전 세계가 기후 변화에 대응하기 위해 다양한 방법의 탄소중립 정책을 펼치며 재생에너지 확대를 시도하고 있는 가운데 재생에너지의 에너지 운반체로 ‘수소’가 조명을 받고 있다, 맥켄지 보고서에 따르면 글로벌 수소 소비량은 2030년에는 1억 4,000만 톤, 2050년에는 6억 6,000만 톤에 이르고 전체 에너지 수요의 약 22%에 이를 것으로 전망했다.
수소의 해외 이송을 위해서는 수소의 액화 및 운송선이 필수적이다. 수소를 액화시키기 위해서는 영하 253도 이하의 극저온 기술이 필요하며, 이 과정에서 막대한 에너지가 소요된다. 또한 운송 중에 자연 기화에 따른 수소 손실도 큰 난제이다. 이를 해결하기 위한 방안이 액화 암모니아를 수소 캐리어로 활용하는 방안이다. 이에 일본을 중심으로 암모니아의 활용 기술이 추진되고 있다.
2.그린 암모니아의 필요성
글로벌 경제구조가 수소경제, 탄소중립으로 전환하는 과정에서 암모니아는 재생에너지의 지역적 편재성과 시간적 가변성을 해결할 수 있는 에너지 캐리어이자 발전, 수송 등의 부문에서 활용될 수 있는 탄소중립 연료로 각광받기 시작하였다.
세계에서 암모니아는 2018년 기준 수소 생산량의 40% 이상을 활용하여 약 175백만 톤 생산되었으며, 이 중 약 81% 이상이 비료 제조로 활용(Bloomberg NEF, 2019)되고 있다. 액상 암모니아는 액화 수소보다 동일 부피에서 1.7배 수소 저장밀도가 높고 이미 확립되어 있는 국제 공급망 활용이 가능하여 대규모 장거리 수소 저장·운송에 적합한 저장체로 주목받고 있는 추세이다.
3 . 일본의 암모니아 발전기술
일본은 <표 1>과 같이 암모니아 기술개발에 참여하고 있으며, <표 2>와 같이 보일러 제작사인 IHI는 JERA의 Hekinan 발전소에서 2024~25년 동안 4호기 발전소에서 20% 혼소를 실증하는데 협력하고 있다. 또한 NEDO사업으로 엔지니어링 회사인 Mitsubishi Heavy Industries와 협력하여 최소 50% 암모니아의 혼소 가능한 버너를 개발하고 2029년 3월까지 상용화를 목표로 추진하고 있다. NEDO를 통한 일본 정부의 자금 지원은 50% 암모니아-석탄 혼소를 시연하려는 JERA의 새로운 계획을 포함하여 4개의 암모니아 에너지 프로젝트는 5억 달러의 예산으로 ① 2030년까지 암모니아의 공급 비용을 ‘㎥당 10엔’으로 절감 ② 2030년까지 발전을 위해 20~40개의 암모니아 연소 설비를 도입(혼소 및 100% 암모니아 공급 모두) ③ 고효율, 저비용 암모니아 합성을 위한 기술적 어려움을 해결 ④ 생산과 소비를 통합하는 연료 암모니아 공급망을 구축하는 것이다.
- 실증대상인 4호기는 초초임계압(USC)급 대향류타입 보일러로 버너는 전후 양면에 3단 x 8열씩 총 48개의 스월형 버너를 보유
* 버너 영역에는 환원 분위기(공기비 0.8)로 연소시키고, 버너보다 상부에 통풍구(OAP: Over Air Por, tSAP: Side Air Port, IAP: Interstage Air Port)로부터 2단 연소용 공기를 주입하여 재연소시켜 산화분위기로 완전 연소시킴
* 로내 온도는 1,400~1,600℃이고, 버너의 1차 공기는 미분탄 운반용이고 2, 3차 공기는 버너 화염에 내부순환류를 형성하여 연소 효율을 개선시키는 구조
일본 헤키난 화력발전소 1,000MW급 보일러 제원 및 버너 구조
- 암모니아 혼소율을 CO2 배출량 감소효과와 발전성능 등 설비영향을 고려해 발열량의 20%로 결정하였으며, 이때 암모니아 유량은 약 788.t/h
* 설비가동률은 일본 자원에너지청 발전코스트 검증 워킹그룹에서 미분탄 화력발전 발전단가 산출에 사용되는 연간 설비 이용률인 70%를 이용하여 연간 약 50만 톤으로 암모니아 사용량을 산정
- 암모니아 탱크는 액화 암모니아선 용량이 2.4만 톤, 20cal% 혼소를 고려하여 3.3만 톤으로 용량을 결정하였으며 이는 약 2주간의 사용가능 용량
- 기화기는 LNG에서 사용되는 해수를 열원으로 하는 ORV(Open Rack Vaporizer) 보다 저렴한 쉘 및 튜브 방식을 채용하였고, 용량은 20cal% 혼소율에 맞춰 78.8t/h로 설정
* 암모니아 기화에 필요한 열량은 30MW로서 암모니아 20cal% 혼소분으로 얻어지는 발전출력의 약 10%에 해당
3.가스터빈 수소 혼소 발전기술
LNG 가스터빈으로부터 수소터빈으로의 전환을 위한 기술개발을 통해 대용량의 수소인프라를 활용하면서 저탄소 대규모 발전원 구축해야 한다, 일본 야노경제연구소 분석에 따르면 수소터빈 시장은 2030년 40조 원 규모에 달할 전망이며, 세계 가스터빈 시장을 선점하고 있는 글로벌 기업들이 눈독을 들이는 이유이다.
주요 가스터빈 제조사들의 수소 혼소 및 전소를 위한 연구개발은 이미 상당한 수준에서 활발히 진행 중인 것으로 분석되고 있다. <표 3>과 같이 GE, 지멘스, 미쓰비시 등 메이저 3사의 경우 산업용 가스터빈(10MW급 이하) 및 항공기 엔진 등에 대한 수소 전소 실증도 하고 있는 것으로 알려졌다. 이들 3사는 대용량 발전용 가스터빈의 수소 전소는 2030년까지 기술을 개발할 계획을 갖고 있다.
전 세계적으로 수소 혼소 가스터빈의 상업운전도 늘어나고 있다. 수소 연소에 따른 화염 온도 상승에 따라 추가적으로 발생하는 미세먼지인 질소산화물(NOx)도 수소 65% 혼소시 9ppm 이하로 감축할 수 있는 기술이 개발되는 등 별도의 선택적 촉매반응(SCR) 장착 없이 질소산화물 배출량을 규제치 이하로 줄일 수 있는 수준에 도달되고 있다.
<표 3> 미국 및 유럽의 수소터빈 실증 추진 현황
<그림 1> 수소혼소 전환을 위한 개념도
국내에서는 대용량 가스터빈시장에 도전장을 내민 두산중공업은 향후 공급할 가스터빈 모두 2027년까지 수소터빈화 추진하고 있다. 2024년까지 수소만을 연료로 사용해 탄소 배출이 전혀없는 5MW급 소형 수소터빈 개발과 동시에 50%까지 수소와 LNG 혼합연료를 사용하는 300MW급 대형 수소가스터빈용 수소혼합 연소기 개발중1)이며, 2027년까지 수소 전소 대형터빈 개발 목표는 매우 도전적인 계획으로 GE, 지멘스, 미쓰비시의 목표보다 3년 앞서 세계 최초 수소 전소 터빈화가 가능하다. 운용 가스터빈의 혼소 전환을 위해 대상 연소기 설계 및 제작 기술 확보2)를 추진중에 있다. 한화임팩트는 PSM3)(미) 및 토마센에너지(네덜란드)를 인수(2021)하여 수소터빈 기술 확보하였으며, 서부발전과 민간 R&D4)로 폐지된 평택복합 가스터빈(7E, 80MW) 활용, 수소 혼소 50% 이상 실증(부생수소 활용) 추진 중에 있다.
개발 중인 국산 수소터빈 기술에 대한 성능 시험 및 인프라 구축은 현안 이슈이다. 국내의 연소 시험 인프라는 한전 전력연구원, 기계연구원 및 두산에너빌리티가 상압 수준의 설비를 보유하고 있는 수준이다. 실 운전환경(H급 25기압)에 필요한 30기압의 시험 인프라가 반드시 필요하다. 현 수준은 이러한 상압 수준의 단일 켄 성능시험 후 케나다 NRC 또는 독일의 DLR(독일항공우주연구소) 등에 위탁하여 성능 검증을 추진하고 있다. 국내에 이러한 성능시험 인프라도 필요하지만, 대용량 가스터빈의 수소 혼소 또는 전소를 위한 근본적 해결과제는 근접 지역에 액화수소 저장 및 공급설비, 암모니아를 활용할 경우 암모니아 크래킹 설지 등의 인프라도 필요하다.
<그림 2> 수소 혼소용 연소기 형태 (출처 : 기계연구원 자료)
수소 혼합 연료 적용에 따른 안전성 확보를 위해 수소 공급·안전시스템을 설계하고, 작동 유체 변동에 따른 가스터빈 복합화력의 공정 영향성을 분석해 수소 혼소 가스터빈의 기술적 실증이 가능토록 추진해야 한다. 일본의 MP(Mitsubishi Power)는 2025년까지 수소 발전 실증 시설 건설 계획 발표하여 세계 최초로 수소 생산부터 발전에 이르는 수소 관련 기술 검증 센터(Takasago Hydrogen Park)를 구축하여 수소 생산에서 발전에 이르기까지 수소 관련 기술의 검증을 위한 세계 최초의 센터 추진한다고 한다. JAC급 터빈을 사용하여 대형 프레임 가스터빈에 대해 이미 30% 수소 동시 연소를 달성한 일본 효고현 Takasago Machinery Works에 있는 가스터빈 개발 및 제조 시설과 함께 배치하고, 본 시설에서는 소형 및 대형 가스터빈을 상업화할 계획이며 H-25급(40MW) 터빈을 사용한 100% 수소 연소 테스트를 통해 2025년까지 100% 수소 연소 터빈을 목표로 하고 있다.
5.제10차 전력수급기본계획에 따른 수소 암모니아 발전 용량
10차 전기본(2023.1)에 따르면 『2030 NDC 상향안』(2021.10)에서 제시한 전환부문 온실가스 배출목표(2018년 전환부문 배출실적 269.6백만 톤 → 2030년 배출목표 149.9백만 톤, 44.4% 감축) 달성이 가능할 전망이다. 이러한 감축 목표 달성을 위해 <표 4>와 같은 전원별 발전량 비중을 발표하였다.
<표 4> 2030년 전원별 발전량 비중 전망 (단위 : TWh)
10차 전기본에서 2030년 수소발전량 목표치는 연료전지의 경우 9차 전기본과 동일하며, 수소ㆍ암모니아 발전은 <표 4>와 같이 NDC 상향안 목표(암모니아 발전 22TWh)에서 수소발전 기술의 실현 가능성, 연료공급 인프라 구축, 사업자 의향 등을 고려하여 13TWh, 2.1%(수소 1.0%, 암모니아 1.1%)로 전망되고 있다. 수소 발전량인 1.0%(6.1TWh)를 가스터빈(복합화력) 적용하면 29.5만 톤(30만 톤)의 수소와 암모니아 발전량인 1.1%(6.9TWh)는 1GW 석탄보일러 적용 시 289.8만 톤(296만 톤) 암모니아가 필요하다.
<표 5> 2030년 수소발전량 목표치 비교 (단위 : TWh)
수소기본계획은 NDC 상향안을 바탕으로 발전기술별 구분 없이 연료전지(발전용, 가정ㆍ건물용), 석탄-암모니아 혼소 발전 등을 고려하여 48TWh로 제시하였다. 다만 10차 전기본에서는 연료전지(발전용) 16TWh, 수소ㆍ암모니아 발전 13TWh가 반영되어 수소발전량이 29TWh로 조정된 것이다. 또한 수소ㆍ암모니아 연료공급 인프라가 확충되는 2036년에는 수소ㆍ암모니아 발전량이 47.4TWh(발전량 7.1%)로 대폭 증가할 계획이다. 이를 위하여 수소발전 기술의 다양화를 위해 LNG-수소 혼소, 석탄-암모니아 혼소 발전, 수소엔진 등 기술개발 및 실증을 추진할 계획이다.
1) S1, 270MW급 대상 50% 수소 혼소 연소기술개발(2020. 5~2024. 12)
2) 기존 발전용 가스터빈(F급) Retrofit을 적용한 성능개선 기술개발
3) PSM은 자체 가스터빈 모델 없이 타사의 운영중 가스터빈 대체부품 공급 및 정비 수행하며, Flameshet e연소기술 확보를 통해 수소 혼소 리트로핏 수행
4) E급(80MW) 가스터빈 수소 혼소 실증, 총사업비 577억, 수소 혼소 50±5% 목표, 2023년 상반기 상용화
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