[월간수소경제 이종수 기자] 국내 수소발전 시장은 현재까지 연료전지 위주로 발전했다. 신재생에너지공급의무화제도(RPS) 등 정부의 정책적 지원에 힘입어 세계 최대의 연료전지 발전시장이 조성되었다.   

그런 가운데 청정수소발전의무화제도(CHPS) 도입 등을 주요 내용으로 하는 수소법 개정안이 지난 5월 29일 국회를 통과한 이후 수소발전 시장이 후끈 달아오르고 있다. 발전용이 최대 수소 수요를 창출할 것으로 전망되는 데다가 연료전지 외에도 수소가스터빈, 수소엔진 등 다양한 수소발전기술이 출현하기 때문이다. 발전소 운영자는 사업의 상황에 맞게 발전기술을 선택할 수 있고, 다양한 기술 간 공정한 경쟁은 수소발전 시장의 건전한 발전을 유도할 수 있다.  

특히 연료전지와 가스터빈(대형 발전소)은 국내에 익숙한 기술이지만 수소엔진은 아직 생소하기만 하다. 세계적인 선박・발전용 엔진 기술을 기반으로 국내에서 유일하게 육상 발전용 수소엔진을 개발 중인 현대중공업이 수소발전 기술 중 하나로 수소엔진의 가능성을 보여주고 있다.   
 
글로벌 기술력 갖춘 현대重 엔진
쿠바 10페소 지폐에는 한국의 수출품이 그려져 있다. 지난 2007년 당시 인기를 끌었던 KBS 퀴즈 프로그램에도 나왔던 문제이기도 하다. 그 수출품은 현대중공업 엔진기계사업부에서 생산한 이동식 발전설비(PPS: Packaged Power Station)이다.

현대중공업 엔진기계사업부는 극심한 전력난을 겪고 있던 쿠바에 이동식 발전설비를 공급해 전력난 해결에 큰 도움을 주었고, 쿠바 정부는 가장 통용량이 많은 10페소 지폐 뒷면에 이 제품을 ‘에너지 혁명(REVOLUCION ENERGETICA)’이라는 문구와 함께 그려 넣었다.

올해 창립 50주년을 맞이한 현대중공업은 조선해양, 방산(특수선), 엔진기계, 연구개발 등 4개 부문을 두고 있다. 지난 1976년 현대엔진공업 주식회사로 출발한 엔진기계사업부는 선박용 추진엔진인 대형엔진과 선박 내 발전용 엔진인 중형엔진(힘센엔진), 프로펠라 등의 추진시스템, SCR(질소산화물 저감장치) 등 환경규제에 대응하기 위한 친환경 제품, 육상용 엔진 발전설비 등 다양한 제품을 개발・생산하고 있는 엔진산업 선도기업이다. 

1978년 세계 최대 엔진공장을 준공하며 엔진 시장에 본격 진출한 현대중공업은 1979년 대형엔진 1호기를 시작으로 2010년 세계 최초 누적 1억 마력을 생산했으며, 현재 30% 이상의 시장 점유율로 세계 1위 자리를 유지하고 있다. 

 

 

또한 지난 2001년 독자기술로 개발한 힘센엔진도 2016년 누적 1만 대를 생산했고, 현재 중형엔진 시장 점유율 1위로 선박용 엔진시장에서 입지를 굳건히 하고 있다. 특히 이동식 발전설비(PPS), 대형엔진, 힘센엔진 등 국내 최대인 23건의 세계 일류 상품을 보유할 만큼 세계적으로 기술력을 인정받고 있다. 

현대중공업은 이러한 기술력을 바탕으로 중속엔진인 힘센엔진을 순수 국내독자 기술로 개발해 디젤엔진, 가스엔진, DF(이중연료)엔진에 이르는 라인업을 완성했다. 대형엔진 또한 단순 생산에서 벗어나 라이선스社와의 협업을 통한 다수의 엔진 공동개발 프로젝트를 활발히 진행하고 있다. 디젤, 바이오디젤, LNG, LPG, 메탄올 등 현재 시장에서 유통되는 모든 친환경 연료 엔진을 시험·생산할 수 있는 설비도 갖추고 있다.

현대중공업은 한발 더 나아가, 2050년 Net-Zero 온실가스 환경규제에 대응하기 위해 차세대 친환경 연료로 주목받고 있는 메탄올, 암모니아, 수소 등 탈탄소 연료 엔진 개발을 가속화하고 있다. 

특히 지난 2021년에는 세계 최대 선사인 머스크(Maersk)로부터  세계 최초 메탄올 연료 추진 컨테이너선의 대형엔진 및 힘센엔진을 동시에 수주했다. 메탄올 연료 힘센엔진은 이미 시제품 설계와 제작을 마쳤으며, 성능시험을 거쳐 올해 안으로 개발을 완료할 계획이다. 아울러, 지난 6월에는 라이선스사와 암모니아 연료 대형엔진 공동개발 MOU를 맺으며 미래 친환경 연료 시장 선점을 위한 발판을 마련했다.

현대중공업 엔진연구소 박현춘 팀장은 “선박은 과거에는 NOx와 SOx 규제가 이슈였다면 지금은 자동차, 발전 등 전 산업 분야와 같이 이산화탄소(온실가스) 규제가 화두”라며 “IMO(국제해사기구)의 보고와 같이 선박에서 배출하는 이산화탄소를 저감하는 여러 기술이 있지만 결국 연료를 메탄올, 암모니아, 수소 등의 친환경 연료로 바꾸는 것이 최선의 대안”이라고 밝혔다. 

 

 

또한 현대중공업은 힘센엔진을 주 추진엔진으로 탑재하는 중소형 선박 시장 진출, 육상 분산발전 등 힘센엔진의 활용방안 다변화를 통해 사업 기회를 확대 중이다. 우선 지난 2020년 11월엔 아람코社와 사우디 현지에 엔진합작법인을 설립, 힘센엔진 라이선스 사업도 시작해 제조업에 머무르지 않고 엔지니어링 회사로 거듭나고 있다.

특히 수소엔진 개발에 전력을 다하고 있다. 사실 현대중공업은 메탄올・암모니아 엔진은 선박, 수소엔진은 육상 발전에 각각 적용하는 데 집중하고 있다.

현대중공업 엔진연구소 윤욱현 실장은 “길게는 보름가량 항해하는 대형선박의 경우 수소연료전지나 수소엔진은 아직 수소의 낮은 체적에너지 밀도로 인한 저장의 어려움, 극저온 액체수소 증발 문제 등의 기술적 난제들이 많기에, 상대적으로 이러한 문제들로부터 자유로운 메탄올・암모니아 엔진을 먼저 상용화할 것”이라며 “수소엔진은 우선 육상 발전 분야부터 적용하고, 향후 수소 저장 관련 기술적 난제들이 해결되면 시장 상황을 지켜보며 선박용 수소엔진 상용화도 수소운반선을 필두로 추진할 계획”이라고 밝혔다.    
 
글로벌 엔진 메이커, 수소엔진 개발 ‘한창’
현대중공업에 따르면 현재 글로벌 수소엔진의 기술성숙도는 TRL 7 수준으로 시장진입 단계이다. 관련 정책과 인프라 구축이 받쳐주면 언제든 시장 확대가 가능한 기술이다. 

바르질라(Wartsila), 만에너지솔루션즈(MAN ES) 등 글로벌 주요 엔진 메이커들은 선박 추진용 대형 수소엔진 개발 계획은 아직 없지만 수소경제 확대에 힘입어 분산발전용 수소엔진(중속엔진) 개발에 힘쓰고 있다. 이들 기업은 2020년부터 시작해 2025년까지 수소 혼소・전소 엔진 개발을 완료한다는 계획이다.   

 

현대중공업도 발전사업의 탈탄소화를 위해 중속 수소엔진을 개발 중이다.  

박현춘 팀장은 “수소엔진은 혼소 엔진과 전소 엔진으로 구분해서 개발 중이다. 혼소 엔진은 천연가스와 수소를 섞어서 연료로 사용하는 엔진으로, 당사가 선박 시장 점유율 1위를 수년간 유지하고 있는 ‘힘센 DF 엔진’ 기술을 조금만 수정하면 가능하다”라며 “이미 현대중공업은 지난 2019년 한양대와 산학 연구를 통해 수소와 천연가스를 섞어서 엔진 연소 시험에 성공한 바 있다. 이를 토대로 실제 혼소 엔진에서도 문제가 없는지를 확인하기 위해 금년 8월 말까지 한국조선해양(KSOE)과 공동으로 수소 혼소 시험을 진행하고 올해 말까지 수소 혼소 엔진 개발을 완료할 예정이다. ‘힘센 DF 엔진’ 개발 시 축적한 가스연료 엔진 개발 데이터와 기술을 기반으로 당사의 수소엔진도 세계 최고 수준의 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다. 

박 팀장은 이어 “수소 전소엔진은 100% 수소를 연료로 하는 엔진으로, 올해 말까지 기본설계를 마치고 2025년까지 엔진 개발을 최종 완료할 계획”이라고 밝혔다.

유럽은 오는 2030년까지 1만1,600km, 2040년까지 3만9,700km의 수소 배관망(천연가스 배관망 혼입, 수소 전용)을 구축할 계획이다. 유럽에서 수소엔진이 뜨거운 화두로 떠오른 이유다. 올해 독일 데사우(Dessau)에서 열린 ‘제12회 가스엔진 컨퍼런스’에서 발표논문의 80% 정도가 수소엔진이 차지할 정도였다. 

유럽엔진발전소협회(EUGINE)는 ‘H2-ready 수소엔진 인증제도’를 시행하고 있다. 현대중공업의 최대 경쟁사인 만에너지솔루션즈는 유럽의 수소 배관망 구축계획에 대응하기 위해 이미 수소 혼소 엔진(혼소율 25%)에 대한 ‘H2-ready 수소엔진 인증’을 획득했다. 

박 팀장은 “현재 유럽은 기존 천연가스 파이프라인에 수소 혼합율을 최대 20%로 해서 실증을 진행 중이고, 국내도 2026년부터 도시가스에 수소 20% 혼입을 목표로 실증을 추진 중”이라며 “이를 고려해 현대중공업도 25%까지 혼소가 가능한 수소 혼소 엔진을 개발 중으로, 유럽의 ‘H2-ready 수소엔진 인증’ 획득도 추진하고 있다”고 말했다.    
 
가스엔진과 가스터빈의 차이점 
국내 수소발전 시장은 연료전지에 이어 수소가스터빈과 수소엔진이 추가되어 세 축으로 형성될 것으로 전망된다. 

먼저 새롭게 수소발전 시장에 등장하는 가스엔진과 가스터빈에 대한 기술적 이해가 필요하다.  

현대중공업 엔진기계사업부에 따르면 가스엔진은 가스를 연료로 하는 왕복동 내연기관(엔진)의 한 종류로, 연료의 연소 폭발력을 피스톤의 왕복운동으로부터 크랭크축의 회전운동으로 변환하는 기계장치이다. 

엔진은 회전수에 따라 저속(2행정, ~300rpm), 중속(4행정, 300~1,400rpm), 고속(4행정, 1,400rpm 이상)으로 구분되는데, 중속엔진의 단위 출력은 수MW에서 최대 30MW에 이른다. 현대중공업은 지난 2019년 세계 최대 단위출력(기통당 1,400kW)을 지닌 ‘힘센(HiMSEN) 엔진’ 신모델(H54DF)을 개발했다. 

 

가스터빈은 압축기, 연소기 및 터빈으로 구성된다. 대기의 공기를 흡입해 압축기로 압축한 후 연소기로 보내 고온 고압의 가스를 만들어 터빈을 작동시킨다. 압축성 유체의 흐름을 이용해 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 가스나 액체연료를 연속적으로 연소한다. 

발전용 가스터빈은 크게 D/E-class(75~100MW), F-class(150~250MW), G/H/J-class(250MW 이상)로 나뉘며, 출력이 클수록 높은 연소온도(터빈 입구 온도)에서 높은 효율 달성이 가능하다. 최근 두산에너빌리티가 개발한 DGT6-300H S1 가스터빈은 출력 270MW, 단순발전효율 40% 이상, 터빈 입구 온도 1,500°C 수준의 ‘H-Class’로 알려져 있다.
 
엔진발전의 경쟁력
현대중공업의 가스엔진은 자체적인 발전 효율이 40~46% 정도이다. 대기중으로 버려지는 폐열까지 활용하는 가스엔진 열병합발전의 경우에는, 발전효율에 열회수 효율(냉난방)까지 합하면 에너지효율은 88%까지 가능하다. 수소엔진으로 하는 경우 발전효율을 기존 가스엔진 대비 1~2% 차이로 개발한다는 목표다. 

현대중공업 엔진발전부 박효상 부서장은 “가스터빈은 단일 장치로 수백MW급 대출력이 가능하나, 발전효율이 40% 초반에 머무르고 있다. 국내에서 일반적인 가스터빈과 스팀터빈을 결합한 복합화력의 경우에는 발전효율이 50% 중반대로 올라간다”라며 “물론 엔진도 가스엔진과 스팀터빈을 복합하면 발전효율이 50% 초반대로 올라가는데, 가스엔진은 자체 발전효율이 40~46% 정도라서 투자비 등을 고려했을 때 굳이 복합으로 운전할 필요는 없다고 본다. 가스엔진의 초기투자비가 낮은 이유”라고 설명했다.   

박 부서장은 “엔진은 낮은 부하에서의 효율과 높은 부하에서의 효율에 큰 차이 없이 높은 효율을 유지하나 터빈의 경우 낮은 부하에서의 효율이 높은 부하 대비 상당히 낮다”라며 “고온의 기후에서도 엔진은 출력저하가 거의 없으나 터빈의 경우 온도가 높아질수록 출력저하가 심하고 냉각을 위한 물 소모량도 엔진보다 현저히 높다”고 기술적 차이를 설명했다. 

터빈은 기동과 운전, 정지에 많은 시간이 걸리는 반면, 엔진은 짧은 기동 시간이 요구되는 원자력 발전소 비상발전기로 사용이 가능할 정도로 신속한 운전이 가능하다.  

 

 

물론 엔진발전에 장점만 있는 것은 아니다.   

박 부서장은 “엔진의 경우 터빈 대비 피스톤-커넥팅로드-크랭크축으로 이어진 운동의 변환 메커니즘으로 인해 구성품이 다소 복잡하고, 운동에너지를 생산하는 폭발과정이 연소실 내에서 간헐적으로 이루어짐에 따라 단위 출력당 체적 및 중량이 터빈 대비 상대적으로 크다”라며 “터빈의 경우 엔진보다 소음과 진동이 적고, 회전운동만을 이용하므로 구동부 구성이 단순하나 고온의 연소온도(약 1,100~1,600°C)에서 높은 회전수(3,000rpm 이상)로 연속 작동하기 때문에 부품 내구성이 엔진보다 취약하다”고 설명했다.

현대중공업은 지속적인 기술개발을 통해 엔진발전 고유의 단점을 극복하고 있다. 

우선 진동 전달을 줄이기 위해 최적 설계된 ‘탄성 지지(Resilient Mounting)’를 적용해 엔진 진동이 지면(기초)으로 전달되는 것을 방지한다. 

엔진에서 발생하는 소음은 크게 자체 소음(Air born), 공기 흡입 소음 및 배기 소음이다. 자체 소음은 발전소의 건물 방음을 통해 외부로 전달되는 것을 최소화할 수 있다. 흡・배기 소음은 특별히 설계・제작된 소음기를 통해 최소화하고 있다.

 

 

또 엔진의 복잡한 구조적 단점을 극복하기 위해 1990년 개발 당시부터 하이터치(High-Touch) 개념을 도입해 생산자와 운영자가 모두 편리한 획기적인 디자인을 적용했다. 구성품이 모듈화되고 단순화되어 운영 및 정비 효율성을 극대화했고, 지속적인 개선을 진행 중이다.

단위용량이 작은 엔진의 한계를 극복하기 위해 세계 최대 출력의 이중연료 중속엔진(힘센 엔진 신모델 ‘H54DF’)을 개발했고, 50%가 넘는 효율도 달성했다.  

한편 일반적으로 수소연료전지와 엔진을 비교할 때 오해하는 부분이 발전효율이다.  

박현춘 팀장은 “수소연료전지의 발전 효율은 40% 후반대이고, 엔진은 20% 후반대로 알고 있는 경우가 많은데, 이는 자동차 엔진과의 비교에서 비롯된 것”이라며 “발전용 엔진(중속엔진)은 발전효율이 40% 후반대로 수소연료전지와 비슷하다”고 해명했다. 
 
수소엔진발전 시장성 ‘무궁무진’
현재까지는 연료전지가 최선의 수소발전원이었지만 높은 건설비, 스택 내구성, 외산 연료전지의 기술 종속 등 다양한 이슈가 공존하고 있다. 두산에너빌리티를 포함한 가스터빈 제작사 및 부품기업은 수소연소를 위한 기술개발 및 실증을 수행하고 있고, 기존 가스터빈의 개조를 통한 수소 혼소 및 수소 전용 모델을 개발 중이나 상용화에는 다소 시간이 필요한 상황이다. 

현대중공업은 우선 가스터빈, 연료전지, 엔진 각각의 특성과 기술적 차이에 따라 5MW 미만의 소용량에서는 연료전지, 200MW 이상의 대용량에서는 가스터빈의 장점이 크다고 보고 있다. 특히 수소엔진은 5~200MW급 수소발전 시장에서 다른 발전원보다 낮은 건설비와 운영비를 바탕으로 경쟁력을 갖출 것으로 예상하고 있다.  

박효상 부서장은 “연료전지는 수kW부터 440kW에 이르는 단위용량으로, 건물용이나 소형 발전소에 적합하다. 연료전지는 발전소 용량이 커짐으로 인한 경제성 증가 폭이 크지 않아 대용량 발전 시 경쟁력 확보가 어렵다. 가스터빈은 단위용량이 적을수록 효율이 낮다. 두산이 개발한 H급을 복합으로 구성(2+1)할 경우 발전소 용량이 800MW에 이를 것으로 추정된다”라며 “엔진발전은 수소엔진의 단위용량이 2~16MW로 다양하고, 주력은 7.5MW 이상일 것으로 예상한다. 엔진발전의 특성상 대수가 많아질수록 경제성이 커지고, 국내 여건(수소 공급, 전력계통 연계 등)을 고려하면 30~40MW 발전소가 주력을 이룰 것으로 예상된다”고 설명했다.

 

 

 

현대중공업은 향후 수소엔진발전이 중·대용량 수소발전소, 분산발전, 수소 생산과 연계한 재생에너지 변동성 보완, 수소 기반 열병합 발전 등 다양한 용도로 사용될 수 있을 것으로 전망하고 있다. 

특히 분산발전에 주목하고 있다. 

분산에너지 사용 의무화, 배전망 관리·감독 체계 마련, 분산에너지 특화 지역 지정과 분산편익 지원 등을 담고 있는 ‘분산에너지 활성화 특별법 제정안(김성환 더불어민주당 의원 대표 발의)’이 국회에서 논의 중이다. 대규모 발전소 및 송전선로 갈등으로 분산발전에 대한 요구가 커지고 있기 때문이다. 이 법이 국회를 통과하면 중소규모 발전소 건설 수요가 증가할 것으로 보인다. 

박 부서장은 “앞으로 신도시, 신규 산업단지가 많이 생길 텐데, 특히 산단은 적게는 몇십MW부터 200~300MW까지 전기를 많이 사용한다. 분산에너지 활성화 특별법이 제정되면 기존 송배전망을 이용하지 않고 산업단지 내에 자체적으로 발전소를 지어야 한다. 이러한 시장에서 엔진발전의 수요가 크게 증가할 것으로 예상하고 있다”고 기대감을 나타냈다.       

현대중공업은 수소엔진 발전의 사회·경제적 파급효과가 큰 것으로 분석하고 있다. 

윤욱현 실장은 “수소엔진 발전의 경우 기본적으로 발전소 운전 및 유지보수 인력 등 다수의 발전소 운영 인력이 필요하므로 기존 수소연료전지 발전소 대비 국내 발전소 노동자의 고용창출 효과도 뛰어날 것으로 예상된다”라며 “또 힘센엔진(수소엔진)은 독자 모델로 개발해서 국산화가 95% 이상으로 국내 부품산업의 동반성장도 기대할 수 있다”고 말했다. 

 

수소엔진발전 마케팅 전략
현대중공업은 우선 국내외에 수소엔진발전에 대한 홍보를 지속적으로 진행한다는 계획이다. 수소엔진이 국내 발전시장에 진출하기 위해서는 엔진발전에 대한 인식 개선이 필요하다는 판단에서다.  

박효상 부서장은 “사실 현대중공업이 힘센엔진을 개발한 지 30년, 시장에 공급한 지 20년 정도가 됐는데, 발전용은 주로 해외 시장에만 공급해서 그런지 국내에서는 발전용 엔진에 대한 인식이 부족한 것 같다”라며 “또 엔진의 용도를 단순 이동수단을 위한 동력원 또는 비상발전기 정도로만 이해하고 전기를 생산하기 위한 동력원으로는 고려되지 않고 있다”고 말했다. 

국내에 적용된 중속 엔진발전으로는 디젤엔진이 도서지방 발전용으로 다수 설치되어 있고, 원자력 발전소의 비상 발전기로도 적용되어 있다. 하지만 육지의 전원으로는 적용된 사례가 드물고, 그마저도 외국산 엔진이 적용된 바 있다.

 

 

현대중공업은 최근까지 총 60개 국가에 6,000MW(누적) 이상의 엔진발전을 공급했다. 200MW 이하의 발전소 시장에서는 가스터빈을 적용한 단순・복합 발전소 대비 경쟁력이 있다는 설명이다. 

박 부서장은 “엔진발전은 높은 발전 효율(최대 50%), 낮은 투자비 및 운영비, 엔진 수명 20~30년, 빠른 납기(18개월 내), 기동성(1분 내 전력 투입), 연료 유연성(가스, 경유, 중유, 원유, 바이오연료 등), 다양한 대기조건(기온, 고도)에서의 최적 성능, 냉각수 필요량 최소화 등 다양한 장점을 보유하고 있다”라며 “2025년까지 개발 예정인 수소엔진은 연료전지 발전과 비교해 절반 이하의 투자비와 운영비로 경제성을 확보할 예정이다. 연료전지와 유사하거나 다소 낮은 발전효율은 기술개선을 통해 극복이 가능할 것으로 기대한다”고 강조했다.

그는 이어 “현대중공업이 출시할 수소엔진은 순수 국내 기술로 자체 설계・제작되어 빠른 기술서비스가 가능하고, 일반화된 왕복동 내연기관이므로 운영과 정비도 어렵지 않다. 생산・시공・운영・정비에 투입되는 고용유발 효과는 다른 발전원 대비 가장 크다”라며 “수소엔진에 대한 많은 관심과 지원을 바란다”고 밝혔다.   
 
정부의 지원과 관심 필요
현대중공업은 오는 2025년까지 수소 전소엔진을 개발한다는 계획이다. 이와 연계해 정부 R&D 과제로 수소엔진발전 실증사업을 기획해 정부에 제안할 방침이다. 

윤욱현 실장은 “수MW 출력을 가지는 수소엔진 개발 시 기껏해야 1~2시간 운전 분량의 수소튜브트레일러를 통해 수소를 공급받아 실증을 진행하는 데는 어려운 점이 많다”라며 “발전사와 함께 전용 배관으로 다량의 수소를 공급받을 수 있는 사이트에서 실증이 이루어질 수 있도록 정부 차원의 관심과 지원이 필요하다”고 요청했다.  

수소법 개정안에서 ‘수소발전’은 ‘수소 또는 수소화합물을 연료로 전기 또는 전기와 열을 생산하는 것’으로 정의되어 수소엔진도 포함될 것으로 해석되지만 ‘수소가스터빈’의 정의를 명시한 것과는 달리 ‘수소엔진’에 대한 정의는 규정되지 않았다. 

수소발전 활성화를 위해서는 향후 수소법 개정 시 ‘수소엔진’의 정의를 신설하고, 수소엔진도 발전시장에서 다른 수소발전기술과 공존해 공정한 경쟁을 할 수 있도록 해줘야 할 것으로 보인다. 이미 국산 수소엔진기술 개발이 빠르게 진행되고 있다는 점에서 정부 차원에서 수소엔진도 수소발전기술의 하나로 적극적으로 육성할 필요가 있다.