암모니아 생산 방식, 탄소집약도에 큰 영향 미쳐
[기계신문] 암모니아는 전 세계적으로 연간 약 1억 8천만 톤이 생산 및 소비되는 주요 화학 물질로, 기존의 비료, 화약, 플라스틱 등의 제조뿐만 아니라 최근에는 탄소 배출이 없는 친환경 연료 및 미래 에너지로 전망되는 수소를 효율적이고 경제적으로 수송 및 저장할 수 있는 매개체로 주목받고 있다.
현재 수소 연료전지를 통해 전기를 생산하는 발전 시스템은 주로 액화천연가스에서 추출된 수소를 사용하는 경우가 많아, 화석연료의 사용에서 발생하는 탄소 배출이 불가피하다. 또한, 천연가스와 관련된 공급 인프라가 제한적이기 때문에 발전 시스템의 위치가 제한될 수 있다.
UNIST 탄소중립대학원 및 에너지화학공학과 임한권 교수 연구팀은 ‘한국의 전기 생산을 위한 암모니아 수입의 확대와 최적화’에 대한 연구를 통해 암모니아를 분해하는 시스템과 인산형 연료전지를 결합해 작은 규모의 분산형 발전 시설을 설계하고, 암모니아 생산 방식별 수입량에 따른 시나리오를 세워 최적화를 진행했다.
분산형 발전 시스템은 중앙화된 발전소가 아닌 지리적으로 분산된 작은 발전 시스템으로 전력 손실을 줄이고 전력 공급의 안정성을 향상시킬 수 있다는 장점을 가진다.
연구팀은 해당 시스템에서 암모니아를 원료로 사용하기 위해 암모니아 생산부터 활용까지 전주기를 고려해 공정설계, 기술·경제성 및 환경성 평가, 수입에 대한 최적화를 연구했다.
이를 위해 먼저 통계 데이터를 기반으로, 국내 암모니아 수입의 80% 이상을 차지하는 인도네시아, 미국, 사우디아라비아 등 상위 10개 나라를 선정했다.
또한, 암모니아 종류를 생산 방식에 따라 화석연료를 기반으로 생산된 ‘탄소기반 암모니아’와 화석연료를 기반으로 생산돼 이산화탄소 포집 시스템으로 이산화탄소를 제거한 ‘탄소중립 암모니아’로 나눴다.
연구팀은 이 두 가지 유형의 암모니아를 수입 비율에 따라 시나리오를 설정했으며, 최근 20년간의 암모니아 실제 수입 기록을 바탕으로 경제성과 환경성을 확보할 수 있는 최적의 암모니아 수입 조건을 도출했다.
연구 결과, 암모니아 생산 방식이 이산화탄소 배출량에 대한 지표인 탄소집약도에 가장 큰 영향을 미치는 것을 확인했다. 연구팀은 한국이 수소를 생산할 때 사용하는 탄소중립 암모니아 비율을 78%까지 높일 경우, ‘2050 탄소중립’ 달성하기 위한 중간 목표인 2030년 탄소집약도에 도달할 수 있음을 확인했다. 이를 통해 탄소중립 암모니아를 활용한 전기 생산이 이산화탄소를 줄이는데 충분히 경쟁력 있다는 결과를 도출해냈다.
임동준 에너지화학공학과 석박사통합과정 연구원은 “암모니아는 탄소를 가지고 있지 않으면서 수소를 포함한 화합물로 효율적인 수소 운송체로 주목받으며, 분산형 발전 시스템의 원료로 활용된다면 여러 장점을 가질 수 있다”면서 “암모니아를 통한 발전이 타당성을 가지기 위한 조건을 도출했다는 점에서 의미가 있다”고 설명했다.
임한권 탄소중립대학원 및 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구는 암모니아를 분해하여 생산된 수소를 통해 연료전지에서 전기를 생산하는 시스템에 대한 통합적인 분석을 수행해 분산형 발전에서의 암모니아 활용에 대한 가능성을 보여준다”며 “2가지 상업화된 암모니아 생산 방식의 가격과 환경 영향성을 고려해 최종적으로 전기 생산 단가와 온실가스 배출 정도를 분석했지만, 이번 연구에서는 신재생에너지를 활용하는 방식은 고려되지 않아 관련 후속 연구를 수행 중”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 UNIST 탄소중립실증화센터, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업, 산업통상자원부의 재원으로 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 5월 13일자로 온라인 출판됐다.
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