에너지
수소 운반체로서의 암모니아 — 그린 암모니아 관련주 5선
Securities.io를 Google의 선호 소스에 추가
액체 연료를 대체하려는 탐구
풍력과 태양광 발전이 늘면서 변동하는 발전량에 대응할 에너지 저장과 유연성이 더욱 중요해지고 있습니다. 배터리도 한 가지 방법이며, 관련 내용은 「에너지 저장의 미래 — 전력망 규모의 배터리 기술」에서 다뤘습니다.
장거리 해상 운송이나 항공 화물처럼 전기화가 특히 어려운 분야도 있습니다.
도로 화물 운송에서는 배터리 무게, 충전 인프라와 생산 능력이 특히 장거리 운행의 과제입니다. 다만 2023년에도 이미 전기화는 시작됐습니다. 첫 Tesla Semi 트럭은 2022년 12월 인도됐습니다.
휘발유, 경유와 등유는 배터리보다 질량당 저장된 화학 에너지가 많습니다. 전체 비교에서는 구동계의 효율도 고려해야 합니다.
(TSLA )따라서 석유제품을 대체할 액체 연료에 관심이 모입니다. 바이오연료는 재생 가능한 바이오매스로 만들며 화석연료와 비슷할 수 있지만, 조성과 환경 영향이 모두 같지는 않습니다. 관련 글은 「조류 바이오연료: 다음 에너지 혁명인가?」입니다.
또 다른 방법은 수소를 에너지 운반체로 사용하는 것입니다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소지만 경제적인 생산, 액화, 운송과 저장에는 어려움이 있습니다.
수소는 H2 기체뿐 아니라 화합물 안에도 저장할 수 있습니다. 공기의 약 78%를 차지하는 질소를 수소와 결합하면 암모니아를 만들 수 있습니다.
암모니아를 에너지 운반체로 활용
간단한 화학
암모니아(NH3)는 비료 생산에 사용되며 연소나 산화로 에너지를 방출할 수 있습니다. 질소와 물을 만드는 이상적인 완전연소 반응은 다음과 같습니다.
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O
이 이상적인 반응에서는 순수 수소의 연소처럼 직접적인 CO2가 발생하지 않습니다. 실제 연소에서는 유해물질이 생길 수 있으며, 암모니아 자체도 독성이 있어 안전하게 취급해야 합니다.
액체 암모니아는 액체 수소보다 훨씬 덜 극단적인 온도와 압력에서 저장할 수 있습니다. 인용된 분석의 부피당 에너지 밀도는 암모니아가 3.83 MWh/m³, 액체 수소가 2.64 MWh/m³입니다. 약 45%의 차이는 부피 기준이며 질량 기준이 아닙니다.
Kleinman Center의 분석에서는 수소 액화에 드는 에너지를 저장된 에너지의 44.7%로 계산했습니다. 액화 온도는 −253°C (−423°F)입니다. 해당 모델의 가정에서는 계절 저장 손실이 79%까지 커질 수 있었습니다. 결과는 저장 기간과 기술에 따라 달라지며, 능동 냉각으로 증발을 줄일 수 있습니다.
같은 분석에 따르면 암모니아는 대기압에서 −33°C 아래로 냉각하거나 20°C에서 7.5bar 이상으로 가압하면 액화할 수 있습니다. 약 99%라는 효율은 이 액화 단계만의 수치이며, 전기를 연료로 바꾼 뒤 다시 에너지로 회수하는 전체 과정의 효율이 아닙니다.
기존 인프라
암모니아는 이미 비료를 중심으로 플라스틱과 폭발물 등에도 대량 사용됩니다. 따라서 산업 공정과 공급망이 존재하지만, 전통적인 생산은 화석 원료와 에너지에 크게 의존합니다. 암모니아는 가장 많이 생산되는 산업용 화학물질 중 하나입니다.
저배출 암모니아 경제는 주로 재생에너지로 생산한 그린 암모니아를 활용합니다. 이는 다음과 같은 다른 생산 방식과 구별됩니다.
- 그레이·브라운 암모니아: CO2 포집 없이 화석 원료로 생산합니다.
- 블루 암모니아: 화석 기반 생산에 CO2 포집을 결합합니다. 기후 영향은 포집률과 메탄 누출에도 좌우됩니다.
- 핑크 암모니아: 원자력 에너지로 생산합니다. 색상 명칭은 통일되어 있지 않으며 옐로는 다른 방식을 뜻하기도 합니다.
- 터쿼이즈 암모니아: 메탄 열분해로 얻은 수소를 암모니아로 전환합니다. 함께 발생한 고체 탄소는 저장하거나 적합한 제품에 활용할 수 있습니다.
분석은 미국에 암모니아 배관 약 5,000km와 고압 천연가스 배관 약 490,000km가 있다고 설명합니다. 기존 인프라는 유용하지만 확대하려면 적합한 재료와 안전조치가 필요합니다. 암모니아를 일반적으로 비부식성이라고 할 수는 없습니다. 수소취성과는 다른 문제지만 재료 호환성과 응력부식도 중요합니다.
생산과 인프라에는 대규모 투자가 필요합니다. 인용된 시나리오에서 세계 천연가스 사용량의 절반을 대체하려면 암모니아 생산량이 약 20배가 되어야 합니다. 이는 해당 시나리오의 규모를 보여주는 계산이지 생산 전망이 아닙니다.
Kleinman Center의 표는 여러 저장 경로를 비교합니다. 암모니아는 7일 저장 후 약 42.5~52.3%, 182일 후 약 41.8~51%의 에너지를 회수하는 것으로 계산됩니다. 상한 84%는 암모니아가 아니라 압축 수소의 값입니다. 수치는 회수된 수소 에너지까지의 모델 경로를 뜻하며, 반드시 전력망에 돌려주는 전기의 비율은 아닙니다.
암모니아의 제한점
실제 암모니아 연소에서는 질소산화물(NOx), 미연소 암모니아와 아산화질소(N2O)가 생길 수 있습니다. NOx는 대기질에 해롭습니다. N2O는 다른 기체이며 EPA가 사용하는 100년 기준 질량당 온난화지수는 CO2의 약 273배입니다. 이 수치를 모든 NOx에 적용해서는 안 됩니다.
제안된 기술적 대응책은 다음과 같습니다.
- 그린 암모니아와 화석연료를 혼합해 연소합니다. 이 방식이 모든 배출을 자동으로 없애지는 않습니다.
- 수소를 혼합해 암모니아의 연소를 돕습니다.
- 충전소 같은 사용 현장에서 필요할 때 암모니아를 질소와 수소로 분해합니다. 이를 크래킹이라고 합니다.
- 적합한 연료전지 시스템으로 전기를 만들어 모터를 구동합니다. 암모니아를 직접 사용하거나 먼저 수소로 전환할 수 있습니다.
- 배기가스 후처리로 NOx를 줄입니다. 한 가지 예는 백금, 팔라듐이나 로듐을 사용하는 NOx 저장 촉매입니다. 모든 방식에 이 금속이 필요한 것은 아닙니다. 구리 제올라이트와 바나듐계 SCR 촉매도 사용됩니다. 비용과 재료 수요는 시스템에 따라 다릅니다.
기후 편익을 얻으려면 생산 배출뿐 아니라 사용 과정의 NOx, N2O와 암모니아 누출도 관리해야 합니다. 모든 NOx를 온난화지수가 동일한 하나의 온실가스로 취급하는 것은 잘못입니다.
암모니아를 수소 운반체로 활용
암모니아를 다시 질소와 수소로 분해할 수 있으므로, 직접 연소가 부적합한 분야에서도 수소 운반체로 활용할 가능성이 있습니다.
이 경로에서는 암모니아를 저장과 운송 및 일부 직접 용도에 사용합니다. 크래킹 후 수소를 정제하고 필요하면 압축해 연료전지나 적합한 엔진에 공급할 수 있습니다. 이 단계들도 에너지를 소비합니다.
설계와 용도에 따라 다음과 같은 이점이 있을 수 있습니다.
- 수소보다 완만한 액화 조건을 활용하면서 생산에 재생에너지를 사용할 수 있습니다.
- 일조와 바람이 풍부해 전력이 남는 시간에 저렴한 전기를 사용해 생산비를 줄일 수 있습니다.
- 연료를 여러 달 저장하면 에너지 시스템과 운송의 복원력을 높일 수 있습니다. 정전 시 비축 연료로 구급차와 공급망을 지원할 수 있지만, 연료 설비와 유통도 계속 작동해야 합니다.
- 맑거나 바람이 강한 달의 잉여 생산을 재생에너지 발전이 줄어드는 기간까지 보관할 수 있습니다.
따라서 암모니아 경제와 수소 경제를 완전히 대립하는 선택지로 보는 것은 오해를 부를 수 있습니다.
가능한 시나리오 중 하나는 암모니아와 수소를 함께 사용하는 에너지 체계입니다. 각 운반체를 특성에 맞는 분야에 활용합니다.
- 암모니아는 에너지 운반체의 운송, 장기 저장과 일시적인 잉여 전력 활용에 사용합니다.
- 수소는 직접 사용, 더 짧은 저장과 철강 생산 같은 일부 산업 공정에 활용합니다. 항공기 엔진에 쓰려면 추가 기술 개발이 필요합니다.
원전도 교통 전기화와 함께 핑크 암모니아 생산에 저탄소 에너지를 제공해 배출 감축에 기여할 수 있습니다.
암모니아 경제로 가는 길
광범위한 도입 시기는 불확실합니다. 2023년에 논의된 연구는 대규모 그린 생산을 2세대로 분류하고 2030년 이후 발전할 가능성을 제시했습니다. 이는 개발 시나리오이지 상업적 성공을 보장하는 일정이 아닙니다.
더 효율적인 직접 전기화학적 환원 생산은 해당 시나리오에서 2030년대 말의 3세대로 제시됐습니다. 당시 기술과 적합한 전기촉매는 아직 개발 단계였습니다.
출처: Science Direct
그린 암모니아에 대한 기대는 컸습니다. 2023년 시장 전망은 2023년 약 3억 달러에서 2030년 179억 달러로 성장하며 연평균 복합성장률이 약 72.9%에 이를 것으로 예상했습니다. 과거의 전망이지 실현된 성장이나 보장이 아닙니다.
그린 암모니아와 수소에 관련된 다섯 기업
이 목록은 그린 암모니아 또는 그린 수소 기업에 초점을 맞춥니다. 기존 대형 암모니아 생산업체인 CF Industries Holdings, Inc. (CF ) (CF)나 Yara International ASA (YAR.OL)도 생산을 저배출 방식으로 바꾼다면 관련 투자 대상이 될 수 있습니다.
1. Aker Horizons ASA (AKH.OL)
Aker Horizons는 2023년 노르웨이 Aker 그룹의 그린 에너지 중심 기업이었습니다. 그룹은 재생에너지, 해운과 해양 사업 등을 영위했습니다.
출처: Aker
Aker Horizons는 재생에너지, CO2 포집과 수소 프로젝트 개발에 투자한 지주회사였습니다.
출처: Aker
회사는 북극권 해운의 배출 감축 등을 목표로 수소와 그린 암모니아 프로젝트를 개발했습니다. 개발 중이라는 것이 예정된 모든 시설의 가동을 뜻하지는 않았습니다.
출처: Aker
순수 암모니아 기업은 아니었습니다. 포트폴리오는 재생전력부터 수소와 계획된 암모니아 생산까지 여러 단계를 포함했습니다. 글은 프랑스의 폐기물 에너지, 독일의 바이오매스, 사우디아라비아와 아랍에미리트의 CO2 포집 프로젝트도 언급했습니다.
2023년 글의 투자 논리는 이런 다양성이 여러 에너지 기술과 지역에 대한 노출을 제공한다는 것이었습니다. 사업 실행과 자금 조달이 여전히 핵심 변수였습니다.
2. Plug Power Inc. (PLUG)
Plug Power (PLUG )는 연료전지와 그린 수소 사업을 합니다. 글은 당시 수치로 회사 연료전지를 쓰는 지게차 4만 대 이상과 2013년 대비 8배 매출을 언급했습니다. 회사는 수소 생산, 물류, 배송과 대규모 전력 시스템도 개발했습니다.
출처: Plug Power
2023년 10월 발표에서 Plug는 규모 확대로 배송된 수소의 평균 비용을 2027년까지 약 10달러/kg에서 4달러/kg로 낮출 것으로 예상했습니다. 글은 예상 물량 증가를 약 14배로 해석했습니다. 이는 목표이지 달성한 결과가 아니었습니다.
출처: Plug Power
Plug는 적자 상태에서 확장에 투자하고 있었습니다. 발표는 2020년 이후 장비 제조 능력이 1,900% 늘었다고 했으며 실제 수소 생산량이 19배 늘었다는 뜻은 아니었습니다. 2023년 하반기 매출 전망은 약 7억 3,000만 달러로 상반기 약 4억 7,000만 달러와 비교됐습니다. 이미 매출이 두 배가 됐다는 설명은 틀립니다. 북미는 사업과 계획에서 중요한 부분이었습니다.
Plug는 수소를 교통 연료이자 전기차의 가능한 보완재로 제시했습니다. 적절한 시간에 생산하고 연료전지로 이용하면 유연성을 제공할 수 있지만 추가 에너지 손실도 발생합니다.
출처: Plug Power
수소와 암모니아 용도가 확대되면 Plug 제품의 수요가 늘 수 있었습니다. 회사는 주로 수소와 연료전지에 집중했지만, 발표에는 암모니아 생산을 포함한 핀란드 개발 프로젝트도 있었습니다. 따라서 암모니아와의 직접 관계를 모두 배제해서는 안 됐습니다.
글은 암모니아를 운송 수단으로 쓰는지와 관계없이 회사를 수소 분야의 가능한 투자 대상으로 봤습니다. 성과는 생산비, 물류, 저장, 수요와 자금 조달에 좌우됩니다.
3. Ballard Power Systems Inc. (BLDP)
Ballard도 연료전지 제조사이자 기술의 선구자로, 1993년 첫 연료전지 버스를 선보였습니다.
2023년 6월 Ballard는 버스, 트럭, 기차와 트램, 선박, 광산·건설 장비와 발전에 주력했습니다. 2025년까지 트럭의 기여가 커지고 매출의 약 50~60%가 유럽, 약 25%가 북미에서 나올 것으로 기대했습니다. 이는 당시 예상한 사업 구성이었습니다.
Ballard는 2030년 트럭용 연료전지의 잠재 시장을 약 75억 달러, 전체 트럭 시장을 약 1,950억 달러로 추산했습니다. 연료전지 추정치는 해당 표의 다른 용도를 합친 규모와 비슷했으며 세계의 모든 수소 용도를 뜻하지 않았습니다.
출처: Ballard
긴 주행거리와 빠른 연료 보급은 일부 중량 운송에서 연료전지의 장점이 될 수 있습니다. 비전철 철도에서는 가공 전차선 설치를 줄일 수 있습니다. 적합성은 노선과 수소 인프라에 달려 있으며, 이는 배터리 급속충전이 아니라 연료 보급을 뜻합니다.
출처: Ballard
구체적인 사례는 2022년 12월 8일 계약입니다. Amogy에 처음에는 각 200kW인 해양용 FCwave 연료전지 3기를 공급하기로 했습니다. Amogy 시스템은 암모니아를 수소로 분해하며, PEM 연료전지에 암모니아를 직접 공급하지 않습니다.
글은 수소 경제 확대에서 중량 운송을 Ballard의 잠재적 기회로 봤습니다. 시장 성장은 인프라, 비용과 주문에 달려 있으며 정책 지원만으로 자동 보장되지 않습니다.
4. FuelPositive Corporation (NHHHF)
FuelPositive는 농업을 첫 대상으로 현장 그린 암모니아 생산용 컨테이너형 모듈식 FP300을 개발했습니다. 제시된 사양은 하루 최대 300kg, 연간 약 100미터톤이며 초기 기본 가격은 95만 캐나다달러였습니다. 최종 가격은 구성에 따라 달라졌습니다.
출처: Fuel Positive
회사는 1,800에이커, 약 728헥타르의 농장을 예로 들었습니다. 발표에서 약 1MW 태양광 시스템과 저장장치의 예시 면적은 1.5에이커, 약 0.61헥타르였습니다. 회사의 예시이지 모든 기후에서 같은 면적으로 생산 에너지를 충당한다는 보장은 아니었습니다.
출처: Fuel Positive
FuelPositive는 운영비를 톤당 약 560캐나다달러로 추산했습니다. 전력 가격에 따라 달라지는 값으로 시설 구입비까지 포함한 총비용은 아니었습니다. 현장 생산은 시장 가격 변동의 영향을 줄일 수 있지만 모든 위험을 없애지는 못합니다. 글은 특정 시기 암모니아 가격이 톤당 1,350달러에 달했던 사례를 언급했습니다.
출처: BusinessAnalitIQ
2023년 회사는 초기 단계였습니다. 연차총회 목표는 첫 30개 시스템 주문의 공식화와 2025년 초 신규 제조시설 가동이었습니다. 이것이 이미 30건의 확정 주문을 입증하지는 않았습니다. 2024년 3월 또는 봄 첫 인도는 당시 계획이지 완료된 납품이 아니었습니다.
글은 분산 생산과 표준화된 장비 제조를 뒷받침할 수 있는 모듈식 설계를 강점으로 제시했습니다.
FuelPositive가 협력을 추진하던 기업은 Cipher Neutron으로, 백금족 금속을 쓰지 않는 음이온교환막 전해조를 개발했습니다.
첫 목표는 비료 시장이었습니다. 농기계 연료로 쓰려면 호환되는 엔진이나 수소 시스템과 적절한 인프라가 필요합니다.
분산형 모듈식 접근법은 장차 암모니아 에너지 운반체 시장에도 쓰일 수 있었습니다. 광범위한 에너지 활용에 앞서 비료 시장이 초기 상업 개발 분야였습니다.
5. AmmPower Corp. (AMMPF)
AmmPower도 모듈식 설비를 개발했으며 IAMM의 설계 생산량은 하루 4미터톤이었습니다. 1만 에이커, 약 4,047헥타르가 넘는 농장과 섬유, 냉동, 광업, 제약, 반도체 산업을 목표로 했습니다. 명목 용량이 이미 광범위한 설비 가동을 뜻하지는 않았습니다.
출처: AmmPower
글은 당시 단기 잠재 주문 3,000만 달러와 52개국 690개 시스템의 판매 기회를 언급했습니다. 이는 상업적 가능성이지 확정 계약이나 실현 매출이 아니었습니다.
톤당 360달러의 추정치는 전기만의 비용이며 생산, 유지보수와 자본의 총비용이 아니었습니다.
모듈식 접근법은 일부 기존 프로젝트의 3~4년 대신 1년 미만 납품을 목표로 했습니다. 이는 개발 목표이며 실제 기간은 프로젝트와 인허가에도 달려 있습니다.
AmmPower는 2023년 6월 15일 CTEC Energy Sales USA와 폐기물을 활용한 암모니아 생산 합작계약을 발표했습니다. 제안된 경로는 폐기물에서 얻은 수소와 전기로 IAMM 합성 설비를 가동하는 방식이었습니다.
글은 또한 암모니아를 수소로 분해하고 별도로 자금을 조달할 자회사 설립 계획을 언급했습니다. 기술은 개발 중이었으며 상업 규모에서 검증된 것은 아니었습니다.
AmmPower는 상대적으로 자본 접근성이 높은 산업 고객과 대형 농장을 겨냥했습니다. 암모니아 합성과 분해는 수소 시장의 기회가 될 수 있지만 확장은 자금, 기술 진전과 실제 주문에 달려 있습니다.
