암모니아의 화려한 변신! 선박 대체 연료와 무탄소 밸류체인

"전 세계 탄소 배출량의 약 3%를 차지하는 해운업에 녹색 전환 압력이 점점 거세지는 추세다." 국제 해운 정책들 역시 빠르게 변화하고 있으며, 온실가스 저감을 위해 기술적 조치부터 경제적 패널티까지 그 규제가 다방면에서 고도화되고 있다. 무역의존도가 높은 우리나라 역시 해상 운송 탄소 배출량이 6위에 달할 정도이니, 다가오는 규제에 대응하기 위해서는 그 해결책 마련이 시급한 상황이다. 이러한 노력의 일환으로 우리나라는 미국 중앙정부와의 협력을 통해 태평양 횡단의 ‘녹색해운항로’ 구축을 추진하고 있다. 오는 2027년부터 운영을 목표로 하는 녹색해운항로는 무탄소 연료 또는 친환경 기술을 활용해 해상운송 전 과정에서 탄소가 배출되지 않는 항로를 말한다. 하여 해양수산부는 친환경 수소와 암모니아 시장 공급망을 구축 중인 호주와 녹색해운항로 공식 협력 방안을 발표하고 내년부터 공동 연구에 착수할 예정이다. 이로 미루어보아 궁극적으로 해운업의 탈탄소 목표 달성을 위해서는 연료의 변화가 필요하다는 것을 알 수 있다. 즉, 연소 시에도 탄소가 발생하지 않는 ‘무탄소 연료’ 사용이 필요한 것이다. 기존 해상 연료의 대체재로는 LNG, 암모니아, 메탄올 및 수소 등이 가장 주목받고 있다. 연료마다 장단점이 뚜렷한데 우리나라는 수소와 암모니아에서 두각 을 나타내고 있다. 먼저 수소의 경우 가장 이상적인 대체 연료로 거론된다. 연소 시에도 탄소가 전혀 발생하지 않으며, 암모니아나 LNG 등 다양한 연료들과 혼소가 가능하기 때문이다. 하지만 수소의 경우 부피당 저장용량이 작기 때문에, 그대로 운반하기 위해서는 엄청난 크기의 저장 탱크가 필요하다. 이렇게 되면 선박의 공간을 효율적으로 활용할 수 없게 되기 때문에 액화를 진행하는데 그 과정도 만만치 않다. 수소는 영하 235도의 극저온에서 액화가 가능하여 운송과 저장 등 발생하는 비용이 막대하다. 하여 다른 형태의 화합물로 변환하여 부피당 저장 용량을 증가시키고 비용을 절감할 수 있는 수소 에너지 캐리어 가 필요하다. 이 수소의 에너지 캐리어로 거론되고 있는 것이 암모니아다. 질소와 수소로 이루어진 암모니아 역시 액화 과정이 필요하지만, 상온에서 보관이 가능하기 때문에 액화 및 보존 과정에서 소비되는 에너지를 저감할 수 있다. 수소를 암모니아로 전환해 많은 양을 저장 후, 운반하여 다시 수소로 전환할 수 있다면 수소를 액화하여 활용하는 것보다 더 효율적이다. 암모니아를 이렇게 자유자재로 변환하고 활용하기 위해서는 고도의 기술력이 필요한데, 그만큼 선박당 수익성이 높아 선별 수주를 이어가는 국내 조선사에 최적의 선택지로 주목받고 있다. "과거 암모니아는 식량난을 해결할 방안으로 주목받았다." 암모니아는 질소와 수소로 이루어진 화합물인데, 식물의 생장과 촉진을 위해서는 그중 질소 성분이 필수적이다. 20세기 초 공기 중의 질소를 이용한 암모니아 합성법이 개발되었고, 이를 통해 화학 비료를 대량생산 하게 되었다. 저렴한 가격으로 토양에 질소를 공급할 수 있게 된 인류는 굶주림의 공포에서 벗어날 수 있게 되었다. 인류의 식량난에 대응하던 암모니아는 이제는 무탄소 실현의 주역으로 또 다시 주목을 받고 있다. 질소와 수소로 이루어진 암모니아는 연소 시 이산화탄소가 발생하지 않기 때문이다. 게다가 암모니아를 통해 또 다른 그린에너지인 수소를 얻을 수 있어 나날이 강력해지는 친환경 규제에 대응할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 이유로 악취의 대명사였던 암모니아의 주목도와 위상이 날로 높아지는 추세다. 암모니아 자체는 연소 시 탄소가 발생하지 않지만, 생산하는 과정에서 탄소가 발생한 암모니아를 사용한다면 온전한 무탄소 선박이라고 이야기할 수 없을 것이다. 연료부터 운항까지 선박의 전 주기적 관점에서 무탄소 실현이 요구되고 있는 현재, 암모니아의 생산 과정에도 지대한 관심이 필요하다. 이 암모니아는 생산 과정에서 탄소가 얼마나 배출되는지에 따라 색깔을 활용해 분류하고 있다. 생산 과정에서 탄소가 발생하는 암모니아는 크게 브라운, 그레이 암모니아로 나눌 수 있다. 여기서 브라운 암모니아는 갈탄이나 석탄 같은 화석 연료를 태워 만든 것으로 그 과정에서 탄소가 많이 발생한다. 그레이 암모니아는 천연가스나 석유 등의 공정 과정에서 발생한 부생수소 등을 질소와 합성하여 만든다. 암모니아 합성을 위해 만들어진 수소를 얻는 과정에서 화석 연료가 활용되니 이 역시도 무탄소라고 말할 수 없겠다. 이와 반대로 생산 과정에서 탄소 배출이 거의 없을 경우 블루, 그린 암모니아라고 부른다. 블루 암모니아는 그레이 암모니아와 동일하게 화석 연료를 사용하지만, 이 과정에서 탄소 포집 및 저장 기술을 활용하여 탄소 배출량을 최소화한다. 암모니아 중 탄소가 거의 발생하지 않는 그린 암모니아는 재생에너지로 만들어진 수소를 활용해 생산하며, 탄소 배출이 거의 없다. 청정 암모니아는 바로 이 블루와 그린 암모니아를 말하며, 높은 기술력을 요구하는 방법이다. 브라운이나 그레이 암모니아도 연소 시 탄소는 발생하지 않으나, 지난 MEPC 80차에서 선박의 전 생애주기에서 탄소가 발생하는지 평가하는 것으로 결정된 바 있다. 즉, 연료의 생산과 사용, 폐기까지 전 과정에서 탄소가 배출되지 않아야 한다. 이러한 기준을 LCA(Life Cycle Assessment) 라고 하는데, 이 LCA 관점에서 브라운, 그레이 암모니아는 적합하지 않다. 그러니 궁극적으로 선박의 대체 연료는 이 청정 암모니아를 활용하는 것이 목표라 할 수 있다. 그러나 암모니아 생산에 성공한 것이 무탄소 선박의 완성이라고 말할 수 없다. 선박이라는 것은 수많은 공학 기술과 부품들이 유기적으로 작용하는 예술품이다. 그러니 단순히 연료만 바꿀 수 있는 문제는 아닌 것이다. 하여 세계의 다양한 해운사들이 이 암모니아 엔진 개발을 위해 고군분투하고 있다. 2행정 엔진의 선두주자인 ‘MANES’는 이중 연료를 중심으로 2024년 선박 탑재를 준비하고 있으며, ‘WinGD’는 2025년까지 상용화를 목표로 그 개발에 박차를 가하고 있다. 국내에서는 한화파워시스템 이 암모니아를 연료로 가동하는 ‘암모니아 가스터빈’ 엔진을 개발중에 있다. 주목할 만한 것은 한화파워시스템에서 기존 화석 연료 인프라인 LNG터빈을 수소터빈으로 개조하여 수소 전소 실증 테스트에 성공한 바 있다. 즉, 화석 연료로 작동되던 터빈을 친환경 에너지 자산으로 바꾸는 것에 성공한 것이다. 만약 이러한 기술이 암모니아 가스터빈에도 적용된다면, 기존 화석 연료 인프라가 좌초 자산이 되는 것을 방지할 수 있다. 엔진과 더불어 추진력을 보조하는 수단과 전 과정에서 탄소가 발생하지 않는 것 역시 중요하다. 이를 위해 한화오션은 선박의 보조 발전 장치로 수소연료전지와 에너지저장시스템(ESS)를 활용하여 효율적인 무탄소 전동화 실현에 다가갈 계획임을 표명한 바 있다. 추진 체계뿐만 아니라 선박의 건조에서도 탄소가 발생하지 않도록 친환경 야드를 구축하고 있다. 이렇게 탄소 없이 완성된 선박에 운항 시, 빅데이터를 활용해 탄소 배출값을 계산할 수 있는 '스마트십플랫폼'까지 개발되어 적용된다면 선박의 전 생애 주기에서 탄소가 발생하지 않는다. 이처럼 국내 기업이 LCA의 관점에서 해운업 탈탄소 밸류체인을 구축하고 있다는 사실은 고무적이다. 암모니아와 같은 대체 연료의 개발과 상용화는 물론이고, 운항까지 아우르는 이 밸류체인이 국내뿐만 아니라 세계 해운업의 무탄소를 선도할 수 있을지 기대감을 가지고 지켜보고자 한다.