탄소제로로 진화하는 그린뉴딜, '수소 혼소 발전'이 징검다리?

탄소제로로 진화하는 그린뉴딜, '수소 혼소 발전'이 징검다리?

대학생신재생에너지기자단 19기 염지원

 

 기후변화 대응을 위한 국제사회의 움직임이 빨라지고 있다. 세계 각국은 기후변화에 대응하기 위해 2050년까지 탄소중립에 동참하는 ‘2050 탄소중립’을 선언하고 있다. 정부가 발표한 2050 탄소중립 비전 5대 기본 방향 중 수소에너지와 관련된 분야가 4개에 이른다. 어떻게 수소 기술이 탄소중립에 기여하는 것일까? 수소는 연료전지나 가스터빈을 이용해 열 및 전기에너지를 생산하며 부산물로 물만 배출되기 때문에 이상적인 청정에너지이다. 현재 해외에선 수소 혼소율 30%, 수소와 LNG 비율이 3:7인 수소 혼소 발전기술이 상용화되어있다. 그렇다면 수소 혼소 발전이란 무엇이며 국내 기업 및 산업들은 어떻게 개발 중인지 알아보도록 하자.

 

수소 혼소 발전이란?

수소 혼소 발전에 대해 알아보기 전에 먼저 수소를 이용해 전력을 생산하는 두 가지 방법에 대해 먼저 알아야 한다. 하나는 연료전지를 사용하여 전기를 만드는 방법으로 수소자동차 경우를 떠올리면 된다. 기본적인 구조는 탱크 안의 수소와 공기 중의 산소를 화학 반응시켰을 때 발생하는 에너지로 전기를 발생하고 그 전기로 모터를 돌려 자동차를 움직이는 것이다.

[자료 1.  연료전지 발전과 수소발전의 구조적 차이]

출처 : IRS GLOBAL

수소를 이용한 전력 생산의 다른 하나는 수소를 연소해 가스터빈을 돌려 전력을 생산하는 방법이다. 연료와 압축된 공기가 연소하면서 발생한 고온·고압의 기체가 터빈을 매우 빠른 속도로 돌려서 전력을 생산하는 것으로 이런 가스터빈 발전의 연료로는 주로 액화천연가스(LNG)가 사용되고 있다.

이때, 수소도 가스터빈의 연료로 사용할 수 있지만, 천연가스와 수소의 연소 특성이 달라 수소 특성에 맞는 새로운 가스터빈이 필요하다. 하지만 발전용 대형 가스터빈을 제조하는 데 큰 비용이 소요되고, 뿐만 아니라 가스터빈 제조 기술은 쉽게 공유되지 않는 기술이기 때문에 수소 특성에 맞는 새로운 가스터빈을 개발하는 일은 상당히 어렵다.

이처럼 수소만을 이용하는 가스터빈을 개발하는데 부담이 커, 천연가스와 수소를 혼합해 사용하는 ‘혼소 발전’ 방식이 주목받고 있다. 연료의 10~50% 정도를 수소, 나머지는 천연가스를 사용하는 것으로 기존 천연가스용 가스터빈을 일부 개조하면 이렇게 혼합된 연료를 연소할 수 있어 비용을 크게 절감할 수 있다. 10년 이상 노후화된 천연가스 가스터빈도 수소 혼소 가스터빈으로 개조할 경우, 사용수명을 늘릴 수 있어 교체비용을 크게 절감할 수 있다.

수소 혼소 발전은 지구온난화와 기후변화에 치명적인 탄소량을 줄이는 이른바 ‘탄소 제로’의 초현실 단계라고 볼 수 있다. 기존 천연가스(LNG) 발전과 비교할 때 이산화탄소 발생을 30% 이상 낮출 수 있고 미세먼지 원인인 질소산화물(NOx) 발생 역시 효과적으로 낮출 수 있는 친환경 기술이다.

[자료 2.  연료전지 발전과 수소발전의 구조적 차이]

출처 : 한화

 

수소 혼소 발전의 장점과 해결 과제

수소 혼소 발전 기술의 장점은 기존 LNG 발전소의 노후화된 가스터빈을 적은 비용으로 개조해 사용할 수 있다는 것이다. 여기서 저순도 수소를 사용하기 때문에 99.99% 이상 고순도 수소를 사용해야 하는 연료전지 발전보다 경제적이라는 점도 주목받고 있다.

한편 수소 혼소 발전을 위해 해결해야 할 과제들도 있다. 먼저 ‘화염 액화(flashback) 현상’을 억제할 연소 기술이 필요하다. 앞서 말한 대로 수소와 천연가스는 서로 연소하는 특징이 다르다. 특히 수소는 천연가스와 탄소수소 계열의 연료보다 *층류화염속도가 매우 빠르다. 그렇다 보니 수소가 연소되면서 순간적으로 커지는 화염이 연료가 주입되고 있는 노즐까지 역행하면서 손상을 입게 된다. 이를 막기 위해서는 화염 역화에 대한 데이터베이스를 구축하고 정확히 예측해야 한다. 다만 역화는 단순히 수소와 천연가스 혼합연료의 본래 성질보다 연소실 내에 형성되는 기체의 흐름에 따라 크게 달라져 서로 다른 연소실 내 흐름을 정확히 파악하는 건 어려운 일이다. (*층류화염속도: 화염이 전파되는 속도)

두 번째로, 대기오염 물질인 질소산화물(NOx) 문제를 해결해야 한다. 현대의 발전용 가스터빈에서 질소산화물은 실시간으로 모니터링되는 가장 중요한 연소 특성 가운데 하나다. 질소산화물은 연소장의 온도가 높아질수록 더욱 많이 배출되는데, 수소는 천연가스보다 화염온도가 높다. 그래서 질소산화물 배출을 줄이기 위해서 적정한 수소 혼합 비율을 찾거나, 추가적인 장치를 이용해 배출되는 질소산화물을 줄여야 한다.

세 번째로, 연소불안정 문제를 해결해야 한다. 수소를 많이 혼합할수록 기존 100% 천연가스를 연소한 것보다 화염의 길이가 짧아지고 화염의 형상도 크게 바뀐다. 이런 변화에 따라 연소 현상이 불안정하게 일어나기도, 반대로 더 안정적으로 일어나기도 한다. 수소를 얼마큼 혼합했을 때 안정적으로 연소가 이뤄지는지 정확히 파악할 필요가 있다.

[자료 3.  온실가스 배출비교]

출처 : 한화

 

국내 수소 혼소 발전 실증사업과 전망 

그동안 해외를 통해 수입했던 ‘수소 혼소’ 기술을 이제 국내 기업이 발전 기술을 확보하게 되면서 탄소와 질소산화물 배출량을 줄이고 동시에 친환경 에너지 개발의 초읽기에 시작했다. 한국종합화학(이하 한화)는 올해 관련 기술을 보유한 미국의 PSM사(Power system Mfg., LLC)와 네덜란드 ATH사(Ansaldo Thomassen B.V.) 100% 지분을 인수하는 계약을 체결했다. 수소 혼소 기술은 국내 기업들도 개발에 나섰지만 현재까지 산업 현장에서 활용할 수 있는 단계에 이르지 못하고 있다. 하지만 한화가 두 기업의 지분을 인수하면서 그동안 정체되었던 수소 혼소 기술을 통해 친환경 에너지 개발에 탄력이 예상된다.

한화와 한국서부발전이 국내 최초로 진행하는 수소 혼소발전 프로젝트는 노후 가스터빈을 2023년까지 50% 이상 수소와 혼소발전이 가능하도록 개조하는 실증과제를 수행하는 사업이다.

[자료 4.  수소 혼소 실증사업에 적용할 미국 PSM사의 연소기]

출처 : 경향신문

양사가 이번 실증과제를 통해 얻게 될 수소와 LNG 혼합연료 공급 시스템 및 가스터빈 제어 시스템의 최적 운전 데이터를 활용해 한국서부발전 서인천복합발전소의 모든 가스터빈 연료를 LNG에서 수소로 전환할 계획도 갖고 있다. 서인천복합발전소에 수소혼소 발전기술이 적용되면, 국내 최초로 수소혼소 가스터빈 상용화에 성공하게 된다. 수소를 단독 연료로 연소하는 기술까지 개발하면 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 대규모 탄소제로 발전이 가능하다.

한국동서발전 또한 2050 탄소제로를 달성하기위해 수소발전 기술 개발에 속도를 높이고 있다. 기존 LNG발전을 활용한 수소 혼소발전과 정부의 한국형 가스터빈 개발사업인 수소터빈 개발에 주력할 방침이다. 한국동서발전은 수소경제 활성화를 위해 총 2단계의 수소발전 관련 사업에 참여하고 있다. 1단계는 기존 LNG발전소에 수소를 혼합해 가스터빈을 돌려 전기를 생산하는 기술개발과 실증사업이다. 전력연구원과 한전, 발전사 통합과제인 이 사업은 ‘수소혼소 연소 최적화 기술개발’로 불린다. 동서발전은 실증 이전인 내년까지 온실가스 배출 저감을 확대하고 연소기가 안정적으로 운영될 수 있는 수소혼소 연소 최적화를 구현할 방침이다. 2단계로 국내기술 기반 차세대 친환경 수소터빈 실증에도 참여한다. 2026년 말까지 수소 혼소 기술과 이를 가스터빈에 활용하는 기술개발에 성공하게 되면 수소가스 활용처 확대와 함께 가스터빈 활용도 제고로 저탄소 에너지 전환에 기여할 것으로 기대된다.

정부는 수소혼소 기술개발과 실증에 더해 장기적으로는 100% 수소만을 사용해 전소하는 수소발전 터빈을 개발하는 사업도 추진하고 있다. 현재 국내 발전사들의 가스터빈은 외산 기술에 의존하고 있어 국산화를 도모하겠다는 취지이다. 동서발전은 국내 가스터빈 제작사인 두산중공업, 수소가스공급사인 SK가스와 협력해 국내기술 기반의 수소혼소 가스터빈 개발과 실증을 추진할 계획이다.

앞서 살펴보았듯이 수소 혼소 발전은 해결해야 할 과제가 명확하다. 그럼에도 불구하고 혼소 발전은 기존 연소기의 구조적 변경 없이 수소 혼소가 가능해 비용 측면에서 유리하고, 빠른 기술 검증과 현장 적용이 가능하는 이점이 존재한다. 또 완전한 수소발전설비의 중간단계로 화석발전을 대체하는 효과를 기대할 수 있다.

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참고문헌

[서론]

1) 양태현, "탄소중립을 위한 수소 기술",  투데이에너지, 2020.12.21, http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=232042

[수소 혼소 발전이란?]

1) 송협, "탄소 배출 줄이는 '수소 혼소' 기술은 무엇?", The Daily Post, 2021.03.24, https://www.thedailypost.kr/news/articleView.html?idxno=80247

2) 서동준, 한화공식블로그, "완벽한 수소 발전으로 나아가는 첫 단계, 수소 혼소 발전", 2021.04.13, https://blog.naver.com/hanwhadays/222308198185

[수소 혼소 발전의 장점과 해결 과제]

1) 강경민, "한화, 수소혼소 발전 프로젝트 착수,  탄소 배출 대폭 줄인다", 2021.09.22, https://www.hankyung.com/economy/article/2021092279881 

2) 서동준, 한화공식블로그, "완벽한 수소 발전으로 나아가는 첫 단계, 수소 혼소 발전", 2021.04.13, https://blog.naver.com/hanwhadays/222308198185

[국내 수소 혼소 발전 실증사업과 전망 ]

1) 권선형, "서부발전·한국종합화학, 국내 첫 '수소 혼소 발전 실증' 나선다", 2021.08.03, https://www.industrynews.co.kr/news/articleView.html?idxno=43279

2) 이승현, "'탄소제로 거스를 수 없다'···동서발전, 수소발전 기술 개발 선도", 2021.08.31, http://m.ceoscoredaily.com/page/view/2021083016005302385 

3) 한국서부발전, "국내 첫 '수소 혼소 발전' 실증 나서", 2021.03.30, https://www.iwest.co.kr/iwest/432/subview.do?enc=Zm5jdDF8QEB8JTJGYmJzJTJGaXdlc3QlMkYxMjAlMkYxNzc4MiUyRmFydGNsVmlldy5kbyUzRnBhZ2UlM0QxJTI2c3JjaENvbHVtbiUzRHNqJTI2c3JjaFdyZCUzRCVFQyU4OCU5OCVFQyU4NiU4QyslRUQlOTglQkMlRUMlODYlOEMlMjZiYnNDbFNlcSUzRCUyNmJic09wZW5XcmRTZXElM0QlMjZyZ3NCZ25kZVN0ciUzRCUyNnJnc0VuZGRlU3RyJTNEJTI2aXNWaWV3TWluZSUzRGZhbHNlJTI2cGFzc3dvcmQlM0QlMjY%3D