성 달려

수소 생산 및 기타 전환 공정에 필요한 모든 에너지는 해상 풍력 발전으로부터 공급을 받는다. 그린수소는 세 가지 수전해 기술로 생산된다. 즉, 알칼리 전기 분해(AWE), 양성자 교환 멤브레인 전기 분해 (PEM WE) 및 고체 산화물 전기 분해(SOE)이다. 다음으로 극저온 공기 분리 공정으로 질소가스를 생산하며 하버-보쉬 공정(HB)에 의해 암모니아를 합성한다. 수전해에 필요한 용수는 해수를 담수화해 공급한다. 이 방식은 계통연계 그리드의 지원 없이 운영될 수 있으며 생산된 암모니아는 선박 또는 전용 해저 파이프라인을 이용해 육상 또는 해상의 저장소에 이송된다. 또는 해상벙커링을 통해 암모니아 추진 선박의 연료로 해상에서 직접 공급이 가능하다.

현재 AWE는 MW급의 대형 수전해가 가능하며, 사용수명이나 수소생산단가, 기술성숙도 면에서 다른 두 기술보다 우수하다. PEM 방식과 SOE 방식도 각각의 장점과 단점을 가지고 있으며 대형화를 위한 기술개발이 진행 중이다. 기타, 다양한 방법으로 그린암모니아를 생산하는 기술들이 연구실 수준에서 진행되고 있으나 아직은 기초연구 수준에 머물고 있다.

그린수소와 이를 이용한 암모니아 생산에 필요한 에너지의 90% 정도가 수전해에 이용됨으로 전체적인 경제성은 결국 저렴한 해상풍력 전력 공급과 보다 효율 좋은 수전해 기법의 통합운전에 있다고 할 수 있다.

그림 중 B는 공기분리장치(ASU)를 통한 N2 생산이며 여기에 소요되는 에너지도 해상풍력의 전기를 이용한다. C는 수전해 수소를 이용하는 개량된 하버-보쉬 공정을 나타낸다. 이외에 수전해에 필요한 고순도수를 공급하기 위하여 해수담수화 공정이 필요하다. 대규모 생산 기술은 이미 상용화돼 있으며 여기에 필요한 에너지도 해상풍력에서 공급할 수 있다. 해상풍력을 제외하고 대부분의 공정이 열의 흡수와 방출을 동반하는 화학반응이므로 다양한 열관리 기술을 동원해서 가능하면 열손실을 줄일 수 있는 통합공정관리가 경제성 확보를 위한 핵심기술로 평가된다.

부유식 해상풍력을 이용한 수소생산 실증연구가 영국에서 진행되고 있다. 보고서(Dolphyn Hydrogen, 2019)에서는 수소생산 시설을 영국동부 해안에서 부유식 해상풍력 플랫폼(sub structure)에 직접 설치하는 방안, 해상풍력 단지의 전력을 모아서 단지내에 중앙집중식으로 부유식 생산시설을 건설하는 방안, 해상풍력 전력을 육상으로 연계해 해안에서 수소생산시설을 설치하는 방안들에 대해 장단점을 비교하고 있다.

그 결과, 반잠수식 부유식 해상풍력플랫폼 위에 직접 설치하는 방식이 가장 유효하다고 평가하고 있다. 당시 탑재 터빈의 용량은 2메가와트(MW)와 10MW급을 전제로 하고 있으나, 현재는 터빈의 대형화로 15~20MW급이 주력 터빈으로 설치될 예정이고 여기에 대응하는 수전해 시설 용량도 모듈당 10MW를 상회하는 제품들이 출현하고 있어 규모확장에 따라 다른 결과도 예상할 수 있다.

또 다른 해상풍력 수소생산 프로젝트가 'PtoX' 개념으로 독일에서 대규모로 진행되고 있다. 예를 들어 프로젝트 시리즈 중 하나인 H2Mare는 31개의 연구기관과 산업체가 참여하고 있다. 예산은 독일정부지원으로 규모가 1억유로 이상이며 과제기간은 2021∼2025년이다.

이중 세부 프로젝트인 H2Wind는 전해조를 풍력 터빈 플랫폼에 설치해 터빈과의 최적 결합 연구를 수행하고 있다. 수전해 방식은 컴팩트 PEM방식이다. 이 과제에서는 생산된 수소를 저장하는 공정도 개발 중이며 해상에서 이용가능한 해수 담수화 공정을 테스트하고 있다. OffgridWind에서는 전용 육상 테스트인프라를 구축하였고 테스트는 2024년 봄에 시작되었다. 또한, 생산된 수소를 육지로 운송하는 기술과 수소생산을 위한 풍력 터빈의 전체 수명주기 경제성 평가 연구도 수행한다.

PtX-Wind에서는 해상에서 메탄, 메탄올, 암모니아. 물, CO2, 질소 등을 직접 생산하기 위한 연구를 수행한다. 또한 해수 전기분해에도 초점을 맞추고 있어 성공하게 되면 바닷물을 담수화할 필요가 없게 된다. 다섯번째 그림은 이러한 수행과제들을 모두 포함하는 개념도이다.

◇제주-부산 중간 EEZ해역 평균풍속 약 8m/s, 이용률 35~40%

산업통상자원부는 지난해 1월에 '제10차 전력수급기본계획'을 통해 전원별 발전 비중 중 수소 및 암모니아 발전 비중을 2030년 2.1%, 2036년 7.1%로 설정했다. 액화천연가스(LNG)-수소 50% 혼소와 석탄-암모니아 20% 혼소 발전을 도입하는 것이 핵심이다. 발전량 계획은 2030년에 13.0테라와트시(TWh)(수소 6.1TWh, 암모니아 6.9TWh), 2036년에 47.4TWh(수소 26.5TWh, 암모니아 20.9TWh)를 목표로 한다. 또한 정부는 지난해 6월 세계 최초로 도입한 수소발전 입찰시장을 통해 수소 또는 수소화합물(암모니아 등)을 연료로 생산된 전기를 구매 공급하는 제도를 정착시키고자 한다. 이를 실현하기 위해서는 향후 상당한 양의 수소 또는 암모니아가 필요하게 되어서 국내 발전사와 기업들은 우선 석탄 혼소 발전용으로 클린(그린과 블루) 암모니아를 도입할 예정이다.

에너지경제연구원에서 발표한 보고서 '청정암모니아 전주기 밸류체인 체계구축 연구 보고서' 에서는 클린 암모니아 전주기 관점에서 국내외 현황과 정책 제안 등이 체계적으로 제시돼 있다.

이 보고서(안지영, 2023)에서는 미국, 사우디아라비아, 호주에서 클린 암모니아를 생산해 국내로 도입하는 시나리오를 설정하고, 시나리오별 도입단가를 분석하고 있다. 미국 블루암모니아의 도입단가는 300~500달러/tNH3 범위 내에 있고, 미국 인플레이션감축법(IRA)에 따른 생산세액공제를 반영할 경우 더 낮아질 것으로 예상하고 있다. 사우디아라비아 블루암모니아는 300~400달러/tNH3 범위로 경제성이 가장 좋은 것으로 추정되며 호주 그린암모니아의 도입단가는 700~800달러/tNH3 범위로 도입 시나리오 중 가장 낮은 경제성을 보이고 있다.

에너지안보 차원에서는 클린에너지의 해외 도입을 통한 장기적인 비축이 우선적인 대책이 될 수 있으나, 국내에서도 자체적으로 대량생산을 위한 타당성 검토가 장기적인 관점에서 필요한 시점이다. 앞에서 언급된 최신 자료들에 의하면, 유럽을 중심으로 해상풍력을 이용한 그린수소 및 암모니아 생산 공급 실증 연구가 여러 곳에서 진행되고 있다. 우리나라에서도 바람자원이 우수한 배타적 경제수역(EEZ)해역에서 얼마든지 생산이 가능한 입지조건을 갖추고 있다. 세계 굴지의 조선 3사 및 협력사들의 해상풍력 제조 및 설치 능력과 다양한 해상 플랜트 건조 경험을 살리면, 세계시장을 선도할 수 있는 PtoX 융합 기술이 탄생할 수 있어 차세대 산업으로서도 충분한 성장 잠재력을 가지고 있다.

예를 들어, 부산 및 울산항에 기항하는 대형 해운선사 항로에 위치한 EEZ 해역에서 1만MW의 부유식 해상풍력단지를 건설하는 경우를 가정해 본다(이영호, 2024). 제주와 부산의 중간 EEZ해역의 경우, 허브높이 100m에서 평균 풍속은 약 8m/s이다. 이 풍속에서의 이용률은 대략 35~40%로 예상한다. 수심도 75∼100m 범위여서 부유식 풍력 설치 수심 조건(>60 m)을 만족시키는 대륙붕 해역이다. 15MW 터빈을 사용하고 좌우 이격거리를 단순히 4D x 6D(D: 터빈 직경250m 기준)로 하면 1000MW 설치용량에 필요한 해상면적은 100㎢정도로 추정한다. 따라서 1만MW 단지조성에는 1000㎢규모의 해역이 필요하다. 제주도의 면적은 1850㎢이다.

제주도에서는 면적의 54% 규모인 가로 25km x 세로 40km 해역(1000㎢)에 1만MW의 부유식 풍력단지 조성이 가능하다.

현재 녹색 암모니아 생산에 필요한 전력은 1톤당 10메가와트시(MWh)수준이다. 1만MW 규모의 단지에서 이용률을 35%로 가정하면, 연간 3068만MWh의 전력이 공급되며 매년 약 3백만톤 규모의 그린암모니아 생산이 가능하다. 현재 우리나라는 연간 약 140만톤을 주로 비료생산용으로 전량 수입하고 있다.

한편, IMO의 해운분야 탈탄소화 정책에 따라서 암모니아 무탄소 연료 선박의 안전 관련 법규의 정비가 올해 중 완료될 예정이고 오는 2026년부터 본격적으로 신조선의 건조가 시작된다(LR 보고서, 2024). 우선은 대형 암모니아 운반선이 자체 연료로 운항되며, 호주, 미국, 중동 등에서 만들어진 해외 물량이 국내의 비축기지에 운송될 것으로 예상한다.

앞으로 국내의 수소 및 암모니아 혼소발전용 수요, 무탄소 선박 연료 벙커링 공급 수요, 종래의 비료생산 수요 등에 대응하기 위한 국내의 전주기 공급망의 확보는 매우 시급하다. 여러 혁신적인 제도 개선과 관련 기술개발이 동시에 이뤄지면 2050 탄소중립 목표달성을 위한 수소 생태계의 조성에 한 걸음 더 나아가는 기회를 만들 수 있을 것으로 기대한다.

이원희 기자 wonhee4544@ekn.kr