[월간수소경제 박상우 기자] 수소발전이 최대 이슈로 떠오르면서 기업들은 수소 혼소·전소 발전이 가능한 주기기를 개발하고 있다. 현재 개발되고 있는 수소발전 주기기는 가스터빈이 대표적이다. 

가스터빈은 보일러에서 공급받은 고온의 증기를 작동유체로 사용하는 증기터빈과 달리 연소기에서 가열된 고온, 고압의 가스를 팽창시켜서 회전기계 에너지를 추출해 그 힘으로 압축기와 발전기 축을 돌리게 하거나 가용 동력을 사용하는 기계장치다.

가스터빈은 구조와 조작이 간단해 운전에 대한 신뢰도가 높고 설치 장소를 비교적 자유롭게 선정할 수 있고 건설 기간이 짧다. 반면 가스온도를 견딜 수 있는 고가의 내열재가 필요하고 열효율이 내연력 대용량 기력발전보다 낮으며 사이클 공기량이 많아 공기압축에 많은 에너지가 필요하다는 단점이 있다.

무엇보다 가스터빈을 활용하는 LNG복합발전의 이산화탄소 배출량이 석탄화력발전의 약 55%, 질소산화물은 23% 수준이며 황산화물과 미세먼지는 배출하지 않는다. 그래서 가스터빈에 공급하는 연료에 수소 또는 암모니아를 혼합하거나 100% 사용하면 발전 분야의 탄소중립을 달성하는 데 도움이 될 것으로 업계는 보고 있다.

그러나 수소는 LNG의 주성분인 메탄보다 화염온도가 높고 연소 속도가 매우 빨라 폭발적 반응을 일으킨다. 암모니아는 화염온도가 낮고 연소 속도가 느려 상대적으로 잘 타지 않는 데다 질소 성분을 포함하고 있어 연소 시 다량의 질소산화물을 발생시킬 수 있다. 

한국전력 전력연구원 무탄소발전연구실이 에너지경제연구원 에너지 포커스에 기고한 글에 따르면, LNG를 사용하는 가스터빈에 이들 연료를 혼소하면 연소 특성이 크게 변해 기존 LNG 연소보다 너무 빨리 타거나 느리게 타기 때문에 △화염 불안전성 △역화(flash-back) △질소산화물 환경성 영향 등이 문제해결의 주안점이 될 것으로 보고 있다.

특히 저농도 혼소에서는 기존 가스터빈 개조 없이 운전 및 제어를 통한 혼소가 가능할 것으로 보이나 고농도 혼소율은 가스터빈 연소기의 개조를 통한 안정적 운전 구현이 이뤄져야 한다. 수소 및 암모니아의 적절한 혼합 연소는 메탄의 특성을 띨 수 있어 연소기 개조 없이 고농도 혼소율을 달성할 것으로 예상된다.

해결해야 할 기술적인 문제가 많지만, 수소·암모니아 가스터빈을 신재생에너지의 단점인 전력생산 간헐성에 의한 전력망 불안정을 보완하기 위한 보조전원으로 활용할 수 있고 탄소중립 달성을 위해 석탄발전소에 수소·암모니아 발전 시스템을 적용할 수 있다. 

이같이 수소·암모니아 가스터빈이 탄소중립 달성을 위한 필수적인 기술로 주목받고 있어 몇몇 에너지 분야 선진국에서는 국가 차원에서 지난 10여 년 전부터 개발 및 실증을 진행하고 있다. 업계에서는 글로벌 수소 가스터빈 시장이 2030년까지 약 40조 원 규모로, 연간 유지 정비 시장은 3,000억 원으로 성장할 것으로 전망하고 있다.

 

국산 가스터빈으로 수소·암모니아 발전 시장 선점
이에 산업부는 2020년 11월 ‘2030년 가스터빈산업 글로벌 4강 도약’이라는 비전을 세우고 △생태계 기반 조성을 위한 초기일감 창출 △탄소중립 목표달성을 위한 기술개발 고도화 △고부가가치 핵심 소재부품 경쟁력 제고 △지역 산업생태계 인프라 구축 등 4대 추진전략을 제시했다. 

이와 함께 가스터빈과 핵심부품 모두를 국산화할 계획이다. 현재 글로벌 발전용 가스터빈 시장은 미국 GE가 58%, 독일 지멘스는 27%, 일본의 미쓰비시파워는 11%, 인도의 안살도가 4%를 차지하고 있다. 국내 LNG 복합발전에 설치된 가스터빈 전량(158기)을 이들이 공급했다. 즉 국내시장은 주기기인 가스터빈과 핵심부품 모두를 해외에 의존하고 있다.

산업부는 고효율 가스터빈 기술 확보를 위해 지난 2019년 두산에너빌리티가 세계 5번째로 개발한 H급 발전용 가스터빈(복합효율 60%, 270MW)을 기반으로 후속모델의 효율 향상 R&D를 추진한다.

또 올해부터 2025년까지 재생에너지 변동성 대응을 위해 80MW급 중형 가스터빈 R&D와 2024년부터 2028년까지 글로벌 시장을 선도하기 위한 초고효율급(복합효율 65%+α) 가스터빈 개발 R&D를 추진할 예정이다. 

이를 통해 2040년까지 300MW급 수소 전소 가스터빈 조기 상용화를 목표로 수소 혼소와 전소가 가능한 연소기 개발에 착수하고 이를 통해 수소 혼소 대형 가스터빈 복합화력 실증 추진도 검토한다.

이와 함께 정부는 기존 석탄·LNG 발전을 대체하고자 수소·암모니아 혼소·전소 발전 상용화에 속도를 내기 위해 지난해 11월 ‘수소·암모니아 발전 실증 추진단’을 발족했다.

한국은 2030년 NDC 상향안에 2030년 암모니아 발전을 총 발전량의 3.6%(22.1TWh)로 반영했다. 2050 탄소중립 시나리오에도 수소·암모니아 등 무탄소 가스터빈 발전이 2050년 총 발전량의 13.8~21.5%로 반영됐다.

 

추진단은 오는 2024년까지 ‘가스터빈 수소 혼소 한계평가 및 연소 최적화 기술개발’, ‘Carbon-Free 친환경 암모니아 발전 기술개발’을 완료한다는 계획이다.

수소발전은 2028년까지 150MW급 50% 혼소 실증을 완료하고, 2035년에는 30% 이상 혼소를 상용화해 2040년에는 30~100% 혼소 또는 전소하는 것을 목표로 한다. 암모니아 발전은 2027년까지 20% 혼소 실증을 완료하고, 2030년에는 전체 석탄발전(43기)의 절반 이상(24기)에 20% 혼소 발전을 적용해 상용화할 계획이다.

또 석탄발전에 암모니아 혼소 발전을 실제로 적용하기 위한 암모니아 저장시설을 올해 구축하기로 했다. 친환경 인증제도를 통한 인센티브 부여 등 수소·암모니아 발전 관련 법·제도 개선사항도 지원할 예정이다.

아울러 수소·암모니아의 안정적인 조달 등 에너지 안보 제고를 위해 국제적 공급망 구축을 선도한다는 계획이다.

이런 가운데 지난 1월 경상남도는 탄소중립 실현을 위한 미래 에너지신산업 육성 방안으로 올해부터 수소터빈 기술개발과 실증사업을 추진한다고 밝혔다.

경남도는 국산 가스터빈 산업을 미래 에너지 신성장동력산업으로 육성하고자 지난 2020년부터 정부와 ‘한국형 표준 가스복합 사업화 추진단’을 이끌며 전문가·기업의 다양한 의견을 수렴하고 정책을 발굴했다.

그 결과 그해 8월 전국 유일 가스복합발전 중심의 에너지산업융복합단지를 산업통상자원부로부터 지정받았으며, 11월 정부가 발표한 가스터빈 산업 경쟁력 강화방안에 경남도가 요구해온 다양한 정책들이 반영됐다.

경남도는 이러한 국산 가스터빈 산업 역량을 수소터빈 산업까지 확대하기로 하고 올해부터 가스터빈 기술에 기반한 수소터빈 기술개발과 산업육성에 나선다. 

지난해 4월 ‘가스터빈 전문인력 양성사업’이 정부공모사업으로 선정됐다. 이 사업은 국비 47억5,000만 원을 포함해 5년간 총 82억 원이 투입돼 도내 대학에서 석·박사급 전문인력 200명을 양성한다.

또 부품제조기술지원센터 건립 방안을 추진한다. 국비 90억 원 포함 약 200억 원을 투입해 핵심부품의 신뢰성 평가와 성능 검증을 위한 장비를 구축하고 제조공정과 기술역량 강화, 사업화를 지원할 지원센터를 구축하기로 하고 정부 공모사업으로 추진해 올해 안에 건립에 나설 방침이다. 

아울러 시험연구발전소 건설도 기획하고 있다. 이 발전소는 수소복합발전을 위한 플랜트 설계와 운영기술 개발, 수소터빈을 포함한 주요 기자재의 실증연구소 역할을 수행한다. 현재 산업계 등 발전분야 전문가와 구체적인 사업실현 방안을 기획하고 있으며, 2023년도 정부 연구개발(R&D) 과제에도 반영해 정부와 민간이 공동 투자·운영하는 모델을 구상하고 있다.

 

 

가스터빈 개발 속도 내는 국내기업들
이에 대응하듯 한화임팩트와 두산에너빌리티는 한국서부발전과 협력해 수소 가스터빈을 개발하고 있다.

한화임팩트는 지난해 3월 한국서부발전과 ‘수소 혼소 발전사업’ 업무협약을 체결한 후 그해 8월 수소 혼소 발전 상용화를 위한 ‘수소 혼소 발전 실증과제 협약’을 맺으며 본격적인 실증연구에 돌입했다.

그 사이 한화임팩트는 수소 혼소 발전 솔루션을 보유한 미국 PSM과 네덜란드 토마센 에너지를 인수해 LNG 가스터빈을 수소 가스터빈으로 전환하는 원천기술을 확보했다.

서부발전은 가동이 종료된 평택1복합발전소에 있던 80MW급 가스터빈 1기를 제공하고 한화임팩트는 해당 가스터빈을 대산사업장으로 옮긴 후 개조와 시험평가 등을 진행해 2023년 상반기까지 국내 최초로 수소 50% 이상의 수소 혼소 발전이 가능한 터빈으로 제작한다는 계획이다.

한화임팩트는 이를 기반으로 해당 설비의 수소 비중을 100％로 늘려 이산화탄소 배출이 전혀 없는 친환경 설비로 전환할 계획이며, 수소 혼소 기술을 200MW급 이상 대용량 가스터빈까지 확대 적용해 상용화하는 것을 목표로 하고 있다.

한국서부발전과 한화임팩트는 여기에 그치지 않고 지난 7월 한화파워시스템, 한전KPS, 가스로드, 금화피에스시, 선보유니텍, 성일터빈, 창원기전, 터보파워텍, 한울항공기계와 F급 가스터빈 수소 혼소 발전 실증사업 정부 과제 수주 및 수행을 위한 기술협력 협약을 체결했다고 밝혔다.

이들은 F급 가스터빈에 수소 혼소율을 최대 70% 적용해 탄소배출량을 최대 39% 저감하는 실증사업을 추진할 예정이다. 이 실증사업은 가스터빈 수소 혼소 적용을 확장한다는 데 의미가 있다.

국내에 설치된 가스터빈의 약 30%는 F급이며 세계 가스터빈 시장에서도 약 40%를 차지한다. 가스터빈은 터빈 입구 온도에 따라 구분되는데 E급은 약 1,100~1,200℃, F급은 약 1,250~1,430℃ 수준이다. 발전용량으로 구분하면 60Hz 기준 E급(중대형)은 최대 120MW, F급(대형)은 최대 270MW이다.

이번 실증사업에서 한국서부발전은 실증할 F급 가스터빈과 부지를 제공하고, 한화임팩트는 실증 과제 및 연소기 개발 총괄과 함께 연소기 부품제작 관리 등 전반적인 과제 수행을 맡는다. 또 한화파워시스템은 혼합 연료공급장치 국산화 개발을 총괄하고, 한전KPS 및 여러 참여기관은 가스터빈 시스템 진단, 부품 국산화 제작을 담당한다.

 

서부발전은 한화임팩트뿐만 아니라 두산에너빌리티와도 관련 사업을 추진하고 있다.

두산에너빌리티는 지난 2019년 9월 세계 5번째로 발전용 대형 가스터빈 개발에 성공했다. 두산에너빌리티는 지난 2013년 정부가 추진한 한국형 표준 가스터빈 모델 개발 국책과제에 주도적으로 참여해 출력 270MW, 복합발전효율 60% 이상의 대용량 고효율 가스터빈을 개발했다. 

두산에너빌리티는 이 가스터빈을 서부발전이 추진하고 있는 500MW급 김포열병합발전소에 공급하기로 하고 지난 2019년 12월 양사는 관련 계약을 체결했다. 이에 따라 두산에너빌리티는 현재 김포열병합발전소에 해당 가스터빈을 설치하고 있으며 내년부터 2025년 7월까지 전력계통에 연결돼 실제 발전을 하는 현장 실증 과정을 밟는다.

여기에 두산에너빌리티는 확보한 원천기술을 바탕으로 380MW급 가스터빈과 신규 투자를 통해 수소터빈 자체 개발에 주력하고 있으며 가스터빈과 수소터빈의 부품 국산화율은 90%가 넘었다.

두산에너빌리티는 또 지난해 10월 한국남부발전과 그린수소를 활용한 수소터빈 발전소 실증사업을 추진하기로 하고 업무협약을 맺었다. 지난 2월에는 한국중부발전, 제이씨에너지와 △전남 영암군 대불국가산업단지 내 100MW 규모의 연료전지 발전사업 추진 △1,000MW 규모의 수소 혼소·전소 발전사업 개발을 위한 협약을 체결했다.

또 한전 전력연구원에서는 수소와 암모니아의 가스터빈 연료 활용을 위해 국내에 가장 많이 보급된 F급 가스터빈(150MW급)에 연소기 개조 없이 수소 및 암모니아를 혼소하는 운영 기술을 개발 중이다. 

특히 운영 중인 F급 가스터빈에 대해 수소의 혼소 한계 평가를 거쳐 최대 혼소율을 도출하고 암모니아 혼합 시 수소의 혼소율 증대에 초점을 두고 개발하고 있다. 2024년까지 연구개발을 완료한 후 15% 내외 저농도 수소(암모니아) 혼소 실증을 시행하고 2027년까지 고농도 혼소 실증을 통한 상업화를 진행할 예정이다.

한국에너지기술연구원 청정연료연구실 문태영 박사 연구진은 지난 7월 국내 최초로 순환유동층 연소시스템에서 이산화탄소 발생을 감소시키는 암모니아 혼소 운전 기술을 개발했다.

 

순환유동층 연소(CFBC)는 뜨거운 열매체제인 유동사(모래)가 순환하면서 석탄, 바이오매스, 코크스, 고형폐기물 등 고체연료가 연소돼 높은 열을 내는 친환경 화력발전을 이른다.

연구진이 개발한 기술은 상업용 순환유동층 보일러를 모사한 100kWth급 순환유동층 연소시스템에서 암모니아를 연료로 활용하는 기술이다. 이는 현재까지 국내외에서 시도되거나 보고된 바 없다. 연구진은 기존 설비 변경을 최소화하면서 이산화탄소와 질소산화물을 동시에 저감하는 암모니아 혼소 운전기술로 특허도 확보했다.
 
수소 선점 나선 가스터빈 대표기업들
대표적인 가스터빈 제작사인 미국의 GE는 50% 수소 혼소가 가능한 연소기를, 독일의 지멘스는 30% 수소 혼소가 가능한 연소기를, 일본의 미쓰비시파워(MHPS)는 최신 J급 가스터빈 기종에 30% 수소 혼소가 가능한 연소기를 개발한 것으로 알려졌다.

또 GE는 지난 4월 롱리지에너지와 미국 오하이오주에서 20% 수소 혼소율이 적용된 수소연소발전소의 가동을 개시했다. GE는 점차 수소 혼소율을 높여 2030년 이후에는 수소 전소를 목표로 사업을 진행할 예정이다. 또 5월에는 미국 에너지부로부터 1,200만 달러의 자금을 지원받아 수소 혼소율이 높은 연료를 사용하는 F급 가스터빈 시스템 개발에 착수했다. 

지멘스는 지난 2020년부터 프랑스 남동부 비엔에 있는 재활용 종이 제조공장에서 천연가스와 수소를 섞어 전기를 생산하는 시스템을 개발하는 프로젝트를 진행하고 있다. 이 프로젝트에서 지멘스는 기존 SGT-400 산업용 가스터빈을 업그레이드해 천연가스와 수소 혼합물을 연소시켜 수소의 양을 80%에서 100%까지 늘리는 핵심 과제를 맡았다.

미쓰비시파워는 지난 2018년 개발 중인 발전용 대형 가스터빈에 30% 수소 혼소율이 적용된 연료를 연소하는 실증을 성공적으로 완료했다. 이와 함께 2025년까지 수소 전소 연소기를 개발해 실증을 추진하고 2025년부터는 미국 유타주에서 그린수소를 활용한 수소 혼소 실증을 진행한다. 

미국의 베이커휴즈(Baker Hughes)는 수소 전소가 가능한 중소형 가스터빈(5~16MW)을 개발했으며 지멘스는 소·중형(5~62MW) 가스터빈 기종의 수소 혼소율을 최대 60% 수준까지 높인 것으로 알려진다. 특히 EU의 그린수소 활용을 위한 수소 전소 가스터빈 프로젝트가 지멘스의 기종을 대상으로 진행 중이다.

일본의 IHI는 2MW 가스터빈에 20% 암모니아 혼소를 성공한 것으로 보고하고 있으며 미쓰비시는 2025년까지 암모니아 가스터빈 기술개발을 통해 상업화 실증을 계획하고 있다.

이같이 수소·암모니아 가스터빈 개발이 활발해지고 있으나 가장 중요한 것은 수소의 수급과 경제성이다. 

전문가들은 수소가 다른 연료보다 가격이 높으나 이송 및 저장에 대한 기술성숙도가 낮아 당장 혼소율을 높여 상업화하기에는 다른 기술보다 온실가스 저감의 이익보다는 발전원가의 상승에 더 큰 영향을 줄 것으로 본다. 향후 청정수소를 얼마나 저렴하게 생산해서 유통할 수 있느냐가 성공의 관건이 될 것으로 보인다.