[에너지 - 수소 #22] IRENA Innovation Outlook Ammonia 2022 - 제3장 생산성 및 지속가능성 - 생산성 및 효율성

저온 전기분해(알칼리성 또는 PEM)은 암모니아 1톤 생산시 약 36GJ를 에너지를 소비하며 50%의 에너지 변환 효율을 가짐

• 수소 생산 시 약 33GJ의 에너지가 소비되며 이는 전체 공정 중 대부분을 차지함
• 압력스윙흡착(PSA)을 통한 질소 추출은 소규모 암모니아 생산시설의 경우 0.6-0.9GJ를 소비하는 반면, 극저온 증류를 통한 질소 추출은 대규모 암모니아 플랜트의 경우 암모니아 톤당 약 0.3GJ의 에너지를 소비함
• 암모니아 합성 루프는 일반적으로 암모니아 톤당 최소 2GJ를 소비함

 

 

고온 전기분해(고체 산화물)로부터 재생 가능한 암모니아 합성은 일반적으로 암모니아 톤당 약 30GJ를 소비하며 장기적으로 톤당 약 26GJ로 감소할 것으로 예상되며 약 60-70%의 에너지 변환 효율을 가짐

• 저온 전기분해 대비 낮은 에너지 소비는 효율적인 수소 생산 및 공정 전반에 걸친 효율성 향상에 기인함

 

 

고체 바이오매스 공급원료로부터 재생 가능한 암모니아 합성은 톤당 약 37 ~ 42GJ를 소비하며 약 45 ~ 50% 에너지 전환 효율을 가짐

 

 

천연가스 기반 암모니아 공장은 암모니아 톤당 약 29 GJ를 소비함

• 최신 설비는 암모니아 톤당 26-27GJ를 소비하며 공정이 기술적 점근선에 접근함에 따라 추가적인 효율 향상을 기대하긴 어려움
• 대규모의 현대식 천 가스 기반 암모니아 플랜트의 에너지 변환효율은 약 65%임
• CCS 추가되면 에너지 소비는 암모니아 1톤당 약 33GJ(효율 약 55%)로 증가함
• SMR을 ATR 및 CCS로 대체하면 에너지 소비를 암모니아 톤당 29GJ로 줄일 수 있음

 

 

메탄 열분해로 인한 암모니아 생산은 암모니아 톤당 약 49 GJ를 소비하며 그 중 대부분은 천연가스 공급이며 약 40%의 에너지 변환 효율을 가짐

 

 

전 세계 암모니아 1톤 생산을 위해 소비되는 에너지는 약 36GJ임

• 산업화된 국가의 암모니아 공장은 에너지 소비량이 상대적으로 낮음
• 산업화된 국가의 암모니아 1톤당 에너지 소비량은 33-36GJ인데 반해 개발 도상국은 1톤당 36-47 GJ임
• 이는 재생 암모니아가 단기적으로 더 경쟁력이 있을 수 있음

 

[그림 1] 각 기술별 암모니아 1톤 생산시 에너지소비량 및 개선전망

 

[그림 2] 암모니아 생산 기술별 에너지소비량 변화 전망

 

[재생 암모니아로의 전환 촉진: 업계 및 정부를 위한 방안]

• 세계 1차 에너지 소비 감축을 위해서는 에너지 효율적인 기술 사용필요
• 전기분해 기술 간의 에너지소비 및 에너지 효율차 존재
• 현재 재생 암모니아는 저온 전기분해를 기반으로 하며 해당 기술활용 시 암모니아 1톤당 36GJ의 에너지가 소비되며 향후 33GJ로 감소가능
• 낮은 발열량 기준으로 52-57%의 에너지 변환 효율을 가짐
• 고체 산화물 전기분해를 통해 재생 암모니아를 생산할 경우 암모니아 톤당 26-30GJ의 에너지 투입만 필요하며 62-72%의 에너지변환 효율을 가짐
• 2021년에 500MW인 대규모 고체 산화물 전해조 제조 시설이 발표되었으며 2023년에 5GW로 확장가능
• 암모니아는 해양 연료로 사용할 수 있으며 더 효율적인 엔진 활용 필요
• 암모니아를 연료로 사용하도록 개조할 수 있는 2행정 엔진은 낮은 발열량 기준으로 약 45-50%의 에너지 효율을 보임
• 4행정 엔진은 현재 암모니아를 연료로 사용할 수 있도록 현재 엔진 개조 및 신규 기술개발을 진행 중이며 낮은 발열량 기준 최대 50%의 에너지 효율을 달성할 것으로 기대됨
• 고체 산화물 연료전지는 낮은 발열량 기준으로 약 55-60%의 에너지 효율을 가지는 바, 고체 산화물 전지가 추진체로 직접 사용될 전망임. 단, 현재고체 산화물 연료 전지는 소규모 적용(< 1MW)에만 사용할 수 있는 바, 수십 메가와트의 선박엔진에 사용하기 위해서는 기술개발 및 실증 필요
• 효율향상은 태양광 및 풍력 전력수요를 감소하며 이는 재생 설비에 대한 투자비용 감소 및 관련 토지사용을 저감에 영향을 미침
• 왕복 효율을 높이면 재생 전기 수요가 낮아지며 재생 가능 에너지 생성을 위한 토지 사용이 30-35% 감소함

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