이현용 책임, 김종민 책임  

시스템안전연구팀  

1. 배경

해운분야는 전 세계 탄소 배출량의 약 2.89%를 차지하고 있으며, 이에 국제해사기구 (International Maritime Organization, 이하 IMO)는 2018년 온실가스 감축 초기전략을 채택하여 금세기 내에 해운 분야에서 배출하는 온실가스를 제로로 하는 탈탄소 목표를 세우고 2050년까지 2008년 대비 50%를 감축하는 목표를 세웠다. 이 초기전략은 2023년에 최종 확정될 예정이며 많은 국가에서 금세기가 아닌 2050년까지 탄소배출 제로를 달성할 것을 제안하고 있어, 향후 더욱 강화될 전망이다.

아울러 유럽연합 (European Union, 이하 EU)은 ‘Fit for 55’ 패키지 법안을 통하여 2024년부터 해운 분야도 ETS (Emission Trading Scheme)에 편입시키고 친환경 연료 사용을 강제화하기 위한 FuelEU Maritime 규정을 신설하는 등 IMO보다 더 강화된 정책을 펼치며 IMO를 압박하고 있다. IMO와 EU 등 범국가적인 규제 이외에도 화주, 용선주, 금융권 등에서도 ESG (Environmental, Social and Governance) 차원에서 온실가스 배출량 기준을 마련하여, 페널티를 부가하는 등 선박의 온실가스 배출 저감은 이제 해사업계에 생존의 문제로 다가오고 있다.

다양한 불확실성 속에서 선사가 미래 선대계획을 수립함에 도움이 되고자, 한국선급은 서울대학교, 한국에너지기술연구원과 공동으로 대표적인 무탄소 연료 중 하나인 암모니아에 관한 기술문서 『무탄소 선박연료로서 암모니아의 전망』을 발간하였다. 해당 기술문서는 암모니아 추진선박의 기술적 특성, 위험 요소, 대량 생산 가능성, 벙커링 인프라 등을 분석하고 현재 상황에서 예측할 수 있는 다양한 정보와 가정을 통하여 타 대체 연료와의 상대적 비교를 수행함으로써 선박 연료로서 암모니아의 가능성을 분석하였다. 본 글에서는 해당 암모니아 기술문서의 내용을 요약하여, 독자들에게 소개하고자 한다.

그림 1. 암모니아 기술문서

2. 암모니아 추진선 기술

연료로서 암모니아의 특성, 주요 엔진 제조사들의 엔진 개발동향, 암모니아 연료공급 시스템, 탱크의 특성 및 암모니아 연료추진선박 관련 규정 개발동향에 대한 내용을 소개하고 있다.

2.1 암모니아의 특성

선박연료로서 암모니아의 주요한 특성을 아래와 같이 요약할 수 있다.

[부피] 액화 암모니아는 질량에너지 밀도가 낮아 디젤 연료와 비교할 때 약 4.1배 크기의 탱크가 필요하다.

[인화특성] 가연 범위가 좁을 뿐만 아니라 발화를 위한 조건이 까다로워 화재의 위험성은 상대적으로 낮은 편이다. 이러한 특성에 따라, 암모니아 엔진에서는 파일럿 연료를 필요로 한다.

[부식성] 암모니아는 구리, 구리 합금 및 아연과 같은 일부 재료에 부식성이 있으므로 재료 선정 시 주의가 필요하다.

[유독성] 암모니아는 상온, 상압에서 무색의 강한 냄새를 가지고 있는 유독성 물질로, 공기보다 가벼워서 천장처럼 높은 곳에 모이는 성질이 있다.

2.2 엔진 개발 동향

암모니아 추진선의 상용화를 위해서 가장 중요한 마일스톤은 암모니아 엔진의 상용화이다. 현재 MAN, Wartsila, WinGD, 현대중공업 그룹, STX 엔진 등 주요 엔진사에서는 암모니아 엔진을 개발하고 있으며, 2024년 이후에 출시할 계획을 발표하고 있다. 자세한 사항은 해당 기술문서를 참조할 수 있다.

2.3 규정개발 동향

2022년 4월에 개최된 IMO 제105차 해사안전위원회 (Maritime Safety Committee, 이하 MSC)에서는 대체 연료로서 암모니아를 사용하는 선박에 대한 가이드라인을 검토하는 것이 제안되었다. 심의 결과 2023년 작업 완료를 목표로 암모니아 연료 추진선의 안전에 관한 가이드라인을 검토해 나가기로 합의되었다. 이에 관하여 2022년 9월 8차 CCC 소위원회 (CCC 8 Sub-Committee)에서 암모니아 연료 추진선의 안전대책이 검토되었으며, Agenda item 13 guidelines for the safety of ships using ammonia as fuel에 대한 논의가 진행되었다.

3. 청정 암모니아 생산 및 벙커링

3.1 청정 암모니아 생산 주요 프로젝트
청정 암모니아는 블루 암모니아와 그린 암모니아로 구분되며, 암모니아를 생산하는 과정에서 CO2 배출을 최소화하거나 또는 CO2 배출이 없는 암모니아를 의미한다. 그린 암모니아는 재생에너지를 이용한 수전해를 통해 생산된 그린 수소를 하버-보슈 공정에 공급해 생산된다. 신재생 에너지 사용을 최대화하여 생산 도중 배출되는 CO2를 최소화한다. 블루 암모니아는 천연가스 수증기 개질을 통해 생산된 블루 수소를 사용해 암모니아를 합성하는 것이며, 천연가스 수증기 개질에서 수소와 함께 생산된 이산화탄소는 CCS (Carbon Capture and Storage)를 통해 처리되거나 Utili¬zation 공정에 활용된다.

그림 2. 블루/그린 암모니아 생산 공정
(출처: 청정 암모니아 심층투자분석보고서, 한국에너지기술연구원)

아래는 주요한 블루/그린 암모니아 생산 프로젝트를 나타낸다.

그림 3. 주요 암모니아 생산 및 수송 프로젝트 주요 현황

3.2 청정 암모니아 시장 및 가격

아래 그래프는 2050년까지 그린 암모니아와 블루 암모니아의 가격을 예측한 결과이다. 2030년까지는 그린 암모니아 가격이 블루 암모니아보다 가격 경쟁력을 확보할 수는 없지만 2030년 이후 그린 암모니아와 블루 암모니아 가격이 유사해짐을 알 수 있다. 그린 암모니아의 시장 성장, 대량 시장 유통 등이 시장 가격의 하락에 중요한 변수이다.

그림 4. 미래 재생 암모니아 시장의 가격 예상

(출처: IRENA, 2022, Innovation Outlook Renewable Ammonia)

3.3 암모니아 물류 및 벙커링
매년 약 1.8억 톤에 달하는 그레이 암모니아가 생산 및 운송되고 있어 항만에서의 인프라가 잘 구축되어 있다. 전세계적으로 38개의 수출 터미널, 88개의 수입 터미널이 운영 중이며, 그 중 6곳은 수입과 수출이 가능한 터미널이다. 우리나라는 인천 15,000 톤, 여수 50,000 톤, 울산 93,000 톤의 저장시설을 가진 터미널을 보유하고 있다. 현재 천연가스가 풍부한 곳을 위주로 암모니아를 생산하여 수출하기 위한 터미널이 위치하고 있으며, 비료와 화학 원료 수요가 있는 곳으로 이송되어 판매되고 있다. 이미 전 세계에 수출입 항구와 기반 시설이 구축되어 있으며, 그린 암모니아 생산 및 수출 프로젝트의 증가와 함께 암모니아 벙커링 항구는 점차 증가할 것으로 예상된다.

4. 수소 운반 수단으로서의 암모니아

해사업계에서 암모니아는 선박연료로서 많은 관심을 받고 있지만, 많은 국가/기업들은 암모니아를 효율적인 수소 운반수단으로 보고 있다. 현재 암모니아의 수요는 대부분 비료지만, 향후 수소 운반 수단으로서 암모니아가 활성화된다면 대량 생산 인프라가 갖추어지게 됨에 따라 가격 인하와 함께 수급이 용이한 보편적인 선박 연료로서 자리매김할 가능성이 크다.

또한, 향후 청정 암모니아 실증 프로젝트들이 활발하게 진행되고, 생산한 청정 암모니아를 수출하려는 국가가 증가함에 따라 암모니아 운반선의 수요 또한 빠르게 증가할 전망이다.

5. 차세대 선박연료 현황

본 장에서는 선박 연료로서 암모니아의 기술적, 경제적 불확실성, IMO 규제에 따른 탄소세의 변동성에도 불구하고 현재 수집할 수 있는 여러 정보를 통하여 연료 가격과 탄소세를 예측하여 LNG에서 암모니아로의 연료 전환이 일어나는 시점을 분석하였다. 이외에도 대표적인 탄소중립 연료인 바이오/그린 메탄올과 암모니아와의 장단점 분석을 수행하였다.

아래의 그림은 암모니아와 LNG의 향후 가격을 추정한 것이다. 향후 신재생 에너지 가격이 하락함에 따라서 그린 암모니아의 가격은 점점 감소하는 반면, 탄소세가 적용된 LNG 가격은 단계적으로 증가한다. 따라서 블루 암모니아 가격이 LNG 연료와 유사해지는 시점은 2035 ~ 2040년, 그린 암모니아 가격이 LNG 연료보다 저렴해지는 Crossover는 2042 ~ 2048년 발생한다. 탄소세가 증가하는 반면, 그린 암모니아 생산 단가가 꾸준히 낮아지면서 2045년경 암모니아를 연료로 사용하는 것이 연료 가격 면에서 유리하다는 것을 의미한다.

그림 5. LNG와 블루, 그린 암모니아 연료 가격 예상 (탄소세 적용)

앞서 언급한 암모니아의 여러 장점에도 불구하고, 암모니아 엔진 등 기술개발의 불확실성, 암모니아의 독성에 따른 안전 문제, 그린/블루 암모니아의 생산 및 벙커링의 불확실성 등은 앞으로 극복해야 할 과제로 남아 있다.

해당 기술문서는 한국선급 홈페이지(http://www.krs.co.kr)에서 다운받을 수 있다.