[에너지 - 수소 #14] IRENA Innovation Outlook Ammonia 2022 - 제2장 암모니아 생산 및 기술, 비용 현황 - 재생에너지 기반 재생 암모니아 생산(#1)

기술 및 생산 공정

• 재생 암모니아는 전기분해를 통해 수소 생산 후 Haber-Bosch 공정을 통해 암모니아를 생산함
• 수소 생산시 물(H2O)을 전기분해하여 수소(H2)와 산소(O2)로 분리하여 수소를 생산
• 전기분해 관련 다양한 기술이 존재하며 가동 온도 및 기술별 에너지 소비는 상이함
• 수소와 질소는 Haber-Bosch 공정을 통해 암모니아로 합성됨

 

[그림 1] 전기분해를 통한 암모니아 생산 과정

 

• 전기분해를 사용하여 물에서 수소를 생산시 암모니아 톤당 약 1.6톤의 물이 필요함
• 해당 공정에서는 수소 생산 및 암모니아 플랜트 냉각 등 지원시 물이 필요함
• 전해조에 물을 공급하기 전에 담수화가 필요할 수 있음
• 1920년부터 수력발전을 활용하여 재생 암모니아를 생산하였음
• 1930년에 재생 암모니아는 전 세계 암모니아 생산량의 약 1/3을 차지하였으나 더 저렴한 석탄 기반 암모니아 생산방식이 개발되면서 점차 감소함. 결정적으로 천연가스를 활용한 암모니아 생산방식이 개발된 이후 급격히 감소함
• 수력 발전 암모니아 플랜트는 캐나다, 이집트, 프랑스, 아이슬란드, 인도, 일본, 대한민국, 노르웨이, 스위스, 미국, 구 유고슬라비아 및 짐바브웨 등에 위치했으며 최대 150MW 규모의 전해조를 사용하였음
• 1962년에 지어진 페루의 Cusco에 있는 "고전적인" 전기분해 기반 Haber-Bosch 공장이 유일하게 가동 중임
• 최근 수많은 재생 암모니아 플랜트 건설계획이 발표됨

 

 

재생 암모니아 비용구조 특징

• 재생 암모니아 생산단가는 재생에너지의 전력생산 비용에 좌우되는 바, 재생에너지 비용 저감시 재생 암모니아 생산단가는 빠르게 하락할 것으로 보임
• 재생 암모니아는 이미 화석연료를 수입하여 암모니아를 생산하는 경우에 비해 경쟁력을 확보한 것으로 보임
• 신규 플랜트의 재생 암모니아 생산단가는 톤당 USD 720-1,400이며 2050년에는 톤당 USD 310-610로 하락할 것으로 추정됨
• 전력비용은 재생 암모니아 생산단가의 절반이상을 차지하는 바, 재생 암모니아 단가의 주요 결정요인임
• 재생에너지를 통한 비용 절감을 위해 화석 기반 암모니아 플랜트와 달리 현재 개발 중인 많은 재생 암모니아 플랜트에는 재생에너지 발전용량이 포함되어 전력 투입량을 운영 비용(OPEX)에서 자본 비용(CAPEX)으로 전환함
• 발전을 제외한 재생 암모니아 자본비용은 전해조 또는 암모니아 합성 루프임
• 전해조 비용은 대규모 공장에서 낮아지는 바, 규모의 경제를 달성할 수 있으나 합성 루프 비용은 소규모 공장(암모니아 연간 10kt 미만)을 중심으로 형성되어 규모의 경제를 달성하기 어려움. 따라서 향후 규모의 경제에 따라 전해조 자본비용은 지속적으로 감소될 것으로 예상됨
• 질소 정화 및 담수화 및 암모니아 저장 등의 그 외 비용은 암모니아 톤당 약 USD 5-30에 불과한 바, 전기분해 및 암모니아 합성 루프에 비해 미미함
• 용량 계수(capcity factor)는 전기분해 기반 암모니아 생산의 투자 비용에 상당한 영향을 미침
• 재생에너지 특히 태양광 또는 풍력의 간헐성으로 인해 재생에너지의 저장 또는 출력제한 등의 활용 없이는 연간 암모니아 생산량이 설계용량보다 크게 낮음
• 전력망에 연결하지 않고 재생에너지만을 전력원으로 활용하는 경우 재생 암모니아 플랜트는 낮은 생산성을 보완하기 위해 설비용량이 증가하므로 자본 집약도가 높아짐
• 따라서 재생 암모니아 플랜트의 자본 집약도를 제한하려면 고용량 계수(high capacity factor)를 갖는 것이 중요
• 태양광 및 풍력 등 재생에너지를 조합하여 활용할 경우 전해조의 전체 부하율을 70%까지 사용할 수 있다는 연구결과 또한 있음
• 재생 암모니아는 CAPEX 투자비용이 높은 바, 가중평균자본비용(WACC) 등 금융비용은 총 프로젝트 비용에 영향을 미침
• 화석연료 기반 암모니아 생산시설은 수소 생산시설(SMR 또는 가스화 장치 등)과 암모니아 합성 시설만 건설됨
• 반면 재생 암모니아는 재생 발전설비를 포함하는 바, 암모니아 생산과 관련된 거의 모든 설비 및 원료원이 자본투자 대상이 되어 가중평균자본비용(WACC)에 상당히 민감하게 반응하게 됨
• 재생 수소는 기존의 화석 기반 암모니아 공장에 도입가능하며 암모니아 합성 루프에 큰 변동을 일으키지 않으면서도 천연가스의 10-20%를 대체가 가능함
• CO2 배출저감과 천연가스 공급원료를 고려하면 재생 암모니아 생산단가는 2025-2030년까지 암모니아 톤당 약 USD 300-400, 2040년까지 암모니아 톤당 약 USD 250로 추정됨
• 전기분해와 천연가스를 CCS와 결합한 하이브리드 플랜트는 완전한 탈탄소화는 불가하나 CO2 배출 저감에는 도움이 됨. 또한, 관련 기술이 성숙하고 기존 자산을 활용할 수 있다는 점에서 큰 이점이 있음

 

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