산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2024.1 특집 요약 (p49~69)

진격의 암모니아 발전
탈탄소 전략의 하나, 석탄이나 천연가스의 대체

탈탄소 전략의 하나로 기대되고 있는 암모니아 발전. 기존의 화력 발전 설비를 활용해 연료인 석탄이나 천연가스의 일부 또는 전체를 암모니아로 대체함으로써 이산화탄소 배출량을 크게 줄일 수 있다.

하지만 서방 국가들로부터 ‘화력 발전의 연명’이라며 거센 비판도 나오고 있다. 암모니아 발전은 탈탄소화의 묘책일까 아니면 우책일까? 기술개발과 실용화를 향한 움직임의 최전선을 살펴본다.

Part1. 일본의 전략
석탄 의존국의 희망인가 아니면 우책인가? 일본이 추진하는 암모니아 발전의 길

“세계는 아직 목표인 1.5℃를 향한 여정에 오르지 못했다”고 기시다(岸田) 수상은 2023년 12월 1일, 아랍에미리트(UAE)에서 개최된 COP28(유엔 기후변화회의 제28차 당사국 총회)의 고위급 세그먼트에서의 연설에서 세계의 기후변화 대책 현황에 대해 이렇게 위기감을 표명했다.

그는 2015년에 COP21에서 채택된 ‘파리 협정’이 제시한 ‘산업혁명 이전에 비해, 세계 평균 기온 상승을 1.5℃로 억제한다’라는 목표를 향한 궤도 수정을 위해 “2030년까지의 행동이 결정적으로 중요하다”라고 강조했다.

-- 암모니아로 화력 발전을 탈탄소화 --
일본이 탈탄소화 방법으로 가장 주력하고 있는 에너지 중 하나가 암모니아(NH₃)이다. 탄소 원자를 포함하지 않는 암모니아를 연료로 이용함으로써 이산화탄소(CO₂) 배출량의 대폭적인 저감을 노린다는 전략이다.

국내에서는 몇 년 전부터 암모니아의 연료 이용에 관한 연구개발이 활발하다. AGC는 유리를 제조하는 용해로에 암모니아 연소 버너를 도입하는 실증실험에 성공. 유리 제조 시의 CO₂ 배출량을 70~80% 정도 저감할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 이 밖에도 고체산화물 연료전지(SOFC)나 선박용 엔진 연료 등 암모니아의 이용 폭은 넓다.

에너지의 탈탄소화에 있어서 암모니아 이용의 ‘핵심’이라고도 말할 수 있는 것이 화력 발전 연료로써의 활용이다. 일본 전원 구성비의 약 70%를 차지하는 석탄과 천연가스의 에너지 전환을 목적으로 전력회사를 비롯해 발전 설비를 판매하는 중공업체 등이 조기 실용화를 위해 설비개발 및 실증실험에 주력하고 있다.

-- 독자적 길을 가는 일본 --
사실 일본의 에너지 분야에 있어 탈탄소화로의 길은 구미 각국이 추진하는 것과는 다르다. 예를 들면, 구미 각국이 2030년경까지 석탄 화력의 전폐를 선언하고 있는 가운데, 일본은 2030년 이후에도 암모니아 혼소(混燒) 또는 전소(轉燒)에 의한 CO₂ 배출 저감 대책을 강구하면서 석탄 화력을 계속 사용하는 길을 선택했다.

2021년 10월에 각의 결정한 제6차 에너지 기본계획에서는 석탄이나 천연가스를 이용한 기력(氣力) 발전 및 가스터빈 발전의 연료로 암모니아나 수소의 도입을 추진해 2030년, 전원 구성비에서 수소·암모니아를 1%로 한다는 목표를 정하고 있다.

일본이 석탄 화력 등의 전폐에 미온적인 이유는 명확하다. 일본은 구미 각국에 비해 일조시간이나 풍황이 좋지 않고, 재생가능에너지의 발전 코스트가 비교적 비싸기 때문이다. 그래서 탈탄소화를 추진하면서 경제 성장과 에너지의 안정적 공급을 양립시키기 위한 현실적 해답이 암모니아나 수소와 같은 청정 연료를 이용한 석탄화력 발전 설비 유지인 것이다.

그 가운데 암모니아는 이미 비료나 공업용 질소원 등으로 세계적으로 널리 사용되고 있다. 수소에 비해 액화가 용이해 수송성이 뛰어나고, 일정 규모의 공급망 인프라도 갖추고 있어 전력회사와 중공업체들이 차세대 화력 발전 연료로 주목하고 있다.

-- ‘희망의 끈’이 된 암모니아 발전 --
일본의 탈탄소 전략의 ‘희망의 끈’이라고도 할 수 있는 암모니아. 전술한 바와 같이 발전 이용으로는 주로 기력 발전과 가스터빈 발전에 있어서의 연료, 즉, 석탄이나 천연가스의 연료 전환을 목적으로 하고 있다.

각 발전 방식에 대한 암모니아 혼소율을 서서히 높여 단계적인 CO₂ 배출량 저감을 목표로 한다. 하지만, 향후 기력 발전은 보다 발전 효율이 높은 가스터빈 발전으로 업그레이드되어 갈 것으로 보인다.

기력 발전에 대해서는 이미 몇몇 대형 전력회사들이 암모니아 혼소 실증실험에 나서고 있다(Part3 참조). 예를 들면 도쿄전력 계열사와 주부전력(中部電力)이 절반씩 출자한 JERA는 헤키난(壁南)화력발전소 4호기의 석탄보일러를 통해 암모니아 20% 혼소의 실증실험을 2024년 3월에 개시하는 것을 목표로 하고 있다. 다른 전력회사들도 국내에서 2020년대 후반 이후 순차적으로 암모니아 혼소에 의한 운전으로 전환해 나갈 것으로 보인다.

한편, 가스터빈 발전에서는 IHI와 미쓰비시중공업이 암모니아 전소용 연소기를 개발해 실용화를 추진하고 있다(Part2 참조). IHI는 발전 출력이 2MW급의 암모니아 전소 가스터빈을 2027년에 시장에 투입한다는 전략을 세우고 있다. 미쓰비시중공업은 대형 발전소 규모의 수십~수백 MW급 암모니아 전소 가스터빈을 현재 개발 중이다. 2025년 이후 실제 운전 검증 및 상용화를 목표로 하고 있다.

-- 일본에게 불명예 ‘화석상’ 주어져--
암모니아 발전 기술개발을 추진하는 일본에 대해 원자력과 재생가능에너지를 통한 탈탄소화를 지향하는 서방국가들의 시선은 당연히 싸늘하다. 마크롱 프랑스 대통령은 COP28 정상급 회의에서 석탄화력에 대한 투자는 “정말 부조리하다”라고 언급하며, “G7(주요 7개국) 국가들은 2030년까지 석탄을 폐지하고 다른 나라에 모범을 보여야 한다”라고 주장했다. G7에서 유일하게 ‘탈석탄 연맹’에 가입하지 않은 일본에 대한 압력을 한층 더 높인 것이다.

게다가 일본은 COP28 회기 중 기후변화 대책의 발목을 잡고 있는 나라에 주어지는 오늘의 화석상(Fossil of the Day) 1호로 선정되었다. 선정 이유는 앞서 소개한 기시다 수상의 연설과는 달리, “수소나 암모니아 혼소는 그린워싱(Greenwashing)에 지나지 않는다. 화력 발전소를 앞으로도 계속 가동시켜 실질적인 배출 저감은 커녕, 일본의 에너지 탈탄소화와 화석 연료 페이즈아웃(완전 중단) 가능성을 없애 버릴 것이다”(기후 행동 네트워크 재팬)라는 것이다.

-- 무조건 부정만 하는 구미(歐美) --
이 밖에도 구미 각국의 싱크탱크 등이 암모니아 혼소에 대한 부정적인 보고서와 기사 등을 여러 차례 발표하는 등, 모두 무조건 일본의 방식을 부정하고 있다. 예를 들어, 영국 싱크탱크의 E3G는 "일본의 암모니아 혼소 추진은 석탄화력발전소 가동 기간을 연장하고 석탄의 단계적 폐지와 재생가능에너지 도입을 늦추고 있다"라고 경고하고 있다.

그러나 이러한 지적은 일본 기업이 그리는 에너지 전환 로드맵을 전혀 이해하지 못하고 있다고 말하지 않을 수 없다. 지금까지 석탄화력 발전 설비를 제공해온 IHI나 미쓰비시중공업조차, 암모니아로 석탄 화력을 연명하려는 생각을 가지고 있지 않다.

양사는 공통적으로 석탄을 연료로 한 기력 발전을 단계적으로 가스터빈 발전으로 업그레이드해 나가야 한다고 주장한다. 그리고 가스터빈 발전에 있어서는 암모니아 혹은 수소를 ‘전소’함으로써 카본프리 및 안정적 공급이 가능한 화력발전을 보급하려 노력하고 있다. ‘지금 당장 석탄화력 발전의 CO₂ 배출량을 줄일 수 있다면 안 할 이유가 없다’라며 석탄화력에서의 암모니아 혼소에 도전하고 있는 것이다.

-- 급증하는 그린 암모니아 생산 계획 --
하지만 우려되는 점도 있다. 그것은 연료용 암모니아 공급망이 취약하다는 것이다. 일본 정부는 2030년까지 300만 톤, 2050년까지 3,000만 톤의 암모니아를 연료용으로 확보하기로 했다. 한편, 현재 세계 암모니아의 생산량은 약 2억 톤으로, 그 중 수출에 사용되고 있는 것은 2,000만 톤 정도. 정부의 목표치 달성에는 강인한 공급망 구축이 과제이다.

다른 산업과의 암모니아 수요 쟁탈도 피해야 한다. 현재 세계 암모니아의 약 80%가 화학비료용으로 사용되고 있다. 이러한 화학산업에도 탈탄소화 압력은 가해지고 있어, 그린 암모니아 수요가 최근 몇 년 사이 급속히 높아지고 있다.

이러한 수요 증가에 부응하듯 그린 암모니아의 생산 계획이 전 세계적으로 급증하고 있다. 그 대표적인 계획의 대부분이 2020년대 후반부터 가동될 전망으로, IHI와 미쓰비시중공업이 계획하는 암모니아 발전의 실용화 시기와 겹친다. 공급량이 늘어나면 그린 암모니아 가격도 떨어질 것이다. 그렇게 되면 발전 비용도 낮아지고, 암모니아 전소에 의한 발전이 유효한 탈탄소 수단이 되어 세계의 인식도 달라질 것이 틀림없다.

향후 그린 암모니아의 안정적 조달을 위해 일본 정부도 움직이기 시작했다. 구체적으로는 에너지 사정이 비슷한 한국과 협업할 방침이다. 기시다 총리와 윤 성렬 한국 대통령은 2023년 11월 17일, 탈탄소 경제협력을 추진하기 위해 '수소·암모니아의 글로벌 밸류체인' 구축 의사를 밝혔다. 해상운송기술 확립과 수급 조정 등에서 협력해 나가는 것 외에도, 한일 기업들이 암모니아 및 수소 생산을 위해 제3국의 사업에 출자할 때, 국제협력은행(JBIC) 등의 정부계 금융기관이 자금 조달을 지원한다.

유럽의 생각과는 달리 석탄화력 의존도가 높은 인도와 동남아 지역 국가들도 CO₂ 배출량을 줄이기 위한 현실적 해법 중 하나로 암모니아 발전에 주목하고 있다. 인도, 말레이시아, 싱가포르, 인도네시아, 태국, 대만 등의 발전 사업자들은 암모니아 혼소 기술과 암모니아 전소를 내다본 가스터빈 설비를 도입하려고 IHI나 미쓰비시중공업과 함께 기술 검증 및 사업성 검토를 시작했다.

-- 우책인가 묘책인가, 조기 실용화가 관건 --
암모니아 발전은 석탄 의존국의 탈탄소화의 희망이 될 수 있을 것인가? 기술에서 앞서고 있는 일본은 무엇보다 조기에 실용화해 암모니아의 위력을 세계에 보여주는 것이 중요하다. 그리고 석탄화력에 있어서의 혼소 기술을 보급시키고, 더 나아가 CO₂를 배출하지 않는 암모니아 전소 가스터빈으로의 전환에 주력해야 한다. 그렇게 하지 않으면 정말로 구미가 주장하는 석탄화력의 연명기술이라는 우책이 되고 말 것이다.

Part2. 개발의 최전선
발전기술에서 경쟁하는 중공업 3사, 차세대 연료는 수소인가 암모니아인가?

청정에너지로서 주목 받고 있는 수소와 암모니아. 연료로서 어느 쪽이 뛰어나다고 일률적으로 판단할 수 없는 상황에서 국내 대형 중공업 3사인 미쓰비시중공업, IHI, 가와사키중공업의 선택이 갈렸다. IHI는 암모니아에, 가와사키중공업은 수소에 주력하고, 미쓰비시중공업은 수소와 암모니아를 두 축으로 삼고 있다.

Part3. 실용화를 향한 움직임
탄소 발전의 최종 병기로, 일본 각지에서 시동을 거는 혼소 실증

국제에너지기구(IEA)의 ‘World Energy Balances 2020 Edition’에 따르면, 일본의 석탄화력 발전 비율은 발전량 전체의 약 32%를 차지하고 있어, 영국(약 5%)이나 프랑스(약 2%)등과 비교하면 높은 수준에 있다.

 -- 끝 --

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■ 도전자
· 암모니아 발전(發電)에 선견지명 -- 노부히코 (IHI 상무집행임원 기술개발본부장)
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■ 특집 1
진격의 암모니아 발전
Part 1. 일본의 전략
석탄 의존국의 희망인가 아니면 우책인가, 일본이 추진하는 암모니아 발전의 길
Part 2. 개발의 최전선
발전기술에서 경쟁하는 중공업 3사, 차세대 연료는 수소인가, 암모니아인가?
Part 3. 실용화를 향한 발걸음
탈탄소 발전의 최종병기, 일본 각지에서 추진되는 혼소 실증
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