지난 글에서는 대용량 수소의 운반방법으로 주목을 받고 있는 암모니아가 지닌 특성과 활용방법에 대해서 알아보았습니다.
암모니아 밸류체인 시리즈
2021.09.30 - [투자 아이디어] - 암모니아(NH3)공급 체인 분석 : 암모니아를 통한 대용량 수소 공급체인
2021.10.15 - [투자 아이디어] - 암모니아(NH3)공급 체인 분석 : 암모니아의 해운수송
2021.10.17 - [투자 아이디어] - 암모니아(NH3)공급 체인 분석 : 암모니아의 특성과 암모니아 저장탱크 분석
2021.10.19 - [투자 아이디어] - 암모니아(NH3)경제 밸류체인 분석 - 암모니아 레디
이번 글에서는 암모니아의 생산방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
전통적인 암모니아 생산방법
현재 암모니아의 생산방법은 Haber-Bosch(하버-보슈)법에 의한 천연가스와 같은 메탄 수소계 혹은 석탄 등의 탄화수소계 물질을 고압(~200 Bar)과 고온(섭씨 300~400)에서 천연가스의 경우 개질 공정(Reforming)을 거치거나, 석탄의 경우 수증기를 이용한 합성가스(Synthesis gas)화 과정을 통해 수소를 분리, 추출한 다음 질소와의 발열 반응을 통해 암모니아를 합성하여 생산합니다.
하버-보슈 합성방법에 따른 암모니아 합성 반응식은 아래와 같습니다.
전 세계 암모니아 생산규모
현재 전세계의 암모니아의 생산은 바로 이러한 하버-보슈법에 의해 제조되고 있는데, 세계 전체의 암모니아 생산규모는 약 1억 4천만 톤 규모이며, 가장 많이 생산하는 국가는 중국으로 약 27% 정도의 생산비중을 차지하고 있으며 중국, 러시아, 인도, 미국 등 상위 생산국가들의 비중은 약 55%에 달합니다.
아래 연도별 세계 암모니아 생산량을 보면 2015년부터 2019년까지 생산 증가율은 거의 변동이 없는데, 이는 그간 암모니아에 대한 주요 수요가 화학비료 제조와 기타 화학산업 원료로써 수요량 자체가 오랜 기간동안 한정되어 있었기 때문에 생산량을 늘릴 이유가 없었던 탓입니다.
하버-보슈법에 의한 전통 암모니아 제조의 단점
위와 같이 현재 암모니아를 생산하는데 사용되고 있는 하버-보슈 공정은 서두에서 언급한 대로 천연가스나 석탄을 원료로 수소를 생산하기 때문에 다량의 이산화탄소를 배출하는 문제점을 가지고 있는데요. 1 kg의 암모니아를 생산하는데 발생하는 이산화탄소의 양은 3.45kg로 알려져 있습니다. 즉, 적은 청정에너지를 생산하기 위해 다량의 온실가스를 발생시키는 셈입니다.
또한 다른 단점으로는 수율을 꼽을 수 있는데요. 현재 전세계에서 상업용도로 생산되는 규모 정도에서의 하버-보슈법에 의한 암모니아 합성 효율은 대략 70%인데 이 중 가장 효율 손실은 바로 수증기 개질 반응 중에서 발생하고 있습니다.
정리하자면, 기존의 암모니아를 생산하는 하버-보슈법은 낮은 생산 수율과 동시에 다량의 이산화탄소 배출이라는 단점을 가진 하버-보슈 합성방법처럼 화석연료들을 개질 하여 생산된 수소와 극저온 공기분리방식을 통해 생산된 질소를 합성시켜 만들어진 암모니아를 '그레이 암모니아'라고 부르며, 만약 수소를 생산하는 과정에서 발생되는 이산화탄소를 별도로 포집(CCS)되었다면, '블루 암모니아'라고 불립니다.
전기화학적 암모니아 합성방법
전기화학적 방법을 통한 암모니아 합성방법은 상압 저온(섭씨 100도 이하) 조건에서 물과 질소를 원료로 전기화학적으로 암모니아를 생산하는 방법으로 여타 연료전지나, 수전해, 전기배터리와 같이 전극 촉매, 전해질로 이루어진 전해셀이 핵심부품입니다.
현재까지 알려져있는 전기화학적 암모니아 합성방법으로는
1) 고체상 분리막 기반 전기화학적 암모니아 합성방법(Solid State Ammonia Synthesis, SSAS)
2) 액상 기반 전기화학적 암모니아 합성방법 (Liquid State Ammonia Synthesis, LSAS)
으로 나누어 볼 수 있는데요
두 가지의 방법 모두다 삼중 결합 형태를 지닌 질소 분자에 수소를 첨가하는 수첨 반응을 통해 암모니아를 합성하는 방식입니다.
기존 하버-보슈 방법을 통한 암모니아 제조는 석탄이나 천연가스를 사용하기 때문에 1) 원자재 가격 변동에 의해 생산원가의 큰 변동성과 2) 이로 인한 공급의 불안정성이 발생하는 문제를 가지고 있지만, 전기화학적 합성방법은 물과 공기, 그리고 전기를 이용해 암모니아를 생산할 수 있으므로 가격 변동은 크지 않는 대신, 전기 가격의 경제성에 따라 암모니아의 경제성이 확보된다는 단점이 있습니다. 특히 암모니아는 청정에너지인 수소의 장거리 수송의 대안캐리어로서의 역할이기 때문에 합성시, 사용하는 전기는 태양광이나 수전해를 통한 그린에너지를 통해 사용하는데, 이렇듯 재생에너지 + 전기화학적 합성방법을 통해 생산된 암모니아를 '그린 암모니아'라고 불리며, 그린 암모니아의 단가는 바로 재생에너지의 생산 단가에 의해 크게 좌지우지됩니다.
우리나라의 암모니아 생산 및 저장 능력은?
한때 우리나라가 식량자급화를 최우선 경제과제로 삼았던 1960년대에는 식량증산의 필수불가결의 요소 중 하나로 비료확보를 손에 꼽았기 때문에 당시에 암모니아 공장은 우리나라의 중화학 공업을 대표하는 산업 중 하나였습니다.
그러나 우리 나라의 대부분의 암모니아 공장에서 암모니아 생산을 위해 사용하던 원료는 '나프타'로써 천연가스에 비해 상당히 고가인 탓에 나프타를 원료로 암모니아를 생산하는 것보다 암모니아를 수입하는 것이 저렴할 정도로 경제성이 낮아지게 되었습니다.
결국 국내에서는 암모니아 생산량이 점점 줄어들게 되었고, 2004년에는 연간 연간 30만 톤의 암모니아를 생산하던 남해화학이, 2011년에는 20여만 톤의 암모니아를 생산하던 삼성정밀화학 (2015년 롯데에 매각되면서 현재는 롯데정밀화학으로 변신)이 암모니아 생산을 중단하면서 국내에서는 더 이상 암모니아를 생산하지 않고 있으며, 대신 해외에서 수입된 암모니아를 저장하는 탱크를 보유하고 있어, 암모니아의 해외 수송 및 국내 저장 등의 인프라는 계속 보유하고 있는데요.
현재까지 알려진 바에 따르면 국내의 암모니아 저장탱크는 롯데정밀화학이 울산에 93만 톤 규모의 암모니아 저장탱크를 보유하고 있어, 국내 최대 저장용량을 보유하고 있으며 이외에도 여수와 인천 등에 암모니아 터미널과 저장탱크들이 위치해 있습니다.
그러나 근래들어 '그린 암모니아'생산에 참여하는 기업들이 등장하고 있는데요. 대표적인 기업으로는 포스코와 휴켐스를 들 수 있겠습니다.
'그린 암모니아' 사업 진출 국내 기업은?
포스코의 그린암모니아 생산 진출
포스코의 경우, 2050년까지 모든 철강 생산에 필요한 에너지원을 '수소'로 전환하겠다는 '수소환원제철법'개발을 공식화하였는데요. 아래 보도된 뉴스에 따르면 포스코는 한국과학기술원과 포항산업과학연구원과 협업하여 대용량 암모니아로부터 고순도 수소를 추출하는 '그린 암모니아'를 생산하겠다는 계획입니다.
https://biz.chosun.com/industry/company/2021/05/25/EBPMAFVWKVD2ZMHEO2JXLRQXIY/
롯데·포스코·현대重·HMM, ‘암모니아’ 드림팀 꾸렸다(종합)
롯데·포스코·현대重·HMM, 암모니아 드림팀 꾸렸다종합 한국조선해양, 암모니아 추진선 개발 → 한국선급, 인증 HMM·롯데글로벌로지스, 선박 운영 포스코, 그린 암모니아 생산 → 롯데정밀화학,
biz.chosun.com
휴켐스의 '그린 암모니아'사업
아래 링크된 뉴스에 따르면, 휴켐스는 광주과학기술원과의 협업을 통해 전기분해를 통해 암모니아로부터 수소를 추출해 내는 기술을 개발하겠다고 밝혔는데요. 소개된 이 기술의 특징은 암모니아로부터 별도의 정제 혹은 분리공정 없이도 초고순도 수소를 추출해낼 수 있다고 합니다.
https://m.ebn.co.kr/news/view/1500588
휴켐스, 암모니아서 청정 수소 뽑아낸다
정밀화학기업 휴켐스가 암모니아에서 수소를 생산하는 기술 개발에 나선다.휴켐스는 광주과학기술원(GIST) 화학에너지 변환공정 미래연구센터와 암모니아 전기분해를 통해 수소를 생산하는 프
www.ebn.co.kr
사실 휴켐스는 한 때 남해화학에서 2002년에 분사하였던 정밀화학기업으로 2006년에 태광실업 계열사로 편입된 회사로써, 국내에서는 반도체와 디스플레이의 세정용 소재로 쓰이는 질산(HNO3)생산량 국내 1위 회사입니다. 그런데 이 질산의 원료는 화학식이 말해주듯이 바로 암모니아인데요.
한때 휴켐스는 2015년, 말레이시아에 천연가스를 원료로 하여 연간 60만톤의 암모니아 공장을 짓기 위해 8천억 원을 투자한다는 계획을 발표하고, 착공식까지 진행(현재는 답보상태)할만큼 암모니아가 휴켐스에게는 사업에 있어 가장 핵심적인 원료로써 참고로, 휴켐스의 암모니아 수입량은 한해 국내 암모니아 수입량의 30%를 차지할 정도로 그 비율이 높습니다. 그만큼 암모니아에 '진심'인 기업입니다.
다음 글에서는 수소의 대용량 장거리 수송 캐리어로써의 대안인 암모니아의 저장 및 운송 인프라에 대한 내용을 정리해보도록 하겠습니다.
(본 게시글은 작성시점의 내용을 근거로 쓰였습니다. 글 내용 중 일부에는 주관적인 의견이 포함되어 있으며
특정 종목에 대한 매수 및 매도를 추천하는 글이 아님을 밝힙니다. 투자에 대한 책임은 본인에게 있습니다.)
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