암모니아, 수소 경제의 매개체

수소의 최적 운송 수단은 거리에 따라 상대적이며, 단거리 운송은 주로 기체 상태의 수소를 고압으로 압축하거나(고압 수소) 초저온 상태로 냉각하여(액체 수소) 기존의 파이프라인이나 튜브 트레일러를 활용해서 이동시킨다. 고압 수소는 에너지 밀도가 매우 낮아 1회 운반 가능한 규모가 매우 적고, 액체 수소는 수소의 액화를 위해 영하 253℃ 이하의 초저온 상태를 유지하기 위한 에너지 비용이 높은 단점이 있다. 따라서 대한민국에서 대용량의 수소를 장거리 운송으로 수입하기에는 고압 수소나 액체 수소 활용에는 한계가 있으며, 가장 현실적인 대안으로 주목받고 있는 것이 바로 암모니아다.

2021년 국제에너지기구(IEA) 역시 가장 효율적인 수소 운송 방식으로 암모니아를 꼽은 바 있는데, 그럼 암모니아를 수소 운반체로 활용하기 위해 필요한 두 가지를 살펴보자. 암모니아가 수소 경제에서 ‘수소 운반체’로서 역할을 수행하기 위해선 생산 과정에서 탄소배출을 최소로 하여야 한다. 전통적인 방법으로 생산되는 암모니아는 한 세기 전 독일의 화학 기업 BASF가 상업화한 하버-보슈 공정을 통해 매년 약 2억 톤 가량 생산되며, 인류의 식량 자원을 책임져왔다. 이는 화석 연료를 기반으로 한다.

고온(300~400℃), 고압(~200bar) 조건에서 수소와 질소를 반응시켜 암모니아를 생산하는데, 이 공정에서 전 세계 에너지의 1.8%를 소모하며, 발생되는 탄소의 양이 매년 3억 8천 톤에 달한다. 암모니아 합성에 필요한 수소를 화석연료를 개질 해서 얻다 보니 ‘수소’의 생산만으로도 엄청난 양의 이산화탄소를 배출한다. 게다가 현재의 기술 수준으로는 하버-보슈 공정 자체를 대체할 수 없어 하버-보슈 공정에 필요한 ‘수소’를 친환경적으로 생산하는 기술들이 주목을 받고 있다.

수소는 만들어질 때 탄소 배출 정도에 따라 그레이 수소, 블루 수소, 그린 수소로 부르는데, 암모니아도 하버-보슈 공정에 사용되는 수소의 종류에 따라 암모니아의 색이 결정된다. 현재 비료의 원료로 사용되고 있는 대부분의 암모니아는 화석연료 개질 수소(그레이 수소)를 사용해 합성되며, 이를 그레이 암모니아라고 한다. 하지만, 그레이 암모니아는 탄소 배출이 너무 많아 더 깨끗하게 생산된 수소를 활용해야 한다.

암모니아, 수소 경제의 원유

암모니아를 매개체로 한 수소 경제가 본격적으로 활성화되기 위해서는 블루 및 그린 암모니아 생산을 위한 이산화탄소 포집 및 활용 기술, 그린 수소 생산을 위한 수전해 기술뿐만 아니라, 수소 활용처에서 암모니아로부터 수소를 추출하는 전 과정이 기술적으로 충분히 성숙하여 경제성을 갖추어야 한다. 좀 더 현실적으로, 대용량의 암모니아를 수입하기 위한 항만 시설 구축, 암모니아 저장 용량 확대, 로컬 운송 체제 구축 및 안전 규정 확보 등의 인프라 구축 및 산업표준 개발이 필요하다. 암모니아는 지하자원이 아닌 합성자원이라 과학기술 혁신을 통해 대한민국이 에너지 패러다임 변화를 주도하고 암모니아 원유 생산국이 될 수 있길 기대한다.