21세기 ‘그린 연료’의 핵심으로서 암모니아가 부상하고 있다. 암모니아는 식량 생산과 국가 안보에 중요한 역할을 하고 있으며, 농작물 수확량을 향상하는 질소 비료의 핵심 성분으로 사용되고 있다. 또한 에너지 운반체 혹은 해상 연료와 같은 새로운 응용 분야에서도 엄청난 잠재력을 보인다. 일부 관측에서는 암모니아 수요가 2035년까지 두 배가량 증가할 것으로 보고 있다.
하지만 암모니아의 높은 탄소 집약도로 인해, 새로운 분야에 활용하는 과정에서 막대한 비용이 소비된다. 현재 암모니아 생산 및 소비 과정에서 최대 2%의 온실가스가 발생하며, 이는 전 세계 모든 상업용 항공기의 탄소 배출총량과 맞먹는 수준이다.
이에 기후 및 지속 가능성 노력의 일원으로 암모니아를 완전히 탈탄소화하는 기술이 개발 중이나, 현실적으로 보아 단기간에 적용 가능한 선택지는 아니다. 전기 분해를 통해 “그린 암모니아”(또는 “재생 가능한 암모니아”)를 생산하기 위해서는 막대한 양의 재생 에너지가 소모되는 것은 물론이고 거대한 전기 분해 설비의 대규모 구축이 필요하다. 그러나 산업계는 더 이상 그린 암모니아 솔루션을 미룰 여지가 없다.
암모니아를 완전히 탈탄소화하는 장기 솔루션을 점진적으로 실현하는 동안, 업계는 암모니아 생산 및 소비 과정에서의 환경 영향을 줄이는 단기 조치를 취할 수 있다. 재생 가능한 암모니아 생산 및 소비업체들은 공정을 개선하고 배출량이 적은 암모니아 공급원을 선택함으로써 다운스트림(판매 및 유통)에서 부산물을 보다 친환경적으로 사용할 수 있다. 또한 탄소 배출량 감축에 어려움을 겪는 타 산업 부문과 마찬가지로, 정책 입안자의 주도하에 생태계 전반에 대한 거시적인 접근 방식을 택함으로써 보다 효과적인 인센티브와 현명한 규제, 빠른 수익 창출을 이룰 수 있다.
물론 이는 완벽한 해결책이 아닌 단계적인 개선 방안일 뿐이다. 그러나 기후 대책이 시급한 오늘날, 이 같은 방법이 암모니아 탈탄소화에 이점을 제공한다는 사실은 분명하다.
그린 암모니아, 단기 해결책은 아니다
암모니아는 농업은 물론, 다양한 산업 공정에서 오랜 기간 핵심 원자재로 사용됐다. 최근에는 ‘재생 가능한 암모니아’를 활용해 탄소 배출량 감축이 어려운 산업 부문의 탄소 중립을 지원하는 새로운 응용 분야가 등장했다. 대표적으로, 운송 산업에서 암모니아는 화석 연료를 대체할 잠재적 저탄소 연료로 주목받고 있다. 선박 엔진 제조사들은 현재 화물선에 적용 가능한 암모니아 호환 엔진을 개발 중으로, 이르면 2024년 출시할 수 있을 것으로 예상한다. 전력 산업에서도 암모니아 활용 가능성을 주목하는데, 예시로 일본은 전력 생산 과정에서 탄소 배출량을 감축하기 위해 석탄 연료를 암모니아로 대체하는 계획을 발표했다. 앞으로 전 세계 암모니아 수요는 2035년까지 약 2배, 2050년까지는 약 3배 증가할 것으로 예상된다. (보기 1 참조)
그러나 암모니아 생산 공정은 이보다 더 친환경적이어야 한다. 암모니아를 합성하는 가장 흔한 방법인 하버-보슈법(Haber-Bosch process)은 에너지 집약도가 높다. 전 세계 암모니아 생산에는 프랑스가 한 해 동안 소비하는 에너지와 거의 비슷한 양의 에너지가 필요하다. 배출량 측면에서는 합성 암모니아 1톤당 2~2.5톤의 CO2를 발생시켜, 철강(1.4t CO2/t)이나 시멘트(0.6t CO2/t)보다도 탄소 집약적이다.
그린 암모니아는 전반적으로 환경 측면에서 지속 가능한 접근 방식으로 생산되고 있다. 재생 가능한 전기(일반적으로 풍력 또는 태양열 발전)를 동력으로 사용해 전해조에서 물 분자가 수소 및 산소로 분해되고, 이후 수소는 암모니아로 전환되어 요소 또는 질산암모늄과 같은 다른 물질로 합성되거나 다운스트림 소비자에 전달된다.
그러나 현재는 전해조 용량은 물론, 전해조에 전력을 공급하는 재생 에너지량조차 수요에 훨씬 못 미치는 수준이다. 2021년 기준, 전 세계에 설치된 전해조의 총용량은 약 500메가와트이나, 탄소 중립을 달성하기 위한 규모의 그린 암모니아를 생산하려면 현재 용량의 2,000배인 1,000기가와트 이상이 필요하다. 또한 이 같은 규모의 전해조에 풍력으로 전력을 공급하려면, 2030년까지 매주 약 150개의 풍력 터빈을 쉴 새 없이 건설해야 하는데, 이는 현재 전 세계에 설치된 풍력 터빈의 1/3가량이 오직 그린 암모니아 생산만을 위해 사용되는 것이나 다름없다. 암모니아 외에 다른 산업에서도 자체적인 탈탄소화를 위해 전해조 및 재생 에너지가 대량 필요할 것이고, 이 기술에 대한 수요는 나날이 증가할 것이다.
소비자에게 암모니아를 판매 및 유통하는 과정에서 발생하는 다운스트림 탄소 배출량도 중요한 요소다. 당장 오늘부터 재생 가능한 생산 방식을 도입해 전 세계 암모니아 수요를 100% 충족한다고 해도, 이는 암모니아 생산 과정에서 발생하는 업스트림 스코프 1, 2, 3 탄소 배출량만 제거할 뿐 암모니아 소비 단계에서 발생하는 다운스트림 스코프 3 탄소 배출량은 제거할 수 없다. 질소 비료를 사용하는 농부들은 상당량의 아산화질소와 이산화탄소를 배출할 수밖에 없다. (보기 2 참조)
결론적으로, 재생 가능한 암모니아 생산을 단기간에 확대하는 방안에만 의존하는 것은 무리가 있다. 장기적으로 보더라도, 이는 광범위한 솔루션 중 하나일 뿐 상당히 큰 불확실성을 지닌다.
암모니아 가치 사슬의 탈탄소화
긍정적인 소식은 암모니아 가치 사슬의 탈탄소화를 위해 기다릴 필요가 없다는 것이다. 암모니아 탄소 배출 곡선을 완화할 수 있는 즉각적인 조치가 가능하며, 이러한 단기적인 조치는 지구 온도 상승 폭이 2°C 이상 올라가지 않도록 하는 데도 매우 중요하다. 다음은 재생 가능한 암모니아 생산자와 소비자를 위한 몇 가지 구체적인 방안들이다.
“좋은 소식은 암모니아 가치 사슬에서 탈탄소화를 시작하기 위해 기다릴 필요가 없다는 것이다.”
[1] 암모니아 생산업체들은 지금 당장 생산 시설 및 공정을 탈탄소화할 수 있다
탈탄소화를 추구하는 다른 산업에서도 재생 가능 에너지와 전해조의 탈탄소화를 우선적으로 채택하는 추세를 고려할 때, 암모니아 생산업체들은 현재 생산 시설 및 공정(화석 연료를 원료로 사용하는 공정도 포함)에서 탄소 배출량을 줄이기 위한 즉각적인 조치를 할 수 있다.
생산 공장의 에너지 조합을 개선하라. 증기 메탄 개질(SMR)을 사용하는 시설을 개조해 전기화(eSMR)할 수 있다. 이 접근 방식에서는 열을 발생시키고 증기를 생성하는 데 사용되는 천연가스를 전기로 대체해 CO2 배출량을 약 3분의 1까지 직접 줄일 수 있다. 단, 이는 공장에서 재생 가능한 전기를 사용한다고 가정할 때 해당한다.
대규모 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술을 구축하라. 일부 시설에서는 이미 암모니아 합성 과정에서 배출되는 CO2를 회수해 요소와 같은 암모니아 부산물로 재활용하기 위해 탄소 포집 및 활용(CCU) 기술을 사용하고 있다. 그러나 다른 생산업체들은 단순히 탄소를 저장하는 데 유사한 기술(CCS)을 통합해 사용할 수 있다. 이 옵션은 특히 저렴한 화석 연료 공급원에 접근할 수 있고 즉시 사용할 수 있는 저장소가 있는 시장에 적용할 수 있다. 북미와 중동, 중국과 같은 곳들이 대표적이다.
자동 열 개질(ATR)을 사용해 암모니아를 생산하는 시설의 경우는 천연가스 공급 원료와 연료를 단일 흐름으로 결합하여 포집하기 쉽고 저렴한 농축 CO2 스트림을 생성할 수 있다.
미국에 본사를 둔 비료 제조업체인 CF 인더스트리스는 천연가스에서 수소를 생산하고 CCS 기술을 통합하기 위해 영국에 있는 두 개의 공장을 개조하고 있다. 이 두 시설은 매년 800kt 이상의 암모니아를 생산하고 1Mt 이상의 CO2를 포집할 예정이다.
가능하다면 화석 공급 원료를 탈탄소화하라. 에탄 크래커, 염소 공장, 플라스틱 가스화 공장 등을 포함해 다른 공정에서 부생 수소를 포집하는 등 화석 원료의 탈탄소화를 위한 몇몇 기본적인 방법들은 이미 사용 중이다. 노르웨이 비료 회사인 야라는 텍사스 시설의 에탄 크래커의 부생 수소를 활용하여 연간 750kt을 생산한다. 그 결과, 이 공장은 기존 SMR에 비해 탄소 발자국을 약 25% 줄일 수 있었다.
생산업체는 암모니아 합성 루프에 큰 변화를 주지 않아도 기존 화석 연료 기반 암모니아 공장에 재생 수소를 도입(천연가스의 10~20% 대체)할 수 있다. 이와 같은 접근법을 통해 암모니아 생산업체는 전체 친환경 수소 가치 사슬이 구축될 때까지 기다리지 않고도 재생 수소 역량을 활용할 수 있다.
몇몇 지역의 경우에는 바이오가스가 대체 원료 공급원이 될 수 있다. 이 방법은 화석 연료 시추 과정에서 발생하는 메탄 누출로 인한 업스트림 스코프 3 배출량을 줄일 수 있다. 이러한 접근법에서는 현지에서 구할 수 있는 공급 원료를 기반으로 재생 가능한 천연가스를 사용하면 암모니아 가치 사슬의 순환을 만들어 낼 수 있다. 예를 들어, 미국에서는 가축의 분뇨를 활용하여 바이오 메탄을 생산하고 브라질에서는 사탕수수 생산을 활용하는 것이 가능하다.
하지만 이와 같은 방안들에는 중요한 고려 사항이 있다. 전기 열 생산은 해당 국가가 저배출 전력 조합을 보유하고 있으며 탈탄소화 공급 원료가 특정 지역에 제한된 경우에만 적합할 수 있다. CCS의 주요한 도전은 기술 자체가 아니라 이를 구현하는 데 드는 비용이다. 국제재생에너지기구(IRENA)의 추산에 따르면 석탄 기반 발전소의 경우 개조 비용이 약 135달러/t, SMR 기반 시설의 경우 100달러/t~150달러/t, ATR 발전소의 경우 40달러/t~80달러/t에 달한다. 저장소 접근성, 허가, 비용 또한 중요한 고려 요인이 될 수 있으며 이는 시설의 위치에 따라 크게 달라질 수 있다.
[2] 암모니아 소비업체는 생산업체에 대한 선택 기준을 재고할 수 있다
암모니아 생산에 사용되는 공급 원료나 기술과 관계없이, 결과적으로 얻을 수 있는 원료는 동일하며 상호 교환해 사용할 수 있다. 하지만 그로 인해 환경에 미치는 영향은 천차만별일 수 있다. 특히 석탄 공급 원료가 천연가스보다 두 배나 많은 이산화탄소를 발생시킨다는 점을 고려해야 한다. (보기 3 참조 3) 마찬가지로, 비슷한 공급 원료를 사용하지만, 다른 기술을 사용하는 두 공장의 에너지 요구량과 탄소 배출 강도는 크게 다를 수 있다.
소비업체가 암모니아 생산업체를 재고하는 데 있어 중요한 고려 사항 중 하나는 ‘비용 문제’다. 많은 소비업체는 주로 가격을 기준으로 생산업체를 선택하는데, 이는 암모니아 생산 공정에 따라 비용이 크게 달라질 수 있기 때문이다. 하지만 소비업체들이 암모니아 조달을 결정하는 데 있어 ‘에너지 효율’과 ‘탄소 집약도’를 고려하는 것이 얼마든지 가능하며, 또 이를 고려해야만 한다. 특히 탄소 가격 책정으로 인해 기존 암모니아 생산 비용이 증가할 경우, 저배출 암모니아 공급을 신속하게 확보하기 위해서는 이와 같은 문제를 고려하는 것이 더 중요해질 것이다.
그린 암모니아와 같은 친환경 상품에 대한 지불 의지 부족은 암모니아 생산공장의 탄소 집약도를 정확하게 추정하는 데 필요한 ‘공급망의 여러 매개변수’에 대한 가시성의 부족으로 인해 더욱 심화한다. 또한 일부 생산업체들은 암모니아의 상당 부분을 현장에서 직접 재활용하기도 한다. 자체 암모니아를 제조해 일부는 최종 사용 제품으로 전환하고 나머지는 판매하는 비료 회사가 대표적이다. 이에 따라 다운스트림 소비업체들은 암모니아 생산 데이터에 접근하기가 더욱 어려워진다.
[3] 암모니아 적용 관행, 더 지속 가능해질 수 있다
비료는 농업 산업에서 필수적인 요소다. 하지만 비료에서 배출되는 온실가스(이산화질소는 100년 동안 지구 온난화에 미치는 영향이 이산화탄소의 300배에 달한다)는 재생 가능한 암모니아를 사용해 비료를 생산한다고 해도 여전히 문제가 될 수 있다. 따라서 농업 업계는 비료 사용에 있어 더욱더 똑똑하고 목표에 맞는 활용이 필요하다.
특정 비료의 환경에 대한 영향력은 기후, 작물, 토양 유형 등의 매개변수에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 질산염은 요소와 같은 기존 비료에 비해 질소 배출량을 줄이면서 밀이나 콩과 같은 작물에서 더 높은 수확량을 얻을 수 있다. 또한 사용되는 생산 및 적용 프로세스의 유형에 따라 탄소 배출량이 크게 달라질 수 있다.
일부 농업 회사들은 암모니아 기반 비료를 작물에 적용하는 방식에 있어 ‘4R(올바른 공급원, 올바른 비율, 적절한 시기, 적절한 장소)’이라는 프레임워크를 사용해 더욱 전략적인 접근 방식을 취하고 있다. 다른 기업들은 질소 및 우레아제와 같은 질산화 억제제를 작물에 적용하고 있다. 이러한 조치는 이산화질소 배출량뿐만 아니라 농부들의 투입 비용도 줄일 수 있다. 정밀 농업 및 재생 농업과 같은 다른 혁신적인 관행과 작업 방식은 영양 관리 관행을 개선하고 비료에 대한 의존도를 낮추어 줌으로써 업계의 전체 탄소 배출량을 낮추는 데 도움이 될 수 있다.
분명한 것은 보다 지속 가능한 비료 관행을 구현하는 것은 엄청난 도전이라는 점이다. 이러한 관행은 대규모 농장부터 6억 명이 넘는 소규모 농가에 이르기까지 전 세계적으로 매우 다양하다. 지속 가능한 생산 비용을 충당하기 위해 단순히 비료 가격을 인상하는 것은 실행할 수 있는 해결책이 아니다.
정책 입안자가 시장을 움직이는 법
경제를 탈탄소화하기 위한 경쟁에서 시간은 짧고 자원은 제한돼 있다. 암모니아 생산업체와 소비업체 외에도 정책 입안자들의 역할이 중요하다. 이들은 다양한 옵션들을 평가하고 올바른 인센티브를 설정해 모든 산업에서 탈탄소화 경로를 최적화할 수 있다. 또한 일부 산업에서는 CCS를 또 다른 산업에서는 전해조를 우선순위에 두어야 합니다. 따라서 암모니아의 탈탄소화는 어느 한 이해관계자의 결정이 아니라 글로벌 생산과 무역의 미래를 형성할 일련의 정책과 행동을 통해 이루어질 것이다. 탄소 감축에 어려움을 겪고 있는 대부분의 산업과 마찬가지로, 탈탄소화를 추구하는 업체에게 명확성을 부여하고 보상을 제공하기 위해서는 산업 차원의 조율된 행동이 중요합니다.
[1] 올바른 인센티브 및 정책 구현
적절한 목표 설정에 대한 인센티브와 정책은 행동의 변화를 위한 최상의 조건을 만들어 낼 수 있다. (“EU 의무 및 미국 인센티브” 참조)
EU 의무 및 미국 인센티브
올해부터 암모니아 생산과 무역의 미래는 규제로 인해 새로운 방식으로 형성될 것으로 보이는 가운데, 몇몇 주요 시장의 경우 상당히 다른 접근 방식을 취하고 있다.
유럽에서는 2023년 말부터 시행되는 탄소 국경 조정 메커니즘(CBAM)에 따라 암모니아 및 비료 수입업체는 국경에서 탄소 배출량을 보고하고 탄소세를 납부해야 한다. EU 재생 에너지 지침(RED III) 규정에 따라 2030년까지 암모니아 생산량의 42%를 친환경 에너지로 사용해야 한다. EU는 또한 유럽 수소 은행을 설립해 프로젝트에 자금을 지원하고 있지만, 생산업체가 새로운 의무를 이행하기에는 충분하지 않을 수 있다.
반면 미국에서는 연방 정부가 주로 인플레이션 감소법을 통해 친환경 수소와 암모니아에 대한 보조금에 더 많이 의존하고 있다. 실제로 미국의 정책은 매우 관대해 일부 유럽 생산업체들이 친환경 암모니아 프로젝트를 미국으로 이전하고 제품을 다시 EU로 수출하면서도 기존 EU 정책보다 더 낮은 가격으로 암모니아를 공급할 수 있다.
탄소 배출에 대한 적절한 가격을 책정하라. 암모니아 생산 및 사용의 탄소 집약도를 줄이는 데는 항상 새로운 비용이 발생한다. 그리고 이에 대한 지불 의향은 부분마다 매우 다양하게 나타난다. 예를 들어, CCU와 CCS는 발전소를 개조하고 생성된 탄소를 저장하는 비용으로 인해 화석 기반 암모니아의 가격을 $50/t에서 $100/t까지 올릴 수 있다.
보조금 지급, 차액 계약과 같은 기타 시장 기반 메커니즘은 탄소 제로 또는 탄소 저배출 암모니아에 대한 비용 프리미엄을 낮추고, 투자를 유치하며, 선발 생산자와 고객을 추가로 지원하는 데 도움이 될 수 있다. 이러한 메커니즘은 산업 수준에서 구현되고 부문별로 맞춤화되어 프리미엄이 단순히 농부나 다른 최종 소비자에게 전가되지 않고 가치 사슬 전체에 공정하게 분배되도록 보장할 수 있다.
자본 투자에 대한 리스크를 낮춰라. 일부 탈탄소화 기술의 경우 초기 투자 비용이 엄청날 수 있다. 예를 들어 천연가스 기반 암모니아를 CCS로 사용하는 데 있어 한 가지 장벽은 저장소를 탐색하고 CO2를 운송하기 위한 인프라를 구축하는 데 필요한 비용이다.
“일부 탈탄소화 기술의 경우 초기 투자 비용이 엄청날 수 있다.”
정부는 이러한 투자에 내재한 위험을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다. 잠재적인 조치에는 직접 투자(기금, 보조금, 대출)와 공공-민간 파트너십이 포함된다. 또한, 정부는 지질학적 수소 또는 CO2 저장소에 가까운 산업 허브와 같은 여러 프로젝트에서 필요한 인프라 건설을 지원할 수 있으며, 암모니아 가치 사슬을 탈탄소화하는 데 남아있는 일부 기술 장벽을 극복하기 위한 연구를 지원할 수 있다. 또한 규제 당국은 특정 인프라, 자산, 프로젝트가 탈탄소화에 기여하는 방식을 정확하게 평가하기 위해 명확한 투자 원칙을 정의해야 한다. 이를 통해 기업은 가장 큰 영향을 미칠 이니셔티브에 현금을 투입할 수 있다.
인허가 프로세스를 가속화하라. 암모니아 생산을 위한 CCU 및 CCS를 더욱 발전시키는 데 있어 주요 장벽이 지질학적으로 저장 장소에 대한 허가를 받는 것이다. 허가 프로세스를 가속화하고 촉진하면 특히 지질학적으로 탄소 저장에 적합한 지역에서 저탄소 암모니아의 채택을 앞당길 수 있다.
탄소 저배출 암모니아 사용을 의무화하라. 일시적인 규제로 질소 기반 비료와 같은 응용 분야에서 저배출 암모니아를 사용하도록 요구할 수 있다. 예를 들어, 인도의 수소 전략 초안에서는 2025년까지 국내 비료 부문에서 재생 가능한 암모니아를 15% 이상, 2027년까지 20% 이상 생산하도록 요구하고 있다. 보조금 지급은 저공해 암모니아가 경쟁력을 갖출 때까지 초기 전환 비용을 극복하는 데 도움이 될 수 있다. 분명한 것은 의무화는 ‘일시적’이어야 하며 한 국가의 식량 안보를 위태롭게 해서는 안 된다는 것이다. 환경 기준이 가장 낮은 시장으로 암모니아 생산을 유도하는 의도치 않은 인센티브가 발생하지 않도록 일부 국제 협력이 필요할 수 있다.
[2] 산업 전반적인 차원에서의 규범 및 도구 구축
인센티브와 정책을 수립하는 것 외에도 정부는 탈탄소화를 지원하기 위해 암모니아 가치 사슬 전반에 걸쳐 표준을 설정하는 데 도움을 줄 수 있다.
공급망에 대한 가시성을 확보하라. 암모니아 소비자들은 암모니아의 출처와 생산 방법에 대한 명확한 정보 없이는 환경에 미치는 영향을 줄일 수 없다. 정부는 중간 기업과 최종 소비자 구매하는 암모니아의 공급 원료, 암모니아 생산에 사용된 발전량, 모든 업스트림 배출량 추정치에 대한 가시성을 제공하는 요건을 설정할 수 있다.
배출량에 대한 회계 및 공개 원칙을 표준화하라. 공급망 가시성과 투명성을 확보하려면 기업들이 전체 가치 사슬에 걸쳐 채택하고 단일 글로벌 프레임워크로 시행되는 ‘공통된 탄소 회계 규칙’을 수립해야 한다. 표준화된 회계는 고객이 초기 비용에만 초점을 맞추지 않고 정보에 입각한 조달 결정을 내릴 수 있도록 돕는 데 필수적이다. 정책 입안자들은 제품 인증 및 라벨링 요건을 설정해 저공해 비료를 식별하고 농업 회사, 소매업체, 최종 사용자 등 다운스트림 암모니아 고객의 투명성을 높이는 생산자에게 보상을 제공해야 한다.
이해관계자 간의 생태계를 개발하라. 모든 이해관계자는 교훈을 공유하고 협업을 촉진해 구축된 암모니아 생태계의 혜택을 누릴 수 있다. 정부와 소비자는 미리 설정된 양의 저공해 암모니아 구매 및 사용을 보장하는 오프테이크 계약을 체결해 가치 사슬 전반에 걸쳐 강력한 수요 신호를 보낼 수 있다. 비료 회사는 질소의 효율적인 사용을 개선하기 위해 지원을 늘릴 수 있다. 생산자들은 투자를 모아 산업 전반에 걸쳐 탄소 저장 허브를 구축할 수 있다.
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완전한 암모니아 탈탄소화는 시간이 걸릴 것이다. 하지만 현재의 기후 변화 속도를 고려하면 업계는 기다릴 수 없다. 다행히도 기다릴 필요가 없다. 생산자, 소비자, 규제 기관 및 기타 이해관계자들은 지금부터 변화를 시작할 수 있는 많은 기회를 가지고 있다. 잘 조율된 방안들을 통해 업계는 탄소 저배출 암모니아 가치 사슬을 향한 먼 길의 첫발을 뗄 수 있다.
