암모니아는 탄소중립을 실현하기 위한 주요 화합물 중 하나로, 친환경 미래 에너지로 주목받고 있는 수소를 효율적으로 운송하는 매개체로 활용된다. 최근 이런 암모니아의 전기생산 시스템과 수입 최적화에 관한 연구가 진행돼 주목받고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 탄소중립대학원 및 에너지화학공학과 임한권 교수팀은 “한국의 전기 생산을 위한 암모니아 수입의 확대와 최적화”에 대한 연구를 수행했다. 이번 연구에서는 암모니아를 분해하는 시스템과 인산형 연료전지를 결합해 작은 규모의 분산형 발전 시설을 설계했으며, 암모니아의 생산 방식별 수입량에 따른 시나리오를 세워 최적화를 진행했다.
분산형 발전 시스템은 중앙화된 발전소가 아닌 지리적으로 분산된 작은 발전 시스템으로 전력 손실을 줄이고 전력 공급의 안정성을 향상시킬 수 있다는 장점을 가진다. 연구팀은 해당 시스템에서 암모니아를 원료로 사용하기 위해 암모니아의 생산부터 활용까지 전주기를 고려해 공정설계, 기술·경제성 및 환경성 평가, 수입에 대한 최적화를 연구했다. 이를 위해 먼저 통계 데이터를 기반으로, 국내 암모니아 수입의 80% 이상을 차지하는 상위 10개 나라(인도네시아, 미국, 사우디아라비아 등)를 선정했다.
그림1. 암모니아 기반 발전 시스템의 경제성 평가 결과
또한, 암모니아의 종류를 생산 방식에 따라 화석연료를 기반으로 생산된 “탄소 기반 암모니아”와 화석연료를 기반으로 생산돼 이산화탄소 포집 시스템으로 이산화탄소를 제거한 “탄소중립 암모니아”로 나눴다. 연구팀은 이 두 가지 유형의 암모니아를 수입 비율에 따라 시나리오를 설정했으며, 최근 20년간의 한국의 암모니아 실제 수입 기록을 바탕으로 경제성과 환경성을 확보할 수 있는 최적의 암모니아 수입 조건을 도출했다.
연구 결과, 암모니아의 생산 방식이 이산화탄소 배출량에 대한 지표인 탄소집약도에 가장 큰 영향을 미치는 것을 확인했다. 연구팀은 한국이 수소를 생산할 때 사용하는 탄소중립 암모니아 비율을 78%까지 높일 경우, ‘2050 탄소중립’ 달성하기 위한 중간 목표인 2030년 탄소집약도에 도달할 수 있다는 것을 확인했다. 이를 통해 탄소중립 암모니아를 활용한 전기 생산이 이산화탄소를 줄이는데 충분히 경쟁력 있다는 결과를 도출해냈다.
그림2. 시나리오 3에서 한국의 암모니아 수입에 대한 최적화 결과
제1저자 임동준 에너지화학공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “암모니아는 탄소를 가지고 있지 않으면서 수소를 포함한 화합물로 효율적인 수소 운송체로 주목받으며 분산형 발전 시스템의 원료로 활용된다면 여러 장점을 가질 수 있다”며 “암모니아를 통한 발전이 타당성을 가지기 위한 조건을 도출했다는 점에서 의미가 있다”라고 설명했다.
임한권 탄소중립대학원 및 에너지화학공학과 교수는 “본 연구는 암모니아를 분해하여 생산된 수소를 통해 연료전지에서 전기를 생산하는 시스템에 대한 통합적인 분석을 수행해 분산형 발전에서의 암모니아 활용에 대한 가능성을 보여준다”며 “2가지 상업화된 암모니아 생산 방식의 가격과 환경 영향성을 고려해 최종적으로 전기 생산 단가와 온실가스 배출 정도를 분석했지만, 이번 연구에서는 신재생 에너지를 활용하는 방식은 고려되지 않아 관련 후속 연구를 수행 중이다”고 설명했다.
그림3. 탄소 기반 암모니아와 탄소중립 암모니아 비율에 따른 최적화 결과
이번 연구는 UNIST 탄소중립실증화센터, 과학기술정보통신부 한국연구재단의 기후변화대응기술개발사업, 산업통상자원부의 재원으로 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 수행됐으며, 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 5월 13일자로 온라인 출판됐다.
