IRENA Innovation Outlook Ammonia 2022 요약본

목차

 

1. 도입

 

요약 암모니아는 제품생산을 위한 기초화학물질 7종 중 하나임

• 암모니아는 에틸렌, 프로필렌, 메탄올 및 BTX 방향족(벤젠, 톨루엔 및 자일렌)과 함께 모든 화학제품 생산하는 데 사용되는 7가지 기본 화학 물질 중 하나임
• 황산 다음으로 대량생산되는 화학물질임

 

현재 생산되는 암모니아의 5분의 4는 질소비료(요소 및 질산암모늄) 생산에 활용됨

• 질소비료 생산을 통해 세계 인구의 약 절반을 위한 식량 생산을 지원함

 

향후 암모니아는 비료만이 아닌 다양한 분야에서 활용될 전망이며 이에 따라 암모니아 수요는 2050년에 2020년 대비 약 3배 증가할 것으로 예상됨

• 무탄소 연료 및 수소 운반체로 암모니아가 대두되고 있으며 이를 위해서는 많은 양의 암모니아가 추가로 필요. 2050년의 수요는 2020년의 약 3배로 전망됨
• 재생 암모니아는 1920년부터 수력 발전을 사용하여 상업적 규모로 생산되었으며 현재 대부분의 암모니아는 천연 가스(72%)와 석탄(22%)에서 생산됨

 

암모니아 생산시 발생되는 이산화탄소 배출량은 0.5기가톤(Gt)이며 이는 전 세계 CO2 배출량의 약 1%, 화학 부문 CO2 배출량의 15 ~ 20%임

• 암모니아 생산 시 탄소배출을 저감이 화학 및 농업 부문 탈탄소화의 핵심임
• 또한, 암모니아의 탈탄소화는 또한 운송 및 발전 부문에서 무탄소 연료로 사용을 촉진할 것으로 예상됨

 

[그림 1] 1.5℃ 시나리오에서 2050년까지 암모니아 생산 종류별 생산량

 

2. 암모니아 용도별 생산량 추정

 

2020년 전 세계 암모니아 생산량은 1억8,300만 톤(Mt)이었으나 1.5°C 시나리오에서는 암모니아 생산이 증가하여 2030년 2억2,300만 톤에서 2050년까지 3억3,300만 톤으로 2020년 대비 2베 확대될 것으로 전망됨

 

2050년까지 전 세계 암모니아 수요는 1.5°C 시나리오에서 6억 8,800만t에 도달할 것으로 추정되며, 이는 2025년 3배 이상임

• 암모니아 수요 중 대부분은 여전히 인구증가로 인한 비료수요 확대이며 이는 2020년 1억5600만 톤에서 2050년 2억6700만 톤으로 증가할 전망임
• 또한, 향후 수십 년 동안 수소 운반체 및 발전원, 난방용 연료, 해상운송 연료로서 암모니아 관련 다양한 시장이 개화함에 따라 그 수요는 더욱 증가할 전망임
• 향후 10년은 암모니아 비료가 시장을 주도하나 2030년 이후부터는 에너지 시장이 빠르게 성장하면서 수요를 주도할 것으로 전망됨

[그림 2] 1.5℃ 시나리오에서 2050년까지 암모니아 생산 종류별 수요량

 

3. 재생 암모니아(Renewable Ammonia)

 

재생 암모니아는 재생 전력을 활용해 생산한 암모니아를 의미함

• 재생 암모니아는 화석 연료를 통해 생산되는 암모니아와 화학적으로 동일한 바, 암모니아 제품군으로 그 출처를 구분하는 것은 불가능함
• 따라서 암모니아를 생산하는 데 사용되는 공급원료 및 소요 에너지가 모두 재생에너지(바이오매스, 태양열, 풍력, 수력, 지열 등)를 통해 공급받았음을 확인 필요
• 재생 암모니아는 1921년 이후 수력 발전에서 생산되었지만 여전히 단 1개의 상업용 공장만 운영 중이며 이를 통해 연간 0.02Mt 미만의 재생 가능한 암모니아가 생산됨. 이는 현재 전 세계 암모니아 생산량의 0.01%에 해당됨

 

재생 수소를 생산 관련 전해조와 태양열 및 풍력을 결합한 실증 플랜트가 시험 중임

• 2021년 12월 스페인에서 기존 암모니아 플랜트를 개조한 최초의 재생 수소 공급장치를 가동함
• 사우디는 2025년에 연간 120만 톤의 용량을 갖춘 최초의 기가와트(GW) 규모의 재생 암모니아 공장을 가동할 계획임

 

산업계에서 재생 암모니아로 전환하려는 모멘텀이 있음

• 현재 발표된 재생 암모니아 프로젝트의 총 용량은 2030년에 약 1,500만 톤이며 이는 2020년 기준 전 세계 암모니아 생산량의 약 8%임
• 산업계에서 재생 암모니아로 전환하려는 모멘텀이 있음을 보여주며 이런 프로젝트는 특히 2020년과 2021년에 주로 발표됨
• 2020년과 2021년에 60개 이상의 재생 암모니아 플랜트가 발표된 반면 CCS 또는 메탄 열분해 기술이 적용된 탄소 화석 기반 암모니아 플랜트는 10개만 발표됨
• 저배출 화석 기반 암모니아는 비료와 같은 현재 시장의 탈탄소화에서 과도기적 역할을 할 것으로 예상되며 재생 암모니아는 현재 및 미래 시장 모두에서 장기적으로 지배적인 역할을 할 전망임

 

4. 재생 암모니아의 비용 경쟁력

 

재생 암모니아 생산 비용은 현재 톤당 USD 720 ~1400이며 2050년에는 톤당 USD 310 ~ 610로 떨어질 전망임

• 기존 암모니아 플랜트의 경우 화석 기반 수소와 재생 수소를 공동 생산하면 기존 설비를 활용하여 비용을 절감함으로써 재생 암모니아를 도입할 수 있음
• 하이브리드 플랜트의 경우 비용은 2025년까지 톤당 USD 300 ~ 400이고 2040년까지 톤당 약 USD 250로 떨어질 것으로 추정됨
• 현재 재생 암모니아 생산비용은 화석 기반 암모니아 생산 단가(탄소비용 고려하지 않는 경우)에 비해 높으나 2050년 이전에 저렴해질 것으로 전망됨
• 천연가스 기반 암모니아 및 석탄 기반 암모니아의 생산 비용은 현재 톤당 USD 110 ~ 340이지만 탄소 포집 및 격리시 톤당 USD 100 ~ 150가 추가되며 이는 저탄소 화석 기반 생산 비용을 톤당 최대 USD 210 ~ 490까지 높임
• 저탄소 화석 기반 암모니아의 생산단가는 2025년 하이브리드 플랜트의 재생 암모니아 생산단가와 비슷해지며 2050년에는 재생 암모니아보다 비싸질 전망임

 

[그림 3] 재생 암모니아와 저탄소 화석연료 암모니아 생산단가 변화

 

재생 암모니아 생산단가는 재생 수소 생산비용에 좌우되며 이는 총 생산단가의 90% 이상을 차지함

• 생산 공정 중 질소 정화와 Haber-Bosch 공정은 총 비용의 극히 일부에 불과함
• 재생 수소 생산은 재생 전력원 공급비용 및 전해조 비용, Haber-Bosch 암모니아 합성 루프의 효율성 및 최적화된 저장 등 주로 CAPEX와 연관됨
• 따라서 가동율 향상은 생산비용 감소를 위한 중요한 요인 중 하나인 바, 재생에너지의 가변성과 이를 고려한 운영전략 및 기술개발은 비용절감을 위한 주요 고려요인이라 할 수 있음

 

최적 위치에서 재생 암모니아 생산시 2030년부터 CCS를 사용하는 화석 기반 암모니아 대비 비용경쟁력을 가질 수 있음

 

[그림 4] 재생암모니아와 타 에너지원별 가격 비교

 

5. 재생 암모니아 주요 시사점 정리

 

암모니아는 생산원 및 생산방식과는 무관하게 동일한 화학구조를 지니는 바, 현재 화석연료 기반 암모니아 수요를 모두 대체 가능

• 비료 및 화학 물질 및 화학재료로 사용되는 암모니아는 연간 1억 8300만 톤임

 

[그림 5] 2019년의 세계 암모니아 수요

 

기존 화석 기반 암모니아 플랜트는 이미 상용화된 기술을 활용하여 탈탄소화가 가능하며 플랜트에 재생 수소를 도입하여 천연 가스의 10-20%를 대체 가능

 

기존 시장 뿐만 아니라 수소 운반체 또는 운송 또는 발전원, 난방, 해상운송용 연료 등으로 암모니아의 수요가 확대될 전망인 바, 암모니아 수요는 지속적으로 증가할 전망임

• 탄소 기반 수소 운반체와 비교할 때 암모니아는 수소 운반체로 질소만을 필요하다는 이점이 있음

 

780,000ppm에서 대기 질소를 정화하는 것은 대기 CO2를 정화하는 것보다 비용이 저렴하며 암모니아 연소 중에 CO2가 배출되지 않음

 

2050년까지 1.5°C 시나리오에서 3억 5400만 톤의 재생 암모니아 추가수요가 발생할 것으로 전망됨

 

 

6. 재생 암모니아 진흥 방안

 

재생에너지원과 동일하게 관련 규정 및 의무 등 진흥을 위한 적절한 정책수립 필요

• 재생 연료 표준, 탄소세, 프로젝트 자금 지원, 저비용 금융과 같은 인센티브, 장기 보장된 가격 하한선, 차액 계약, 배출권 거래제, 재생 연료 및 공급원료에 대한 낮은 세금, 저탄소 암모니아 및 정보 캠페인 관련 환경 라벨링 등 진흥을 위한 정책적 지원이 선행되어야 함
• 탄소 집약도 및 수명 주기 분석, 기타 표준 및 벤치마크를 위한 방법론 등 재생 암모니아 출처 및 인증하기 위한 제도수립 필요
• 공급망 관련 배출기준을 확립(화석 기반 암모니아에 대한 업스트림 메탄 배출이 포함 등)
• 기존 화석 기반 암모니아 공장의 설비개선을 통해 재생 암모니아 확대를 촉진할 필요가 있음

 

7. 재생 암모니아로의 전환을 위한 산업 및 정부에 대한 정책 제언

 

재생 암모니아 진흥을 위해서는 적절한 정책과 인센티브가 필요하며 이는 나아가 파리 협정의 목표 달성 및 에너지 안보를 유지에 긍정적 영향을 미침

 

강력하고 안정적이며 예측 가능하며 지속적인 정부 정책 없이는 해당 산업에 대한 지속적이며 자본 집약적인 충분한 투자가 발생하지 않는 바, 이를 위해 다음의 주요 정책을 고려할 필요가 있음

1. CO2 배출량에 대해 충분히 높은 가격을 책정
• CO2 톤당 약 USD 60 ~ 90의 CO2 비용 발생하는 경우 기존의 화석 기반 암모니아와 CCS가 있는 화석 기반 암모니아 사이의 생산비용 격차 해소가능
• CO2 톤당 최대 USD 150의 CO2 비용은 화석 기반 암모니아와 재생 암모니아 사이 생산비용 격차 해소가능
• 장기적으로 재생 암모니아는 CCS를 사용하는 화석 기반 암모니아와 비용 경쟁력이 있을 것으로 전망되는 바, CCS를 사용하여 새로 건설된 화석 기반 암모니아 공장은 매우 낮은 천연 가스 가격이 뒷받침되지 않는 한 장기적으로 경제성이 없어질 수 있음
2. 정치적 의지를 정책으로 전환
• CO2 배출비용과 무관하게 의무할당과 같은 안정적이며 지속적인 규제 조치는 성장 및 투자의 안정성을 제공함
• 재생 암모니아를 포함한 재생 연료에 대해 에너지 세금 감면이 제공될 수 있지만 연료 소비세 및 기타 세금은 양이 아니라 에너지 함량을 기반으로 수립되어야 함(예: 리터당 USD가 아니라 킬로와트시[kWh]당 USD)
• 예를 들어, 고급 재생 가능 연료 생산 프로젝트가 CfD에 입찰하고 승자가 이른바 역경매(최저가 낙찰)로 낙찰되는 차액 계약(CfD) 제도는 투자 유도 가능
• 또한, 적당한 탄소 과세를 통해 전환을 촉진할 수 있음
3. 기존 재생 암모니아 기술 활용 강조
• 재생 암모니아 공정 대부분은 이미 입증되었는 바, 획기적인 기술을 개발보다는 대규모로 기존 기술을 구현에 초점을 맞출 필요가 있음
• 이를 통해 암모니아 합성 루프의 유연성 향상 및 전해조의 성능 향상, 암모니아 분해기의 성능 향상과 같은 점진적 혁신을 촉진하며 오늘날 기술비용 절감가능
• 또한, 기존 기술 활용을 통해 단기 시장 창출 및 장기적으로 혁신을 가속화
4. 전체 공급망 개발 지원
• 자금 지원 프로그램은 암모니아 및 기타 수소 운반체 등 다양한 범위 포괄 필요
• 단일 기술(예: 수소 또는 태양 전지판)에 중점을 둔 프로그램은 초기 단계의 RND 및 파일럿 프로젝트를 지원하는 경향이 있으나 재생 암모니아는 전체 공급망과 관련된 기술집합 및 이를 활용한 파일럿 테스트 등 광범위한 범위의 지원이 필요
• 또한 재생 암모니아 수요가 국내 생산으로 부족함을 인식하고 글로벌 공급망의 개발을 지원하기 위해 외국인 참여 등을 고려해야 함
5. 공급 위험을 완화하는 무역 전략 수립
• 생산 및 소비 지역 모두에서 재생 암모니아에 대한 일자리를 창출하고 경쟁력 있는 새로운 산업을 장려하려면 프로젝트 개발자, 암모니아 사용자 및 암모니아 생산 회사 간의 국제 협력이 촉진 필요
• 재생 암모니아 생산 능력에 대한 투자를 늘리면 에너지 및 공급원료 공급 범위를 확대가 가능하고 이는 정치적 위험을 최소화함
6. 전해조 제조 투자
• 10년 안에 여러 기가와트 규모의 전해조 공장이 필요할 것으로 예상되며 이는 학습을 유도하고 규모의 경제로 일으켜서 전해조 생산 비용을 감소시키는 바, 재생 암모니아를 화석 기반 대안에 비해 더 경쟁력 있게 만듬
7. 초기 투자 프로젝트의 위험 제거
• 정부는 투자자가 기가와트 규모의 재생 암모니아 플랜트를 건설이 가능토록 리스크를 헷징하는 방안을 고려해야 함
• 예를 들어, 보조금, 투자, 대출 및 대출 보증은 투자의 자본 지출(CAPEX) 측면에서 위험을 제거 가능
• 운영 지출(OPEX) 측면에서 투자는 CfD 또는 친환경 보험료, 재생 가능 의무, 조달 계약 및 인수 보증 또는 경매 프로젝트의 중간 담보 구매자를 통해 위험을 제거가 가능
8. 재생 암모니아 생산을 위한 개조 기술
• 요소를 생산하지 않는 암모니아 공장은 CCS를 통합하거나 eSMR(전기 증기 메탄 개질) 기술로 개조 또는 화석 공급원료를 재생 수소로 교체하여 탈탄소화 가능
• 이는 기존 암모니아 용량의 연간 약 80Mt임
• 이는 탈탄소화를 위한 가장 경제적이며 빠른 방안임
9. 수요측 화석연료의 단계적 폐지 지원
• 재생 에너지로의 전환을 가속화하기 위해 기존 화석 기반 자산에 대한 규제 또는 개조등으로의 인센티브 등의 정책이 필요함
• 이를 통해 CO2 배출을 방지하고 기존 설비가 좌초되는 대신 활용을 극대화 할 수 있음
• 특히 초기 확장 단계에서 기존 자산을 개조하는 것이 새 자산을 구축하는 것보다 비용 효율적임
• 전력 부문과 해양 부문 모두에서 현재 기술은 종종 새로운 자산을 구축하는 것보다 저렴한 비용으로 암모니아 연료로 작동하도록 개조가능
10. 수소 전략에서 암모니아의 역할 재평가
• 암모니아를 비료 생산을 위한 수소 소비원이 아닌 발전용 원료 및 수소 운반체로서의 잠재적 에너지원으로 고려할 필요가 있음

 

암모니아가 수소 운반체로 수입되는 지역에서는 암모니아 분해에서 얻은 수소를 사용하기보다 가능한 한 직접 활용이 적합

• 암모니아는 대규모 수소 수입 시 수송이 용이하여 비용 효율적인 매개체일 뿐만 아니라 직접 사용 시 더욱 비용 효율적임

 

중앙 집중식 및 분산형 발전 및 수송 등 암모니아의 활용가능성은 점차 증가하고 있는 바, 이를 고려하여 국가 수소 전략을 수립하고 암모니아의 역할을 재평가하여야만 정책적 지원 및 수립이 가능함

 

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[목차]

I. 암모니아 시장 현황

1. 서론
2. 암모니아 활용
3. 암모니아 생산·소비 지정학적 특징
4. 설비 및 운송, 배송 관련 고려사항
5. 안전성
   
   

II. 암모니아 생산 및 기술, 비용 현황

1. 서론
2. 석탄 기반 암모니아 생산
3. 천연가스 기반 암모니아 생산
4. 저탄소 화석연료 기반 암모니아 생산(#1)
5. 저탄소 화석연료 기반 암모니아 생산(#2)
6. 재생에너지 기반 재생 암모니아 생산(#1)
7. 재생에너지 기반 재생 암모니아 생산(#2)
8. 재생에너지 기반 재생 암모니아 생산(#3)
9. 재생에너지 기반 재생 암모니아 생산(#4)
10. 재생에너지 기반 재생 암모니아 생산(#5)
11. 바이오매스 기반 재생 암모니아 생산
12. 재생 암모니아와 CCS 설비가 추가된 화석연료 기반 암모니아 간의 경제성 비교
13. 최신 암모니아 생산 기술
    
    

III. 생산성 및 지속가능성

1. 생산성 및 효율성
2. 배출량 및 암모니아 생산 지속가능성
3. 확인증 및 이산화탄소 패널티, 법 체계
   
   

IV. 무탄소 암모니아 미래 전망

1. 서론
2. 수소 운송용 캐리어
3. 발전용 연료
4. 국제 해운용 연료
5. 재생 암모니아 – 타 에너지 수송용 캐리어
6. 암모니아 공급망 사슬
7. 암모니아 경제 전망
8. 탈탄소 암모니아 수요 및 생산 예측
   
   

V. 암모니아 잠재성 및 장애물

1. 암모니아 수요
2. 지속가능한 생산
3. 다른 에너지원과 재생 암모니아
4. 재생 암모니아 진흥 동인
5. 재생 암모니아 확산의 장애물
6. 정책 제언

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