SPecial 탄소중립 실현을 위한 수소에너지 기술 개발 및 산업 응용 동향

국가 간 CO2-free 수소 운송 기술: 암모니아(NH3) 합성 및 분해

손현태_한국과학기술연구원 수소·연료전지연구센터 선임연구원

1. 서론

오늘날 세계인은 화석연료 기반의 에너지 체계에서 살고 있다. 우리가 사용하는 에너지(전기, 운송, 냉난방, 플라스틱 등)는 지구 내 깊은 곳에 묻혀 있는 석탄, 석유, 천연가스 등에서 대부분 가져온다. 이러한 화석연료 에너지들은 아래 그림 1(위)에서 볼 수 있듯이 전 세계 몇몇 국가에서만 채굴, 채취할 수 있으며, 에너지 빈국인 대한민국은 해외에서 화석연료를 수입하여 국내에 필요한 90% 이상의 에너지를 공급하고 있다. 이 때문에 우리나라 경제는 세계 화석연료 가격 변화에 많은 영향을 받으며, 에너지 소비 업종 중심의 산업 성장을 하고 있다. 안타까운 점은 신재생에너지 체계가 기반이 되는 2050년 미래 시대에도 대한민국은 여전히 에너지를 적게 보유한다. 그림 1(아래)에서 나타나 있듯이, 한반도 지역의 태양에너지 밀도가 다른 나라들에 비해 매우 낮음을 알 수 있다. 유럽, 북미, 중동, 중국 지역은 여전히 많은 에너지를 보유하고, 칠레, 호주, 대부분의 아프리카 국가들은 신흥 에너지 강국으로 부상할 것으로 보인다. 따라서 우리나라는 현재와 비슷하게 미래에도 세계 곳곳으로부터 에너지를 수입해야만 하고, 이 때문에 에너지 저장량이 많고, 에너지 방출 공정이 친환경적인 수소 에너지 케리어(Energy Carrier)의 중요성이 더욱더 주목받고 있다.

그림 1. (위) 세계 석유 매장 지역 [1], (아래) 세계 태양에너지 밀도 [2]

  수소 수입은 당위성은 이미 다양한 문헌에서 보고되고 있다. 특히 좁은 국토 면적, 낮은 태양에너지 밀도를 보유한 우리나라의 경우, 국내 수전해를 통해 생산되는 그린 수소의 단가가 운송비를 포함하는 해외 수소 수입 단가보다 높다면, 수소 수입의 주체가 되는 기업들은 자연스럽게 수소를 해외로부터 수입할 수밖에 없다. 이러한 수소생산 단가의 차이는 점점 표면적으로 나타나고 있으며, 현재 국내 그린 수소 생산단가는 신재생에너지 강국인 호주나 칠레와 비교하여 이미 2~3배 정도 비싸다. 블룸버그 뉴 에너지 파이낸스(Bloomberg New Energy Finance) 보도 자료에 따르면 이 차이는 2030년에도 줄어들지 않을 전망이다 (그림 2).

그림 2. 2030년 세계 그린 수소 생산단가 전망 [3]

  단위 무게당 에너지 밀도가 리튬이온 배터리보다 약 250~300배, 화석연료보다 약 2.5~3배 정도 높은 수소는 해상운송 에너지 케리어로서 많은 장점이 있지만, 상온에서 기체 상태이기 때문에 한 번에 많은 양을 선박에 실을 수가 없다. 따라서, 기체 상태인 수소를 고압기체, 액체, 고체로 만들어 운송할 수 있는데, 이러한 방식은 크게 다섯 가지로 나뉜다: 1) 고압 기체 상태로 저장(고압 수소탱크), 2) 매우 낮은 온도에서 액체 상태로 저장(액화 수소탱크), 3) 유기물에 화학 결합하여 액체 상태로 저장(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier), 4) 무기물에 화학 결합하여 액체 상태로 저장(NH3, 암모니아), 마지막으로 5) 금속에 결합하여 고체 상태로 저장(Metal Hydrides). 고압 수소탱크와 금속 수소화합물은 무게가 너무 무거우므로 해상운송 수단으로서는 고려되지 않으며, 액화수소, LOHC 그리고 암모니아가 대표적인 해상 수소 운송 기술로 거론되고 있다. 이 글에서는 이 중 암모니아 수소 운송에 집중하여 기술적 장단점을 나열하고, 해외 암모니아 합성부터 국내 수소 공급까지 전 분야에 필요한 핵심 기술을 설명하고, 이와 관련된 최신 산업 동향에 대해서 살펴보고자 한다.

2. 본론

2.1 CO2-free 암모니아 수소 운송

먼저, 암모니아 수소 운송은 단방향 운송이다 (그림 3). 해외에서 암모니아를 수소와 질소의 화학반응을 통해 합성한 후(수소화) 국내로 들여와 분해(탈수소화)하여 수소를 공급하고, 남은 질소는 공기 중에 방출한다. 암모니아 물질 자체에 탄소가 포함되지 않으므로 무탄소 공정이며, 그 어느 단계에서도 이산화탄소가 생성되지 않는다. 다만, 암모니아 합성에 필요한 수소를 화석연료로부터 가져오게 되면 이산화탄소가 발생하는데, 이 때문에 반드시 수소를 재생에너지를 활용한 수전해로부터 생산해야 한다. 또한, 암모니아 합성 및 분해에 필요한 반응기 열을 공급할 때 일반적으로 화석연료를 태워 얻게 되는데, 이 역시 이산화탄소가 발생하기 때문에 수소나 암모니아를 연소하여 반응기 열로 공급해야 진정한 무탄소 공정이라고 할 수 있다. 이를 위하여, 암모니아를 완전히 분해하지 않고 일부분 수소로 분해하여 수소/암모니아 혼합 가스를 생산하는 연구도 상당히 많이 이루어지고 있다. 이 경우 반응기 열 뿐만 아니라 터빈, 엔진에 공급 후 혼합 연소하여 전력을 발생시킬 수 있다.

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