[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

암모니아는 전 세계적으로 연간 약 1억 8천만 톤이 생산 및 소비되는 주요 화학 물질로 기존의 비료, 화약, 플라스틱 등의 제조뿐만 아니라 최근에는 탄소 배출이 없는 친환경 연료 및 미래 에너지로 전망되는 수소를 효율적이고 경제적으로 수송 및 저장할 수 있는 매개체로 주목받고 있음.

현재 수소 연료전지를 통해 전기를 생산하는 발전 시스템은 주로 액화천연가스에서 추출된 수소를 사용하는 경우가 많아 화석연료의 사용에서 발생하는 탄소 배출이 불가피함. 또한, 천연가스와 관련된 공급 인프라가 제한적이기 때문에 발전 시스템의 위치가 제한될 수 있음.

암모니아는 10 bar의 압력에서 액체로 존재하여 효율적으로 저장 및 운송할 수 있으며, 기존의 다양한 활용처로 인해 관련 인프라가 이미 구축되어 있다는 장점이 있음. 하지만 암모니아는 주로 화석연료를 통해 생산된 수소를 활용하여 제조되기 때문에 생산 과정에서 이산화탄소가 발생하여 암모니아의 활용에 대해서는 전 주기적 관점에서 분석해야 함.

따라서, 본 연구에서는 암모니아 활용의 전 주기에서 발생하는 비용과 이산화탄소 배출을 고려하여 탄소 기반 암모니아와 탄소중립 암모니아 비율에 따라 시나리오를 세운 후 실질적 암모니아 수입을 최적화함으로써 암모니아 기반 발전 시스템의 경쟁력을 경제적·환경적 측면에서 분석함.

2. 연구내용

본 연구에서는 탄소 기반 암모니아와 탄소중립 암모니아 수입 비율에 따른 5가지 시나리오를 구성하여 생산 비용과 생산 단계에서 발생하는 이산화탄소를 고려함.

공정설계를 통해 암모니아의 분해, 수소 정제, 수소 연료전지로 구성된 시스템을 디자인하고 한국의 암모니아 수입에 80% 이상을 차지하는 상위 10개 나라를 대상으로 탄소 기반 암모니아와 탄소중립 암모니아의 비율에 따라 탄소 배출을 최소화하도록 나라별 수입량을 최적화함.

경제적인 측면에서는 균등화발전원가를, 환경적인 측면에서는 탄소집약도를 지표로 삼아 5개의 시나리오에 대해 암모니아 분해 수소 기반 발전 시스템의 타당성을 분석하고 확률적 최적화를 이용하여 최적의 암모니아 수입량을 분석함.

3. 기대효과

암모니아를 통해 재생산된 수소를 활용하기 위해 고압 인산형 연료전지를 사용하고, 이를 통한 목표 발전량을 달성하기 위한 암모니아 수입량을 계산하여 경제적·환경적 측면에서 암모니아 수입을 최적화하고 국내 전기 단가와 비교하여 경쟁력을 갖기 위한 조건을 도출함.

기술·경제성 및 환경성 분석 결과와 통계 데이터를 기반으로 시나리오별 확률적 최적화를 진행하는 프레임워크를 통해 암모니아를 통한 발전 시스템의 실질적인 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대됨. 또한, 개발된 프레임워크는 국내 암모니아 수입에만 국한되지 않고, 다른 국가나 다른 에너지 관련 물질에도 응용할 수 있음.

[붙임] 용어설명

1. 암모니아 (Ammonia)

질소와 수소로 이루어진 화합물로 비료의 원료로 사용되는 대표적인 화학 물질임. 최근에는 물리화학적 측면에서의 이점과 기존 인프라 활용이 가능하다는 점에서 효율적이고 경제적인 수소 운송 매개체로써 경쟁력이 입증되어 주목받고 있음.

2. 연료전지 (Fuel cell)

연료의 화학적 에너지를 전기화학 반응을 통해 전기에너지로 전환하는 장치로 연료로는 주로 수소가 사용됨. 높은 효율과 적은 오염 물질 배출, 다양한 규모에서의 활용 등 많은 장점을 가져 유망한 발전 기술로 주목받고 있음.

3. 탄소집약도 (Carbon intensity)

특정 활동이나 제품에서 발생하는 이산화탄소 배출량에 대한 지표로, 전기에너지 생산에서의 탄소집약도는 일반적으로 gCO2/kWh의 단위로 나타냄.

4. 균등화발전원가 (Levelized cost of electricity)

전기에너지를 생산하는 발전 자산의 수명 동안 전기를 생산하는데 필요한 모든 비용을 고려하여 계산된 평균 전기 생산 비용. 다른 종류의 발전 기술을 통해 생산되는 전기에너지의 생산 단가를 비교하는데 사용되며 일반적으로 $/kWh로 나타냄.

5. 확률적 최적화 (Stochastic optimization)

무작위성을 최적화 과정에 통합하는 방법을 사용하여 잡음이 많은 데이터나 불완전한 정보가 있는 실제 문제를 해결하는데 사용됨. 이런 최적화 계산에서는 무작위 변수를 사용하여 목적 함수에서 표본을 추출하거나 근사함으로써 문제를 해결함.

[붙임] 그림설명

그림1. 암모니아 기반 발전 시스템의 경제성 평가 결과

(a) 전기 생산 단가의 가격 분포, (b) 암모니아 수입 가격, 실제 전기가격, 계산된 시스템의 전기 생산 단가 비교, (c) 개선된 시스템의 경제성 비교)

그림2. 시나리오 3에서 한국의 암모니아 수입에 대한 최적화 결과

원 크기는 수입량과 비례, 회색은 탄소 기반 암모니아, 파란색은 탄소중립 암모니아로 표시

그림3. 탄소 기반 암모니아와 탄소중립 암모니아 비율에 따른 최적화 결과

(a) 시나리오별 탄소집약도, (b) 도수분포 그래프 및 커널 밀도 추정 분포, (c) 암모니아의 생산, 운송, 활용에서 발생하는 배출 비율