[에너지 - 수소 #27] IRENA Innovation Outlook Ammonia 2022 - 제4장 무탄소 암모니아 미래 전망 - 발전용 연료

암모니아는 탄화수소 연료와 유사하게 암모니아와 산소를 반응시켜 물과 이질소(대기 질소)로 분해되며 에너지가 방출되는 바, 발전용 연료로 활용가능함

• 전력분야에서 암모니아는 석탄과 천연가스를 대체하여 기저부하 또는 첨두부하 모두에서 활용가능한 바, 태양광 및 풍력 발전과 같이 간헐성이 높은 재생에너지와 연계하여 전력망 시스템 안정성에 기여가능
• 암모니아는 백업 또는 독립 발전원인 디젤을 대체가능

 

 

1.5°C 시나리오에서 발전용 암모니아 수요는 일본이 명시한 정책에만 기초하는 바, 2050년까지 30Mt 암모니아 수요가 발생함

• 석탄 화력 발전소의 경우 에너지 함량 기준으로 최대 60%의 암모니아를 석탄과 혼소 가능하며 이를 통해 탄소배출을 최대 60% 감축할 수 있음
• 1.2MW 용광로를 통해 석탄과 암모니아 혼소 가능여부를 확인함
• 암모니아 농도가 40%를 초과하면 연소되지 않은 암모니아가 배출될 수 있으나 석탄 연소로 인한 NOx 배출을 감소시킬 수 있음
• 2021년 8월 성공적인 버너 테스트(JERA, 2021)에 이어 2024년까지 JERA는 1GW 석탄 화력 발전소에서 최대 20% 암모니아를 혼소하는 것을 목표로 개발 중임
• 2030년에 50-60% 암모니아 혼소로의 전환을 목표로 하고 있으며 2040년에는 100% 암모니아 연소를 달성할 계획임
• 노르웨이 정부는 스발바르 섬의 Longyearbyen에 있는 기존 석탄 화력 발전소를 암모니아로 작동할 수 있는 다중 연료 엔진으로 교체 계획임

 

 

암모니아는 또한 가스 터빈에서 천연가스 또는 등유와 함께 연소 가능함

• 수소와 질소로 완전히 분해된 암모니아 또는 약 30% 분해된 암모니아를 가스터빈의 연료로 활용할 수 있음
• 암모니아-수소 혼합물은 석탄이나 석유에서 생산되는 도시가스와 유사한 연료 특성을 가지고 있는 바, 암모니아의 암모니아-수소-질소 혼합물로의 부분 분해는 암모니아의 낮은 화염 속도와 수소의 높은 화염 속도를 보상함
• 암모니아-수소 혼합물에 대해 50ppm 미만의 NOx 배출량이 보고되었으며 이는 기술적(증기 주입은 효율성을 보장하면서 NOX 배출을 줄이는 방법 중 하나임)으로 저감할 수 있음

 

 

암모니아 분해 및 수소 정제 시 전화효율 문제가 발생하므로 순수한 암모니아 또는 부분 분해된 암모니아를 연료용 사용하는 방안이 연구 중에 있음

• 지금까지 순수 암모니아를 사용한 가스터빈 가동실험은 50kW 사이클론 버너에서 진행된 바, 추가적인 파일럿 테스트가 필요함
• IHI는 2023년까지 액체 암모니아를 연료로 100% 암모니아를 연소할 수 있는 2MW 가스터빈을 개발·완료할 계획임
• Mitsubishi Power는 100% 암모니아를 연소할 수 있는 40MW급 가스 터빈을 개발 중이며 2025년경에 상용화될 것으로 예상됨
• 일본 SIP 에너지 운반선 프로그램에 따르면 100MW 이상의 암모니아 공급 가스 터빈은 2030년까지 상용화될 것 전망됨

 

 

암모니아는 네덜란드 및 미국에서도 가스터빈의 연료로 암모니아가 제안됨

 

 

고체 산화물 연료 전지와 알칼리 연료 전지 등은 낮은 소규모 응용 분야(<1MW)에 사용할 가능

• 통신 타워 또는 백업 집합체와 같은 독립형 애플리케이션에 사용가능
• 알칼리 연료 전지의 암모니아에서 생산된 독립형 전기는 kWh당 USD 0.26 미만으로 비용이 kWh당 USD 0.31인 디젤 발전기보다 저렴함
• 암모니아 구동 발전기 세트는 독립형 전력을 위한 소규모 지역에 적합함
• 북극과 아프리카의 고립된 지역 사회 또는 피크 생성을 위해 디젤을 대체용 발전기로 활용할 수 있음

 

 

가스터빈 및 석탄화력발전은 기존의 설비를 개조하여 사용하는 바, 비용을 최소화할 수 있으며 CO2 등의 규제로 인해 자산이 좌초되는 것을 방지할 수 있음

 

 

[일본의 암모니아 벨류체인]

• 일본은 암모니아를 발전용 및 해양, 고로의 연료로 활용하기 위한 구체적인 로드맵을 제시하고 있음
  
  
• 2014년에 일본은 부처 간 전략적 혁신 추진 프로그램(SIP)이 추진하는 기술 개발 컨소시엄인 Energy Carriers를 출범하였음
• 이는 2050년까지 탄소중립을 달성을 위한 일본 프레임워크 중 하나임
• 단기적으로 일본은 저탄소 화석 기반 암모니아를 수입할 계획이며 재생 가능한 암모니아는 2030년 이후에 수입할 예정임
• 일본은 화석연료를 모두 수입에 의존하는 바, 다른 나라보다 초기 단계에서 암모니아 수입을 고려 중에 있음
• 더 높은 탄소세가 도입되고 LNG 비용 등이 증가하면 암모니아는 경쟁력이 높아질 것으로 기대함
• 지난 10년 동안 일본에서 LNG 비용은 GJ당 약 USD 7-16이며 1GJ의 에너지 생산 당 약 56.1kg의 CO2를 배출하였음
• 일본의 현재 탄소세는 CO2 톤당 약 USD 3이며 GJ당 추가 비용은 USD 0.2임
• 그러나 장기적으로 GJ당 USD 50-100의 높은 탄소세가 도입되면 GJ당 추가비용은 USD 2.8-5.6으로 증가하며 이는 LNG 비용 약 25% 상승함을 의미함
• 이것은 장기적으로 저탄소 암모니아를 경쟁력 있게 만듬
• 저탄소 화석 기반 암모니아의 시장 가치는 암모니아 톤당 약 USD 350-400 예상되며 이는 GJ당 약 USD 19 ~ 21임
• 장기적으로 재생 암모니아는 암모니아 톤당 USD 400 미만으로 형성되면 GJ당 USD 21 미만의 비용임
• 따라서 암모니아는 장기적으로 화석연료 대비 비용 경쟁력 있는 대안임
• 2020년 40톤의 저탄소 암모니아가 사우디아라비아에서 일본으로 인도되면서 암모니아의 발전원으로 활용됨
• 일본은 발전용 암모니아를 2025년까지 연간 0.5~1백만 톤, 2030년까지 연간 3~5백만 톤, 2050년까지 연간 3천만 톤으로 수입할 것으로 예상됨
• 일본은 재생 자원이 부족하고 대부분의 발전소가 항구 지역에 있기 때문에 암모니아를 수입하여 사용하는데 적합함
• 일본의 암모니아 수용 및 저장 시설은 가스 터빈 및 석탄 화력 발전소에서 암모니아 동시 연소를 촉진하기 위해 향후 몇 년 동안 확장될 것으로 예상됨
• 또한 일본의 모든 석탄화력발전소에 20% 암모니아를 함께 공급한다면 현재 매년 전 세계적으로 출하되는 암모니아 양과 비슷한 약 20Mt의 암모니아가 필요함
  
  
  

일본의 암모니아 활용 로드맵

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