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1. 암모니아 생산

1고온·고압 암모니아 생산

암모니아 생산 기술은 수소와 질소의 촉매 반응, 전기화학적 반응 등을 이용하는 것이 대표적이다. 현재 암모니아 대부분은 하버-보슈 공정을 통해 생산된다. 하버-보슈 공정은 150-300bar의 고압 및 400~ 500℃의 고온에서 수소와 질소의 촉매 반응으로 암모니아를 생산한다. 이는 암모니아를 경제적으로 대량 생산할 수 있다는 장점이 있어 1909년부터 현재까지 사용되고 있다. 하버-보슈 공정에서는 철 기반 촉매를 주로 사용하고 암모니아 합성효율은 약 70% 정도로 높은 편이다. 하버-보슈법은 상업화된 공정의 최적화를 통해 효율을 지속해서 개선하는 연구가 진행 중이며, 암모니아 생산에 소요되는 에너지는 1950년대 중반 60GJ/ton NH₃ 이상이었으나 최근 27GJ/ton NH₃ 수준까지 감소하였다. 현재 청정 암모니아를 경제적으로 대량 생산할 수 있는 공정은 하버-보슈 공정이 유일하며, 현재 추진 중인 다수의 청정 암모니아 생산 프로젝트에 활용될 전망이다.

Air Products 社, Acwa Power 社, Neom 컨소시엄은 2025년 가동을 목표로 사우디아라비아 NEOM 시에서 4GW 규모의 재생에너지 발전원을 이용하여 연간 120만 톤의 그린 암모니아를 생산하는 50억 달러 규모의 ‘Helios Green Fuels 프로젝트’를 추진하고 있다.
Air Products 社는 2026년 가동을 목표로 미국 Louisiana 주 Ascension Parish 지역에서 블루 암모니아를 생산하는 45억 달러 규모 ‘Louisiana Clean Energy Complex 프로젝트’를 추진하고 있다. CWP Renewables 社, Intercontinental Energy 社, Vestas 社, Pathway Investment 社는 호주 Pilbara 지역(6,500km²)에서 26GW 규모의 재생에너지 발전원을 이용하여 그린 수소 및 그린 암모니아를 생산하는 220억 호주달러 규모의 ‘Asian Renewable Energy Hub 프로젝트’를 추진하고 있다. 기존의 고온・고압 암모니아 합성 공정에 재생에너지 전력 기반 수전해 기술을 연계하는 실증 플랜트 계획 또한 추진되고 있으나 부하변동에 대응하기 위해서는 암모니아 합성 전 대량의 수소 저장이 필요하여 경제성 확보를 위한 연구가 진행 중이다.

2저온·저압 암모니아 생산

최근에는 상용화된 암모니아 생산 공정에서 사용되는 에너지를 획기적으로 줄이기 위해 저압에서 암모니아를 생산하는 기술개발이 진행되고 있다. 암모니아 생산 과정 중 압축 및 냉각 부문이 에너지 사용이 가장 많다. 에너지 사용량을 줄이기 위해 암모니아를 저압에서도 높은 효율로 합성할 수 있는 고성능 촉매와 고효율 공정기술에 관한 연구가 진행 중이나 아직은 소규모 pilot-scale 수준이다.

미국 에너지국(DOE)의 ‘ARPA-E REFUEL 프로그램’ 지원으로 RTI International 社, Starfire Energy 社, Minnesota 대학 등 기관에서저압 암모니아 합성 촉매 및 공정연구를 수행하고 있다.¹ Starfire Energy 社에서는 수전해 시스템과 연계하여 30bar의 합성압력에서 하루 10kg 이상의 암모니아를 생산할 수 있는 기술개발에 성공하였으며, 2021년 100kg/일 규모의 시스템 검증을 완료하고 최근 Chevron Technology Ventures 社, Mitsubishi 중공업 社 등으로부터 투자 유치에 성공하였다. RTI International 社는 100bar, 500℃ 조건에서 10kg/일 규모의 암모니아 합성 실험에 성공하였으며, Minnesota 대학에서는 30bar의 합성압력에서 흡착 암모니아 분리 시스템을 적용하여 1kg/일 규모의 암모니아 합성 실험에 성공하였다.

일본 JGC corporation 社는 전략적 혁신 창조 프로그램(SIP·Strategic Innovation Promotion Program)의 Energy Carriers 과제에 참여해, 저압 암모니아 합성 촉매 및 재생에너지 직접 연계 그린 암모니아 합성 공정 관련 연구개발을 수행하였다. 2019년 50bar 운전 조건에서 50kg/일 규모의 실증 운전을 진행하였으며, 현재 스케일-업 연구를 진행 중이다.² 한국에너지기술연구원은 50bar 이하의 저압에서 암모니아를 합성할 수 있는 고성능 촉매(0.68g/g·hr @50bar 달성) 및 시스템 원천기술 개발을 진행하고 있으며, 현재 300시간의 촉매 안정성 평가를 완료하고 시스템 원천기술 개발을 진행 중이다.

3전기화학적 및 기타 암모니아 생산

전기화학적 암모니아 생산 기술은 저온(<100℃), 저압(<10bar)에서 물과 질소를 전기화학적으로 반응시켜 암모니아를 생산하는 기술이다.³ 최근 그린 암모니아 생산에 전기화학적 암모니아 생산 기술을 적용하기 위한 연구가 시도되고 있다. 전기화학적 암모니아 생산 기술의 핵심은 촉매 개발이며, 삼중 결합을 갖고 있는 질소 분자에 수소를 첨가하는 수첨 반응속도가 빠른 환원 전극 촉매 개발이 필수적이다.

한국에너지기술연구원은 저에너지・저비용 암모니아 생산을 위한 차세대 전기화학적 그린 암모니아 합성 기술을 개발하고 있다. 현재 상온・상압에서 0.2g/g·hr 수준의 합성률(패러데이 효율 35%)을 달성하였다. 이는 세계 최고 수준의 암모니아 합성률 및 패러데이 효율 수준이다.

UNIST는 빠르게 회전하는 쇠구슬을 이용하여 암모니아를 합성하는 볼-밀링법으로 저온(45℃)・저압(1bar)에서 82.5%의 효율로 암모니아를 생산하는 기술을 개발하였다. 이 기술은 용기에 쇠구슬과 철가루를 넣고 회전시키면서 질소 기체와 수소 기체를 주입하는 방식이며, 빠르게 회전하는 쇠구슬에 부딪혀 활성화된 철가루 표면에서 분해된 질소 기체에 수소가 결합하여 암모니아가 생산되는 원리를 이용하였다.

한국기계연구원은 상온・상압에서 청정 암모니아를 생산하는 플라즈마-촉매 융합 공정을 개발하였다. 이 기술은 질소 플라즈마에 물을 공급・분해하여 수소와 질소산화물을 생산하고, 이를 촉매로 공급하여 암모니아를 생산한다.

2. 암모니아 발전

암모니아 발전 기술은 화석연료에 암모니아를 혼소하여 전력을 생산하는 혼소 기술과 암모니아를 100% 연료로 활용하여 전력을 생산하는 전소 기술로 나뉜다. 암모니아 혼소/전소 기술은 발전 부문에서 기존 화석연료를 대체한 암모니아 투입량(발열량 기준)에 비례하여 CO₂ 배출을 감축할 수 있다는 장점이 있다. 그래서 최근 에너지 자립률이 낮은 한국과 일본에서 높은 관심을 보이고 있다.

1석탄-암모니아 혼소/전소 기술

발전 분야 온실가스 배출량에 큰 비중을 차지하는 석탄 화력발전 분야는 석탄 사용량을 줄이기 위한 연료전환 기술이 중요하다. 특히 연료전환 기술 중 석탄-암모니아 혼소 기술은 단기간 내 실증이 가능한 기술로 주목받고 있다.

일본은 지난 2017년 10MWth급 시험설비에서 석탄-암모니아 20% 혼소에 성공하였다. 현재 일본 중부 헤키난 발전소 내 1GW급 초초임계압 석탄 화력발전소에서 해당 기술에 대한 실증을 진행 중이다. 신에너지・산업기술총합개발기구(NEDO)가 지원하는 석탄 화력발전 암모니아 혼소 프로젝트는 일본 발전 부문 최대 합작사 JERA 社와 엔지니어링 기업 IHI가 수행 중이며, 1GW급 초초임계압 석탄화력 발전소에서 암모니아 20% 혼소를 위해 30,000~40,000톤의 암모니아를 사용하는 것을 목표로 수립하였다. JERA 社는 2030년까지 노후화된 저효율 석탄 발전설비를 전부 폐지할 계획이다. 또한, 고효율 발전설비는 석탄-암모니아 혼소 후 전소로 전환하기 위해 2040년까지 암모니아 전소를 목표로 기술개발을 진행 중이다.

한국은 최근 한국전력, 발전공기업과 함께 ‘수소・암모니아 발전 실증추진단’을 발족하고 산업부, 한국전력, 발전사 등 민관 합동으로 ‘Carbon-Free 친환경 암모니아 발전기술 개발 및 실증’을 추진하고 있다. 2024년까지 석탄-암모니아 혼소를 위한 연소・저장기술 등 원천기술 개발, 2025년 상용발전소에 연료공급 인프라 구축, 2025~2026년 잔여 설계수명, 대규모 석탄발전 단지로 인한 규모의 경제, 국가온실가스감축목표(NDC) 등을 고려한 석탄-암모니아 혼소 대상 선정, 2027년까지 4기의 석탄 화력발전 설비를 대상으로 실증을 추진한다. 석탄-암모니아 혼소 대상 발전기는 2030년까지 석탄-암모니아 20% 혼소를 진행하고, 2031년 이후 암모니아 혼소 비율을 단계적으로 상향하여 2050년까지 암모니아 전소 기술개발을 추진할 예정이다.

2LNG-암모니아 혼소/전소 기술

LNG 발전 분야의 암모니아 연소 기술은 암모니아를 직접 연소하여 가스터빈을 가동하는 기술과 분해기로 암모니아를 수소와 질소로 분해 후 수소를 연료로 가스터빈을 가동하는 기술로 구분된다.

일본 IHI 社는 2019년 2MWe급 가스터빈(IM270)을 대상으로 LNG-암모니아 20% 혼소(발열량 기준)에 성공하였으며, 2021년 3월 액체 암모니아 혼소율 70%(발열량 기준)를 달성하였다. 암모니아 혼소율 증가에 따라 NOx 배출이 약 3배 증가하였으나, 후단 상용 SCR 설비를 이용하여 최대 6ppm 이하의 NOx 배출을 달성하였다. MHI Power 社는 40MW급 암모니아 전소 가스터빈 개발에 착수하였으며(’21.3), 2025년 세계 최초 암모니아 전소 터빈 상용화를 목표로 수립하였다. 암모니아 연소로 인한 NOx 배출 증가 문제는 새로운 연소기 및 SCR을 통해 해결하고자 하며, 암모니아 전소 터빈 개발과 함께 가스터빈의 폐열을 이용하여 암모니아를 수소, 질소로 분해하고, 분해된 수소를 수소 가스터빈에 사용하는 시스템도 개발 중이다.

한국은 ‘암모니아 직접 연소’와 ‘암모니아 분해연료(수소) 연소’, 두 가지 방향으로 암모니아 가스터빈 기술 개발을 추진하고 있다. 암모니아 직접 연소기는 단기간에 개발이 어려우므로 1차적으로 LNG-암모니아 혼소 가스터빈을 개발하고, 최종적으로 암모니아 직접 연소 방식의 가스터빈 개발을 추진하고자 한다. 암모니아 분해연료 연소 기술의 경우 대형 가스터빈을 대상으로 기술 개발을 추진하고자 한다. 이는 암모니아 분해를 위해서는 고온의 열이 필요하며, 대형 가스터빈에서 배출되는 고온 가스의 열을 회수하여 암모니아 분해에 사용할 수 있기 때문이다. 최근 포스코는 두산중공업, 포항산업과학연구원(RIST)과 함께 암모니아 분해 수소를 활용한 연소기, 가스터빈을 개발하기 위한 업무협약을 체결하였다. 한국에너지기술연구원은 ‘CO₂-free 암모니아 직접 이용을 위한 저 NOx 가스터빈 연소기술 개발’을 통해 암모니아 전소 기술을 개발 중이다.

3. 암모니아 선박

12행정 대형엔진

암모니아 선박 엔진은 Diesel Cycle 방식의 선박 엔진 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 주요 기업들은 암모니아의 연소 성능을 보완하기 위해 이중연료 엔진(Duel Fuel Engine)으로 개발 중이다.

독일 MAN-ES 社는 2행정 암모니아 대형 엔진을 개발 중이며, 빠르면 2024년 개발 완료 예정이다. MAN-ES 社의 2행정 암모니아 엔진은 LPG를 연료로 사용하는 ME-LGIP 엔진과 메탄올을 연료로 사용하는 ME-LGIM 엔진을 기반으로 개발되고 있다. NOx 배출은 SCR 설비와 EGR(Exhaust Gas Recirculation, 선박 배기가스 재순환) 시스템을 적용하여 저감할 계획이다.

스위스 선박 엔진 설계기업 WinGD 社는 2025년까지 2행정 저속 암모니아 대형 엔진 개발을 완료할 예정이다. 2행정 암모니아 엔진은 디젤 연료를 사용하는 X 엔진 시리즈와 이중연료를 사용하는 X-DF 엔진 시리즈를 기반으로 개발되고 있다. 두 엔진은 저탄소 연료인 액체 바이오 연료, 바이오 가스를 사용할 수 있는 엔진으로 암모니아를 연료로 사용하기 위한 큰 수정이 필요하지 않다고 한다.

24행정 중형엔진

핀란드 Wärtsilä 社는 2021년 7월 일반적인 선박 추진 부하에서 70% 암모니아 혼소 엔진 테스트에 성공했다고 발표하였으며, 2023년까지 4행정 암모니아 전소 중형엔진 개발을 완료할 예정이다. 2020년 핀란드 Vaasa 시에서 암모니아 선박 엔진의 첫 번째 연소 테스트 진행 후 최적의 엔진 매개변수 평가를 수행하고 있다. 또한 노르웨이 Stord 지역 Sustainable Energy Catapult Centre’s 테스트 설비에서 세계 최초로 full- scale 장기테스트에 착수하였다. 독일 MAN–ES 社는 독일 연방경제기술부(BMWi)의 지원을 통해 2020년 12월 4행정 중형 엔진 개발을 위한 AmmoniaMot 프로젝트를 착수하였으며, 디젤 및 암모니아를 이중연료로 사용하는 4행정 중형 엔진 개발이 목표다.

중국 최대 조선소 그룹인 CSSC 산하 중국선박해양공정설계연구원, 중국 최대 선사 코스코 산하 조선사 CSHI, 코스코 에너지 운송 등은 암모니아 연료 기반 초대형원유운반선(VLCC) 설계를 공동 개발하였으며, 2021년 9월 중국 선급협회와 미국 해운국 등에서 기본승인(AIP)을 획득하였다. 31만 DWT 초대형원유운반선이 대상이며, MAN-ES 社의 암모니아 대형 엔진을 주 엔진으로 사용할 예정이다.

국내 주요 선박기업은 MAN-ES 社와 협력하여 암모니아 추진선을 개발하고 있다. 현대중공업은 MAN–ES 社의 2행정 암모니아 대형 엔진이 시장에 출시되는 2024년을 기준으로 암모니아 연료추진 시스템 적용 선박 및 4행정 암모니아 중형 엔진(HiMSEN 엔진) 개발을 진행하고 있다. 선박용 엔진 외에도 신재생에너지 연계 분산발전 시장을 목표로 발전용 4행정 암모니아 엔진도 개발 중이며, 2023년 상용화 및 육상발전 실증을 진행할 예정이다. HSD엔진도 MAN-ES 社의 2행정 암모니아 대형 엔진이 시장에 출시되는 2024년을 기준으로 암모니아 추진선 개발을 완료할 예정이며, NOx 제거를 위한 SCR 설비, AOC(Ammonia Oxidation Catalyst, 암모니아정화촉매), N₂O 저감 관련 연구를 진행 중이다. 삼성중공업은 암모니아 추진 아프라막스(A-Max) 탱커에 대해 영국 로이드선급의 기본 인증을 획득하였으며, 독자 암모니아 연료공급 시스템 개발을 추진하여 2024년 상용화가 목표다. 현대미포조선은 영국 로이드선급에서 MAN-ES 社와 공동개발 중인 암모니아 추진선에 대해 국내 최초로 기본 인증을 획득하였고 2025년 상용화가 목표다.

4. 암모니아 연료전지

암모니아 고체산화물연료전지(SOFC) 기술은 암모니아 분해 후 생성된 수소와 질소의 혼합가스 중 수소를 연료로 활용하여 전기에너지로 변환하는 기술이다. 현재 SOFC에 기반한 연료전지 셀/스택 개발이 이루어지고 있으며, 고온에서의 암모니아 열분해 반응을 활용한 암모니아 직접공급 방식으로 개발 중이다.

일본 교토대학교에서는 연료극(Anode)에서 암모니아를 수소와 질소로 분해할 수 있는 촉매에 관한 연구 및 연료극 지지체 안정성 향상에 관한 연구를 지속해서 수행하고, 논문 및 특허에 관련 내용을 꾸준히 보고하고 있다. 일본 IHI 社는 2017년 암모니아를 에너지 공급원으로 사용한 1kW급 SOFC 연료전지 시스템을 1,000시간 동안 안정적으로 작동시켰다고 보고하였다. 해당 암모니아 SOFC 시스템은 교토대학교 Koichi Eguchi 교수와 Toyota Industries 社, Noritake 社, Tokuyama 社, Nippon Shokubai 社, 그리고 Mitsui Chemicals 社가 공동 연구를 통해 개발하였다.

덴마크 Haldor Topsoe 社는 고온 암모니아 연료전지용 촉매를 적용하여 암모니아를 직접 주입할 경우, 수소와 질소를 3:1로 주입하는 경우와 성능 차이가 거의 없거나 850℃에서 오히려 더 월등한 성능을 나타낸다는 결과를 보고하였다. 대표적인 암모니아 SOFC 기업인 미국 Bloom Energy 社에서도 암모니아를 연료로 사용하는 SOFC 시스템에 관한 연구를 수행하고 있다.

국내의 경우 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원, KAIST, 고려대학교 등 연구기관을 중심으로 고온 암모니아 연료전지 촉매와 관련한 기초 연구를 수행 중이다. 현재 Ni/YSZ의 상용 음극지지형 셀(ASC)을 구입하여 실험하고 있다. 다만, 암모니아 SOFC의 가장 큰 문제점인 연료극 지지체의 내구성 향상에 관한 연구는 진행하지 않아 아직은 기술적 한계가 존재한다. 국내 고온 암모니아 연료전지 촉매 관련 연구는 기초 연구에서부터 관련 분야 선점을 위한 특허 출원에 이르기까지 선도국에 비해서는 걸음마 단계 수준이다.

최근 암모니아 SOFC 기술을 선박 부문에 적용하고자 하는 프로젝트들이 추진되고 있으며, 선박용 암모니아 연료전지 기술은 유럽이 주도한다. 세계 최대 해운선사인 덴마크 Mærsk 社의 Mærsk Mc-Kinney Møller Zero Carbon Shipping 센터는 컨소시엄을 통해 선박용 암모니아 SOFC 개발을 위한 SOFC4 Maritime 프로젝트를 추진하고 있다. 노르웨이 NCE Maritime CleanTech 社는 14개 기관이 참여한 컨소시엄을 통해 2020년 1월 선박에 암모니아 SOFC 연료전지를 적용하는 Horizon 2020 ShipFC 프로젝트에 착수하였으며, 선박에 2MW급 암모니아 SOFC를 장착하여 연간 최대 3,000시간 운영하는 것을 목표로 제시하였다. 프로젝트 기간인 5년 동안 100kW급에서 2MW급으로 확장하여 선박에 적용한 후 장거리 항해 실증을 진행할 계획이다.

5. 암모니아 분해 수소생산

암모니아 분해 수소생산 기술은 촉매 분해 반응 또는 전기화학적 방법 등으로 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 기술이다. 촉매 분해 반응을 이용하는 기술은 ①암모니아를 고온・고압에서 촉매 분해 반응을 통해 수소와 질소로 분해하고, ②상온에서 미반응 암모니아 제거하며, ③최종적으로 PSA(Pressure Swing Absorption, 압력변동흡착)를 통해 질소 농도를 100ppm 이하로 낮추고 고순도 수소를 생산하는 과정으로 구성된다. LNG 개질을 통해 고순도 수소를 생산하는 기술과 비교하면, 청정 암모니아를 이용하는 경우 반응 온도가 낮고 공정이 단순하며, CO₂를 배출하지 않는다는 장점이 있다.

호주 연방과학산업연구기구(CSIRO)는 암모니아 촉매 분해반응기 및 금속 분리막 정제 시스템을 통해 고순도 수소를 생산하고 수소전기차(도요타 Mirai, 현대자동차 Nexo 대상)를 대상으로 충전 실증까지 완료하였다. 이 기술은 ①루테늄 촉매를 이용하여 암모니아를 질소와 수소로 분해, ②바나듐 기반 금속막을 이용하여 수소를 다른 원소로 부터 분리, ③모듈식 멤브레인 반응기를 통해 고순도 수소로 정제하는 과정으로 구성된다.

일본은 SIP Energy Carrier를 통해 수소충전소급 고순도 수소 생산을위한 암모니아 분해 수소 생산 프로젝트를 진행하여 수소 추출 시스템 및 PSA 정제시스템을 개발하였다. 일본 히로시마 대학, Taiyo Nippon Sanso 社, AIST 社, Toyota 社, Showa Denko 社가 참여하였으며, 1Nm³/h급 암모니아 수소 추출 시스템 및 10Nm³/h급 수소 정제시스템을 개발하였다. 세부적으로는 루테늄(Ru)/산화마그네슘(MgO)(Ru=3 wt%) 촉매를 이용하여 500℃에서 암모니아 전환율 99.8%(잔여 NH₃ 1,000ppm)를 달성하였다.

암모니아 생산 3대 기업 중 덴마크 Haldor Topsoe 社, 독일 Uhde 社는 암모니아 분해 수소생산 기술을 연구중이며, 빠른 시일 내 상용화된공정을 완료할 것이라는 소식을 관련 기업에 전하고 있으나 정확한 현황은 파악하기가 힘든 실정이다. 덴마크 Haldor Topsoe 社의 경우 암모니아 분해 공정을 30년 이상 운영한 경험이 있다고 발표하였으나 구체적인 용량과 설치 위치에 대한 정보는 제공하지 않았다. 프랑스 ENGIE 社는 스페인 Tecnalia 社와 Eindtoven University of Technology 社에서 만든 스핀오프 기업 H2SITE 社에 전략적 투자를 발표하고 멤브레인 기반 암모니아 분해 수소생산 장치 개발 중이다.

국내의 경우 (주)씨이에스, 한국에너지기술연구원, 현대자동차, 젠스엔지니어링, 한국과학기술연구원이 20Nm³/h급 암모니아 분해 수소 생산 시스템을 개발하였으며, 암모니아 분해 시스템 효율 85% 이상을 달성하였다. 이후 2021년 11월부터 롯데정밀화학, 롯데케미칼, 삼성엔지니어링, 한국에너지기술연구원, 한국화학연구원, 충남대학교, 한국가스안전공사 가스안전연구원, 국민대학교, 미래기준연구소로 구성된 컨소시엄은 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 ‘암모니아 기반 청정 수소 생산 1,000Nm³/h 규모 Pilot 플랜트 실증화 기술 개발’ 과제를 수행 중이다. 원익머트리얼즈는 한국과학기술연구원으로부터 고효율 암모니아 수소촉매 기술을 이전받았으며, 현재 500kg/일 규모의 암모니아 분해 수소생산 시스템 실증을 진행 중이다. 현재 촉매 및 정제 부문의 밸런스관련 최적화 연구를 진행중이며 2022년까지 최적화 연구를 완료하고, 2023년부터 장기 실증을 통한 Track record 확보를 추진할 예정이다. 충북 충주 그린수소 규제자유특구의 ‘암모니아 기반 그린수소 생산・활용 실증사업’에 참여하여 충주 메가폴리스 산업단지 내 부지에서 500kg/일 규모 암모니아 기반 수소생산 시스템 실증을 진행하고 있다.