[에너지 - 수소 #12] IRENA Innovation Outlook Ammonia 2022 - 제2장 암모니아 생산 및 기술, 비용 현황 - 저탄소 화석연료 기반 암모니아 생산(#1)

기술 및 생산 공정

• 화석연료 기반의 저탄소 암모니아 생산기술이 있음
• CCS 추가된 화석연료 기반 암모니아 생산설비 및 오일회수 또는 메탄올 합성을 위한 CCU가 추가된 암모니아 생산 시설, 다른 공정의 부산물 수소(에탄 크래커, 염소 공장 및 플라스틱 가스화 공정)을 활용한 공급원료 생산공정 대체기술 등
• 전기 증기 메탄 개질(eSMR)을 채택하여 SMR 장치의 탄소 발자국을 약 1/3로 감축가능하며 재생 에너지를 사용하여 개질기에 열을 공급하는 경우 농축된 CO2만 발생하여 저비용 CCS가 가능
• 저탄소 수소는 천연가스를 고체탄소와 수소로 전환하는 메탄 열분해를 통해 생산가능
• 기존 SMR 기반 암모니아 생산설비에서 발생하는 CO2의 최대 98% 포집가능
• 기존 SMR 기반 암모니아 생산설비는 두 가지 CO2 발생경로가 존재함
• CO2의 약 2/3는 수소 생산 중에 농축된 형태로 생성됨
• CO2의 나머지 1/3은 열원 공급을 목적으로 천연가스를 연소할 때 발생되며 이를 포집할 시 전체 CO2의 약 65% 포집 가능
• 희석된 CO2도 포집되는 경우 약 95%의 전체 포집률을 달성할 수 있음
• 암모니아 생산 중에 배출되는 CO2의 상당량이 포집가능하며 관련 기술 성숙도가 높고 현재 이용 중에 있음
• 다른 암모니아 생산기술의 CO2 포집율은 최대 98%임
• eSMR은 CO2 포집률을 98%까지 높일 수 있음
• ATR 기반 암모니아 생산은 단일 반응기에서 수소생산과 가열이 진행되므로 한 가지 경로의 농축 CO2 배출만 발생하는 바, CO2 포집 비용을 줄이고 유효 포집률을 98%까지 높일 수 있음

 

 

비용

• 각 암모니아 생산공정에 CCS가 추가되는 경우 암모니아 생산비용은 톤당 170-465 USD로 그 범위가 넓음
• 석탄 기반 암모니아 플랜트의 CCS 비용은 암모니아 톤당 약 USD 135이며 CCS를 사용한 석탄 기반 암모니아 생산 비용 범위는 톤당 USD 360 ~ 450임
• SMR 기반 암모니아 플랜트의 CCS 비용은 암모니아 톤당 USD 100 ~ 150로 추정되는 바, CCS를 사용한 SMR의 암모니아 생산 비용은 톤당 USD 235 ~ 465임
• ATR 기반 암모니아에 대한 CCS 비용은 암모니아 톤당 약 USD 40 ~ 80이며 ATR에서 암모니아 생산 비용은 암모니아 톤당 USD 170 ~ 400임
• [그림 1]에서 볼 수 있듯이 EU의 현재 CO2 비용은 CCS, 특히 ATR 기반 암모니아의 비용 격차를 좁혀 오늘날 시장에서 경제적으로 실행 가능한 옵션임
• CCS가 포함된 화석 기반 암모니아는 북아프리카, 북미, 중동 및 러시아 연방, 트리니나드 토바고 등 천연가스 가격이 백만 Btu당 USD 3 미만인 곳에서 유리하며 이를 통해 생산된 화석연료기반 암모니아는 톤당 비용이 USD 300 미만임
• CCS가 포함된 천연가스 기반 암모니아 생산비용은 톤당 약 USD 350-400일 것으로 예상됨

 

[그림 1] 탄소가격 및 탄소저감에 따른 편익 추정과 각 기술별 암모니아 생산비용

 

• CCS가 있는 석탄 기반 암모니아는 항상 암모니아 톤당 300달러 이상인 바, 탈탄소 암모니아의 중요 공정으로 사용되기 어려움
• CCS가 있는 석탄 기반 암모니아는 석탄 가스화하여 배출되는 CO2를 최대 99% 포집가능하나 낮은 경제성으로 인해 향후 주요 암모니아 생산공정으로 활용키 어려움
• 에탄 분해기의 부산물 수소를 주 연료로 사용하고 해당 수소가격이 백만 Btu당 USD 10달러 이하일 경우 이를 활용한 암모니아 생산의 경제성 확보 가능
• 해당 설비는 질소투입 및 암모니아 합성 설비만 필요하므로 자본 집약도는 대규모 플랜트의 경우 연간 암모니아 톤당 USD 1,000 미만임
• 암모니아 생산비용이 톤당 USD 250가 되기 위해서는 수소 비용이 수소 킬로그램당 최대 USD 1.1이면 가능함
• 또한, CO2 톤당 USD 60-90달러일 경우 화석 기반 암모니아와 CCS가 있는 화석 기반 암모니아 사이의 경제성 격차 해소가능하며 CO2 톤당 USD 150달러면 화석 기반 암모니아와 재생 암모니아 사이의 격차 해소 가능

 

 

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