전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2023.12 Emerging Tech (p66~71)

Emerging Tech: 친환경 연료
세계적으로 그린암모니아 생산 계획 급증
광저우자동차그룹도 연소 엔진 개발

재생가능에너지 유래 전력으로 물을 전기분해(수전해)해 만드는 ‘그린 수소’는 유럽을 중심으로 수많은 생산 프로젝트들이 진행되고 있어, 그 전체적 실상을 파악하기 어려울 정도이다. 한편, 이 그린 수소를 기반으로 합성되는 ‘그린암모니아’도 그린 수소에 이어 생산 계획이 세계적으로 증가하기 시작하고 있다

그 대부분이 2030년경에 연간 100만 톤 전후, 대형 프로젝트에서는 연간 2,000만 톤의 생산 규모를 상정하고 있다. 참고로 최근 일본의 암모니아 수요량은 연간 100만 톤 전후이기 때문에 그린암모니아의 생산 계획 규모가 얼마나 큰지 알 수 있다.

이러한 그린암모니아 생산 계획이 급증하는 배경은 크게 2가지이다. (1)기존의 화학비료에 대해 이산화탄소(CO₂) 프리화를 요구하는 압력이 높아지고 있는 점 (2)압축하지 않으면 운반이 어렵고 장기 보관도 어려운 수소를 대체하는 수소 캐리어로써, 또는 이용 시 수소로 되돌리지 않고 그대로 CO₂ 프리 연료로써 사용해 천연가스나 휘발유를 대체하는 수요의 증가이다.

-- 비료나 화약을 ‘그린화’ --
일본의 경우는 별개로 하고, 세계적으로 그린암모니아의 수요는 극히 최근까지 (1)이 주체였다. 지금까지 화학비료는 천연가스를 개질한 그레이수소를 바탕으로 한 그레이암모니아가 원료였다. 그러나 탈탄소화의 압력은 이와 같은 화학비료나 화약 원료인 질산 생산 업체에게도 가해지면서 그린암모니아에 대한 수요가 최근 몇 년간 급속히 높아져 왔다.

예를 들면, 호주의 Queensland Nitrates(QNP)는 비료 및 화약 제조 업체로, 지금까지 사용해온 연간 2만 톤의 그레이암모니아를 모두 그린암모니아로 대체할 목적으로 그린암모니아 생산계획에 참여하고 있다.

덴마크의 Topsoe 등도 원래는 비료용 그레이암모니아 제조 업체였지만, 지금은 천연가스의 개질 시에 CO₂의 대부분을 회수한 ‘블루수소’를 기반으로 생산한 ‘블루암모니아’가 주체가 되고 있다. 향후에는 이것을 그린암모니아로 대체할 계획이라고 한다.

-- 연료로써의 용도는 일본이 선도 --
한편, IHI와 닛키(日揮)홀딩스, 미쓰비시상사(三菱商事), 미쓰이물산(三井物産) 등, 일본의 에너지계 기업들은 몇 년 전부터 (2), 즉, CO₂ 프리 연료로서 블루암모니아와 그린암모니아에 주목하고 공급망 구축 등을 추진해왔다.

당초 용도는 석탄 화력발전 플랜트를 이용한 석탄과 암모니아의 혼소(混燒)이다. 이미 IHI와 JERA 등은 블루암모니아 혼소 실험을 시작했다. 미쓰비시파워는 석탄 제로의 가스 터빈으로 암모니아 100%, 즉, 전소(專燒) 화력발전 시스템의 실험을 진행하고 있다.

-- 비판의 대부분은 핵심에서 벗어나 --
그런데 이러한 사용법에 대해 국내외에서 거센 비판이 나오고 있다. 국내의 비판으로 많았던 것은 ‘에너지 캐리어로서의 암모니아 이용을 추진하고 있는 곳은 일본뿐’이라고 하는 것. 하지만 이것은 표1과 같이 해외에서도 다수의 암모니아 이용 계획이 추진되고 있다는 사실과 모순된다. 비료의 탈탄소화는 계기에 불과할 뿐, 생산한 그린암모니아를 다양한 용도로 사용하려는 사업자도 많다.

해외로부터의 비판 중 많은 것은 석탄 화력의 연명에 암모니아를 사용하고 있는 것이 아닌가라는 지적이다.

그런데 처음부터 암모니아 전소를 추진하고 있는 미쓰비시파워를 비롯해 상당수의 기업들은 초기에는 혼소이지만, 머지않아 전소를 목표로 하고 있어 이러한 지적은 핵심에서 벗어나 있다.

해외로부터의 비판 가운데 가장 강렬했던 것이 재생에너지 보고서를 많이 발표하는 미국의 조사회사 블룸버그NEF의 비판이다. 구체적으로 블룸버그NEF는 2022년 9월 28일에 ‘일본의 암모니아·석탄의 혼소 전략에 있어서의 코스트 과제’라고 하는 20페이지 이상의 보고서를 영어 뿐만 아니라 일본어 버전으로도 작성해 발표했다.

비판의 포인트는 크게 2가지이다. (i)해외에서 수입하는 블루수소의 석탄 화력과의 혼소 또는 전소는 코스트가 향후 수십 년 간 거의 내려가지 않을 것이다. (ii)일본에서 만드는 그린암모니아는 코스트 비싸고, 2030년 시점에서 재생가능에너지와 축전지 조합과의 코스트 경쟁에서 패배하며 이러한 구도는 2050년까지 계속될 것이다라고 하는 것이다.

-- 가정이 합리적이지 않다 --
이러한 논의의 근거가 되는 코스트의 추정 결과 등은 대체로 맞다. 그러나 비판 자체는 역시 핵심에서 벗어나 있다.

예를 들어, 일본의 사업자 중에서 일본에서 만든 그린암모니아를 혼소나 전소의 축으로 삼고 있는 발전 사업자는 없다. 또한 블루암모니아를 계속 사용하려는 발전 사업자도 없다.

JERA 등 블루암모니아 혼소 실험을 추진하는 발전 사업자의 상당수는 그것을 일시적인 선택으로 규정하고 있다. 그린암모니아의 일정 공급량이 확보되고 가격이 떨어지면 그 시점에서 그린암모니아로 갈아탈 계획을 세우고 있는 것이다. 이것은 거의 필연적으로 호주와 같은 재생가능에너지가 저렴한 곳에서 합성된 그린암모니아가 될 것이다.

저렴한 그린암모니아를 선택할 수 있는데 굳이 비싼 블루암모니아를 계속 사용하는 것은 합리적인 선택이 아니다. 즉, 블룸버그NEF의 이 보고서는 스스로 세운 ‘합리적이지 않은 가정’을 비판하고 있는 것이다.

-- 중국 데이터로 일본 업체를 비판 --
또 하나, 이 보고서에서는 암모니아를 연소시킴으로써 온난화 가스인 아산화질소(N₂O)가 발생되는 것을 비판하고 있는데, 이를 뒷받침하는 데이터는 중국의 연구기관의 것이다. 암모니아 연소 시 질소산화물(NOx) 배출량을 최대한 저감하는 연구개발을 추진해 온 일본 기업이나 연구기관의 데이터는 언급되지 않았다.

또한, 이 보고서에서는 연료로서의 수소에 대해서는 아무것도 언급하지 않았다. 본래 암모니아는 수소 캐리어로서 운반 코스트와 보관 코스트를 줄이는 것이 주된 역할이었다. 암모니아를 연소시키는 코스트가 높으면 수소사회를 지향하기 위한 코스트는 더욱 높아질 것이지만, 그런 주장은 하지 않고 있다.

-- ‘연료가 아닌 비료로 사용하라’는 것이 주제인가? --
이 보고서에는 ‘정합성이 낮다’, 혹은, ‘공정하다고 말할 수 없다’와 같은 형태의 ‘비판’이 여러 번 나온다. 한편, 보고서에서는 어떤 일관된 주장도 여러 차례 등장한다. 그것은 그린암모니아는 연료로 사용할 것이 아니라 비료를 탈탄소화하는 데 사용해야 한다는 것이다. 이것이 이 보고서의 저자가 정말 전하고 싶은 것일 것이라고 추측할 수 있다.

암모니아를 본격적으로 연료로 사용하기 시작하면 물량 확보가 최우선 사항이 되어 원래 비료로 사용되는 분까지도 연료용으로 쓰일 수 있어 최악의 경우, 세계적인 농작물의 급등이나 식량 부족으로 이어질 수 있다. 그린암모니아 생산량이 일정량을 넘을 때까지는 연료로서의 이용을 피해야 한다는 주장은 어느 정도 일리가 있다.

-- 1년 뒤 정반대 주장으로 ‘전향’ --
그런데 블룸버그NEF는 거의 1년 뒤인 올 9월 6일, ‘Ammonia: From Fertilizer to Fuel of the Future(암모니아는 비료에서 미래의 연료로)’라는 제목의 보고서를 발표했다.

그 내용은 ‘그린암모니아의 코스트는 초기에는 비싸도 장기적, 구체적으로는, 2030년대 후반부터 2040년경에는 충분히 떨어져 연료로서 가격 경쟁력을 갖게 될 것이다’라는 것. 전술한 보고서의 주장과는 정반대의 내용이다.

같은 매체라도 저자가 바뀌면 주장이 다를 수 있다. 게다가 최근 1년 사이 수전해 장치 가격 등이 극적으로 떨어지면서 그린암모니아의 생산 코스트도 크게 낮아졌다. 과거의 주장을 고집하지 않고 상황 변화에 대응한 것은 오히려 좋다고 생각한다.

-- 암모니아 엔진이 속속 등장--
실제로 블룸버그 NEF의 이러한 ‘전향’ 직전부터 그린암모니아를 연료로 사용하는 움직임이 급속도로 두드러졌다. 전 세계 곳곳에서 암모니아를 직접 연소시키는 암모니아 엔진이 발표되기 시작한 것이다 그 용도는 트럭, 승용차, 선박 등 다양하다.

발표가 비교적 빨랐던 것은 미 Massachusetts Institute of Technology(MIT) 출신 4명이 설립한 미국의 Amogy로, 2023년 1월, 암모니아용 내연기관으로 움직이는 세미 트럭을 발표했다.

Amogy는 연료로서의 암모니아에 대해 (1)체적 에너지 밀도가 리튬이온2차전지보다 훨씬 높고 액화천연가스(LNG)나 메탄올보다 조금 떨어지는 정도 (2)단위 에너지당 가격은 LNG보다는 높지만, 메탄올보다는 낮다고 보고 있다.

6월 26일에는, 중국의 광저우자동차그룹(Guangzhou Automobile Group)이 승용차용 암모니아 엔진 기술을 발표했다. 출력은 120kW로 160마력 이상. CO₂ 절감 효과는 90%이상이라고 한다.

-- 수소 엔진과는 정반대의 특성 --
참고로 중국에서는 광저우자동차그룹의 암모니아 엔진 개발에 도요타자동차가 관련되어 있다는 소문도 있다. 도요타자동차는 수소를 직접 연소시키는 수소엔진을 개발 중이어서 암모니아에 손을 대었다고 해도 이상할 것이 없다.

하지만, 수소와 암모니아는 연소 시의 특성이 정반대이다. 구체적으로는 연소 속도 측면에서 수소는 매우 빠르지만, 암모니아는 매우 느리다. 광저우자동차그룹은 잘 연소되지 않는 암모니아를 효율적으로 연소시키기 위해 예비적으로 연소시키는 ‘예비 연소실 화염분사식 점화’ 기술을 개발했다고 한다.

-- 선박용에 세계적 대기업들이 참여 --
암모니아 엔진이 세계의 주류가 된다면 그것은 선박부터 시작될 가능성이 높다.

예를 들면, 올 5월에는 미쓰비시조선(三菱操船)이 선박용 암모니아 엔진을 위한 암모니아 잉여가스 안전처리 시스템을 발표했다.

그리고 9월에는 세계적 조선 업체인 한국의 SHI(Samsung Heavy Industries)와 선박용 디젤 엔진 대기업인 스위스의 WinGD가 유조선 컨테이너선 등 대형 선박용 X-DF-A식  암모니아 엔진을 공동 개발하기로 합의했다고 발표했다. 일본의 IHI는 WinGD와 70년 이상의 관계를 가지고 있지만, 대형 선박용 암모니아 엔진에서는 SHI에 뒤처진 셈이다.

WinGD는 2025년 1분기까지 대형 선박용 암모니아 엔진을 완성하고, 2026년에 실용화를 도모할 계획이다. SHI와의 협업 발표 약 2주 후에는 유조선 사업을 하는 한국의 KSS라인과도 제휴하는 등 빠르게 움직이고 있다.

-- 갑자기 암모니아 사회가 도래할까? --
지금까지 발표된 암모니아 엔진의 성능은 마력 외에는 아직 밝혀지지 않았지만, 만일 NOx의 배출량이 적고, 수소 엔진이나 기타 연료전지, 그리고 리튬이온2차전지보다 성능이 좋아진다면 자동차와 선박, 항공기 등 모빌리티 전반이 단번에 암모니아 엔진 베이스가 되거나 화력 발전 시스템의 연료가 그린암모니아로 대체될 가능성도 있다 이것은 수소사회가 아닌 암모니아 사회라고 할 수 있을 것이다.

 -- 끝 --

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