[에너지 - 수소 #18] IRENA Innovation Outlook Ammonia 2022 - 제2장 암모니아 생산 및 기술, 비용 현황 - 재생에너지 기반 재생 암모니아 생산(#5)

전력 변동성 해결 방안

• 풍력 및 태양열 발전 가변성은 Haber-Bosch 공정이 정상상태 작동을 어렵게 하는 바, 가변성 해결 필요
• 해당 문제 해결하기 위해 파일럿 규모의 재생 암모니아 생산시설이 건설 및 운영됨
• 미국 미네소타 대학교는 2014년에 풍력 발전 암모니아 플랜트를 운영하기 시작했으며 연간 25 ~ 35톤의 암모니아를 생산함
• 미국 에너지부의 ARPA-E의 지원으로 지역 비료 생산을 목표로 하는 실증사업을 발표함
• 2018년 일본 연구 기관인 FREA와 JGC Corporation은 더 낮은 온도와 압력에서 작동하는 새로운 암모니아 합성 촉매를 테스트하기 위해 연간 7톤의 암모니아를 생산하는 태양광 및 풍력 파일럿 플랜트를 운영함. 또한 가스터빈에서 암모니아 연소에 대한 실증 실험도 포함
• 지멘스 및 카디프 대학, 옥스포드 대학 등으로 구성된 컨소시엄은 2018년부터 풍력에서 암모니아로 전력을 변환하는 데모를 운영함. 관련 프로젝트는 전기로부터의 암모니아 합성하여 내연 기관의 암모니아 연소, 변동하는 에너지 관리에 대한 이해를 향상시키는 것을 목표로 함
• 암모니아 합성 관련을 촉매변화 등을 통해 간헐성 문제에 대응할 수 있음
• 촉매 개선 및 수소와 질소 일괄 생산 기술 등이 실험 중임
• Haldor Topsøe는 연간 약 300톤의 암모니아를 생산할 수 있는 풍력 발전 암모니아 실증기를 발표했으며 2025년까지 덴마크 Foulum에서 가동할 계획임
• 본 프로젝트의 목표는 동일한 장치에서 수소와 정제된 질소를 모두 생산하여 질소 생산을 위한 공기 분리 장치의 비용을 제거하는 새로운 고체 산화물 전기분해 기술을 시연임
• 이 기술은 현재의 알칼리 전해조 기술의 경우 톤당 10MWh 및 SMR의 경우 톤당 7.8MWh에 비해 암모니아 합성의 에너지 효율을 톤당 7.2MWh로 개선할 수 있음.
• 촉매 활성에 대한 온도 및 공급원료 변동의 영향을 설명하려면 Haber-Bosch 공정에 대한 보다 철저한 이해가 필요함

 

 

전력 변동성을 고려한 운영 전략

• 전력 변동성 관련 파일럿 규모의 프로젝트는 기술개발을 목적으로 하나 이미 성숙한 기술을 활용하여 신규 및 기존 현장 모두에 채택가능한 운영 전략 존재함
• 가변성은 배터리 및 수소 저장 등을 통해 단기 및 장기 변동성을 각각 관리가능
• 2021년 말 스페인의 Puertollano에 있는 Fertiberia에 배터리 및 수소 저장 자산 설비를 태양열-암모니아 프로젝트에 통합함. 대규모 수소 저장은 염동굴을 활용하며 이는 수소 파이프라인을 활용함
• 규모의 경제는 배터리 및 수소 저장 비용을 낮춤
• 기가와트 규모의 풍력 및 태양광 설비는 변동성을 낮출수 있음
• 또한, 대규모 프로젝트는 병렬로 작동하는 다양한 크기의 암모니아 생산시설이 포함되므로 변동성을 낮출 수 있음
• 재생 에너지와 그 외 보완을 통해 변동율을 낮추고 용량계수(capacity factor)를 높일 수 있음
• 태양열(낮에 가장 강함)과 바람(아침과 밤에 가장 강함)의 조합을 통해 60-70%의 전체 부하계수(full load factor)를 달성 가능하나 일반적인 부하계수는 20 ~ 60%임
• 이 접근 방식의 주요 단점은 병렬 전원에 대한 투자가 필요하며 이러한 추가 비용이 부하계수 상승에 따른 혜택보다 높을 수 있다는 점임
• 최소 기저부하를 유지하기 위한 또 다른 전략은 지열, 수력, 원자력 또는 전력망 연결과 같은 안정적인 탈탄소 전력원을 사용하는 것임
• 그러나 이 옵션은 재생 암모니아 플랜트가 안정적인 전력망과 연결되어야만 하며 전력망의 전력은 탈탄소화 전력이어야만 함
• 그렇지 않으면 전기분해 기반 수소 생산의 탄소 집약도가 천연 가스 기반 수소 생산의 탄소 집약도보다 높을 수 있음
• 각 기술별로 부하에 따른 에너지효율이 다른 바 해당기술 조합을 통해 재생에너지 가변성에 대응 가능
• Haber-Bosch 합성 루프는 명목 설비용량의 최소 10-30%까지 낮은 부하 계수(load factor)에서 작동가능하나 에너지 효율성이 낮아짐
• 암모니아 합성 루프의 에너지 소비는 최대 부하 시 암모니아 톤당 2.2GJ에서 10% 부하 시 암모니아 톤당 14.4GJ로 증가함. 동적 부하 응답은 일반적으로 몇 시간 이내에 소요됨
• 전해조는 낮은 전류 밀도 시 더 효율적으로 작동함(전체 부하 시 암모니아 톤당 33GJ 에너지가 소비되나 10% 부하에선 톤당 30GJ 미만 소비)
• Haber-Bosch 합성 루프시 투입원료를 수소와 질소가 아닌 불활성, 질소 및 아르곤으로 대체가능함. 최대 50% 부피상당의 가스를 불활성 가스로 대체 시 표준 작동 온도와 압력을 낮추지 않고도 부하 계수를 효과적으로 낮출 수 있음

 

 

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