[레포트 | 수소] 암모니아: 탈탄소 도우미

저탄소 암모니아는 운송, 중공업 및 화력 발전소를 포함하여 경제의 큰 부분을 탈탄소화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

icef2022_roadmap_Low-Carbon_Ammonia.pdf

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요약 

 

1장: 소개 암모니아(NH3)는 비료, 플라스틱, 고무, 섬유, 폭발물 및 기타 제품의 공급원료인 현대 사회의 빌딩 블록 중 하나입니다. 암모니아는 상온에서 기체이고 적당한 압력 또는 냉장 상태의 액체이므로 사용 및 보관이 용이합니다. 전 세계 이산화탄소(CO2) 배출량의 거의 2%는 암모니아 생산에서 발생합니다. 이러한 배출량의 대부분은 천연 가스나 석탄에서 수소를 분리하는 과정에서 발생합니다. 이러한 배출량은 저탄소 생산 방법으로 줄이거나 없앨 수 있습니다. 주요 옵션은 (1) 이러한 공정에서 배출되는 CO2를 포집하여 지하 또는 수명이 긴 제품에 저장하고 (2) 탄소 제로 공정에서 생성된 전기를 사용하여 물에서 수소를 분리하는 것입니다. 이 로드맵에서 "저탄소 암모니아"라는 용어는 저탄소 생산 방법으로 만든 암모니아를 의미합니다. 저탄소 암모니아는 두 가지 방식으로 탈탄소화에 기여할 수 있습니다. 첫째, 저탄소 생산 방법은 현재 암모니아 생산에서 발생하는 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다. 둘째, 저탄소 암모니아는 운송, 중공업, 발전 및 기타 부문에서 탄소 집약적 연료를 대체할 수 있습니다. 칠레, 사우디아라비아, 호주를 포함한 많은 국가에서 저탄소 암모니아 생산 방법에 투자하고 있습니다. 이것은 농업, 연료, 자연 환경 및 지정학에 영향을 미칩니다.

 

2장: 암모니아 산업: 과거와 현재 독일 화학자 Fritz Haber와 Carl Bosch가 암모니아를 합성하는 방법을 개발한 것은 20세기의 가장 중요한 기술 발전 중 하나였습니다. 한 추정에 따르면 현재 세계 인구의 절반은 합성 암모니아 없이는 먹을 수 없습니다. 작년에 거의 1억 8천만 톤(Mt)의 암모니아가 전 세계적으로 생산되었습니다(천연 가스에서 72%, 석탄에서 26%). 가장 큰 암모니아 생산국은 중국(전 세계 생산량의 약 30%)이며, 러시아, 유럽 연합, 미국, 인도 및 중동이 그 뒤를 잇고 있습니다. 전 세계 암모니아의 약 10%가 국제적으로 거래되며 현재 100개 이상의 항구와 약 200척의 선박이 대량 암모니아를 처리할 수 있습니다. 암모니아는 또한 파이프라인(주로 미국 및 러시아/우크라이나), 철도 및 트럭을 통해 운송됩니다. 국제 에너지 기구(International Energy Agency)의 지속 가능한 개발 시나리오(SDS)는 2050년 암모니아 수요가 비료용으로 총 230Mt, 주로 해양 연료 및 발전용 신규 용도로 125Mt이 될 것으로 예상합니다.

 

3장: 저탄소 암모니아 생산 오늘날 거의 모든 암모니아는 화석 연료의 수소로 만들어집니다(천연 가스의 72%, 석탄의 26%). 수소 생산은 현재 암모니아 합성 산업에서 발생하는 CO2 배출량의 약 90%를 담당합니다. 블루 암모니아는 화석 연료에서 기존의 수소 생산에 탄소 포집을 추가합니다. 증기 메탄 개질(SMR)에 탄소 포집을 추가하는 것은 총 CO2 배출량(생산 중에 이미 분리됨)의 약 2/3에 대해서는 상대적으로 저렴하지만 나머지 CO2 배출량에 대해서는 훨씬 더 비쌉니다. 더 작은 1차 개질기 또는 산소 취입 자열 개질기(ATR)가 있는 최신 SMR 시스템은 이러한 비용을 상당히 낮출 수 있습니다. 업스트림 비산 메탄 배출은 이러한 시스템의 총 수명 주기 배출량을 증가시키며 CO2 운송 및 저장에 대한 접근이 주요 장벽입니다. 녹색 암모니아는 전기분해(물에 흐르는 전류)를 사용하여 수소를 생성합니다. 탄소 강도는 주로 전기 공급원에 따라 다릅니다. 무탄소 전기 공급원은 매우 낮은 탄소 암모니아를 생산하는 데 도움이 될 수 있지만 고탄소 전기 공급원은 기존 SMR 기반 수소 생산에 비해 총 수명 주기 CO2 배출량을 증가시킬 수 있습니다. 전해조의 제한된 글로벌 제조 능력이 주요 장벽입니다. 암모니아는 또한 바이오수소(바이오매스에서 생성된 수소)로부터 생성될 수 있습니다. 바이오매스 공급원료에는 농업 폐기물, 임업 폐기물, 종이 생산에서 발생하는 흑액, 도시 고형 폐기물, 전용 에너지 작물, 미세조류 및 거대조류가 포함됩니다.

 

4장: 암모니아 기반 시설 암모니아에는 파이프라인, 탱크 및 해상 벙커링 시설을 포함한 특수 목적 기반 시설이 필요합니다. 현재 전 세계적으로 거의 8000km에 달하는 암모니아 파이프라인이 운영되고 있으며 38개의 수출 터미널과 88개의 수신 터미널이 있습니다. 이러한 시설은 암모니아 산업이 성장함에 따라 매우 필요한 추가 암모니아 인프라의 비용과 성능을 이해하기 위한 훌륭한 기반을 제공합니다. 혁신의 필요성은 제한적입니다. 추가 암모니아 인프라는 주로 재정, 경제 및 정책에 따라 달라집니다. 액체 암모니아의 파이프라인 운송은 위치 간에 암모니아를 운송하는 안전하고 위험이 낮으며 비용 효율적인 방식입니다. 거의 모든 암모니아는 탱크에 저장됩니다. 가압식, 저온식, 반냉장식의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 항만 시설은 저탄소 암모니아의 확장을 위한 필수 기능을 제공할 것입니다. 해상 연료 적용의 경우 벙커링은 배치를 위한 핵심 전제 조건입니다. 액화 천연 가스(LNG) 인프라, 특히 LNG 수용 터미널 및 저장 시설은 암모니아를 사용하도록 전환할 수 있습니다. 인적 자본, 허가 및 환경 정의 문제는 새로운 암모니아 인프라에서 중요합니다. 상당한 새 인프라가 없으면 암모니아는 깊은 탈탄소화에 기여할 수 있는 잠재력을 최대한 발휘할 수 없습니다.

 

5장: 용도 저탄소 암모니아는 탄소 배출량을 줄이기 위해 많은 부문에서 사용할 수 있습니다. 첫 번째로 가장 중요한 용도는 농업 비료 및 화학 공급 원료를 포함하여 기존 응용 분야에서 기존 암모니아를 즉시 교체하는 것입니다. 암모니아는 해상 운송, 발전, 중공업, 도로 운송, 항공 연료 및 냉동에도 사용할 수 있습니다. 2050년 저탄소 암모니아의 잠재 시장은 현재 전 세계 암모니아 생산량의 몇 배입니다. 암모니아가 동력 엔진과 터빈에 더 널리 사용되려면 암모니아의 연소 특성에 대한 더 나은 이해가 필요합니다. 단기적으로는 다른 연료(예: 석탄/천연 가스)와 혼합된 암모니아의 공동 연소가 기술적으로 가장 성숙하고 위험이 가장 적습니다. 혼합 비율이 높거나 순수한 암모니아 연소 응용 분야에는 더 많은 발전이 필요합니다. 저탄소 암모니아는 다른 탈탄소화 전략과의 경쟁에 직면해 있습니다. 저탄소 암모니아의 가장 유망한 새로운 용도는 해상 운송 연료 및 발전입니다. 저탄소 암모니아의 새로운 용도를 개발하려면 R&D에 대한 투자가 필요합니다.

 

6장: 지역 환경 및 안전 위험 암모니아의 광범위한 사용으로 인해 암모니아 운송 및 유통의 안전한 취급에 대한 성숙한 이해와 기존 적용 분야 내에서 적절한 위험 관리 방법이 도입되었습니다. 기존 응용 분야에 저탄소 암모니아를 공급해도 인체 건강 및 환경 위험이 크게 변하지는 않습니다. 저탄소 암모니아가 발전 및 해양 연료와 같은 새로운 응용 분야에 채택되면 새로운 위험에 세심한 주의와 관리가 필요합니다. 암모니아와 관련된 주요 건강 및 환경 문제는 가연성, 고농도에서 인체에 대한 급성 독성, 대기 중 미립자 오염 형성에 대한 기여 및 수생 생태계에 대한 부정적인 영향입니다. 암모니아는 악취 감지 임계값이 낮기 때문에 위험한 농도에 도달하기 전에 느린 누출을 쉽게 감지할 수 있습니다. 그러나 통제되지 않은 대규모 방출은 인체 건강에 심각한 위험을 초래하므로 그러한 사건의 가능성을 최소화하기 위한 안전 조치가 마련되어야 합니다. 느린 암모니아 누출 및 기타 제한된 방출은 작업자 안전에 대한 우려가 적지만 방출된 암모니아는 다른 오염 물질과 반응하여 대기 중에 유해한 입자를 형성할 수 있습니다. 암모니아는 또한 수역에 침전되어 부영양화에 기여하여 용존 산소를 소비하는 해로운 녹조를 일으켜 물고기를 죽게 합니다. 환경에서 암모니아의 운명과 수송은 복잡하며 개선된 이해를 발전시키기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 

 

7장: 연구 개발(R&D) 저탄소 암모니아를 안전하고 지속 가능하게 확장하기 위한 연구 개발(R&D) 요구는 네 가지 주요 영역에 중점을 둡니다. 1. 재생 에너지, 특히 태양열, 풍력 및 바이오매스와의 심층 통합 계획 개발 , 암모니아 시장에서 멀리 떨어진 지역에서 발생하는 경향이 있습니다. 2. 수명주기 에너지 효율성을 높이고 자본 집약도를 줄입니다. 3. 모든 안전 및 환경 위험을 이해하고 관리할 수 있음을 확인합니다. 4. 암모니아 사용이 에너지와 기후에 미치는 영향을 잘 이해하도록 합니다. 

 

8장: 정책 저탄소 암모니아의 생산과 사용을 크게 늘리려면 정책 지원이 필수적입니다. 고려해야 할 주요 정책에는 수요측 정책(예: 탄소 가격 책정, 저탄소 연료 표준 및 발전소 배출 표준), 공급측 정책(예: R&D 투자 및 정부 대출 보증), 규제 제어(예: 건강 및 안전 규정) 및 활성화 정책(예: 가속 허가 및 공공-민간 파트너십). 정부가 취할 수 있는 한 가지 간단한 조치는 국가 수소 전략에서 저탄소 암모니아를 보다 중심적으로 강조하는 것입니다. 암모니아 연료의 온실 가스 배출에 대한 수명 주기 평가 지침도 중요합니다. (이미 작업이 진행 중인 국제해사기구는 이러한 지침을 개발하는 중요한 장소입니다.) 많은 정부에서 부처 간 조정이 정책 개발에 도움이 될 것입니다. 정부는 광범위한 탈탄소화 전략 포트폴리오 내에서 저탄소 암모니아의 최적 사용을 촉진해야 합니다. 단순히 모든 곳에서 저탄소 암모니아를 최대한 사용하기 위해 노력하는 것이 아닙니다.

 

9장: 조사 결과 및 권장 사항 

조사 결과 1: 저탄소 암모니아는 이번 10년 동안 주요 부문에서 상당한 온실 가스 감소를 가져올 수 있으며 일부 부문에서는 2050년까지 대폭 감소할 수 있습니다.

결과 2: 2030년 이전에 저탄소 암모니아를 대량으로 생산하는 데 기술적 장벽이 없습니다.

결과 3: 비용은 배포의 주요 장애물입니다.

결과 4: 암모니아 확장으로 인한 안전 및 환경 위험은 주의와 관리가 필요합니다.

결과 5: 전 세계 저탄소 암모니아 거래에는 인프라 투자와 더 많은 선박이 필요합니다.

결과 6: 저탄소 암모니아가 온실 가스 배출을 상당히 감소시키기 전에 응용 프로그램에 대한 더 많은 작업이 우선 순위입니다.

결과 7: 오늘날 저탄소 암모니아를 지원하는 정책을 가진 국가는 거의 없습니다.

결과 8: 저탄소 암모니아 거래는 지정학적 영향을 미칠 수 있습니다.

 

권장 사항

 

권장 사항 1: 정부는 새로운 저탄소 암모니아 공급에 대한 투자를 지원해야 합니다.

권장 사항 2: 정부는 저탄소 암모니아 생산, 운송 및 사용을 위한 주요 인프라를 계획, 개발 및 자금 조달하기 위해 일련의 공공-민간 파트너십을 시작해야 합니다.

권장 사항 3: 정부와 산업계는 저탄소 암모니아 사용을 위한 혁신에 막대한 투자를 해야 합니다.

권장 사항 4: 정부 규제 기관은 암모니아 거래에서 안전 및 환경 문제를 방지하기 위한 조치를 취해야 합니다.

권장 사항 5: 주요 정부는 암모니아를 연료 및 공급 원료로 더 많이 사용하도록 지원 정책을 수립해야 합니다.

권장 사항 6: 저탄소 암모니아에 대한 정책 인센티브는 암모니아 "색상"(예: 녹색 또는 파란색)이 아닌 탄소 집약도를 기반으로 해야 합니다.

권장 사항 7: 기업과 정부는 지역, 국가 및 국제 데이터 수집 및 데이터 공유를 지원해야 합니다.

권장 사항 8: 기업, 정부 및 교육 기관은 인적 자본 개발에 초점을 맞춰야 합니다.