글로벌 암모니아 시장 동향 및 암모니아 발전 관련 이슈
글로벌 암모니아 시장 동향 및 암모니아 발전 관련 이슈
  • 김지희
  • 승인 2022.05.04
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김지희 한국전력공사 경영연구원 선임연구원

암모니아의 특징과 활용

암모니아(NH3)는 질소(N)와 수소(H)의 화합물로 연소과정에서 온실가스(CO₂)를 배출하지 않기 때문에 기후위기 대응 수단으로서의 활용가치를 지닌다. 이러한 암모니아는 공기 중의 질소와 별도 추출한 수소를 결합해 생산하는데, 결합하는 수소의 종류에 따라 표 1과 같이 그레이·블루·그린 암모니아로 분류할 수 있다. 이 중 제조에서 활용에 이르는 전 과정에서 온실가스를 배출하지 않는 블루·그린 암모니아를 청정 암모니아로 지칭하며, 탄소중립 달성을 위해서는 이러한 청정 암모니아를 활용해야 할 것이다.

 

 

이러한 암모니아는 농업용 비료·플라스틱·폭발물·의약품 제조, 선박용 탄소중립 연료, 수소 운반체(carrier), 암모니아 발전 등에 활용할 수 있다. 먼저 암모니아를 선박연료로 활용할 경우 수소연료 선박보다 기술적 난이도가 낮아 빠른 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 예상된다. 다음으로 암모니아는 수소보다 액화가 쉽고(액화온도 : 수소 -253℃, 암모니아 -33℃) 액화수소 대비 1.5배의 수소를 저장할 수 있기 때문에 수소를 장거리로 운송할 경우 액화 암모니아를 활용하는 것이 유리하다. 또한 암모니아 100% 전소 발전 시 발전단가는 241.4원/kWh로 999.5원/kWh인 수소발전 대비 발전단가가 25% 수준으로 예상되므로 경제성 측면에서 암모니아 발전의 강점이 두드러진다. 이렇듯 수소보다 저장과 운송이 쉽고 운영비도 저렴한 암모니아는 수소경제 구현을 위한 징검다리 역할이 가능해 에너지 전환 과정에서의 암모니아 활용에 대한 관심이 커지고 있다.

국내외 암모니아 생산 및 거래 현황

전 세계적으로 생산된 암모니아의 80%는 농업비료로 사용되며, 글로벌 120여 개의 항구에 암모니아 터미널이 구축되어 있는 등 운송 인프라는 확충돼 있는 상황이다. 이러한 암모니아 관련 현황을 설비, 생산, 거래로 분류해 살펴보면 다음과 같다.

먼저 설비 축면에서 글로벌 암모니아의 생산설비 규모는 2020년 기준 2억 2,000만 톤으로 중국, 미국, 러시아가 각각 34%, 11% 10%의 비중을 차지하며 이러한 설비의 평균 이용률은 약 81%다. 특히 중국의 경우 설비 이용률이 72%로 낮아 생산 여유용량이 2,100만 톤에 이른다. 2020년 전 세계 암모니아 생산설비 규모와 이용현황은 표 2에서 나타냈다.

다음으로 생산 측면에서 2020년 1억 8,000만 톤의 암모니아가 생산됐으며 중국, 러시아, 미국이 각각 26%, 11%, 10%의 비중을 차지한다. 또한 암모니아 거래량은 생산량의 약 10%인 1,800만 톤으로 사우디, 러시아가 주로 수출하는 반면 미국, 인도, 모로코, 한국 순으로 수입을 많이 하고 있는 상황이다. 이러한 글로벌 암모니아 설비용량 및 수출입 현황은 그림 1과 같다.

향후 전 세계 암모니아 수요는 2030년 기준 1억 9,000만∼2억 1,000만 톤으로 2030년 글로벌 암모니아 총 설비용량인 2억 9,000만 톤의 66∼72% 수준으로 전망된다.

국내의 경우 암모니아 소비 전량을 수입으로 충당하고 있으며, 2020년 수입량은 세계 4위인 122만 톤으로 인도네시아(39%), 사우디(35%), 오만(5%) 등에서 수입하고 있다. 이러한 국내 암모니아 소비량의 약 55%는 농업용 비료에 사용되며 나일론·플라스틱 등의 제조와 반도체 제조용 가스에 각각 16%, 10%가 사용된다.

암모니아 활용 관련 국내외 동향

가. 국내

암모니아 활용과 관련해 국내의 경우 에너지 전환을 위해 암모니아 활용 확대에 대한 정부의 정책과 산업계 노력이 진행 중이다. 먼저 정책 측면에서 보자면 ‘2050 탄소중립 시나리오(2021.9)’, ‘탄소중립기본법(2021.8)’에서 전환 부문 온실가스 감축을 위한 방안으로 암모니아-석탄 혼소 발전을 제시하고 있다.

2050 탄소중립 시나리오의 경우 전환 부문에서 2050년 발전량의 13.8∼21.5%에 해당하는 166.5∼270TWh를 암모니아 발전, 수소 터빈 등 상용 가능한 무탄소 가스터빈으로 공급할 계획이다. 이러한 2050 탄소중립 시나리오의 전환 부문 전원별 발전량 시나리오는 그림 2에서 나타냈다.

2030년 온실가스 감축목표를 2018년 7억 2,760만 톤 대비 26.3%에서 9%p 상향한 35% 이상으로 조정한다는 내용의 탄소중립기본법에서는 전환 부문의 온실가스 감축을 위해 ‘석탄+암모니아 혼소 발전’을 제시했다. 즉, 상향된 NDC 달성을 위해 전환 부문은 2018년 배출량 2억 6,960만 톤의 42.4∼52.3%를 감축해야 하며, 이를 위한 전원 구성에서 암모니아 발전량은 22TWh로 전체 발전량 대비 3.6%에 해당한다.

국내 산업계의 경우 롯데, GS에너지 등이 그린·블루 암모니아의 국내 조달을 추진 중이다. 먼저 롯데는 국내 최초로 그린 암모니아 생산부터 운송, 유통, 최종 활용까지 그룹 계열사가 주축이 된 독자적인 가치사슬을 구축할 계획이다. 롯데케미칼의 경우 2030년까지 4조 4,000억 원을 투자해 해외 발전·에너지업체와 협업해 재생에너지가 풍부한 해외에서 그린수소를 직접 생산할 예정이며, 이렇게 해외 생산된 연 44만 톤의 그린수소는 롯데글로벌로지스가 암모니아로 변환한 후 한국조선해양이 개발할 예정인 암모니아 연료추진 선박을 활용해 국내에 들여올 계획이다. 국내에 들여온 암모니아는 글로벌 암모니아 시장 내 주요 구매기업이며 국내 암모니아 유통량의 70%를 담당하는 롯데정밀화학을 통해 유통된다. 마지막으로 롯데케미칼은 SK가스와 협업해 수입한 암모니아로부터 수소를 추출해 충전소에 공급하고, 2024년 연료전지 발전, 2025년 수소터빈 발전 사업 등 암모니아를 적극적으로 활용할 예정이다. 또한 GS에너지는 아부다비 서부 도시 루와이스(Ruwais)에 연 생산능력 100만 톤 규모의 대형 블루 암모니아 생산공장을 건설 중인 애드녹(UAE 국영 석유기업)으로부터 암모니아를 공급받아 발전연료로 활용할 예정이다.

나. 해외

글로벌 그린 암모니아 생산은 그린수소 생산지역인 사우디·호주와 재생에너지가 풍부한 덴마크·영국 등이 주도적으로 추진하고 있다. 사우디의 국영 석유기업인 아람코는 미국 가스회사 에어프로덕츠와 협업해 사우디 북서 도시 네옴(Neom)에 50억 달러를 투자해 세계 최대 그린 수소·암모니아 생산공장을 건설, 2025년부터 4GW 규모의 태양광·풍력 발전으로부터 하루 650톤의 그린수소를 생산하고 이를 재가공해 연간 120만 톤의 그린 암모니아를 공급할 계획임을 발표했다(2020.7). 또한 노르웨이 화학기업인 야라와 프랑스 유틸리티 ENGIE는 호주 정부의 지원으로 호주 필바라(Pilbara) 지역에 100MW 이상의 태양광 발전을 이용해 그린 수소를 생산하고 이를 통해 2022년 하루 100kg, 2030년 하루 500kg의 그린 암모니아를 생산하는 공정을 개발 중이다. 다음으로 덴마크 풍력설비 제조기업인 Vestas와 덴마크 탄소저감 기술기업인 할도톱소는 화석연료 대체를 위해 덴마크 서유틀란드(Western Jutland) 지역에 연간 5,000톤 이상의 그린 암모니아 생산설비를 건설해 2023년부터 운영할 계획을 수립했다. 영국의 경우 영국의 그린 암모니아 기술기업 Eneus Energy가 스코틀랜드 오크니(Okney) 지역의 풍력발전 8.4MW를 활용한 그린 암모니아 생산공장을 건설해 하루 11톤의 그린 암모니아를 공급할 예정이다.

일본은 사우디아라비아, UAE에서 생산되는 블루 암모니아를 자국으로 수송하고 있다. 먼저 사우디의 경우 아람코 및 국영 석유화학 기업인 사빅과 미쓰비시 중공업, 일본 엔지니어링 기업 JGC 홀딩스가 협업해 블루 암모니아를 일본으로 수송하는 시범사업을 추진하고 있는데, 해당 사업을 통해 2020년 9월 암모니아 40톤을 일본으로 수송했다. 또한 UAE의 애드녹은 2012년 8월 일본 대표 유통기업인 이토추, 일본 화학업체인 이데미츠 코산 등 일본 기업과 블루 암모니아 판매 계약을 체결했으며, 추후 국내 기업인 GS에너지에도 블루 암모니아를 공급할 예정이다. 이러한 사례를 통해 화석연료에 대한 탈탄소화의 일환으로 청정가스의 생산과 판매를 중점 사업으로 추진하고 있는 사우디 아람코, UAE 애드녹 등 중동의 주요 석유 수출업체들은 아시아 바 이어들과의 기존 원유 거래 관계를 활용해 수소·암모니아 판매를 추진 중임을 알 수 있다.

일본은 자국 내 암모니아 운송 뿐만 아니라 2050 탄소중립 달성 방안으로 암모니아 발전을 준비하고 있으며, 암모니아 수급 안정을 위한 공급망 구축과 발전비용을 낮추기 위한 R&D를 추진 중이다. 동경전력과 중부전력의 화력발전 합작회사로 일본 화력발전의 50%, 총 발전량의 30%를 점유 하고 있는 JERA는 2030년까지 비효율 석탄발전을 전부 폐지하는 반면 2040년까지 암모니아-석탄 혼소 20%, 2050년까지 암모니아 전소발전을 운영할 계획임을 발표했다(2020.10). 이는 수소보다 더 빨리 실용화를 추진하는 것으로 JERA의 2050년 화력 부문 탄소중립 추진 내용은 아래의 그림과 같다.

뿐만 아니라 일본 정부는 ‘2050년 탄소중립을 실현하기 위한 녹색성장전략(2020.12)’, ‘6차 에너지기본계획(안)(2021.7)’ 및 현재 논의 중인 석탄화력 발전효율 규제 기준 상향과 관련해 암모니아를 대안으로 제시했다. 녹색성장전략과 6차 에기본에서는 2030년까지 암모니아-석탄 20% 혼소 발전 실증사업을 확대 운영한 후 실용화를 완료하고 점차 혼소 비율을 확대해 2050년까지 암모니아 전소 발전 기술을 개발할 계획이다. 또한 녹색성장전략은 현재 m² 당 20엔인 암모니아 공급가격을 2030년까지 10엔으로 낮추고, 2030년 연간 300만 톤에서 2050년에는 연간 3,000 만 톤까지 암모니아 이용을 늘릴 계획이다. 이를 통해 현재 41%인 석탄발전 효율 기준을 43%로 상향하기 위해 발전효율 기준 불이행 시 일정 수준의 벌금을 부과하고 있으며 ‘에너지절약법’ 개정을 논의 중으로 상향목표 달성 수단으로 암모니아 혼소를 고려하고 있다.

암모니아 혼소 발전 관련 주요 이슈

가. 암모니아 수급

2050 탄소중립위원회의 ‘2030 NDC 검토(안)(2021.9)’에서 제시된 암모니아 발전량 22TWh를 충족하기 위해서는 21GW에 달하는 석탄발전기에 암모니아를 20% 혼소해야 하는데(발전설비 이용률은 60% 가정), 이를 위해서는 2020년 국내 암모니아 총수입량 122만 톤의 약 9배에 달하며 2030년 예상되는 전 세계 암모니아 생산 설비 용량 2억 9,000만 톤의 4% 수준인 1,100만 톤의 암모니아가 필요할 것으로 추정된다. 하지만 2030년 예상되는 전 세계 암모니아 수요는 1억 9,000만∼2억 1,000만 톤이기 때문에 그간 설비이용률과 발전용 암모니아 수요 추가량에 따라 수급 리스크가 발생할 수도 있는 상황이다. 즉 설비이용률이 2020년 수준인 81%가 유지된다고 가정하면 2030년의 공급 여유분은 2,500∼4,500만 톤으로 한국과 일본의 발전용 암모니아 예상 수요 1,400만 톤(국내 1,100만 톤, 일본 300만 톤) 조달에는 무리가 없을 것으로 전망된다. 하지만 일본의 실증사업 결과에 따라 2030년 수요가 300만 톤 이상으로 증가하거나, 향후 석탄발전 이 많은 중국 등이 암모니아 발전을 하게 되면 수급 차질이 발생할 가능성이 존재한다. 따라서 이러한 2030년 전 세계 암모니아 공급능력과 예상 수요를 고려해 장기 공급계약, 해외 암모니아 생산 설비 투자 등을 통해 안정적인 공급선을 확보해야 할 것이다. 특히 현재 진행 중인 그린·블루 암모니아 프로젝트는 생산능력이 연간 221만 톤에 불과해 예상 국내 수요 1,100만 톤의 상당 부분은 그레이 암모니아로 충당해야 하는데, 이는 온실가스 감축이라는 암모니아 발전의 본래 취지와는 상충되므로 이에 대한 검토가 선결돼야 한다.

또한 2020년 전 세계 암모니아 거래량 1,800만 톤에 발전을 위한 암모니아 거래량인 1,400만 톤이 추가되면 국제적인 저장·수송 인프라가 부족해질 것이라 예상되므로 향후 암모니아 발전에 따른 예상 수요량을 고려한 저장·수송 인프라 확충이 필요하다. 참고로 현재 우리나라에서는 글로벌 3위의 암모니아 구매기업이자 국내 암모니아 유통량의 70%를 담당하고 있는 롯데정밀화학이 93만 톤 규모의 저 장탱크를 보유하고 있는 상황이다.

나. 지정학적 리스크

암모니아 주요 수출국인 중동과 러시아, 최대 생산국인 중국에서 암모니아를 수입하는 경우 정세 불안, 자원 무기화 등의 리스크가 존재한다. 중동의 경우 2014년 발발한 예멘 내전도 실상은 사우디와 이란의 대리전쟁으로 알려지는 등 사우디(수니파)와 이란(시아파)의 종교 갈등으로 인한 정세 불안 가능성이 상시 존재한다. 최근에는 탈레반의 아프가니스탄 장악으로 중동 내 친미 국가이자 이슬람 성지 메카와 메디나가 있는 사우디 내 테러 위험성이 높아진 상황이다. 이로 인해 중동 지역에서 운영 중인 암모니아 공급 시설이 타격을 받아 전 세계적으로 암모니아 수급에 차질이 발생할 수 있다. 또한 러시아와 중국으로부터의 암모니아 수입은 자원민족주의에 기반한 자원 무기화가 리스크 요인이 될 수 있다. 세계 최대 천연가스 보유국인 러시아는 서방 친화적인 우크라이나에게 기존 대비 4배 이상의 가스가격을 제시하고, 이에 대한 협상이 결렬되자 2009년 1월 당시 가스 소비량의 25%를 러시아로부터 수입하고 있던 우크라이나와 서유럽에 대해 2주 동안 가스 공급을 전면 중단한 바가 있다. 또한 전 세계 희토류 공급의 90% 이상을 차지하는 중국은 2010년 일본과의 센카쿠열도 분쟁 당시 희토류의 일본 수출을 금지했고 이로 인해 일본의 희토류 수입가격이 9배 이상 폭등하는 상황이 발생했다. 이러한 사례를 반추했을 때, 암모니아 발전 상용화로 러시아, 중국에 대한 암모니아 의존도가 높아질 경우 천연가스와 희토류 사례 등과 같이 암모니아를 자원 무기화하는 상황이 발생할 수 있다. 지정학적 리스크는 특히 암모니아 소비 전량을 수입하는 우리나라에 더 민감하며 이로 인해 암모니아 발전에도 불안 요소로 작용할 것으로 예상된다.

다. 경제적 측면

국내 석탄발전기에 암모니아를 20% 혼소할 경우 발전단가(LCOE)는 신재생 발전단가보다는 낮지만 석탄이나 LNG 복합화력보다 높은 수준이다.

또한 일본의 암모니아와 수소 혼소 발전단가를 비교하면 석탄-암모니아 혼소의 발전단가가 가스-수소 혼소 발전단가의 44% (20% 혼소 기준) 수준이다.

위의 내용을 바탕으로 유추했을 때, 향후 암모니아 대량 생산, 신재생 전원을 활용한 그린 암모니아의 생산비용, 글로벌 수급 상황 등에 따라 가격이 변동할 것으로 예상돼 경제적 판단이 어려울 것으로 전망된다.

라. 정책적 측면

국내 ‘유해화학물질관리법’상 암모니아는 제조, 판매, 보관·저장, 운반, 사용 등의 영업에 사용하고자 할 때 환경청의 허가를 받아야 하며 암모니아 및 암모니아가 10% 이상 함유된 혼합물은 유해성이 있는 유독물질로 분류, 급성독성과 폭발성이 강해 화학사고 위험이 있는 사고 대비 물질로 취급된다. 또한 ‘신재생에너지법’에 따르면 수소에너지, 연료전지가 신에너지로, 태양, 풍력, 수력, 해양, 지열, 바이오, 폐기물에너지가 재생에너지로 인정되는 반면 암모니아는 인정되지 않으므로 암모니아 발전은 RPS를 이행하기 위한 수단으로 활용될 수 없으며 REC 또한 발급되지 않는 상황이다. 즉, 현재 국내에서 암모니아를 발전 연료로 활용할 경우 법적인 장애요인은 있으나 유인책은 부족한 상황이다.

결론 및 시사점

수소경제 구현을 위한 교두보로서 암모니아 활용에 대한 전략방향 설정이 시급하다. 즉, 암모니아 발전이 탄소중립을 달성하기 위한 수단으로 활용된다는 취지를 고려할 때 궁극적으로 전 과정에서 온실가스가 배출되지 않는 청정(블루·그린) 암모니아가 활용돼야 할 것이다. 하지만 현재 시장 여건 상 당분간 그레이 암모니아 활용이 불가피함을 고려해 중장기적 관점에서 암모니아가 온실가스 감축에 기여할 수 있는 전략을 수립하는 등의 근본적인 논의가 필요할 것이다. 특히 일본은 초기부터 과감하고 도전적인 목표를 설정하기 보다는 2050년 청정 암모니아 전소를 목표로 기술개발과 해외 청정 암모니아 조달을 통해 안정적인 공급선 확보에 집중하고 있어 우리의 전략방향 설정에도 시사하는 바가 크다.

다음으로 국내 암모니아 발전의 활성화를 위해서는 암모니아 수급과 관련된 리스크 요인을 파악해 안정적인 공급물량을 확보해야 할 것이다. 단기적으로는 생산설비의 규모와 여유 용량, 지정학적 리스크를 고려할 때 중국, 중동, 유럽 등 다수의 국가로 공급선을 분산화 해야 할 것이다. 또한 장기적으로는 지정학적 리스크가 적고 신재생발전 여건이 좋은 호주 등을 대상으로 그린 암모니아 공동 개발, 생산 설비 건설 투자 참여, 그린 암모니아 장기 공급계약 등을 추진함으로써 안정적인 그린 암모니아 수급을 도모해야 한다. 특히 장기 공급계약은 수급안정과 더불어 국내에 유통되는 암모니아 규모를 정확하게 파악할 수 있어 적정 수준의 암모니아 저장·수송 인프라 확충에도 기여할 것으로 기대 된다.

암모니아 공급선 확보와 아울러 유통채널 확보를 위한 노력도 중요하다. 현재 암모니아 국제 거래량은 생산량의 10%에 불과해 발전용 암모니아 수요가 늘어나게 되면 저장·수송 인프라 등의 유통채널 구축이 매우 중요해진다. 특히 일본과의 청정 암모니아 확보 경쟁이 예상되므로 글로벌 유통채 널과의 파트너십, 해외 신재생 발전 확대, 정부 차원에서의 지원 등을 통해 유통채널을 선점해야 할 것이다.

마지막으로 기술개발, 정책 지원 등을 통한 암모니아 활용 토대 구축이 필요하다. 이를 위해 암모니아-석탄 혼소 발전 관련 기술개발을 통한 발전단가 하락 유도, 암모니아에 대한 법적제재 완화, 신재생에너지로의 인정 등에 대한 논의와 함께 제도 마련이 필요하다.

김지희 한국전력공사 경영연구원 선임연구원 keaj@kea.kr


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