냄새 나는 에너지, 암모니아 (ammonia)

※ 이 글의 내용은 미국 Ammonia Energy Association 이 제공하는 자료 외 여러 관련 논문 등을 참고하여 작성되었다.

오래된 화장실 냄새의 주범, 무색의 기체 암모니아(NH₃). 미래에는 돈 냄새가 날지도 모르겠다.

최근 수소 기반 에너지 생태계 구축을 위해 수소의 운반·저장을 위한 수단으로 주목받기 시작한 특수 가스. 하지만, 수소보다 좋은 특성도 많다. 여기서는 다른 곳에서 줄창 떠들고 있는 수소 캐리어로써의 암모니아가 아닌, 직접 연료로 사용하는 암모니아에 대한 내용을 다룬다.

산업계에서는 세상 모든 것이 전동화 (전기로만 움직이도록 하는 것) 되더라도, 선박이나 대형 장비 등은 소모 에너지가 너무 커서 전동화가 불가능할 것으로 본다. 더구나 전기를 생산하는 발전소는 재생에너지를 사용하지 않는 한, 뭔가를 태워서 (산화시켜서) 전기를 만들어야 하기 때문에, 이런 시장까지 포함한다면, 탈탄소 연료의 가치는 예상보다 커질 수 있다.

탈탄소 대체연료 중, 암모니아가 유독 주목을 받는 것은, 기존에 구축된 LNG/LPG 저장·운반용 탱크와 배관망, 안전 장비 등을 그대로 사용할 수 있다는 것 때문이다. 상대적으로 수소는 전혀 취급 방법이 다른 연료이다. 즉, 수소 생태계를 만들려면 새로 만들어야할 것도 많고 돈도 많이  든다. 거기다 암모니아는 비료 생산을 위해 벌써 100년 이상 취급 노하우가 쌓여 있으며, 관련 산업 생태계가 이미 조성되어 있다는 점도 큰 장점 중 하나이다.

 

저절로 생기지만, 만들려면 힘든 물질

암모니아하면, 먼저 떠오르는 것은 코를 찌르는 불쾌한 냄새. 상온에서 기체 상태이고, 안전 분류상 독성이 강한 위험물질이다. 하지만 단백질을 먹고 분해해서 근육과 에너지를 만드는 생물들 대부분, 몸에서 저절로 암모니아가 만들어진다.

세상에 암모니아의 존재가 알려진 것은 1774년, 영국의 어느 성직자에 의해서였지만, 암모니아를 대량으로 만드는 기술은 그로부터 130년 이상 지난 1908년경에서야 독일의 프리츠 하버 (Fritz Haber) 에 의해 개발되었다.

※ 참고로, 1908년 한국에서는 일본 정부가 서울에 '동양척식주식회사' 를 설립한 시기. 한국과 일본에 주식상장을 하여 사업자금을 모았고, 일본인의 한국/만주로의 이민을, 한국인의 일본 이민을 지원하는 회사였다고 함. 이를 위해 정착지 땅을 사들이고 정착 지원금을 대출해주는 금융 업무를 했다고. 이무렵 한국에서 매입한 토지의 지도제작 과정에서 일본식 한자 지명이 많이 생김.

+ 현재까지도 암모니아 생산에 가장 많이 사용되는 하버·보슈 공법/Haber-Bosch process 은 Haber 의 아이디어에 Carl Bosch 가 생산효율을 크게 개선한 촉매제가 추가되면서 Bosch 의 이름도 들어가게 됨.

질소(N) 1개와 수소(H) 3개가 붙어서 만들어지는 암모니아 (NH₃). 오랜 기간, NH₃ 합성이 쉽지 않았던 이유는 질소(N₂) 의 안정성, 즉 강한 결합 때문이다. 사실 지구에 있는 대기 중에 질소가 78% 나 되는 것도 같은 이유라고 한다. 질소는 N≡N 원소가 3중으로 단단하게 결합되어 있어서, 다른 물질과 쉽게 합성이 안되고, 대부분 원상태 그대로 존재한다.

탄소 말고는 다 나온다

최근 암모니아를 석유나 천연가스의 대체 연료로 사용해보려는 시도가 엄청나게 증가했다. 탄소가 안 나오기 때문이다. 가장 적극적인 곳은 석유나 천연가스를 많이 수입해 사용하는 독일과 일본이고, 늘 그렇듯이 한국도 뒤에서 유심히 쳐다보고 있다.

먼저 언급하고 싶은 것은, 암모니아를 연료로 태우면, 물과 질소만 배출되기 때문에 청정연료라고 말하는 사기꾼들이 여기저기에서 넘쳐나는데, 모두 거짓말이다. 암모니아를 연료로 사용하면 탄소가 나오지 않을 뿐이지, 화석 연료들에서 배출되는 대표적인 공해물질인 질소산화물(NOx) 은 여전히 발생한다. 탄소는 지구 온난화의 주범으로 악마화 되고 있는데, 질소산화물도 지구 오존층 파괴의 주범이자, 산성비의 원인이다. 하지만, 암모니아 찬양론자들은 NOx 를 줄이는 기술은 이미 많이 개발되어 있다고 주장한다.

+ NOx 를 줄이는 기술 중 한 가지는 배출 가스에 포함된 이산화탄소(CO₂) 를 매탄(CH₄) 으로 변환한 후, 이를 다시 연료와 섞어서 재연소시키는 기술인데, 연료와 함께 주입되는 공기 중, 질소량을 줄여서 질소산화물(NOx) 를 감소시킨다. 배기가스에서 매탄을 만들기 위해서는 연소기의 뜨거운 열과 촉매제 (니켈 함유) 를 활용한다고 한다.

 

연료 품질은 글쎄

그럼 연료로서의 암모니아는 어떨까? 결론부터 이야기하면, 기존 화석연료 대비 에너지 효율이 별로다. 평가 기준이 뭔지에 따라 논란이 있을 수 있지만, 일단 무게 대비 에너지의 양을 의미하는 에너지 밀도 관점에서 기존 석유의 3분의 1 수준이고, LNG (액화 천연가스) 에 비해서는 절반 수준이다. 즉, 암모니아를 직접 연료로 사용하는 경우, 같은 무게의 다른 연료에 비해서 절반 이하의 에너지밖에 얻을 수 없다는 것이다. 따라서 기존 연료와 같은 에너지를 만들기 위해서는 2 ~ 3배의 암모니아가 필요하다. 다 같은 이야기다. 어쨌든... 탄소는 거의 안 나온다. (암모니아를 연료로 쓸 수 있는 자동차가 있다면, 기존 자동차보다 연비가 절반도 안 된다는 말. 즉, 디젤 연료로 리터당 15km 정도 가는 차가 암모니아를 연료로 사용하면 리터당 5~6km 정도 밖에 못간다는 것. 현재 기술수준으로는)

아래 도표는 선박용 엔진 및 발전기 제조사, 독일 MAN (예전 이름 MANN) 의 에너지 사업부가 2019년 11월 발표한 내용 중에 석유, LNG, LPG, 에탄올, 암모니아, 수소, 배터리 등의 에너지 밀도와 보관 압력, 연소 압력, 중유 대비 배출 매연 감소율 등을 수치로 표시한 것이다. (HFO 는 Heavy Fuel Oil 을 의미. 즉 중유/석유)

출처: MAN energy solution - tech report, Nov 2019, Germany

 

이 밖에도, 잘 알려져 있지 않지만, 암모니아는 불이 붙는 점화 속도와 연소되는 속도가 LNG/LPG 에 비해서 훨씬 느리다고 한다. 따라서 전기 생산을 위한 터빈 발전기나 선박용 엔진 등을 만드는 장치 업체 입장에서는 암모니아가 좋은 연료가 아니다. 점화와 연소 속도 문제 해결을 위한 보완 기술 (분사 방법 등) 은 아직 개발 중인 것 같다. 현재의 연소기술을 기준으로, 암모니아 가격이 톤당 300달러를 넘으면, 에너지 효율 측면에서 석유보다 비싼 에너지가 된다고 한다. 2022년 3분기 기준, 암모니아의 국제 시세는 톤당 200달러를 약간 넘는다.

+ 지금은 일반 승용차에도 흔하게 사용하는 디젤 연료. 사실 몇 십년전까지만해도, 대형 선박이나 트럭만 사용하는 연료였음. 일본 Denso 가 승용차용 디젤 분사 기술을 만들면서 현재는 오히려 연비 좋은 대중적인 연료가 됐지만, 얼마 안 된 이야기. 암모니아도 처음 연료를 점화하는 과정에서 배터리 전기를 사용해서 암모니아 일부를 미리 수소로 분해한 후, 암모니아보다 연소가 빨리되는 수소로 불을 붙인 다음 엔진 열이 어느 정도 올라가면 암모니아를 미세분무하는 방식으로 개발 중이라고 함.

출처: FRED 암모니아 가격 지수

 

현재까지 나온 암모니아를 직접 연료로 사용하는 가장 현실적인 방법은 기존 화석연료와 암모니아를 섞어서 사용하는 것이라고 한다. 일본은 2021년부터 일부 석탄 화력발전소에 암모니아를 20% 정도 섞어서 사용하는 혼소 발전 시범사업을 하고 있다. 암모니아를 사용하는 비율만큼 탄소 배출량을 줄일 수 있기 때문이다. 한국도 전체 전기 발전량의 30% 이상을 석탄 화력발전으로 하고 있는 상황이라, 해당 기술에 관심이 많다. 독일의 선박용 LNG 엔진 제조사도 탄소 배출량을 줄이기 위해, LNG 와 암모니아를 섞어서 연료로 사용할 수 있는 엔진을 개발 중이라고 한다. (출처: 2022년 1월, IHI 홈페이지, IHI to Begin Developing Wholly Liquid Ammonia-Fueled Gas Turbine that Is Free of Carbon Dioxide Emissions)

하지만, 혼소 발전에 사용되는 암모니아 자체가 현재 생산방법으로는 탄소를 많이 배출하기 때문에, 이런 점을 포함하여 계산하면 혼소 발전의 탄소배출 감쇄효과는 미미하다는 의견도 많다.

+ 일본 최대 발전소 사업체, JERA 의 혼소 발전 설명 동영상 (일본어) : https://youtu.be/4X7K8hRmLDM

 

 

 

 

암모니아 생산도 중국이 1등

현재 암모니아 최대 생산국은 누구나 예상할 수 있는 중국이다. 생산능력 기준으로 전 세계의 3분의 1 (34%), 2020년 기준 실제 생산량으로는 26% 를 중국이 만들었다. 2~3위는 미국 (11%), 러시아 (10%) 순이지만, 모두 자국에서 소비하고 해외로는 거의 수출하지 않는다고 한다. 안 판다. 오히려 자국에서의 막대한 생산량도 부족해서, 수입하고 있다.

생산량으로는 순위가 뒤에 있지만, 수출량으로는 사우디아라비아의 Aramco가 1위이다. 그다음 순위로 호주나 인도네시아, 스페인 등. 하지만 대부분 자국에서 소비하고, 실제 거래량은 전체 생산량의 10% 가 안 된다고 한다. 사고 싶어도 파는 곳이 드물다. 그래서 독일과 일본은 미리미리 자원 부국이면서도 정치적 돌발 이슈가 적은, 호주와 암모니아 공급 협약을 추진하고 있다.

참고로 한국도 세계 4위의 암모니아 수입국. 2021년 기준, 국내에서 생산하는 암모니아는 0%, 즉, 없다. 약 40% 를 인도네시아에서, 35% 를 사우디에서 수입한다고 하며, 대부분은 비료 생산용으로 소비되고, 일부가 반도체 생산용 약품이나 특수소재, 의료용으로 사용된다고 한다. 참고로 일본은 2019년 통계 기준, 암모니아 소비량의 약 80% 를 자국 (생산업체: 닛산화학, 우베흥산, 주가이로공업 등) 에서 생산 중이고 나머지 20% 를 말레이시아에서 수입한다고 한다.

+ 2020년 인도네시아 수출입 통계에 따르면, 암모니아 최대 고객은 중국과 한국이다. 양국 모두 인도네시아 생산 암모니아의 각각 30% 씩을 사가고 있고,  대만이 14%, 일본이 8% 정도, 나머지가 인근 동남아 국가라고 한다. 비료 생산용 암모니아를 주로 수출하고, 특수 목적 암모니아는 많지는 않지만 수입도 하는 것 같다.

언론에 노출된 내용에 따르면, 향후 암모니아 생산에 가장 관심이 많은 국내 업체는 롯데그룹이라고 하는데, 롯데케미컬이 해외 수입 후 정제 생산을, 롯데정밀화학이 국내 유통을 담당할 계획이라고 한다. 계획대로 진짜 할지는 아무도 모른다. 현재 암모니아를 가장 많이 수입해서 보관하고 있는 업체는 전남 여수시에 본사가 있는 비료생산 업체, 남해화학이다. 2021년 연말 기준, 상시 암모니아 보관 양을 최대 약 8만 톤으로 증설하고, 연간 공급능력은 80만 톤까지 확장한다고 한다. 대주주는 지분율 56% 의 농협으로 사실상 농협의 자회사이다. (시골에 가면 가끔 볼 수 있는 농협 주유소가 남해화학이 운영하는 에너지 사업이라고 함)

+ Saudi Arabia 에 있는 암모니아 생산 공장 동영상 : https://youtu.be/UPen_gbuTOE

 

+ 중국에 있는 암모니아 생산 공장 동영상 : https://youtu.be/tI-z6hkP8HE

 

암모니아 태우면 불법

앞에서 이런저런 이야기를 했지만, 현재 암모니아를 연료로 쓰겠다고 맘대로 불을 붙이면, 잡혀간다. 불법이다. 아직 암모니아를 연료로 안전하게 태울 수 있는 연소장치가 없는 이유가 가장 크다. 앞으로 관련 법이 만들어질 수 있겠지만, 현재는 없고 언제 만들어질지도 알 수 없다. 더구나 암모니아는 재생에너지에도 해당되지 않으며, 현재와 같은 천연가스에서 추출하는 방법이나 하버·보슈 공법으로 생산하면, 향후에도 재생에너지에 포함될 가능성도 없다. 다만, 현재도 환경부 산하 지방환경청 승인을 받으면, 특수가스 생산·보관·운반·사용 허가는 받을 수 있다고 한다. '사용' 의 의미에 연료로 태우는 건 포함 안되나 보다.

+ 암모니아 태우기 기본부터 응용까지 동영상 : https://youtu.be/V_jiSKYroMs

 

120년이 되어가도 신기술 제로

국내외 학술 논문이나 국가 연구기관들의 홍보성 보도자료를 보면, 100년 만에 새로운 암모니아 합성/생산 기술을 개발했다는 내용이 넘쳐난다. 하지만 대부분 본인들 주장일 뿐이고, 그들에게 의미 있는 자금 투자를 하려는 에너지 기업은 아직 없다.

출처: 영국 Strathclyde 대학 에너지 시스템 연구소 홈페이지 (Haber-Bosch Process)

검증된 암모니아 생산기술, '하버·보슈 공법' 을 간단하게 설명하면, 질소를 200 기압 이상의 고압으로 압축한 후, 400도 이상 뜨겁게 가열하면, 어느 시점에서 질소끼리의 3중 결합이 끊어지는데, 이때 수소를 주입해서 촉매제의 도움을 받아, 질소와 수소가 서로 들러붙게 만들어 암모니아를 만드는 것이다. (쉽게 말하면 압력밥솥 안에 쌀과 물 대신, 질소와 수소를 넣고 밥이 다되면 암모니아가 만들어진다) 그런데 질소를 가열하는 연료가 대부분 화석연료이기 때문에, 생산 과정에서 탄소가 발생한다. 그것도 많이 많이.

여기저기 돌아다니는 신기술이라고 주장하는 몇 가지를 개요 정도만 언급하면서 이 글을 마무리하겠다. 아래 언급되는 내용은 현재의 기술추세 파악 목적이며, 모두 실험실에서 어느 정도 재현성을 가진 미성숙 기술들이다. 내용의 공통점은 탄소배출과 생산비용의 최소화.

1) Metal cycling 기술 (전기분해)

수전해 기술은 물(H₂O)을 전기분해하여, 수소와 산소를 만드는 방법인데, 여기서 물 대신 수산화 리튬 (LiOH) 을 전해액으로 넣어주고, 양극재로 고순도 리튬으로 만든 금속을 사용하여, 밀폐된 전기분해 장치 안에 미지근한 질소를 주입하면서 암모니아를 합성하는 방법이다 (전기분해에 사용되는 소재와 구성을 보면, 2차 전지 구성과 거의 동일). 논문에서는 주입되는 질소의 88% 이상이 수소와 결합하여 암모니아로 만들어졌다고 하는데, 실제 상용화되는데 중요한 반응속도에 대해서는 언급이 없다. 한마디로 정리하면 리튬의 높은 전기적 반응성을 활용한 기술로 파악된다. 화학소재 기술이 발달한 일본과 유럽에서 많이 연구되는 것 같다.

 

+ 2022년 11월, 미국 센트럴 플로리다 대학 (UCF) 물리학과의 대학원생 Lin Hu 와 Xiaofeng Feng 교수가 미국 화학협회 Energy Letters 에 발표한 논문, Identification of Active Sites for Ammonia Electrosynthesis on Ruthenium 에 따르면, 이제까지 발표된 전기화학적 암모니아 합성 방법들이 기술적으로 이해하기 어렵고 재현성이 높지 않다는 점을 지적하며, 질소 화합물 합성에 많이 사용되는 촉매제, 루테늄(ruthenium) 입자를 여러 크기로 분류하고 나노 적층기술을 이용하여 촉매제를 만든 후, 전기화학적 암모니아 합성 메커니즘을 명확히 설명하고 합성효율을 측정. 실험 과정에서 4 나노 크기의 루테늄 적층 촉매제를 사용하였을 때, 전기를 사용한 암모니아 합성 효율이 가장 좋았던 결과를 발표함.

(출처: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c02175 )

 

2) Mechano-chem 기술 (구슬 믹서)

철을 주성분으로 하는 촉매제를 여러 가지 크기의 구슬로 만들어서, 고속으로 회전하는 기계장치에 넣고, 밀폐된 구슬 회전 장치 안에 질소와 수소를 주입하여 암모니아를 만드는 기술이라고 한다. 회전 운동 에너지만으로 뜨겁게 달구어진 쇠구슬 표면에 질소가 쪼개져 이온화 되어 들러붙으면, 거기에 수소가 결합되어 암모니아가 만들어지면서 구슬에서 떨어져 나간다는 것이다. 한마디로 불과 냄비 없이, 통 안에 생쌀과 돌을 넣고 마구 흔들어서 뜨거워진 돌로 밥을 만든다는 것처럼 들린다. 이것도 암모니아가 합성되는 속도가 얼마나 빠를지 궁금하다. 회전 속도에 비례하나?

 

3) 플라즈마 기술 (연금술)

암모니아 합성 방법 중에서는 원리적으로 가장 심플한 기술이다. 플라즈마(Plasma) 라는 것 자체가 물질의 이온화 상태를 의미하기 때문에, 전기 방전을 통해 질소 가스를 저온 플라즈마 상태로 만든 후, 수소 흡수율이 어마어마한 팔라듐(Palladium) 을 촉매제로 사용하여, 질소 플라즈마에 수소를 주입하면, 이온화된 질소와 수소가 결합하여 암모니아가 만들어지는 아주 직관적인 기술이다. 하지만 플라즈마 만능주의자들이 세상에 너무 많음에도 뭔가 제대로 되는 것도 아직 들어본 적이 없다. (질소 플라즈마는 피부과에서 피부 재생을 위한 박피용으로도 사용 중인 흔한 기술)

출처: Plasma Activated Electrochemical Ammonia Synthesis from Nitrogen and Water Rakesh K. Sharma, Hrishikesh Patel, Usman Mushtaq, Vasileios Kyriakou, Georgios Zafeiropoulos, Floran Peeters, Stefan Welzel, Mauritius C. M. van de Sanden, and Mihalis N. Tsampas ACS Energy Letters 2021 6 (2), 313-319

 

※ 최대한 단순화해서 설명하면, 형광등 안에 조명용 아르곤 가스 대신, 질소와 수소를 넣어서 암모니아를 합성하는 방법이다. 양극(+)과 음극(-) 전극 사이의 좁은 공간에 기체 상태의 물질을 넣고 전기로 방전시키면, 물질이 이온화 되는 플라즈마 현상을 이용하여 질소와 산소가 서로 들러붙도록 하여 암모니아를 합성한다. 기체를 고압으로 주입하기 위해 형광등의 유리관 대신 압력에 강한 내압용기를 사용하고, 암모니아 합성효율을 높이기 위해, 형광등 내벽에 코팅되어 있는 형광물질 대신, 수소 촉매제가 사용된다.

 

+ 일본 MHI (미쓰비시 중공업)은 2017년부터 인도네시아의 석탁 화력발전소에서 일본의 암모니아 혼소 발전기술을 검증하는 사업을 시행하고 있다고 한다. 연료용 암모니아는 현지에서 조달하고, 혼소 발전용 장치 개발은 MHI 가, 이를 활용한 혼소 발전 공정 개발은 도쿄전력이 맡아서 진행하고 있다고. (출처: MHI 홈페이지, 2022년 6월 뉴스)

+ 일본 IHI 도 2022년 10월, 인도네시아 국영 전력회사 PLN 의 LNG 화력발전소에서 암모니아를 섞어서 발전하는 혼소 발전 시험을 실시했다고 한다. (출처: IHI 홈페이지, 2022년 10월 뉴스)

+ 독일 에너지 기업, E.ON 은 캐나다 풍력발전 기반 그린 암모니아 생산기업, EverWind 로부터 연간 50~100만톤의 그린 암모니아 구입 계약을 했다고 한다. 실제 공급은 2025년 초반부터 시작된다고. (출처:  Ammonia energy association, 2022년 9월 뉴스)