‘암모니아’ 하면 흔히 화장실의 냄새를 많이떠올리게 됩니다. 사실 암모니아(NH3)는 오랜시간 인류에게 큰 도움을 준 물질입니다. 과거 양털을 세척하는 과정에서 소변에 포함된 암모니아를 사용하기도 하였고, 농사에서 필요한 비료로 사용되어 인류는 식량난을 극복할 수 있었습니다. 

하지만 최근에는 암모니아가 수소생산과 탄소 중립을 이룰 수 있는 차세대 에너지원으로 떠오르고 있다는 사실을 알고 계신가요?

암모니아는 재생에너지의 지역적 편재성과 시간적 가변성을 해결할 수 있는 에너지 캐리어이자 발전, 수송 분야에서 활용할 수 있는 탄소중립 연료로 각광받고 있는데요, 수소기술의 해결사, 암모니아에 대해 알아보도록 하겠습니다.

§ 암모니아, 그것이 궁금하다

암모니아(NH3)는 질소와 수소의 화합물입니다. 어원은 고대 이집트의 태양신 암몬의 사원 부근에서 산출되는 염을 「암몬의 소금」이라 했는데요, 이 말이 와전되며 당시 소금과 소변으로 만들었던 염화암모늄을 가리키게 되고 후에 암모니아라는 이름으로 명명되었습니다.

암모니아는 전 세계에서 가장 많이 생산되는 산업화학 물질 중 하나입니다. 주로 산업과 상업 용도로 사용되며 인간과 환경에 자연적으로 존재합니다. 토양에서는 박테리아 과정으로 생성되기도 하며 또한 식물, 동물 및 동물 폐기물을 비롯한 유기 물질의 분해로부터 자연적으로 생산됩니다. 대부분 농업에서 비료로 사용되며, 플라스틱, 폭발물, 살충제, 염료 등 기타 화학물질의 제조에 사용되기도 합니다.

§ 암모니아가 주목받는 이유는?

글로벌 경제구조가 수소경제, 탄소중립으로 전환하는 과정에서 암모니아는 수소를 경제적으로 운송할 수 있든 수단이자 차세대 탄소중립 연료로써 가치를 주목받고 있습니다.

- 하나! 수소를 효율적으로 운송할 수 있는 에너지 캐리어!

수소는 액화되는 조건이 어려워 보관 및 장거리 운반이 매우 어렵습니다. 하지만 암모니아(NH3)상태에서는 저장과 운송이 훨씬 쉬워집니다!

대기압에서 수소는 –252.9℃에서 액화하지만, 암모니아는 –33℃에서 액화가 가능하며, 액화수소 대비 1.7배의 밀도를 갖습니다. 즉, 수소를 옮기는 수소 캐리어로써의 역할이 용이하다는 뜻입니다.

그리고 질소(N)와 수소(H)의 화합물인 암모니아에서 수소를 분리 추출하여 사용할 수 있습니다. 질소와 수소를 분리할 수 있는 방법은 열분해와 광분해 크게 두가지로 나뉘는데 이부분은 아래에서 자세히 설명드리겠습니다. 

- 둘! 그린 에너지로 사용하는 탄소중립 연료!

기존 석탄, LNG 등 화석연료를 사용하는 발전 기술은 이산화탄소 배출로 인한 온실가스 증가를 야기하는 문제가 있습니다. 그래서 탄소중립 실현을 위해 암모니아(NH3)를 에너지원으로 사용하는 방법이 그린 에너지로 각광받고 있습니다.

대표적인 방법으로는 암모니아를 기체 상태에서 다른 연료와 같이 태우는 혼소(mixed firing) 방식입니다. 혼소(혼합연소)란, 두 종류 이상의 연료를 연소시키는 것으로 발전량을 유지하면서, CO2 발생량이 감소하여 전세계 많은 국가들에서 도입하기 위한 연구를 진행 중입니다. 롯데케미칼 역시 석탄발전소의 암모니아 혼소수요에 발맞춰 관련 기술개발을 진행하고 있습니다.

여기서 잠깐! 암모니아에서 수소를 얻는 방법? 

암모니아에서 수소를 얻을 수 있는 방법은 크게 두가지로 나뉩니다.

첫 번째는 열분해 방법입니다.

암모니아(NH3)를 질소(N)와 수소(H)를 분리하기 위해 열을 가하는 방법입니다. 열분해 방법은 연속공정으로 수소를 생산할 수 있어 대규모 생산에 유리합니다.

롯데케미칼 역시 롯데정밀화학과 함께 지난해 말부터 국책과제로 암모니아를 열분해하여 수소로 전환하는 기술을 개발하고 있습니다. 하루 2톤가량의 수소를 생산하는 플랜트 개발 및 실증 사업을 진행 중에 있으며, 이는 전 세계적으로 가장 큰 규모입니다.

두 번째는 광분해 방법입니다.

앞서 설명드린 암모니아를 분해하기 위한 에너지원을 빛을 이용하는 방법입니다. 설비를 전기로 작동하기 때문에 설비의 가동 및 중지에 필요한 시간이 짧아 빠른 가동이 가능하며, 수소의 중소규모 생산에 유리합니다. 또한 연소 공정이 없어 온실가스 배출이 없다는 장점이 있습니다.

그렇기에 연간 수천 톤의 수소를 간헐적으로 사용하는 수소(혼소) 발전소와 수소충전소에서 이 기술을 활용하여 경제적인 공급체계를 갖출 수 있을 것으로 기대됩니다.

롯데케미칼은 세계 최초로 롯데정밀화학 및 미국의 시지지(Syzygy), 일본 스미토모 상사와 암모니아 광분해 기술 개발을 위한 사업개발협약(JDA)을 체결하였으며, 공동 실증을 진행할 예정입니다.

향후 전망

국제에너지기구(IEA)의 ‘NET Zero 2050’ 시나리오에 따르면 석탄화력발전소의 탈탄소화 수단으로 암모니아를 무탄소 연료로 혼소하거나 연료전환하는 방안을 추진하고 있습니다. 또한 LNG 복합발전에도 활용할 수 있어 향후 많은 수요 증가가 예상됩니다.

재생에너지 가격이 하락하고 있고, 전해 기술의 발전 및 보급 확대로 그린수소의 경제성이 확보되고 있습니다. 또한 지속적인 기술 개발로 에너지 효율이 개선되고 있어 앞으로 암모니아는 미래의 필수적인 에너지원으로 거듭날 것으로 전망됩니다.

롯데케미칼은 수소 성장 로드맵을 발표하여 종합적인 수소에너지 사업 Value Chain을 구축하고 구체적인 사업을 진행하고 있습니다. 2030년까지 총 6조 원을 투자하여 청정수소 60만 톤, 암모니아 600만 톤을 생산하고 매출 5조 원을 목표로 하고 있습니다. 암모니아사업은 수소사업의 핵심 Key Point로 독자적인 유통망과 기술 확보를 위해 신규 프로젝트를 검토하고 있으며, 암모니아 터미널과 같은 인프라를 구축하여 비즈니스 확대를 통한 시장 선점을 추진하고 있습니다.