Ammonia and Liquid Hydrogen as Energy Carriers: Challenges and Opportunities

The artificial synthesis of ammonia has significantly contributed to addressing global hunger by enhancing agricultural productivity. This achievement led to an explosive increase in population, with the current global population surpassing 8 billion. However, this rapid population growth has also accelerated environmental pollution and the climate change crisis. Recently, the use of ammonia as an energy carrier has garnered attention as part of efforts to combat climate change. Due to the challenges associated with storing and transporting hydrogen, converting it into ammonia for use as an energy carrier is being actively studied. Ammonia is more stable and cost-effective for storage and transportation than hydrogen because of its higher boiling point (-33.34°C vs. -252.9°C) and larger molecular weight (17 vs. 2). However, additional infrastructure is required for the conversion between hydrogen and ammonia, and this process results in energy losses. In this review, the costs and energy efficiencies of using ammonia and liquefied hydrogen as energy carriers were analyzed based on 1 ton of hydrogen production and consumption: 1) In terms of cost, ammonia was estimated at 6,548,200 KRW, while liquefied hydrogen was 7,900,000 KRW. 2) The energy efficiency of fuel cell vehicles was 18.5% for ammonia and 23% for liquefied hydrogen. 3) For residential fuel cells, the energy efficiency was 33% for ammonia and 41% for liquefied hydrogen. Although ammonia exhibits lower energy efficiency compared to liquefied hydrogen as an energy carrier, it is relatively competitive in terms of economic viability. However, the conversion between hydrogen and ammonia requires additional facilities, and significant energy losses occur during this process. These limitations have led to growing interest in the direct combustion of ammonia. In addition, technologies for directly using renewable electricity or storing it in batteries without energy carriers are being continuously developed. As such, the future of energy technology will gradually take shape through intense competition among various innovative solutions.

Key words: Ammonia, liqified hydrogen, green hydroegn, energy carrier, hydrogen economy

요약

암모니아를 인위적으로 합성하는 기술은 농업 생산력을 향상시켜 인류의 기아 문제 해결에 지대한 공헌을 했다. 이로 인해 인구가 폭발적으로 증가하였고, 현재 지구 인구는 80억 명을 넘어섰다. 그러나 이러한 인구 증가는 환경오염과 기후변화 위기를 가속화시키고 있다. 최근에는 기후변화 대응의 일환으로 암모니아를 에너지 운반체로 활용하는 기술이 주목받고 있다. 수소는 저장과 수송에 큰 어려움이 있어 이를 암모니아로 전환하여 에너지 운반체로 사용하는 방안이 연구되고 있다. 암모니아는 수소에 비해 끓는점(-33.34°C vs. -252.9°C)이 높고, 분자량(17 vs. 2)도 더 크기 때문에 저장 및 수송에서 훨씬 안정적이고 비용 효율적이다. 그러나 수소와 암모니아 간의 변환을 위해서는 추가적인 설비 구축이 필요하며, 이 과정에서 에너지 손실이 발생한다. 본 총설에서는 수소 생산부터 최종 소비에 이르기까지, 암모니아와 액화수소를 에너지 운반체로 사용할 경우를 기준으로 수소 1톤당 비용과 에너지 효율을 비교 분석했다: 1) 비용 측면에서 암모니아는 6,548,200원, 액화수소는 7,900,000원으로 분석되었다. 2) 연료전지 차량의 에너지 효율은 암모니아가 18.5%, 액화수소가 23%로 나타났다. 3) 주거용 연료전지 활용 시 에너지 효율은 암모니아가 33%, 액화수소가 41%였다. 암모니아는 에너지 운반체로서 액화수소보다 에너지 효율은 낮지만, 경제성 측면에서는 상대적으로 경쟁력을 가지고 있다. 다만, 수소와 암모니아 간의 변환을 위한 추가 설비가 필요하며, 이 과정에서 상당한 에너지 손실이 발생한다. 이러한 한계로 인해 암모니아를 직접 연소하는 방식에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한, 에너지 운반체 없이 재생 가능 전력을 직접 사용하거나 배터리에 저장하는 기술도 꾸준히 개발되고 있다. 이처럼 미래 에너지 기술은 다양한 기술 간의 치열한 경쟁을 통해 점차 그 윤곽을 드러낼 것이다.

주제어: 암모니아, 액화수소, 그린 수소, 에너지 운반체, 수소경제

1. 서 론

기후 변화와 온실가스 배출 문제가 심각해지면서, 2050 탄소 중립 실현을 위한 전 세계적인 노력이 가속화되고 있다[1-28]. 이를 위해 다양한 국가들은 온실가스를 배출하지 않는 청정 에너지원 확보를 최우선 과제로 삼고 있으며, 그린수소가 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 수소는 연소 시 물만 배출하여 대기 오염 물질이 발생하지 않고 재생 에너지를 이용하여 생산될 경우 탄소 배출을 줄이는 데에도 크게 기여할 수 있는 장점이 있다. 또한, 수소는 간헐적으로 생산되는 태양광, 풍력 등의 재생에너지를 저장할 수 있는 물질이다. 이러한 특성 덕분에, 여러 국가는 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 수립하여 수소 경제로의 이행을 본격화하고 있으며, 이를 통해 향후 급증할 수소 수요를 충족하고자 한다.

하지만 수소 경제 구축에는 극복해야 할 여러 기술적 과제가 존재한다. 대표적인 문제로 수소의 물리적 특성이 지니는 저장 및 운송의 어려움이 있으며, 이는 수소가 낮은 부피당 큰 저장 용량을 가지고 있다는 점에서 기인한다. 이러한 한계를 극복하고 수소 경제의 상용화를 위해 수소를 안정적으로 저장하고 운반할 수 있는 ‘수소 캐리어’ 물질에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.

암모니아는 이 수소 캐리어로서의 가능성이 높은 물질로 주목받고 있다. 암모니아는 기존 산업에서 폭넓게 사용되어 왔으며, 인프라가 잘 갖추어져 있어 기존 시스템을 활용하여 경제적이고 효율적으로 수소를 저장 및 운송할 수 있는 가능성을 제공한다. 특히 암모니아는 비교적 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 장거리 운송에도 적합하다. 현재 여러 국가와 연구 기관들은 암모니아의 합성 및 분해 효율을 향상시키고, 저장 용량을 높이는 기술을 개발하여 수소의 장기적인 저장 및 운송 수단으로 활용하기 위한 연구를 지속하고 있다.

따라서 본 연구에서는 수소를 암모니아 형태로 합성, 유통한 후 필요시 재추출하는 공정의 기술적, 경제적 타당성을 검토하고, 이를 액화수소와 비교하여 암모니아 기반 수소 활용 체계의 방향성을 제시하고자 한다. 이를 통해 우리나라가 수소 경제로의 전환을 달성하는 데 있어 친환경 에너지 저장 매체가 지닐 역할과 전망에 대해 논의하고자 한다.

2. 암모니아

2.1. 암모니아 특성

암모니아(NH₃)는 질소 분자 1개와 수소 분자 3개가 결합한 화합물이다. 널리 사용되는 암모니아 합성 방법은 수소와 질소를 직접 합성하는 방식이며, 화학반응식은 N₂ + 3H₂ → 2NH₃이다[29].

끓는점은 영하 33℃이며 실온에서 기체 상태로 존재한다. 상온에서 압축시키면 간단하게 액화시킬 수 있다[29]. 암모니아는 인화점과 발화점이 높으며, 휘발 범위도 넓어서 가연성에 대해서는 안전한 물질이다. 또한, 지구온난화 계수가 수소와 같이 0이어서 지구온난화에 미치는 영향이 적다. 낮은 농도의 암모니아용액은 소독용으로 사용할 수 있지만 10%가 넘는 농도의 용액은 독극물로 지정되어 있으며 특유의 냄새가 심하다[30].

20세기 초, 하버의 암모니아 합성법 발명으로 대량 생산이 가능해졌으며, 이로써 요소비료의 대량 생산이 시작되었다. 암모니아는 냉매, 용매, 소독 및 세정제 등 다양한 분야에서 사용되며, 산업적으로 중요한 역할을 수행하고 있다[29].

2.2. 암모니아 용도

2.2.1. 수소 저장 및 운송

수소 캐리어로서 암모니아가 주목받는 가장 큰 이유는, 분자구조 특성상 암모니아가 단위 분자당 수소를 많이 포함하는 물질(NH₃)인 동시에 암모니아 수송에 적합한 조건의 운송설비를 이미 장기간 사용해 왔기 때문이다. 기본적으로 수소를 다른 물질로 변환하면 질량 당 발열량을 증가시키고 장거리 운송의 효율성을 높일 수 있다. 암모니아의 끓는 점은 -33.3℃로, 수소의 끓는점인 -252.87℃보다 높기 때문에 수소보다 더 쉽게 액체상태를 유지할 수 있다[31]. 게다가 상온에서 1.0MPa 수준의 압력에서 액체로 압축될 수 있다. 부피 에너지밀도 측면에서도 암모니아는 10.5MJ/L로 8.49MJ/L인 액화수소보다 더 높은 값을 가진다. 저장 용량에서도 액화수소는 70.8kg/m³의 수소를 저장할 수 있지만 액화 암모니아는 121kg/m³을 저장할 수 있다[31]. 또한 암모니아는 비료의 주원료로서 산업적인 용도로 실제 사용 중인 물질이기 때문에 기존 암모니아 인프라를 그대로 활용할 수 있다. 운송설비 및 운송규제 또한 체계적으로 갖추어져 있어 효율적인 생산-유통 체인 구축이 가능하므로 가장 잠재력 있는 수소 캐리어라고 할 수 있다. 하지만 현재 생산되는 대부분의 암모니아가 화석연료 개질을 통해 합성되고 있어 연간 3억 ton 이상의 온실가스가 발생하고 있는 상황이다. 또한, 부식성이 강해 쉽게 철골 구조물이 부식되고 유독성 기체를 발생시켜 저장과 내륙 배포 측면에서 제한될 수 있다. 암모니아가 30ppm 정도의 누출된 상황에서 작업자는 굉장한 괴로움과 자극을 호소할 정도로 암모니아는 인체에 유해한 문제점을 갖고 있다[29].

앞으로의 핵심과제는 탄소배출 없이 저에너지･저비용으로 그린암모니아를 생산해 경쟁력을 갖추는 것이다. 수소를 암모니아로 합성하고 저장하는 과정부터 운송 후 수소로 분해하기까지 암모니아 전 과정에 사용되는 기술의 연구･개발이 필요한 시점이다.

2.2.2. 전소와 혼소

기존의 화석연료에서 수소, 암모니아처럼 연소 시 탄소를 배출하지 않는 무탄소 연료로의 전환이 각광받고 있다. 이는 기존의 발전 시스템을 활용할 수 있다는 이점이 있으며, 단기적으로는 온실가스의 감축을, 장기적으로는 탄소중립을 달성하는 방안이 될 수 있다[32].

수소 및 암모니아를 가스터빈의 연료로 사용하는 방식에는 기존에 사용하던 LNG 연료를 수소 또는 암모니아와 함께 연소하는 혼소 방식과 수소 또는 암모니아만 연료로 사용하여 발전하는 전소 방식이 있다. 수소, 암모니아와 LNG의 주성분인 메탄은 연소 시 특성이 다르다. 수소는 메탄에 비해 연소 속도가 빠르고 화염온도가 높은 폭발적 반응을 보이지만 암모니아는 메탄에 비해 연소 속도가 느리며 잘 타지 않는다. 또한, 암모니아는 질소를 포함하는 물질이므로 연소 시 질소산화물(NOx)이 발생한다는 우려가 있다[32].

가스터빈에 이 연료들을 혼합하여 연소한다면 기존과 연소 특성이 달라져서 역화(flashback)가 발생하거나 화염의 안정성을 떨어뜨릴 수 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해 가스터빈 연소기의 개조가 필요하며 질소산화물을 저감하기 위한 기술이 개발되어야 한다. 현재 많은 나라가 혼소율을 높이고 상업화하기 위해 기술개발 및 관련 사업을 추진하고 있다. 암모니아 가스터빈은 일본의 IHI와 Mitsubishi Power가 대표적으로 연구 개발을 하고 있으며, IHI는 2MW 가스터빈에 20% 혼소를 성공한 것으로 보고되었고, Mitsubishi Power에서도 2025년까지 암모니아 가스터빈의 상업화 실증을 계획하고 있다[32].

수소･암모니아를 활용한 무탄소 발전 전원화 로드맵에 따르면, 우리나라는 150MW급 가스터빈에 수소 및 암모니아의 혼소 기술을 개발하고 있다. 2024년까지 연구 개발을 완료할 계획이며, 15% 내외의 저농도 혼소 실증을 시행할 예정이다[32]. 특히 석탄발전소의 경우 2030년까지 암모니아 20% 혼소발전을 목표로 하고 있고, 2050년까지 암모니아 전소 발전을 통해 무탄소전원화를 계획하고 있다[33].

2.2.3. 암모니아 연료전지

고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 600~1100℃의 고온에서 작동하고 이로 인해 효율이 높다. 또한 고체산화물 연료전지는 수소, 암모니아, 탄화수소 및 바이오매스 등을 사용하여 만들 수 있고 이러한 연료들의 화학에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 발전 장치이다.

암모니아 SOFC는 탄소 산화물을 배출하지 않고 생산 비용이 비교적 저렴한 암모니아를 연료로 사용하는 연료전지이다. 암모니아의 평형 전환율은 1bar의 압력, 425℃에서 약 98~99%로 높은 온도에서 작동하는 고체산화물 연료전지에 적합하다. 또한 암모니아의 밀도는 수소보다 높기 때문에 장거리 운송에 용이하다[34]. 하지만 질소산화물(NOx)이나 암모니아의 독성으로 인한 위험이 존재하고, 기존 화재폭발 위험도를 기준으로 설계된 전지설계를 그대로 적용하기 어렵기 때문에 반드시 암모니아 연료전지의 안전성을 높일 수 있는 기술 개발이 필요하다.

암모니아 SOFC는 암모니아가 분해되어 생성된 수소를 이용해 전기를 만든다. 생성된 수소가 전해질에서 산화되면 수소 이온과 전자로 분리되고 수소 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동한다. 양극에서는 산소와 수소 이온의 결합으로 열과 물이 생성되며 전자는 전해질 외부 전기선을 통해 이동하면서 전기가 생산된다. 암모니아 SOFC는 1)암모니아를 분해한 뒤 SOFC에 수소를 공급하는 방식과 2)암모니아를 직접 SOFC 연료극에 공급하여 촉매에서 암모니아를 분해하는 방식으로 나눌 수 있다. 현재는 양산화를 위한 직접 암모니아 연료용 SOFC의 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다[35]. 하지만 여전히 질소산화물(NOx)이나 암모니아의 독성으로 인한 위험이 존재하고, 기존 화재폭발 위험도를 기준으로 설계된 전지설계를 그대로 적용하기 어렵기 때문에 반드시 암모니아 연료전지의 안전성을 높일 수 있는 기술 개발이 필요한 상황이다.

2.3. 암모니아 산업 현황

암모니아 산업 주요 국가 및 지역을 일본, 호주, 북미, 유럽, 중동으로 설정하고 정책과 프로젝트 현황을 조사하였다. 전세계적으로 수소 캐리어로서의 암모니아에 대한 관심도는 높으나, 아직 수소 경제에서 암모니아는 연료로의 활용이 많고, 수소 캐리어는 액화수소가 주로 사용된다.

일본은 수소와 암모니아 관련 기술 개발을 꾸준히 진행 중이며, Cross-ministerial Strategic Innovation Promotion (SIP) 프로젝트를 통해 액체수소, 유기수소화합물, 암모니아 등의 수소 캐리어와 암모니아 연료전지에 관한 연구를 수행 중이다[36]. 우리나라 정부는 최근 제5차 수소경제위원회(2022)를 개최해 수소기술 미래전략 3대 추진전략을 발표했다. 수소의 해상 운송･저장 기술 고도화를 위해 수소 액화 및 액체 수소 저장 기술, 수소-암모니아 변환 및 크래킹 등을 개발하겠다는 전략을 내놓은 상황이다[37]. 또한 한국의 롯데케미컬과 일본의 이토추상사는 수소 암모니아 사업을 위한 포괄적 협력 MOU를 체결했다[38].

호주와 유럽연합은 재생에너지를 통해 그린수소를 생산하여 탄소중립을 달성하기 위해 노력하고 있다. 특히 호주는 높은 태양광 밀도라는 우수한 자원을 활용하여 그린수소를 생산･저장하는 프로젝트를 진행하고 있으며, 일본, 독일과 암모니아 거래를 위한 프로젝트가 진행 중이다. 일본의 이토추상사는 호주미래에너지와 블루･그린수소를 암모니아로 저장 및 이용할 계획임을 밝혔다. 또한 독일과 호주는 그린수소 거래를 위한 MOU(2021)를 체결하여 호주에서 생산된 액상 그린 암모니아를 독일의 LNG 터미널을 활용하여 암모니아 수출을 위한 프로젝트를 진행할 예정이다[36].

중동 지역은 과거에 풍부한 원유와 천연가스 보유량을 바탕으로 화력발전에 의존했으나 역시 풍부한 재생에너지원을 바탕으로 한 저탄소 수소 생산의 높은 잠재력 또한 가지고 있어 다른 나라의 여러 기업들과 수소, 암모니아 산업 프로젝트에 참여하고 있다. 일례로 사우디아라비아의 Aramco 기업은 2020년 9월 블루 암모니아 40ton을 일본으로 수송하는 데 성공했다[39].

캐나다의 뉴지오호닉(Nujio'qonik) 프로젝트는 한국의 SK에코플랜트가 참여했고, 풍력발전을 통해 그린 수소를 생산하고 이를 다시 그린 암모니아로 전환해 유럽 등 타 대륙으로 운송할 계획이다[40].

3. 암모니아 합성

3.1. 암모니아 합성 기술

가장 보편적으로 쓰이는 암모니아 합성기술은 카를 보슈와 프리츠 하버가 개발한 암모니아 유기 합성법인 하버–보슈법이다(Fig. 1). 수소 3몰로부터 2몰의 암모니아가 생성되는 발열반응으로, 반응식은 N₂ + 3H₂ → 2NH₃ (△H°=-91.8kJ/mol)이다. 이 반응에 쓰이는 대기 중의 질소는 매우 안정한 물질이기에 200기압 이상, 400℃ 이상의 고온 조건과 금속 촉매를 필요로 하며, 현대까지 철을 기반한 촉매를 사용 중이다[41].

현재 암모니아 합성에 사용되는 대부분의 수소는 화석연료 개질을 통해 생산하고 있다. 이 공정은 일반적으로 1)Reforming 반응 (C_aH_b+aH₂O ↔ aCO+(a+2/b)H₂), 2)WGS(water-gas shift)반응(CO+H₂O ↔ CO₂+H₂)으로 수소와 이산화탄소를 생성한다. 화석연료의 황을 제거하기 위한 1)탈황 공정, 2)스팀 반응기를 가진 개질 공정, 3)WGS 반응이 이루어지는 고온이 동 공정, 4)수소정제를 위한 압력변동흡수 (PSA, Pressure swing absorption)의 4가지 공정이 수소 개질 시스템을 이룬다. 이러한 개질 시스템을 통한 수소생산은 소모되는 에너지가 크고, 이산화탄소의 배출량이 많다[42]. 2020년 기준, 하버–보슈법을 이용한 암모니아 생산은 전 세계 에너지의 1.8%를 차지하고 있으며, 이 과정에서 전 세계 이산화탄소 배출량의 1.8%가 발생한다[43].

3.2. 암모니아 합성기술 개발 현황

기존의 암모니아 합성 기술의 문제를 해결하기 위해 연구되고 있는 상온, 상압에서 전기화학적으로 암모니아를 생산하는 기술은 투입 에너지 대비 생산되는 암모니아의 양이 적다는 문제가 있다. 또한 전기화학적인 방법에는 금속물질과 탄소유기물질을 화학적으로 결합한 금속화합물 촉매를 사용하게 되는데, 촉매 합성 후 금속 표면에 남는 탄소유기물질로 인해 촉매 성능이 저하된다(Fig. 2) [44].

이러한 문제를 해결하기 위해 암모니아 합성 기술에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 한국에너지기술원에서 개발한 상온, 상압에서의 전기화학적 암모니아 합성 기술과 KAIST의 산화바륨 조촉매-루테늄 촉매, 한국기계연구원의 플라스마 촉매 기반 합성공정은 촉매의 성능과 안정성이 향상되어 에너지효율이 높은 기술이다[45-47]. 하지만 아직 세 기술 모두 랩스케일 단계로 상용화에 필요한 대규모 시스템을 구축하는 데 어려움이 있다. UNIST에서 개발한 쇠구슬을 이용한 볼-밀링 암모니아 합성 공정은 쇠구슬과의 물리적 힘으로 암모니아를 합성하는 방법으로 실험실 규모지만 저온, 저압에서 기존 하버–보슈법의 수득률 25%에 비해 3배 이상 높은 82.5%를 달성했다[48]. 국제적으로도 고수득률의 저압 암모니아 합성 공정의 기술 개발이 이뤄지고 있으며, 대부분 상용화전 파일럿 테스트 단계에 있어 상업화까지 추가 연구가 필요한 상황이다. 위 내용을 포함한 주요 국가별 연구 중인 암모니아 합성 기술이 아래 표에 요약되어 있다(Table 1).

3.3. 암모니아 합성 기술 경제성

우선 천연가스를 사용하여 생산하는 그레이 암모니아의 가격을 추정하는 방법은 다음과 같다. 2008년 국제비료산업협회(International Fertilizer Industry Association)에서 실시한 연구 결과에 따르면 그레이 암모니아 생산 효율은 1ton의 암모니아 당 약 30GJ이다. 따라서 천연가스 가격이 4,000원/MMBtu일 때, 30GJ/NH₃-ton × 4,000원/MMBtu × 0.9478MMBtu/GJ = 4,000원 /MMBtu × 30 = 120,000원/NH₃-ton 이므로 그레이 암모니아의 가격은 천연가스 가격의 30을 곱하여 근사치를 추정할 수 있고, 여기에 인건비와 플랜트 자본 등의 고정비용을 더해서 그레이 암모니아 가격을 구한다. 고정비용은 평균 149,000원/NH₃-ton이므로 그레이 암모니아의 가격은 약 269,000원/NH₃-ton이다[51].

블루 암모니아의 비용을 추정하려면 탄소포집 및 격리(CCS), EOR(Enhanced Oil Recovery)을 추가로 고려해야 한다. 천연가스를 원료로 하여 암모니아를 1ton 생산하는 과정에서 1.6ton의 CO₂가 배출되므로 블루 암모니아를 생산하는 비용은 기존 그레이 암모니아를 생산하는 비용에서 CO₂를 제거하는 비용을 추가해야 한다. 2019년의 국제에너지기구의 연구에 따르면, CCS 비용은 68,000원/NH₃-ton이고, 그레이 암모니아의 생산가격이 299,000원/NH₃-ton일 때, 1.6ton의 CO₂를 제거하는 비용은 109,000원이므로 블루 암모니아의 가격은 408,000원/NH₃-ton이다[51].

천연가스가 아닌 그린 수소로부터 그린 암모니아를 생산할 경우, 생산 비용은 재생에너지를 이용한 수전해 때 산정되는 전력비용에 의존한다. 풍력 80%–태양광 20% 조합으로 에너지를 생산했을 때 가장 높은 비용 효율성을 얻을 수 있고, 이때 그린 암모니아의 가격은 약 1ton당 782,000원이다[51-54]. 이때, 재생가능한 전기의 비용이 MWh당 약 68,000원 이하로 떨어지면 천연가스 기반 블루 암모니아 생산비용보다 저렴해질 수 있으며, 최종적으로 2040년까지 전기가격이 MWh당 27,000원으로 떨어지고 수소 가격이 1,500원/kg까지 감소하면 그린 암모니아 생산 가격은 약 306,000원/ton으로 예측된다[51,53,54].

아래 그림의 과정과 같이 암모니아를 합성할 때, 재생 에너지로 생성된 전기를 이용해 수소를 생산하는 수전해의 효율은 80%이다. 하버–보슈법을 통해 수소를 질소와 반응시켜 암모니아를 합성하는 공정의 효율은 74%이다. 따라서 암모니아 합성공정의 전체 효율은 59%이다[55].

4. 암모니아 유통

4.1. 암모니아 저장 및 운송 인프라

암모니아는 기존에 무기 비료의 공급원료 및 다양한 산업용도로 활발히 사용되어 왔다. Fig. 4는 전 세계 암모니아 해상 운송 인프라에 대한 히트맵으로 파란 점과 빨간 점은 각각 암모니아 선적 시설과 암모니아 하역 시설의 분포를 나타낸다. 또한 운송 경로의 선박 통행량에 따라 색상 강도가 달리 표현되었다. 실제 암모니아 운송 관련 인프라 시설의 분포는 해안가를 중심으로 전 세계적으로 발달되어 있으며, 주요 에너지 소비지역과 생산 지역 간의 운송 네트워크가 긴밀히 연결되어 있다(Fig. 4) [56]. 국제 운송 경로와 관련 규제도 체계적으로 구축되어 있어 다른 캐리어 후보와 비교했을 때 시설 및 운영 비용 측면에서 훨씬 경제적이다[53].

4.2. 암모니아 운송 수단

액화 암모니아의 운송은 크게 트럭, 선박, 철도 그리고 파이프라인을 통해 이뤄진다. 그중 파이프라인을 통한 운송이 가장 경제적이다. 하지만 파이프라인을 통한 운송은 지역 간 연결이 되어 있어야 하며 장거리 운송에서는 비효율적일 수 있다. 이는 수소 운반보다 직접적으로 암모니아를 사용하는 목적에 적합하다. 미국은 파이프라인을 통한 운송에 적합한 조건을 가지고 있으며 실제 자국 내에서 수소 및 암모니아를 파이프라인으로 운반하는 것을 목표로 로드맵을 수립했다[57]. 1,500km 이상의 장거리 운송에서는 암모니아로 변환하고 수소로 재전환하는 비용을 고려하더라도 수소 캐리어를 사용하는 것이 효율적이다[56]. 따라서 자국 내에서 수소를 생산하는 것보다 수입을 해서 사용하는 것이 더 경제적인 국가에서는 다른 운송 수단을 고려해야 한다. 암모니아 운송비용은 Table 2를 통해 알 수 있듯이 트럭은 446.8원/tkm-H₂, 철도는 54.16원/tkm-H₂, 선박은 40.62원/tkm-H₂이다[53]. 운송 규모가 클수록 운송 단가는 줄어들어 선박이 가장 저렴한 운송 수단이라는 것을 알 수 있다[58]. 하지만 기존 인프라나 운송 시스템에 따라 경제적인 수단은 달라질 수 있기 때문에 각 국가 별 상황에 맞게 운송 수단을 선택해야 한다.

4.3. 암모니아 현지 유통 인프라

수입을 통한 암모니아의 현지 유통은 크게 중앙집중형과 분산형으로 나뉜다(Fig. 5). 중앙집중형 크래킹 시스템은 암모니아가 대규모 분해 공장으로 운송된 다음 생산된 수소가 사용 지점으로 분배되는 방식이다. 분산형 크래킹 시스템은 암모니아를 사용 지점까지 운송한 뒤 각 지점에 설치되어 있는 크래커를 통해 연료로 이용하는 방식이다[59].

중앙집중형 또는 분산형 암모니아 분해를 기반으로 하는 인프라 개발은 인구 분포, 재생 에너지 가용성 및 지리적 특성과 같은 요인에 영향을 받는다. 중앙 집중형 시스템은 전통적인 규모의 경제로 비용 효율성이 높고 중앙 컨트롤로 운영이 쉽다. 분산형 시스템은 수소 네트워크로부터 독립되어 사용 용도나 장소, 산업에 따라 융통성 있는 전환이 가능하다[59].

영국 사업･에너지･산업전략부(BEIS)의 암모니아 유통 시스템의 기술경제 평가에 따르면, 자국 내에서 생산 현장-항구 암모니아 운송 거리 100km, 항구-암모니아 터미널 선박 운송 거리 3000km, 수소 배분반경 100km, 암모니아 분해량을 중앙집중형 시스템에서 200ton/day(1개소), 분산형 시스템에서 1개소 당 200kg/day(1000개소)를 기준으로 모델링하였을 때, 중앙 집중형 시스템이 총 자본 약 6068억 원에 총 자본투자(TCI, Total Capital Investment)는 약 2,100,000원/kW이고, 수소 운송 및 저장 비용은 약 88,100원/MWh(운송 38,500원/MWh, 저장 49,600원/MWh)이다. 분산형 시스템은 총 자본 약 8억 원에 총 자본투자는 약 2,800,000원/kW이고, 액체 암모니아 운송 및 수소 저장 비용은 19,400원/MWh(운송 8,400원/MWh, 저장 11,000원/MWh)으로 나타났다. 이때 TCI는 장비 구매 비용, 장비 설치 비용, 토지 비용, 운영 자본 및 외부 시설 비용의 총합이다. 따라서 분산식 시스템이 중앙집중식 시스템보다 약 30% 더 경제적이며, 배분 반경이 넓어질수록 분산식의 경제성은 더 높아진다[60]. 두 시스템 모두 새로운 파이프라인의 높은 비용과 초기 자본 지출(CAPEX)의 발생이 불가피하기 때문에 각 국가나 지역의 특성에 맞게 시스템을 선택해야 한다.

5. 암모니아 분해

5.1. 암모니아 분해기술

암모니아 분해 반응은 총 3가지 반응으로 이루어져 있다. 암모니아 크래킹 과정에서 반응하지 않은 암모니아를 제거한 뒤, 수소를 고순도로 정제하면 연료전지 등에 활용할 수 있는 고순도 수소가 생산된다(Fig. 6). 암모니아 분해 과정 자체는 무탄소 공정이므로 탄소 배출이 없으며, 재생 에너지를 이용해 생산한 전기를 사용하면 그린 수소 생산이 가능하다[42].

암모니아 분해 화학식은 2NH₃ ↔ N₂ +3H₂ (∆H = 46.2kJ/mol) 이며 흡열반응이다. 이 반응을 통해 2몰의 암모니아가 분해하여 3몰의 수소가 생성된다. 반응 후 남아있는 암모니아는 흡착을 통해 제거되고 생성된 가스에 있는 N₂를 분리하여 고순도 수소를 생산한다.

암모니아 분해 반응은 온도가 낮은 환경에서 열역학적으로 제한이 있는 가역반응이다. 따라서 분해 속도는 온도, 압력 그리고 촉매에 따라 달라질 수 있다. 반응하는 동안 완전히 분해되지 않은 암모니아가 배출되므로 분해 후 암모니아 흡착 공정을 고려하여 적절한 온도와 압력을 선정하는 것이 중요하다[61]. 온도가 증가할수록 미반응 암모니아의 농도가 감소하며 암모니아 전환율은 증가한다. 동일 온도에서는 압력이 높을수록 남아있는 암모니아의 농도가 증가하는 경향을 보인다. 고순도 수소를 생산하기 위해서 미흡착 암모니아를 냉각하거나 흡착하여 제거하는 방법이 주로 사용되고 있다.

5.2. 암모니아 분해기술 개발 현황

암모니아 분해 반응은 반응 온도와 촉매에 의존하며 550℃에서 750℃의 높은 온도에서 일어난다. 열역학적으로, 암모니아에서 수소로의 분해는 425℃에서 가능하지만, 분해 반응이 매우 느리기 때문에 촉매를 사용하는 것이 더 높은 암모니아 전환율을 얻기 위한 방법이다. 촉매를 사용한 암모니아 분해는 450℃보다 낮은 온도에서 일어날 수 있다. 아래 표는 온도에 따른 암모니아의 전환율을 나타낸다(Table 3) [62].

분해 반응에 이용되는 촉매는 대표적으로 Ru이 있다. Ru과 같은 귀금속 촉매는 매우 안정적인 촉매 역할을 수행하지만 가격이 비싸고 희소성이 높다는 단점이 있다. 암모니아 분해 반응은 흡열반응이므로 저온에서 작동할 수 있는 촉매를 사용하여 에너지 소비를 줄이는 것이 바람직하다. 적절한 촉매 하에 진행되는 암모니아 분해 반응은 매우 큰 에너지 소비를 요구한다. 그렇기 때문에 반응기, 촉매 개발, 공정 통합, 그리고 경제성 개선이 필요하며 관련 기술을 개발하고 있다.

한국과학기술연구원에서 개발한 통합형 분리막 반응기는 정제기술 없이 수소 분리막을 사용해 수소 생산과 정제가 가능하며 면적 대비 수소 생산량이 2배 이상 높은 기술이다. 연방과학산업연구기구(CSIRO)에서 개발한 암모니아 촉매 분해 반응기 및 금속 분리막 정제 시스템은 고순도 수소를 효율적으로 생산할 수 있으며 수소전기차를 대상으로 충전 실증까지 완료하였다. 아래 표는 이 내용을 포함한 주요 국가별 암모니아 분해 기술의 현황을 나타낸다(Table 4) [62].

최근 연구는 분리막을 이용한 암모니아 분해에 집중하고 있다. 선행 연구에 따르면, 500kPa, 472℃ 조건에서 Ru기반의 촉매와 Pd 분리막으로 99.6%의 분해 효율을 확인했다. 수소 회수율은 87%이며, 99.99%의 고순도 수소를 생산하였다. 투과류에서 암모니아가 검출되지 않았고 이는 PEM연료전지에 적합한 순도의 수소를 생산했다는 것을 의미한다. Pd 분리막과 Pd 분리막 반응기의 상용화를 위해서 재현성 검증에 대한 연구가 진행 중에 있다[63].

5.3. 암모니아 분해 기술 경제성

암모니아 분해를 통한 수소 생산 비용은 Ru/La-Al2O3 펠렛 촉매를 사용하여 10MW 규모에서 약 5,360원/kg-H₂이다. 시설 비용 측면에서 PSA-absorbent 비용은 전체의 56.1%를 차지하며 반응기 촉매 비용은 21.3%를 차지한다. 암모니아 분해로 생산한 수소 비용은 기존 상업용 수소 생산 비용보다 높지만 CO₂ 배출량은 낮다. 온실가스 배출권 거래를 통해 가격 차이를 해결할 수 있으며, 분해 기술을 발전시켜 청정 수소 생산 비용을 줄이는 것이 중요하다[64].

암모니아는 최종 사용지로 운반된 후, 400℃에서 촉매로 분해되고 이어서 금속 막 반응기를 통해 수소 분리가 이루어진다. 암모니아 크래커에서 고려된 에너지 손실은 다음과 같다. 1) 암모니아의 증발, 2) 암모니아의 온도를 400℃로 올리기 위해 필요한 에너지, 3) 촉매 베드에서 암모니아를 수소로 변환, 4) 암모니아 크래킹/막 반응기 단위에서의 열 에너지 손실, 5) 막 반응기를 통한 수소 회수, 6) 분해되지 않은 암모니아와 투과되지 않은 수소로부터 회수된 에너지, 그리고 7) 크래커에서의 수소로부터 연료전지 온도(70℃)로 냉각하는 동안 회수된 열 에너지이다. 에너지 손실을 고려한 암모니아 분해 공정의 전반적인 에너지 효율은 76%이다. 만약 차량용 연료전지에 수소를 이용한다면, 암모니아 크래킹 후 수소를 압축하는 과정이 필요하며 88%의 에너지 효율을 나타낸다. 따라서 차량용 연료전지를 위한 고순도 수소 생산 공정은 암모니아 크래킹부터 수소 압축까지의 효율인 67%의 공정 효율을 나타낸다[55]. 주거용 연료전지에 활용될 경우 추가적인 압축 과정이 필요하지 않아 크래킹 효율인 76%만 고려한다[55].

6. 암모니아 전 과정 평가

6.1. 암모니아 전 과정 경제성

현재 그린암모니아 생산 가격은 수소 1ton을 기준으로 782,000원이다. 운송 과정에서 선박 이용 시 1km당 40.62원의 비용이 발생되므로 10,000km(우리나라-호주 해상 거리: 약 7,500km)를 기준으로 406,200원이 발생된다. 분해과정의 비용 5,360,000원까지 고려하면 약 6,548,200원 정도의 비용이 요구된다. 신재생에너지의 비율이 점차 증가하면서 암모니아 산업은 높은 경제성을 가질 수 있다.

현재 그린 수소 생산가격은 전력원에 따라 차이가 있으며, 1ton 당 3,400,000원에서 최대 8,100,000원이다[65]. 수소를 액화하는 비용은 2,500,000원/ton, 액화수소의 운송 비용은 2,000,000~3,000,000원/ton 수준으로 추산된다. 액화비용과 운송비용은 50~150ton/day 규모일 때를 기준으로 계산되었으며, 수요시장의 규모가 커질수록 가격은 낮아질 수 있다[66]. 따라서 전체 비용은 수소 1ton을 기준으로 7,900,000~13,600,000원의 비용이 필요하다. 범위에서 가장 저렴한 비용인 7,900,000원/ton과 암모니아를 수소 캐리어로 사용했을 때의 비용인 6,548,200원/ton를 비교하면 암모니아의 경우가 비용 측면에서 경쟁력 있음을 확인했다.

6.2. 암모니아 전 과정 효율

암모니아 합성 공정의 에너지 효율은 58.8%이며, 합성된 암모니아는 수입 국가로 운송된 후 분해 과정을 통해 고순도의 수소로 변환된다. 암모니아 운송 과정에서는 일부 에너지의 손실이 발생할 수 있으므로 약 98%의 에너지 효율을 나타낸다[67]. 이후 암모니아 분해 공정의 효율은 76%에 달하며, 활용처에 따라 추가적인 공정이 요구될 수 있다.

생성된 수소를 차량용 연료전지에 사용하려면 최소 99.99%의 고순도 수소가 필요하며, 이를 위해 수소 압축 공정을 거쳐야 한다. 이때 압축 공정의 에너지 효율은 88%이다. 반면, 주거용 연료전지의 경우 고순도 수소가 필요하지 않아 추가적인 압축 과정 없이 바로 사용할 수 있다. 또한, 차량용 연료전지의 에너지 효율은 48%, 주거용 연료전지의 효율은 75%로 나타난다[55].

따라서, 암모니아로부터 차량용 연료전지에 필요한 수소를 생산하는 공정 전체의 에너지 효율은 58.8%×98%×76%×88%×48% = 18.5%이며, 주거용 연료전지에 필요한 수소를 생산하는 공정의 전체 효율은 58.8%×98%×76%×75% = 33%로 분석된다.

현재 전 세계적으로 수소를 생산하는 방식 중 전기분해 기반의 그린 수소 생산이 탈탄소화 사회를 위한 주요 대안으로 주목받고 있다. 이 전기분해 공정은 현재 약 70~80%의 에너지 효율을 보이며, 2030년까지 82~86%의 효율을 달성할 것으로 예상된다. 전기분해로 생산된 수소는 액화 과정을 거쳐 액체 상태로 변환되며, 액화 과정의 에너지 효율은 약 82%로 평가된다. 따라서 전기분해로 생산된 수소를 액화수소 형태로 전환하는 경우 전체 에너지 효율은 약 58%로 산출된다[68].

액화수소는 단열 탱커 및 트럭을 통해 저장 및 운송되나, 이 과정에서 boil-off 현상으로 인해 하루 0.2~3% 정도의 수소 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 저장 및 운송 과정의 에너지 효율은 약 95%로 추산된다[67]. 운송된 액화수소는 기체로 변환된 후 고압으로 압축되어 연료전지에 활용되며, 이때 압축 공정의 효율은 약 88%로 나타난다. 따라서, 액화수소의 생산부터 차량용 연료전지에 활용되기까지의 전체 에너지 효율은 58%×95%×88%×48% = 23%로 산출된다. 반면, 고압 수소가 요구되지 않는 주거용 연료전지에 활용되는 경우 58%×95%×75% = 41%의 전체 에너지 효율이 나타난다[67].

결론적으로, 암모니아를 수소 캐리어로 사용하는 경우, 액화수소를 사용하는 방식에 비해 전체 에너지 효율이 다소 낮게 나타난다. 하지만, 수소 운송 거리, 인프라 구축 상황, 지역 조건 등에 따라 가장 적합한 수소 공급 방식을 선정하는 것이 중요하다.

6.3. 암모니아 전 과정 평가

암모니아의 경우, 1ton의 수소를 기준으로 생산부터 이용까지의 총비용은 약 6,548,200원이다. 반면, 액화수소는 최소 7,900,000원에서 최대 13,600,000원의 비용이 소요된다. 따라서 비용 측면에서 암모니아는 액화수소보다 더 경제적이라고 할 수 있다. 그러나 에너지 효율성에서 암모니아는 차량용 연료전지의 경우 18.5%, 주거용 연료전지의 경우 33%의 효율을 보인다. 반면, 액화수소는 각각 23%와 41%의 에너지 효율을 나타내며, 이는 암모니아에 비해 더 높은 수치이다.

결론적으로, 비용과 효율을 동시에 고려할 때 암모니아는 운반체로서의 경제성이 높으며, 특히 기존 인프라와 결합했을 때 비용 경쟁력이 강화된다. 하지만 에너지 효율이 중요한 응용에서는 액화수소가 더 유리할 수 있다. 따라서 장거리 운송 및 기존 인프라 활용을 고려할 경우 암모니아가 더 적합할 수 있으며, 에너지 효율이 중시되는 경우에는 액화수소가 더 바람직한 선택이 될 수 있다. 암모니아의 전환 효율이 향상된다면 향후 수소 운반체로서 더 넓은 범위에서 활용될 가능성이 크며, 각 수소 운반체의 선택은 상황에 맞는 적절한 전략적 판단이 필요하다.

7. 결 론

기후변화대응을 위한 탄소중립을 이루기 위해 재생 전기를 에너지 함유 가스로 변환하는 POWER 2 GAS(P2G) 시스템 실증화 연구가 진행 중에 있다. 재생 전기가 많이 생산되는 시간대에 에너지를 가스 형태로 저장해 두었다가 재생 전기 생산량이 저조한 시간에 발전을 하여 사용하여 재생 에너지의 변동성에 대응하는 것이다. 이는 재생 에너지의 활용성을 높여 탄소중립에 기여할 수 있다.

이 목적을 달성하기 위하여 수소와 암모니아가 대두되고 있다. 일각에서는 수소와 암모니아 자체를 친환경 에너지라 광고하지만, 실상은 에너지 운반체일 뿐이다. 수소와 암모니아를 만들 때 투입되는 에너지가 재생 에너지인 경우에 친환경 에너지 운반체가 되는 것이다.

에너지 운반체로서 암모니아는 끓는점이 높고 분자량이 높아 저장과 수송에 있어 안정적이고 비용 효율적이다. 암모니아는 끓는점이 -33.34℃로서 액화에 요구되는 에너지가 적으며, 기존의 비료나 요소 산업 때문에 관련 저장 및 운송 인프라가 잘 마련되어 있는 장점이 있다. 하지만 수소를 암모니아로 변환해야 하고, 연료전지에 이용하기 위해서는 암모니아를 다시 수소로 변환해야 하는 단점이 있다.

에너지 물질의 변환을 위해 많은 설비 및 인프라 건설이 불가피하고, 이 변환 과정에서 많은 에너지가 손실된다. 이를 회피하기 위하여 최근 암모니아를 직접 연소하는 방식이 대두되고 있다. 일각에서는 에너지가 거의 손실되더라도 전력망의 안전을 위해서 필수 불가결하다는 주장을 하기도 하지만 옳은 주장은 아니다.

에너지 운반체로서 액화수소는 암모니아와 달리 변환 과정이 필요하지 않기에, 생산에서 최종 발전 단계까지 암모니아보다 높은 에너지 효율을 얻을 수 있다. 하지만 수소의 끓는 점은 -252.9℃로서 액화에 요구되는 에너지 및 기술의 수준이 암모니아에 비해 엄청나게 높다. 고로, 에너지 운반체로서 암모니아 보다 다소 낮은 경제성을 가지고 있기에 수소 사회의 에너지 운반체로서 암모니아가 좀 더 각광을 받고 있다.

앞서 서술했듯이, 탄소중립적 수소와 암모니아의 생산과 이용을 위해서 다단계의 에너지 변환 과정이 필요하다. 그러므로, 가능하다면 재생 전기를 직접 사용하는 것이 에너지 운반체를 거치는 과정보다 에너지 효율이 높고 친환경적이다. 하지만 전기의 수송을 위해서는 현재의 기술로서는 전력망이 필수적이기에, 전력망 연결이 되지 않거나 해상 수송을 통해 재생 에너지를 수입해야 하는 경우에는 에너지 운반체로의 변환은 필수적이다.

만일 한반도 내부 혹은 인접한 지역에서 재생 전기를 충분하게 생산하여 전력망을 통해 공급하게 된다면, 해상 수송을 통한 재생 에너지 수입은 감소하거나 필요 없을 것이다. 친환경 에너지 운반체로서 수소와 암모니아의 전망은 미래 재생 에너지의 공급 방식에 좌우될 것이다.

“미래 사회는 결국 수소 기반 사회이다.”

이 구호에는 한국의 일부 주류 에너지 업계의 신념이 담겨 있다. 기존 발전소의 전기 생산은 수요에 따라 공급 조절이 가능하지만, 재생 전기 생산은 변동성이 매우 크다. 변동성 제어를 위해 앞서 언급한 에너지 변환을 통해 에너지 운반체를 만들어 저장하고 수송하는 기술도 개발 중에 있지만, 스마트 그리드나 배터리 저장을 통한 변동성 제어 기술도 개발 중에 있다. 현재 양대 기술 모두 불완전하다. 하지만 두 기술은 미래의 에너지 공급의 패권을 쟁취하기 위해 경쟁하고 있다.

한반도에서 환경오염과 탄소배출에서 자유로운 경제적인 에너지를 생산하기 위해, 공학자들은 경제적이고 안전한 재생 에너지 기술과 원자력 발전 기술을 개발 중이다. 치열한 기술 개발 경쟁을 통해 한반도에서 깨끗하고 안전하고 경제적인 에너지 생산 목표가 달성된다면 재생 에너지를 수입할 필요는 없을 것이다. 이처럼 미래 사회가 결국 수소 기반 사회라는 주장에는 아직 확실한 근거는 없다. 미래 사회의 에너지 공급 방식은 결국 미래 기술 경쟁의 결과가 그 답을 말해줄 것이다.

재생 에너지와 원자력 에너지는 확연히 다르며 서로 다른 뚜렷한 장단점이 있지만, 한국에서는 국가 예산을 두고 경쟁 관계에 있는 웃픈 현실에 직면해 있다. 에너지 분야뿐만인가? 현재 대한민국에서 과학기술에 과학 이외의 것이 너무도 크게 작용하고 있다. 비전문가들이 과학을 재단하기도 한다. 국가 과학기술 발전을 위해 비전문가를 일체 배제하고 법치주의와 일벌백계를 통해 정치논리와 카르텔 또한 철저히 배제하여, 온전히 과학과 기술로 경쟁하고 승부하는 풍토가 만들어져야 할 것이다.

미래 에너지 문제에 대해 현재 뚜렷한 정답이 없다. 정답이 없는 상태에서 미래의 불활성의 리스크를 관리하는 가장 합리적이고 증명된 방법은 분산투자이다. 인류가 기후변화에 성공적으로 대응하기 위해, 단일한 솔루션에 매몰되어서는 안 될 것이다. 기후변화에 성공적인 대응을 위해서는 다양한 혁신적인 기술 개발과 관리 기법 개발을 통해 에너지 및 탄소 관리 체계의 효율과 안정성을 확보하는 것이 매우 중요할 것이다[69-97].

Acknowledgments

본 연구는 대한민국 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업(No. 2021R1A2C1013989), 2023년도 광주녹색환경지원센터 연구개발사업(23-03-10-16-12), 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업(2021RIS-002)의 지원을 받아 수행되었습니다. https://youtu.be/0eFi1J8aXzw

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.

Haber–Bosch process

Fig. 2.

Electrochemical ammonia production process

Fig. 3.

Ammonia synthesis process

Fig. 4.

Ammonia transport infrastructure, including existing ammonia transport facilities and vessel heatmaps [56]

Fig. 5.

Ammonia local distribution system (centralized, distributed)

Fig. 6.

Ammonia decomposition process

Table 1.

Ammonia synthesis technology status by major countries

Country	Institution and Project	Ammonia Synthesis Technology	Technology Readiness Leve((TRL)
Republic of Korea	KIER	- High performance catalyst for ammonia synthesis	TRL 4-6
	KIER	- Electrochemical ammonia synthesis technology at room temperature and pressure [45]	TRL 4-6
	KAIST	- Barium oxide cocatalyst – ruthenium catalyst [47]	TRL 3-5
	UNIST	- Synthesis technology using direct potassium reaction accelerator – ruthenium catalyst [48]	TRL 4-6
	UNIST	- Ball-milling ammonia synthesis technology using steel beads [48]	TRL 4-6
	KIMM	- Plasma-catalytic ammonia synthesis process [46]	TRL 4-6
	GIST	- Electrospinning method for converting nitrogen to ammonia in air [49]	TRL 3-4
Japan	SIP	- Low-pressure ammonia synthesis catalyst [50]	TRL 4-6
Japan	SIP	- Synthesis process directly linked to renewable energy [50]	TRL 4-6
Denmark	Haldor Topsoe	- Process using solid oxide electrolytic cell (SOEC) [50]	TRL 5-7
United States of America	United States Department of Energy, DOE	- Low-pressure ammonia synthesis catalyst and process research [50]	TRL 4-6
	Starfire Energy	- Synthesis technology linked to water electrolysis system [50]	TRL 5-7
	University of Minnesota	- Low-pressure ammonia synthesis technology through adsorption ammonia separation [50]	TRL 4-6

Table 2.

Cost analysis by ammonia transport classification

Transport	Truck	Rail	Shipping
Ammonia (Won/tkm-H₂)	446.8	54.16	40.62

Table 3.

Ammonia conversion rate depending on temperature

Temperature(℃)	250	300	350	400	450	500	600	700
NH₃ conversion(%)	89.20	95.70	98.10	99.10	99.50	99.70	99.90	99.95

Table 4.

Ammonia decomposition technology status by major country

Country	Institution	Ammonia Decomposition Technology	Technology Readiness Level(TRL)
Republic of Korea	KIST	- Development of integrated membrane reactor	TRL 6-7
Australia	CSIRO	- Development of ammonia catalytic decomposition reactor and metal separation membrane purification system	TRL 6-7
Japan	Hiroshima University and 4 other companies	- Development of a 1 Nm³/h scale ammonia hydrogen extraction system and 10 Nm³/h scale hydrogen purification system	TRL 5-6

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