암모니아(NH3)공급 체인 분석 : 암모니아를 통한 대용량 수소 공급체인

'수소'에 빠진 세계, 문제는 수소 저장과 대량 이동 인프라

 

 전 세계적인 '2050 탄소중립' 정책에서 빠지지 않고 등장하는 자원으로 '수소'가 자주 언급되고 있습니다. 석탄과 석유를 포함한 지구 온난화를 발생시키는 주범인 '탄소'중심의 경제 시스템을 수소를 매개체로 한 '탈탄소화' 경제 시스템으로 전환하겠다는 것이 수소 에너지 경제정책의 핵심이라고 볼 수 있습니다.

 그렇기 때문에 우리나라를 포함하여 전 세계의 선진국을 중심으로 수소 경제를 위해 수소 생산 및 저장과 운송, 그리고 연료전지 등의  인프라 확충에 필요한 기술을 개발하는데 집중을 하고 있는데요. 

 

 이 중에서도 수소의 저장 및 운송인프라의 확충하는 것은 수소를 생산하는 것만큼이나 단기간 내에 해결하기 어려운 문제입니다.

 

 

 

 

 

 

고압 수소 저장과 액화 수소 저장 방식의 단점

 

 현재 가장 광범위하게 사용되고 있는 수소의 저장방법은  바로 고압으로 압축하여 저장하는 고압 기체 저장 방식입니다.

 

(수소 기체 저장방식에 관한 내용은 아래 글을 통해 확인할 수 있습니다.)

2021.09.03 - [주식 투자] - 수소에너지 저장 방법 - 고압 기체 저장방법

수소에너지 저장 방법 - 고압 기체 저장방법

 그러나 고압으로 수소를 압축하여 저장하는 방법은 대형으로의 제작이 어렵다는 한계와, 압축 고압에 따른 위험 등의 단점이 존재합니다. 이러한 한계를 돌파하고자 '수소 액화 방식'이라 불리는 수소를 액화하여 저장함으로써 고압 저장 방식에 비해 최대 10배의 저장밀도를 높일 수 있는 기술을 개발 중이며, 실제 우리나라의 경우, 얼마 전 효성중공업과 독일계 화학기업인 Linde사와의 합작을 통하여 연간 1만 3천 톤 규모의 액화 수소를 생산할 수 있는 수소 액화 플랜트를 건설하기로 하였습니다. 

 문제는 수소를 액화시키기 위해서는 극저온(-253도)으로 냉각시키기 위한 추가적인 에너지가 필요하며, 극저온 액화 수소 저장용기로의 열침입으로 인한 증발 잠열(수소 증발)을 최소화할 수 있는 획기적인 기술개발이 필요합니다. 또한 아직까지는 극저온 액화 수소 저장을 위한 액화 수소 탱크의 가격이 고가인 데다가 극 저온 수소 수송을 위한 별도의 인프라 시설이 필요하다는 단점이 있습니다.

(수소 기체 저장방식에 관한 내용은 아래 글을 통해 확인할 수 있습니다.)

2021.09.24 - [투자 아이디어] - 수소 저장 방법 - 액체 수소 저장방법

수소 저장 방법 - 액체 수소 저장방법

 

 

 

 

수소캐리어로써 LOHC(액상유기수소운반체)기술의 대두

 

 이러한 각각의 고압 압축 방식와 액화 방식의 단점을 해결하기 위한 기술개발이 이루어지기 전까지 수소 경제를 활성화시키기 위해서 LOHC(Liquid organic hydrogen carrier)라 불리는 액상유기수소운반체 기술이 현실적인 대안으로 떠오르고 있습니다. 

 LOHC는 수소와 수소와 결합할 수 있는 물질이 서로 결합하거나, 분해될 수 있는 화합물을 지칭하는 것으로 주로 액상의 유기화합물이 그 대상이 되는데요. 이러한 LOHC가 주목받는 이유는 이 물질들의 액화온도가 극저온이 아니기 때문에 수송 및 보관이 용이하며, 기존의 석유와 같은 화학물질들을 운반하는 인프라를 그대로 사용할 수 있다는 장점이 크기 때문입니다.

 현재까지 알려진 LOHC 물질은 크게 방향족 탄화수소 물질과 헤테로고리 화합물로 나눌 수 있는데, 이 중 현재 시점에서 가장 각광을 받고 있는 물질은 바로 암모니아(NH3)입니다. 

 

 

 

 

가장 앞선 LOHC, 암모니아(NH3)

 암모니아는 액화온도가 섭씨 -33도에 불과하여 수소에 비해 액화처리하는데 있어, 기술적 장벽이 없는 데다가 암모니아는 수소분자를 1.5개를 포함하고 있어, 액화 수소 대비 단위 부피당 1.5~2배의 저장용량으로 대용량 저장이 가능하다는 장점이 있다고 알려져 있습니다.

액화 수소와 암모니아의 비교

 거기에다 한 해 전 세계의 암모니아의 생산규모는 1억6천만톤, 거래 규모는 약 1천6백만여 톤으로 국제적으로 거래가 되고 있기 때문에, 이미 전 세계적으로 암모니아에 대한 운송과 유통 인프라가 갖춰져 있다는 것도 액화 수소에 비해 큰 장점을 지니고 있습니다.

 이러한 암모니아의 장점이 이용가능하게 되면, 아래와 같이 국가 간 수소 교역 및 저장, 운송 공급체인이 완성될 수 있습니다.

1. A라는 수출 국가가 암모니아를 생산하여, 대형 저장탱크에 저장한 후,
2. B라는 수입 국가는 대형 터미널을 통해 저장 탱크로부터 암모니아를 싣고 본국으로 귀환
3. B국가의 대형 터미널의 저장탱크에 암모니아를 이송, 저장시킨 후
4. 저장 탱크 부근에 위치한 개질플랜트(SMR)을 통해 암모니아로부터 수소를 추출
5. 추출된 수소는 국내 수요처로 이송되고, 수소가 추출되고 남은 질소(N)는 화학비료나 염료 등의 질소화합물로 사용한다.

 

LOHC 수송을 통한 대용량 수소 공급체인 도식도

 

 이러한 경제성을 상대적으로 빨리 깨달았던 일본의 경우, 2017년부터 "2050년 수소사회 실현"이라는 청사진을 통해 수소 공급망 구축에 있어, LOHC와 액상 암모니아 방식의 수소 공급망 방식을 선제적으로 진행하고 있습니다.

 그 단편인 예로, 지난 2015년 일본은 브루나이로부터 LOHC중 한 종류인 톨루엔을 통해 수소를 선박을 통해 가져오는 실증을 진행하는 한편,  2020년에는 사우디아라비아의 아람코에서 생산한 '블루 암모니아' 40여 톤을 선박을 통해 수입하는 등, 적극적인 LOHC를 통한 수소 교역 실증사업을 벌이고 있습니다.


다음 글에서는 암모니아 생산방법과 '블루 암모니아', '그린 암모니아'에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다. 

 

 

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