“수소·암모니아 청정발전, 탄소중립· E 산업 미래”

국내외 발전용 보일러 및 가스터빈 제작 社, 혼·전소 기술개발 및 실증

30년 중반 상용화, 지속적 운영을 위한 안정적 연료 확보 필요

■ 탄소 기반에서 수소 기반 연료 활용까지

인류가 불을 처음 사용하기 시작한 시기는 약 백만 년 전으로 불을 이용해 음식을 조리하고, 추위를 피할 수 있는 에너지를 얻었다. 불은 인류의 생존과 발전에 중요한 역할을 해왔다. 초기 연료는 주위에서 쉽게 취급할 수 있는 나무와 같은 자연 재료가 대부분이었지만 시간이 흐르며 연료의 경제성을 생각하게 되면서 더 효율적인 연료를 찾기 시작했다. 이에 산업혁명 이후 매장량이 풍부한 석탄, 석유, 천연가스와 같은 가연성 화석연료가 주류를 이뤘다.

하지만 이들 탄화수소(CxHy) 계열 연료들은 공기와 연소반응 후 생성물로써 대부분 % 단위의 이산화탄소(CO2)와 수분(H2O), ppm 단위의 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등을 배출한다. 열역학 법칙에 의해 고온의 열원을 만들어 내는 것이 시스템의 효율을 향상시킬 수 있었고 그에 따라 질소산화물 등 환경오염물질 배출이 증가된다는 물리적 관계도 규명됐다. 이는 화학반응 면에서 자연스러운 현상으로써 그동안 인식하고 있던 고전 지식이었다.

그러나 현재 시점에서 탄소 배출 등 환경오염물질 배출 문제가 심각하게 대두되면서 연료전환에 대한 필요성이 증가하고 있다. 그동안 경제성 즉, 연료의 가격을 우선으로 생각하고 전기사업을 운영하는 형태에서, 강화되는 환경규제와 그에 따른 페널티, 탄소중립 등 국제·사회적 협의에 의해 탄소 배출량을 저감해야 하기에 이제는 탄소 배출량이 적거나 없는 연료를 찾기에 이르렀다. 천연가스는 그나마 탄소 성분이 적은 연료이지만 100% 무탄소화를 위해 연료 내 탄소 성분이 없는 수소(H2)와 암모니아(NH3, 수소화합물)를 연료로 활용하고자 하는 움직임이 시작된 것이다.

▲ 과거, 현재, 미래의 주 연료성분 및 지향성

■ 국내외 수소 연료전환, 혼·전소 발전 박차

국제에너지기구에 따르면 2050년 연간 수소 수요량은 약 600백만 톤으로 예상되고, 이 중 그린, 블루 수소 등 저탄소 청정 수소의 비중이 98%에 달할 것으로 전망된다. 한국·일본과 같은 육지 연결이 없는 에너지 다소비 국가들은 자국의 청정 수소 생산 능력 대비 활용에 사용될 양이 매우 많을 것으로 예상돼 대부분 수입에 의존해야 하는 실정이다.

청정 수소를 해외에서 수입해야 한다면, 우리가 가장 원하는 시나리오는 재생에너지 기반의 저렴한 수소의 해외 생산, 액화 수소 이송 및 저장, 자국 활용처에서 기화시켜 사용하는 공정일 것이다. 하지만 이러한 공정이 말은 쉽지만 현재 기술적·경제적으로 이행되기 어려운 상황이다. 특히, 한국과 일본 같은 선박을 통해 1차 에너지원을 수입해야만 하는 국가들은 수소의 효율적 이송을 위한 저장 매체로 암모니아를 고려하고 있고, 이를 통해 수소경제를 완성하고자 하는 큰 그림을 그리고 있다. 국내외 많은 기업들이 청정 수소·암모니아의 공급을 포함한 유통 사업을 영위하고자 준비하고 있는 점이 이를 반영하고 있다.

하지만 시장의 원리에 의해서 사용처가 있어야 공급이 원활하게 이뤄질 수 있는데, 가장 많은 양의 수요가 있는 분야 중 하나는 보일러, 가스터빈 등의 설비를 활용하는 발전 부분이다. 특히 발전 설비에 주입되는 달라지는 연료 특성에 따른 연소 기술을 핵심으로 기술개발 및 실증사업이 진행 중이다. GE(美), SIEMENS(獨), Mitsubishi Power(日), Ansaldo(伊)에 이어 천연가스 연료용 대형 가스터빈을 국내 기술로 개발하고 실-스케일 시스템에 적용된 지 얼마 안돼서, 수소 등의 연료를 적용할 수 있도록 다시 한 번 기술개발이 요구되는 시점이다.

국내 업체를 포함한 위 열거된 가스터빈 제작사들은 수소 혼소가 가능한 설비를 개발해 연료 사용의 유연성을 더하고 있고, 나아가 2030년 기준 100% 수소 전소 등의 활용이 가능하도록 기술개발을 진행 중이다. 또 다른 국내 업체 역시 해외 기술을 인수해 80MW 설비에 약 60%의 수소 혼소, 100% 수소 전소를 단계적으로 달성한 결과들을 제시하고 있다.

암모니아 직접 활용 면에서 살펴보면, 암모니아에 또 한 번의 열에너지가 투입돼 수소로 변환하는 것보다 이 과정을 제외하고 암모니아 연료를 석탄화력 보일러에 직접 활용할 수 있는 기술개발이 진행 중이다. 국내 정부과제로 1,000MW 초초임계(Ultra supercritical, USC) 보일러에 25년 실-스케일 버너 1기 실증, 27년 말 실-스케일 버너 전량 암모니아 20% 혼소 실증을 목표로 기술개발이 수행 중이고, 단일 버너의 기술 검증은 완료된 상태이다. 이보다 앞서 기술개발이 진행된 일본은 올해 6월 1,000MW 석탄화력 발전소에 20% 암모니아 혼소기술을 실-스케일 버너 전량 실증을 완료했고, 곧 그 결과를 발표할 예정이다.

▲ 한국, 일본의 석탄-암모니아 혼소발전 기술개발 현황

■ 암모니아 20%(열량기준)·수소 50%(부피기준) 혼소, 탄소배출 약 20%(질량기준) 저감

발전사 등 전기사업을 영위하고 있는 입장에서는 가급적 신규 설비 투자 없이 연료전환이 가능하다면 더할 나위 없이 좋은 수순일 것이다. 따라서 수소(화합물)의 대대적 100% 전환보다는 석탄, 천연가스 등 기존 연료 사용량을 줄이고 수소(화합물)로 대체해 탄소배출을 줄일 수 있는 방법을 강구한다는 접근방법은 누구나 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

기존 연료를 대체하는 양에 따라 혼소율이라 정의 하는데, 가스터빈에 활용되는 수소의 혼소율은 부피를 기준으로하고, 석탄화력 보일러에 사용되는 암모니아의 혼소율은 발열량을 기준으로 한다. 정해진 규칙은 없지만 통상적으로 수소는 천연가스와 함께 기체-기체 상태에서 혼소를 하게 돼 부피를 기준으로, 암모니아는 고체연료인 석탄과 함께 고체-기체 혼소를 하게 돼 이렇게 나눠진 것이다. 예를 들면, 수소 혼소율 부피 기준 50% 시 질량기준 CO2 저감율은 약 21%가 되고, 암모니아 혼소율 열량 기준 20%는 투입되는 질량에 그대로 반영돼 질량기준 CO2 저감율은 약 20%에 해당된다.

최근 여론 중 암모니아 혼소 발전에 대한 우려와 관심은 대단히 반가운 내용이다. 미연소 암모니아에 대한 우려와 탄소저감 효과에 대한 내용은 기술적으로, 양론적으로 생각해볼 수 있다. 암모니아를 연료로 활용할 경우, 다단 연소기법 등을 통해 질소산화물의 배출을 감소시킬 수 있는 점은 이제 널리 알려진 사실이다. 그리고 동시에 미연 암모니아 발생을 방지하기 위해 연소 기술 개발을 진행하고 있다.

암모니아를 발전소 내 질소산화물의 환원물질로 사용한지는 약 50년이 되어간다. 암모니아를 활용한 질소산화물의 환원기술은 1970년대에 처음 개발됐으며, 주로 일본과 독일에서 화력발전소의 질소산화물 배출을 보일러 후단에서 줄이기 위해 도입됐다. 이 기술은 당시 대기오염 문제를 해결하기 위한 노력의 일환으로 등장했고, 암모니아는 선택적 촉매환원(Selective catalytic reduction, SCR) 시스템의 핵심 요소로서, 질소산화물을 효과적으로 줄이기 위해 선택된 물질이다.

1990년대에 들어서면서 SCR 기술은 전 세계적으로 확산됐고, 미국과 유럽을 중심으로 환경 규제가 강화되면서 많은 화력발전소가 SCR 시스템을 도입하게 됐다. 암모니아는 지금까지 여전히 주요 환원제로 사용되고 있으며, SCR 시스템과 더불어 선택적 비촉매환원(Selective non-catalytic reduction, SNCR) 기법을 적용해 보일러 내부에 직접 암모니아를 분사하고 있는 실정이다. 이 시기에는 암모니아의 취급과 저장에 대한 연구가 활발히 진행됐고, SCR, SNCR 시스템의 효율성과 안정성을 높이는 기술들이 개발돼 암모니아의 안전한 사용 방법과 경제적 운용 방안이 마련됐다.

결론적으로 암모니아는 사용처가 연료로 바뀌는 것이지 새로운 활용 시도는 아니라는 것이다. 다만 연료로 활용할 때 그동안 사용돼온 양보다 훨씬 많은 양을 소비한다는 점에 있어서 우려 사항은 이해할 수 있다. 발전소는 제철소와 함께 대량의 CO2 배출원이기 때문에 낮은 혼소율이라 할지라도 절대적인 배출량 감소면에서 본다면 가시적으로 효과가 있는 적용처다.

▲ 수소 혼소율(부피 기준), 암모니아 혼소율(열량 기준)에 따른 이산화탄소 배출 저감 효과

■ 저렴한 그린 수소·암모니아 공급 관건

수소와 암모니아는 석탄, 석유, 천연가스와 같이 자연에서 채굴되는 연료가 아니라 생산 공정을 통해 만들어지는 제품이기 때문에 품질과 가격 등을 평가 받을 수 있다. 품질은 순도 등으로, 가격은 제조된 수소·암모니아의 단위 질량 당 단가로 표현될 수 있을 것이다. 지속적인 저·무탄소 발전소 운영을 위해서는 저렴한 그린 수소·암모니아의 공급이 전제조건이 되는데, 이들이 연속적으로 공급되지 않는다면 석탄, 천연가스 등 기존 연료를 활용해 운전되다가 수소·암모니아 공급이 가능할 때 무탄소 운전으로 전환되는 시스템(Ready-Plant)으로 전락할 수밖에 없다.

즉, 실제 발전소에 적용을 단기간에 걸쳐 확인한 후 기술검증이 이뤄지고 이 후에는 운영할 수가 없는 또는 간헐적 운전이 가능한 상태가 될 수 있다. 그러므로 안정적인 연료 공급이 필요하다. 수소와 암모니아는 모두 우리가 이전에 사용했던 연료들보다 고가인 물질들로서 발전사업자 입장에서는 부담이 되는 것이 사실이다. 그리고 그 부담이 누구에게 올 것인지는, 우리가 지출하는 전기세의 약 80%가 연료가격인 점을 안다면 그 영향력을 예측할 수 있다.

▲ 수소, 암모니아는 제조 공정을 통한 생산품

현재 전세계 주요 국가와 기업들은 수소 생태계 활성화를 위해 수소 전소 및 혼소 발전 기술을 적극적으로 개발하고 있다. 특히, 한·중·일 세 국가를 중심으로 암모니아 전소 및 혼소발전 기술이 개발되고 있다. 이러한 기술들은 2030년대 중반부터 본격적으로 상용화돼 전 세계 에너지 믹스에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

최근 발표된 11차 전력수급기본계획 실무안에서 수소·암모니아 발전량이 15.5 TWh로 상승됐다. 이는 지난 10차 계획에서 발표된 13 TWh에서 소폭 상승된 결과다. 물론 전체 필요 발전량이 621.8 TWh에서 641.4 TWh로 약 3% 상승된 결과다. 이러한 수치들은 기술개발 정도와 수요에 따라 앞으로도 계속 바뀔 가능성이 농후하다. 전 세계적 패러다임과 각 국가의 가치관, 또 그 안에서 국민 개개인의 가치관이 어디에 중점을 두고 흘러갈지는 두고 봐야 할 사항이라고 생각된다. 에너지 정책을 포함한 이러한 점들이 자원의 활용과 순환을 위한 실질적인 전략의 바탕이 돼 에너지 전환과 탄소중립에 기여하길 바란다.

▲ 근래 발전용 수소, 암모니아 연료 활용 정책의 변화