[월간수소경제 이종수 기자] 문재인 대통령은 2021년 11월 1일 ‘제26회 유엔 기후변화회의(COP26)’ 기조연설에서 2030년 국가 온실가스 감축 목표(NDC) 상향안과 2050년까지 모든 석탄발전을 폐지하는 내용을 담은 탄소중립 시나리오를 국제 사회에 발표했다.   

‘2030 NDC 상향안’과 ‘2050 탄소중립 시나리오’의 목표 달성을 위해 전력과 열을 생산하는 전환부문은 안정적 전력수급을 전제로 재생에너지 확대, 석탄발전 연료의 조기 전환・폐지, 수소・암모니아 등 무탄소 신발전 기술 적용이 필요하다. 

‘2030 NDC 상향안’에서 재생에너지는 185.2 TWh(30.2%), 암모니아 발전은 22.1TWh(3.6%)를 달성한다는 목표이다. ‘2050 탄소중립 시나리오’에서는 재생에너지를 (B안) 736.0TWh(60.9%)~(A안)889.8TWh(70.8%)로 확대하고, 무탄소 가스터빈을 (B안)66.5TWh(13.8%)~(A안)270.0TWh(21.5%)까지 확대하면서 화력발전은 완전 폐기하거나 가스발전 (B안)61.0TWh(5.0%)를 유지하는 목표를 설정했다.

정부는 2022년부터 본격적으로 수소・암모니아 실증을 추진하는 한편 2022년 1분기 중으로 수소・암모니아 발전 로드맵을 마련할 예정이다. 

수소・암모니아 발전 주목

석탄, LNG 등 화석연료를 사용하는 발전 기술은 이산화탄소 배출로 인한 온실가스 증가를 야기한다. 이에 대응하는 기술로는 전력생산 효율을 높여 단위 생산 전력당 CO2 배출을 줄이는 방법과 배출되는 CO2를 포집해 저장하거나 활용하는 기술(CCUS), 연료전환을 통해 연료 내 탄소가 적은 연료(저탄소 연료) 또는 탄소가 없는 연료(무탄소 연료)를 사용해 발전하는 방법 등이 있다. 

전 세계적으로 탄소중립을 실현하기 위해 무탄소 연료인 수소(H2)와 암모니아(NH3)를 발전 연료로 활용하려는 움직임이 활발하다. 

한전 전력연구원에 따르면 수소 발전기술은 수소를 연료로 사용해 전력을 생산하는 시스템을 의미하며, 대표적인 기술로는 수소연료전지와 수소 가스터빈 등이 있다. 수소 가스터빈은 전기화학 반응으로 수소로부터 전기를 생산하는 연료전지와 달리 수소와 산소의 연소 반응으로 발생하는 에너지로 터빈을 회전시켜 전력을 생산한다. 

수소는 가스터빈에서 기존 발전 연료(천연가스)와 혼소되거나 기존 발전 연료 없이 전소될 수 있다. 수소 전소발전의 경우 이론적으로 온실가스 배출량은 없게 되고, 혼소되는 경우에는 전체 연료 중 수소의 비중에 따라 온실가스의 배출이 감소한다. 

천연가스와 수소가 기체상태로 공급되기 때문에 수소 혼소율은 연료 중 수소의 부피 비중으로 정의하는 경우가 많다. 수소의 부피 혼소율에 따른 온실가스 저감 효과는 가스터빈 발전기로의 총 투입 열량 중 수소가 차지하는 비율로 정의할 수 있는데, 이는 각각의 연료의 부피 발열량과 관련이 있다. 

이에 따라 수소의 부피 혼소율과 온실가스 저감효과는 비선형적인 관계이다. 예를 들면 수소 혼소율이 각각 20%, 50%, 80%인 경우 온실가스 저감 효과는 각각 6.5%, 21.4%, 52.6% 수준이다.  

가스터빈 연소기는 연료 특성 변화를 어느 정도 수용할 수 있는 특성을 가진다. 반면 연료 특성 변화가 어느 정도 이상이 되는 경우 화염의 불안정성, 소염, 역화 등의 비정상 상황이 발생할 수 있고, 이를 방지하기 위해서는 연소기의 운영기술 또는 하드웨어가 변경되어야 한다.  

따라서 고농도의 수소를 혼소하기 위한 핵심기술에는 수소 터빈용 연소기 설계・운영기술이 포함된다. 특히 수소 터빈 연소기 설계기술은 빠른 연소속도로 인한 화염 역화를 방지하기 위한 다단연소・마이크로믹서 기술이 적용되고 있다.  

연소기 이외에도 수소저장・공급 시스템과 수소 안전시스템은 안정적인 수소 가스터빈 발전소 운영에 필수적이다. 이외에도 수소 혼소에 따른 고온부품의 수명확보 기술, 공기압축기와 IGV 제어 및 HRSG 최적화 기술 등이 주요한 핵심기술에 포함된다. 

현재 비료 산업 등에서 주로 사용되고 있는 암모니아는 가장 많이 생산되는 무기 화학물질 중 하나로, 천연가스 개질이나 석탄 가스화를 통해 생산된 수소와 질소를 고압(~200bar)・고온(300~400℃)에서 촉매와 함께 반응시키는 ‘하버-보슈(Haber-Bosch)’ 공정으로 생산된다. 

암모니아 발전은 기존 석탄・LNG 발전에 암모니아를 혼소하는 방식과 암모니아만 연소해 발전하는 전소 방식으로 나눌 수 있다. 현재는 암모니아 혼소 기술에 초점을 두고 있다. 혼소를 위한 암모니아의 주입방식, 혼소량 증대기법, 버너 또는 연소기 개선 기술 등이 주요한 기술개발 목표가 될 수 있다. 

전소기술 개발을 위해서는 석탄 보일러는 전소 버너기술과 전소 보일러 설계기술 등이, 가스터빈은 연소기 개발이 주요한 과제이다.   

암모니아 발전의 핵심기술로는 석탄 또는 LNG와 암모니아 혼소 시 연소 안전성(화염 안정성) 유지기술, 암모니아 연소 시 발생하는 NOx(질소산화물)의 배출을 기존 발전수준으로 유지하는 기술, 발전소 적용 시 플랜트 성능 영향과 성능 저하요인을 극복하는 기술 등이 있다.  

수소 발전과 암모니아 발전은 적용되는 설비와 기술적 운영 방식에 있어 큰 차이점이 있다. 수소 발전은 주로 가스터빈 활용에, 암모니아 발전은 가스터빈에도 활용할 수 있으나 주로 석탄 보일러 활용에 주안점을 두고 있다. 

가스터빈에서의 수소와 암모니아 연료 활용은 각 연료의 연소특성이 매우 달라 차별화된 연소기 설계가 필요하다. 

암모니아는 연료 자체에 질소성분을 다량 함유하고 있어 NOx 발생의 문제점이 있다.  

또 가스터빈 연소기 개발 측면에서 수소 발전은 높은 연소성으로 인한 역화 방지 노즐 개발이 중요하고, 암모니아 발전의 경우 낮은 연소성으로 인해 화염 안정성 확보를 위한 연료 노즐 설계와 가스터빈 연소기에서 발생하는 NOx 생성을 억제하거나 제거하는 기술개발이 필요하다. 

그러나 가스터빈에서도 수소와 암모니아의 적정 혼합 연소를 통해 단일 연료로서의 연소 단점을 보완할 수 있어 수소・암모니아 혼합 연소에 대한 연구개발도 활발히 진행될 것으로 보인다.  

석탄 보일러에서의 암모니아 활용은 상대적으로 연소성이 폭발적으로 일어나는 수소 활용의 제약성을 극복하는 방안으로 여겨지며, 현재 운영되고 있는 석탄 보일러의 연료전환을 통해 탄소를 저감할 수 있는 유일한 방법으로 평가된다.

국내외 수소・암모니아 발전기술 현황

한전 전력연구원에 따르면 국내에서는 국책과제로 추진된 석탄 가스화 발전과 연계해 수소 함유 합성가스를 가스터빈의 연료로 적용하는 연구가 수행된 바 있다. 본격적인 수소 터빈 기술개발로는 대형 가스터빈 50% 수소 혼소용 연소기 개발과 5MW급 수소 전소용 연소기 개발 과제가 2020년 정부 과제로 착수되었다. 

또한 한화종합화학은 수소 혼소용 연소기 기술을 보유한 PSM사를 인수해 관련 사업을 추진 중이다. 한전 전력연구원은 기존 가스터빈의 연소기를 변경하지 않는 저비용 수소 발전 운영 기술개발을 목표로 연구를 수행 중이다. 

한전 전력연구원의 한 관계자는 “정부가 발표한 ‘2050 탄소중립 시나리오’에 따르면 무탄소 가스터빈의 발전량은 166.5~270.0TWh 수준으로 전망된다”라며 “대형 발전용 가스터빈의 경우 초기에는 기존 천연가스 연료와 수소의 혼소에서 장기적으로는 수소 전소의 형태로 시장에 진입하는 반면 분산형 중소형 가스터빈의 경우 처음부터 수소 전소의 형태로 실증・보급이 이뤄질 것으로 보인다”고 밝혔다. 

그는 이어 “현재 41GW 수준의 복합화력 용량과 국내 수소 수급을 고려할 경우 기존 가스터빈 설비의 변경 없이 저농도의 수소를 혼소하는 방법, 연소기 등 최소한의 설비 교체로 수소를 혼소하는 방법과 신규 수소 혼소 가스터빈을 설치해 운영하는 방법 등을 순차적으로 이행하는 것이 수소 가스터빈의 비용 효율적인 국내 도입 시나리오로 판단된다”고 덧붙였다. 

암모니아 관련 기술 연구는 초기 단계다.

한국과학기술연구원(KIST)은 암모니아에서 질소를 분리해 수소를 생산한 후 연료전지에서 전기를 생산하는 1kW급 발전시스템을 개발한 데 이어 20kW급 설비도 개발 중이다. 

한국에너지기술연구원(KIER)은 LPG와 가솔린 겸용의 엔진을 개조해 암모니아 엔진을 개발했다. 암모니아 70%, 가솔린 30%를 혼합한 연료를 사용했고, 이산화탄소 배출량이 70% 줄어드는 것을 확인했다. 

울산과학기술원은 세계 최초로 쇠구슬을 이용한 물리적인 힘을 이용해 기계 화학적 반응을 일으켜 암모니아를 합성하는 방법을 개발했다. 

한국기계연구원은 질소 플라즈마에 물을 공급해 생산한 수소와 질소산화물을 촉매로 암모니아를 만드는 기술을 개발했다. 

암모니아를 활용한 발전 기술로는 한전과 발전공기업 5사, 민간기업 등이 참여해 암모니아 연료 혼소(석탄・LNG) 기술개발을 2022년 신규과제로 착수할 예정이다.

해외의 경우 미국은 석탄가스화발전(IGCC)과 관련해 에너지부(DOE)의 지원으로 2004년부터 수소 가스터빈 연구를 수행해왔다. 일본과 유럽에서도 관련 기술개발이 진행 중이다.  

대형 가스터빈 분야에서 GE의 연소기 라인업 중 50%의 수소 혼소가 가능한 ‘2.6e 연소기’가  탑재된 가스터빈이 2021년 11월 미국에 설치되어 수소 혼소 실증 운전에 활용되고 있다. 

또한 한화임팩트가 최근 인수한 미국 PSM사는 기존의 가스터빈을 수소 혼소용으로 개조할 수 있는 연소기를 개발해 상용화를 추진 중이다. 

일본 MHI(미쓰비시중공업)와 독일 지멘스(Siemens) 등도 수소 혼소가 가능한 연소기를 개발해 상용화를 추진 중이다. MHI의 J급 최신 기종 가스터빈은 미국에 설치되어 2025년부터 그린수소를 활용한 수소 혼소 실증이 추진될 예정이다. 

중소형 가스터빈 분야에서도 미국 베이커휴즈(Baker Huges), 독일 지멘스 등은 30% 이상의 수소 혼소 기종에 대해 상용화를 추진하고 있다. MHI는 자사의 멀티클러스터(multi cluster) 연소기를 적용한 30% 수준의 혼소율이 가능한 라인업을 보유하고 있다. 

소형 가스터빈의 경우 일본 KHI(가와사키중공업)가 수소 전소 가스터빈을 개발해 2018년부터 실증 운전 중이다. 미국 Capstone사도 수소 혼소가 가능한 마이크로 가스터빈을 개발해 실증 운전 중이다.   

암모니아 발전은 일본이 가장 적극적이다. 석탄・암모니아 혼소 기술은 실증을 거의 마치고 상용화 직전 단계에 있다. 2030년까지 전체 석탄발전에 암모니아 20% 혼소를 실시할 계획이다. 

일본의 최대 발전회사인 JERA(도쿄전력과 중부전력의 합작회사)는 지난 2020년 10월에 2030년까지 비효율적인 석탄을 폐지하고, 고효율 설비는 암모니아 혼소 후 전소로 확대하는 계획을 발표했다. 1GW급 발전소에 20% 혼소를 시작으로 2040년에 암모니아 전소를 목표로 하고 있다.  

IHI와 JERA는 NEDO(신에너지·산업기술종합개발기구), 전력사(도쿄전력, 츄부전력, 주고쿠전력 등), CRIEPI 등과 함께 암모니아 혼소에 대한 연구와 실증을 진행하고 있다. 지난 2017년 10MWth 시험설비에서 석탄과 암모니아 20% 혼소에 성공한 바 있다. 2018년에는 일본 혼슈 중부 아이치현에 있는 헤키난 내 1,000MW USC 발전소를 대상으로 암모니아 혼소 설계에 착수해 오는 2023년까지 20% 혼소를 실증할 예정이다.  

또 지난 2019년 2MWe 가스터빈(IM270 by IHI)에서 암모니아 20% 혼소 시험을 완료하는 한편 암모니아 직접 사용을 통한 1kW급 SOFC 실증도 진행 중이다. 

주코쿠전력은 별도 설비 개조 없이 120MW급 발전소의 1% 혼소에 성공했다.

Toyota Energy Solutions는 50kW 및 300kW급 100% 암모니아 연소 마이크로 가스터빈을 개발했다. AIST는 50kW 마이크로 가스터빈을 사용해 후쿠시마 재생에너지 연구소(FREA)에서 발전 테스트를 수행한 것으로 보고되고 있다. 

수소・암모니아 발전 본격 추진

정부는 2022년 1분기 중 ‘수소·암모니아 발전 로드맵’을 마련하고, 대용량 암모니아 저장 인프라 구축에 착수하는 한편 2022년 하반기에 파일럿 실증을 착수해 2022년을 수소·암모니아 발전의 원년으로 삼기로 했다. 

이에 앞서 2021년 11월 16일 한국전력, 발전공기업과 함께 ‘수소·암모니아 발전 실증추진단’을 발족했다. 2021년 7월 15일에는 그린 암모니아 생산-운송-추출-활용의 전주기 기술개발 협력을 위해 한국에너지기술연구원을 중심으로 출연연, 공공기관, 민간기업 등 18개 기관・기업이 참여하는 ‘녹색(그린) 암모니아 협의체’가 발족했다. 

우선 정부가 2021년 11월 26일에 발표한 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’을 통해 ‘수소・암모니아 발전 로드맵’의 방향성을 미리 알 수 있다.  

‘제1차 수소경제 이행 기본계획’에 따르면 석탄・암모니아 혼소 발전은 2030년까지 암모니아 20% 혼소 후 혼소 비율을 확대할 계획이다.   

이를 위해 산업부, 한전, 발전사 등 민관합동으로 기술 개발과 실증을 추진할 예정이다. 2024년까지 암모니아 20% 혼소를 위한 연소·저장기술 등의 원천기술을 개발하고, 상용발전소 4기에 연료공급 인프라를 구축해 2027년에 실증을 추진한다. 

2025년부터 2026년까지는 잔여 설계수명, 대규모 석탄발전단지로 인한 규모의 경제, NDC 목표 등을 고려해 혼소 설비 투자 발전기를 선정할 예정이다. 혼소 설비 투자 후 회수 기간 고려시 최소 10년 이상의 잔여 수명이 필요하다. NDC 고려 시 2030년 석탄발전기 32.6GW 중 21GW에 혼소가 필요하다. 

혼소 대상 석탄발전기가 선정되면 2030년까지 암모니아 20% 혼소 발전을 상용화할 계획이다. 

암모니아 운반은 기존 LPG 운반선으로 가능하지만 암모니아 수요 증가를 감안하면 조선사와 협력해 암모니아 운반선 건조 추진이 필요하다는 게 정부의 판단이다. 발전소 부두를 활용해  암모니아 인수기지 등의 공급설비도 구축할 계획이다.

정부는 2031년부터 암모니아 혼소 비율을 단계적으로 상향해 2050년 이전까지 암모니아 전소를 추진한다는 계획이다. 

이를 위해 암모니아 다량 투입에 따른 질소산화물 제거, 미반응 암모니아 누설 방지, 미연소 암모니아 처리 등에 대한 기술개발을 추진한다. 전소설비 투자비 회수, 탄소저감 극대화 등을 고려해 잔존가치가 높은 대용량 고효율 석탄발전기를 대상으로 전소 기술개발·실증을 추진한다.     

LNG・수소 혼소 발전의 경우 LNG 터빈에 수소 50% 혼소 후 혼소 비율을 확대한다는 계획이다. 2030년까지 소형 상용화와 중대형 혼소 실증, 2040년까지 중대형 혼소 상용화 및 대형 전소 실증, 2050년까지 대형 전소 상용화를 목표로 추진한다는 것이다. 여기서 소형은 80MW 이하, 중형은 80~270MW, 대형은 270MW 이상을 말한다.   

1MW 이하는 주로 비상용 전원인 점을 고려해 우선 등유 등 기존 사용 연료와의 혼소 기술개발 후 천연가스와 수소 혼소 기술개발을 추진할 예정이다. 수소 시범도시, P2G 수소 생산이 가능한 제주도 등의 도서 지역에서 실증을 진행하고, 향후 분산형(도서·농촌), 비상용(병원·데이터센터 등)의 기존 수요를 대체한다는 계획이다. 

MW급은 국내 분산형·열병합·산업용 용도로의 개발과 함께 국내보다는 해외 수요가 높은 점을 고려해 수출용으로 개발을 추진할 계획이다. 

중형은 기존 설비 중 감가상각비용 회수가 끝난 중형 가스터빈을 활용해 낮은 투자비용으로 수소 혼소를 상용화한다는 목표다. 기존 개발 중인 가스터빈에 수소 혼소 기능 추가, 폐지 석탄발전기 리파워링(Repowering) 등을 통해 2030년까지 실증을 완료한 후 상용화한다는 것이다. 

대형 전소 터빈의 경우 2040년 이전에 실증을 완료하고 재생에너지 비중, 수소 수급량 등에 맞춰 전소 터빈 상용화 시점을 결정할 계획이다. 

한전의 한 관계자는 “수소·암모니아 발전은 발전설비, 송배전선로 등 기존 전력 인프라를 활용하면서 온실가스를 감축시켜 탄소중립을 달성할 수 있는 방안”이라며 “석탄발전 1GW에 암모니아 20% 혼소 시 연간 약 80만 톤(이용률 60%), 가스복합발전 1GW에 수소 50% 혼소 시 연간 약 34만 톤의 온실가스를 각각 감축할 수 있다”고 설명했다. 

수소・암모니아 발전 활성화 방안 

정부는 수소・암모니아 발전 활성화를 위해 발전사업자, 전기판매사업자 등을 대상으로 수소발전의무제도를 운영한 후 청정수소 도입여건이 마련되면 청정수소발전의무화(CHPS)로 전환할 계획이다.

연료전지 발전, 석탄발전기 암모니아 혼소 발전, 수소 혼소·전소 발전 등의 발전형태와 우선 구매제도(급전 순위 최우선), 입찰을 통한 급전 순위 경쟁 등의 전력시장 참여형태 등을 고려해 정산을 차별화하는 방안을 검토할 예정이다. 

또한 탄소연료의 제세 부담금은 상향 조정하고, 청정수소의 제세 부담금은 하향조정 또는 환급을 통한 환경 급전을 검토하기로 했다.  

석탄・암모니아 혼소 발전을 실질적으로 적용하기 위한 암모니아 저장시설을 2022년에 구축할 계획이다. 또 암모니아를 기존 비료・산업용에서 발전용으로 확대하기 위한 산업안전보건법, 화학물질관리법 등 관련 규정 개정도 추진한다.    

한전 관계자는 “수소와 암모니아를 발전용 연료로 활용하기 위해서는 우선 기술 수준이 우수한 석탄발전에 암모니아를 적용한 후 가스발전을 수소 발전으로 단계적으로 전환하기 위한 정부 차원의 포트폴리오가 마련되어야 한다”라며 “암모니아 발전 관련 인프라 구축에 대한 정부의 지원방안과 함께 유해 화학물질인 암모니아의 안전성 문제에 대한 주민 수용성 확보를 위한 정부와 지자체의 협력도 필요하다”고 밝혔다.

이 관계자는 또 “수소와 암모니아를 혼소해 발전하는 설비에 대해 우선 급전 순위를 부여해 연간 이용률을 보장해야 한다”라며 “청정수소와 암모니아 인증을 통한 온실가스 감축량 산정 가이드도 마련해야 할 것”이라고 밝혔다.

한전 전력연구원 관계자는 “수소・암모니아 발전 기술의 상용화를 위해서는 기술개발뿐만 아니라 발전 경제성 확보와 발전소 인근 주민 수용성 문제와 같은 사회적 문제해결이 선행되어야 한다”라며 “발전 경제성 확보의 경우 현재 동일 발열량 기준으로 석탄・LNG 가격에 비해 암모니아・수소 가격이 비교적 높은 편이므로 탄소저감을 위해 암모니아・수소 연료로 전환 시 발생하는 비용에 대한 인센티브를 제공할 필요가 있다”고 밝혔다.