[월간수소경제 이종수 기자] 국내 온실가스 총배출량 중 가장 많은 부분을 차지하는 분야가 에너지 분야이다. 환경부 소속 온실가스종합정보센터에 따르면 2019년 국가 온실가스 총배출량(7억137만 톤) 중 에너지 분야의 배출량은 6억1,150만 톤(87.2%)을 기록했다. 특히 에너지 분야 배출량 중 발전 분야가 가장 많은데, 석탄・LNG 발전이 발전부문 온실가스 배출의 90% 이상을 차지하고 있다. 

‘2019년 한국전력통계’ 자료에 따르면 2019년 말 기준 국내 발전량 비중은 석탄 40%, 원자력 26%, LNG 26%, 신재생에너지 6% 순이다. 국내 석탄발전량 비중(40%)은 미국 24%, 일본 32%, 독일 30% 영국 2%, 프랑스 1%에 비해서도 훨씬 높다. 국내 석탄・LNG 발전의 탄소중립이 시급한 이유다. 

석탄・LNG 발전의 이산화탄소(CO2) 감축 기술로는 전력생산 효율을 높여 단위 생산 전력당 CO2 배출을 줄이는 방법과 배출되는 CO2를 포집해 저장・활용하는 기술(CCUS), 연료전환을 통해 연료 내 탄소가 적은 연료(저탄소 연료) 또는 탄소가 없는 연료(무탄소연료)를 사용해 발전하는 방법 등이 있다. 

 

수소・암모니아 발전 ‘부상’
이러한 방법 중 국내 발전공기업들이 무탄소연료인 수소(H2)와 암모니아(NH3)를 발전 연료로 활용하려는 움직임이 활발하다. 수소와 암모니아는 연소과정에서 이산화탄소를 발생시키지 않아 발전 연료로 사용하면 석탄과 LNG 대체 비율만큼 온실가스 배출량을 줄일 수 있기 때문이다.

 

가스복합발전 1GW에 수소 50% 혼소 시, 석탄발전 1GW에 암모니아 20% 혼소 시 온실가스를 각각 연간 약 34만 톤, 80만 톤(이용률 60%) 감축할 수 있다.   

발전설비, 송배전선로 등 기존 전력 인프라를 활용하면서 온실가스를 감축시켜 탄소중립을 달성할 수 있는 방안이다. 

 

이와 함께 수소・암모니아 발전은 수소 용도 중 최대 수소 수요를 창출할 전망임에 따라 국내 수소 생태계 확산에 크게 기여할 것으로 보인다.  

정부는 지난해 11월 청정수소 공급체계로의 전환을 핵심으로 하는 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’을 통해 연료전지 외에도 수소・암모니아 발전(혼소・전소)으로 수소사용을 확대한다는 계획을 밝혔다. 이에 따라 국내 전체 수소 수요량(2030년 390만 톤, 2050년 2,790만 톤) 중 발전부문은 2030년 353만 톤, 2050년 1,350만 톤으로 전망된다. 수소생산 기업들이 발전용 시장에 큰 기대를 거는 이유다.  

특히 전체 수소 수요량 중 청정수소 비중을 2030년 75%, 2050년 100%를 달성한다는 계획이다. 정부가 목표한 청정수소 공급 목표량을 달성하고, 수소발전 연료로 청정수소를 사용하기 위해서는 국내 생산뿐만 아니라 해외에서 생산한 청정수소를 도입해야 하는데, 암모니아가 현재 가장 유력한 수소 캐리어로 고려되고 있다.  

암모니아는 액화수소와 달리 상온에서 쉽게 액화되고, 액화수소 대비 단위 부피당 1.7배나 수소저장용량이 크다. 전 세계적으로 운송 수단 및 유통 인프라도 잘 갖추어져 있다.  

또 암모니아는 수소보다 연소반응이 느려 암모니아로부터 수소 분리 없이 직접 석탄 연료와 혼합 후 연소를 할 수 있다. 

국제에너지기구(IEA)와 국제재생에너지기구(IRENA)의 보고에 따르면 그린암모니아는 수소 캐리어 및 무탄소 연료로 탄소중립 시대에 중추적인 역할을 할 전망이다.   

국내에서는 그린암모니아 생산-운송-추출-활용의 전주기 기술개발 협력을 위해 지난해 7월 한국에너지기술연구원을 포함한 18개 기관・기업이 참여한 가운데 ‘그린암모니아 협의체’가 발족한 바 있다. 

정부, 수소・암모니아 발전 추진
정부가 지난해 10월 확정・발표한 ‘2030년 NDC 상향안’에는 2030년 암모니아 발전이 총발전량의 3.6%(22.1TWh)로 반영됐다. ‘2050 탄소중립 시나리오’에도 무탄소(수소・암모니아) 가스터빈 발전이 2050년 총발전량의 13.8~21.5%로 반영되었다.

정부는 이와 연계해 2030년까지 암모니아 혼소(20%) 발전을, 2035년까지 수소 혼소(30% 이상) 발전을 상용화해 기존 석탄발전과 LNG발전을 업그레이드할 계획이다. 

산업통상자원부는 수소・암모니아 발전 상용화를 추진하기 위해 지난해 11월 한국전력, 발전공기업과 함께 ‘수소・암모니아 발전 실증추진단’을 발족했다. 실증추진단에는 포스코, GS에너지, 두산에너빌리티, 현대중공업파워시스템, 롯데정밀화학, 한화임팩트 등 민간기업도 참여하고 있다. 

 

해외에서도 수소발전 실증이 활발히 추진되고 있다. 

미국은 바이든 정부의 수소 기금(1조6,000억 원) 중 1%를 수소 터빈발전 R&D에 배정했고, 일본은 2050년 탄소중립 비전을 선언하면서 2050년 수소 소비 2,000만 톤을 목표로 하고 있다. 지멘스 등 유럽의 주요 기업들은 LNG발전의 단계별 연료전환과 수소터빈 기술개발에 노력하고 있다. 

암모니아 발전의 경우 일본은 발전 전 분야(석탄, LNG, 연료전지)에서 암모니아 연소기술에 대한 기초 실증을 완료한 데 이어 2024년까지 1GW급 석탄발전소 혼소 실증을 완료할 계획이다. 일본 경제산업성 로드맵(2021년 2월)에 따르면 발전소의 연료로 2030년 300만 톤, 2050년 3,000만 톤의 암모니아를 사용할 계획이다. 

 

국내의 ‘수소・암모니아 발전 실증추진단’은 2024년까지 ‘가스터빈 수소 혼소 한계평가 및 연소 최적화 기술개발’, ‘Carbon-Free 친환경 암모니아 발전 기술개발’ R&D 과제를 완료할 예정이다.

한전과 전력연구원은 올해 전력연구원 내에 수소・암모니아 공급・안전설비, 연소시험 장치 등 추가 시험 설비를 구축해 실증에 착수하고, 2023년에는 최적 혼소 운전기법을 도출해 실제 석탄・LNG 발전소에서 적용할 수 있는 ‘수소・암모니아 발전 가이드’를 마련할 계획이다. 

전력연구원 내에는 석탄발전(500MW급)의 1/1,000 규모 수준의 실물 설비와 3종의 가스터빈 실물 연소기가 구축되어 있어 수소・암모니아 발전 파일럿 실증이 가능하다. 

전력공기업과 민간기업은 올해 1월부터 ‘Carbon-Free 친환경 암모니아 발전기술 개발 R&D’를 추진하고 있다. 두산에너빌리티와 현대중공업파워시스템은 암모니아 혼소 발전설비 구축 방안을 도출하고, 롯데정밀화학은 대규모 암모니아 연료공급을 위한 구축망을 마련할 예정이다. 

 

 

특히 국내 석탄・LNG발전을 대상으로 수소・암모니아 혼소・전소 발전 상용화에 속도를 낼 계획이다. 

수소발전은 2028년까지 150MW급 50% 혼소 실증을 완료하고, 2035년에는 30% 이상 혼소를 상용화해 2040년에는 30~100% 혼소 또는 전소를 목표로 하고 있다. 

암모니아발전은 2027년까지 20% 혼소 실증을 완료하고, 2030년에는 전체 석탄발전(43기)의 절반 이상(24기)에 20% 혼소 발전을 적용해 상용화할 계획이다. 

산업부는 올해 ‘수소・암모니아 발전 로드맵’을 마련하는 한편 석탄발전에 암모니아 혼소 발전을 실질적으로 적용하기 위한 대용량 암모니아 저장 인프라 구축에 착수할 예정이다. 

암모니아 저장시설 구축은 총 400억 원(정부 240억 원) 규모의 공모사업으로 추진한다. 2,400만 갤런(약 3만 톤) 규모로, 이는 1GW급 석탄발전에 암모니아 20% 혼소 발전 시 15일간 사용할 수 있는 양이다. 

청정수소 생산과 수소발전을 활성화할 수 있는 법적 기반도 확보했다. ‘청정수소발전의무화제도(CHPS)’와 ‘청정수소 인증제’ 도입을 주요 내용으로 하는 수소법 개정안이 지난 5월 29일 국회 본회의를 통과했다. 정부는 발전 분야부터 CHPS 제도를 도입해 산업(철강, 석유화학 등)과 운송(수소충전소) 분야로 청정수소 사용 의무화를 확대할 계획이다. 
 
발전공기업, 실증사업 본격화
발전공기업 중 한국서부발전과 한국남부발전이 수소발전을 상용화하기 위해 가장 발 빠르게 움직이고 있다. 

 

한국서부발전은 한화임팩트와 업무협약을 맺고 2025년까지 70% 이상의 수소 혼소 실증을 추진할 계획이다. 

1단계로 557억 원을 투입해 국내 최초로 폐지된 평택 1복합 E급 가스터빈(80MW)을 활용해 올해 7월부터 2023년 3월까지 수소 50% 혼소 발전 실증연구를 추진하고 있다. 지난해 12월 말 수소 혼소 발전 실증 시험설비 기본설계를 완료하고, 올해 4월 평택 1복합 가스터빈과 부속설비를 해체해 한화의 대산사업장(충남 서산시 대산읍)으로 이송한 후 수소 혼소가 가능하도록 연소기 교체 및 연료공급・연소제어시스템 개조를 진행했다.   

수소는 높은 화염 온도, 빠른 화염속도, 비선형 연소, 작은 밀도와 분자량 등의 고유 특성으로 인해 천연가스보다 안정적인 연소가 어렵다. 이러한 기술적 문제를 해결하기 위해 실증 시험설비에 화염 역화 방지기술과 NOx 증가 억제기술을 적용했다. 또 수소 혼소 전용 제어기 추가 적용, 천연가스와 수소 연료 혼합 모듈 개발, 연료 공급라인 리사이징(Re-sizing) 등으로 연료공급・연소제어시스템을 개선했다.  

 

서부발전은 지난 5월 23일 수소 혼소 발전 실증 시험설비 건설공사에 착공해 내년 2월까지 가스터빈・부속설비 이설 및 실증설비 구축을 완료하고, 3월부터 실증 운전에 들어간다는 계획이다. 한화의 대산사업장에서 부생수소를 공급받기 위한 파이프라인도 설치한다. 실증 운전 시 생산되는 전력은 전력계통에 연계하지 않고 로드 뱅크(Load Bank)로 소모한다. 

1단계 실증에서는 수소 혼소율 50% 이상, 질소산화물 배출량 10ppm 이하, 수소 혼소 이전 대비 CO2 20% 이상 저감, 가스터빈 성능 기존 대비 동등 수준 또는 이상을 달성한다는 목표다.    

  
서부발전은 2단계로 400억 원(추정) 규모의 정부 연구과제에 참여해 2023년 5월부터 2025년 4월까지 서인천복합 가스터빈 1기(F급, 150MW)로 수소 70% 이상 혼소 발전 실증사업을 추진할 예정이다. 

수소 혼소율 70% 이상, 질소산화물 배출량 10ppm 이하, 수소혼소 이전 대비 CO2 40% 이상 저감을 목표로 하는 2단계 실증에서는 계통연계를 통한 부하추종 운전 및 연소 안정성과 유연 발전원 역할을 검증하고 수소 혼소에 따른 경제성을 평가할 계획이다. 또 수소 혼소 비율 증가에 따른 신소재, 냉각 등의 하이테크 기술 개발 및 실증을 진행할 예정이다.  

가재규 한국서부발전 발전운영실장은 “올해 5월 기준으로 국내 총 161기의 가스터빈이 운영 중인데, 수소 혼소 발전 실증이 성공하면 이들 가스터빈 전량에 수소 혼소 발전기술을 적용할 수 있을 것”이라며 “이를 통해 ‘2030년 국가 온실가스 감축 목표’와 ‘2050년 탄소중립 시나리오’의 무탄소 가스터빈 발전량 목표(166.5TWh) 달성에 기여하고, 대규모의 수소 수요 창출은 물론 국내 중소기업과의 협업을 통한 수소 혼소 기술 자립과 세계 수소발전시장 진출이 가능할 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.    

 

한국남부발전은 운영 중인 석탄발전소를 활용해 암모니아 혼소 발전기술을 개발해 2024년 이후 암모니아 20% 혼소 발전 상용화를 추진할 계획이다.

이를 위해 올해 3월 정부 공모사업(대용량 암모니아 저장 인프라 구축사업)에 선정되어 ‘암모니아 발전기반 인프라 구축사업’을 추진하고 있다. 2024년 9월까지 추진하는 이 사업은 1,000MW USC 1호기 암모니아 20% 혼소발전용 3만 톤급 액화 저장탱크 및 관련 인프라를 구축하는 사업으로, 총 400억 원(정부 240억 원, 자체 예산 160억 원)의 사업비가 투입된다.  

남부발전은 이번 사업을 위해 △남해화학, 삼성물산과 해외 청정수소・암모니아 공동 사업개발 협약 △한전-발전 5사 암모니아 혼소 기술 통합연구개발 협약 △석유공사・삼성물산・포스코 등과의 동해권역 암모니아 허브터미널 구축 협약 등의 협력체계를 구축하고, 올해 6월 이사회에서 암모니아 혼소 발전 인프라 구축사업을 의결했다. 

오는 9월 기본설계에 착수해 2023년 10월 착공, 2025년 8월 준공을 목표로 하는 이번 사업은 △하역부두 보완(계류시설 방충재, 선박 고정・풀림설비, 접안 보조시스템, 부두 승하선설비) △인수설비 설치(암모니아 이송 로딩암, 액화 암모니아 공급 배관, 기화 암모니아 리턴 배관, 누출 경보・차단장치) △저장설비 설치(3만 톤급 저온 저장탱크, 탱크→보일러 이송 펌프, 열교환기 형식 기화기, 전기・운전・제어 등의 부대설비) △혼소 기술개발(노 내 연소 거동성 분석, 최적 운전조건 도출, 연료・연소설비 개선, 암모니아 혼소 발전 실증) 등 크게 4가지로 구분된다.   

 

남부발전을 포함한 전력그룹 6개사와 두산에너빌리티 등 민간기업 8개사가 참여하는 ‘Carbon-Free 친환경 암모니아 발전기술개발’ R&D 과제를 통해 2024년 8월부터 암모니아 혼소 발전기술 실증에 착수해 단계적으로 혼소율을 상향, 2028년 7월부터 암모니아 20% 혼소 발전을 상용화한다는 계획이다.    
  
수소발전 활성화하려면
수소・암모니아 발전의 활성화를 위해서는 기술 실증뿐만 아니라 경제성과 안전성 확보가 관건으로 보인다. 

가재규 한국서부발전 발전운영실장은 “수소 혼소 발전을 활성화하기 위해서는 우선 경제성이 확보되어야 한다”라며 “전력시장 운영규칙을 개정해 해당 수소발전량에 대한 수소와 천연가스 가격의 차액 보상 등 수소 혼소 시 정산방법을 마련하고, 복합발전기 기동 순위와 관계없이 수소 혼소 발전기에 대해 기동 우선순위를 부여해 원가 경쟁력을 확보토록 제도개선이 필요하다”고 밝혔다. 

그는 이어 “매몰자산의 최소화를 위해 노후 복합 발전소 대상 수소 혼소 실증 및 상용화 시 10년 이상 발전소 운영을 연장해주길 건의한다”라며 “또 인허가 시 온실가스 감축 실증연구에 대한 환경영향평가를 한시적으로 제외하고, 환경영향평가 제외 대상 사업에 온실가스 감축 실증사업을 추가해 수소 혼소 발전 상용화 기술개발 소요시간을 단축할 필요가 있다”고 밝혔다.     

이종민 한전 전력연구원 무탄소발전연구실장은 “수소・암모니아 발전기술의 실현에 가장 큰 영향을 미치는 것은 수소의 수급과 경제성이다. 현재 수소는 다른 연료보다 매우 높은 가격과 이송・저장에 대한 낮은 기술성숙도로 인해 당장 혼소율을 높여 상업화하기에는 다른 기술 대비 온실가스 저감의 이익보다는 발전원가의 상승에 더 큰 영향을 미칠 것으로 보인다”라며 “이에 따라 암모니아의 직접 활용 또는 암모니아로부터 수소 추출을 통한 활용의 경제성 등이 판단되기 때문에 다양한 시나리오를 기반으로 수소・암모니아 가스터빈의 기술개발과 상업화를 위한 계획이 마련되어야 할 것”이라고 말했다.

그는 이어 “수소의 폭발성과 암모니아의 유독성에 대한 문제가 있기에 이의 안전한 취급과 활용, 문제 발생 시 대처방안까지 지역주민의 수용성 확보 대책이 강구되어야 할 것”이라고 밝혔다.   

김재경 에너지경제연구원 연구위원은 지난 2021년 11월에 발행한 ‘시장주도형 수소경제 조기 정착을 위한 전략 연구’ 보고서를 통해 “‘청정수소 의무사용제’가 청정수소 시장 형성에는 기여할 수 있겠지만 청정수소 비즈니스의 수익성 증진에는 한계가 있다”라며 “EU의 프리미엄 수소 인증제를 구성하고 있는 CertifHy 수소 원재료 보증서(GO) 거래제도 등을 참조해 한국형 청정수소 인증제와 연계한 가칭 ‘청정수소 공급인증서’ 거래제도를 도입할 필요가 있다”고 밝혔다.

이동훈 두산에너빌리티 GT연소기개발팀장은 “수소발전을 활성화하기 위해서는 청정수소발전의무화제도가 조기에 정립되어 수소연료 경제성 확보 시점까지 연료 가격을 보전하고 수소발전소에 급전 우선순위를 부여하는 등의 정책적 지원이 이루어져야 한다”라며 “2030 NDC 목표 달성과 수소연료 경제성 확보를 위해서는 ‘제10차 전력수급기본계획’에 수소발전을 대폭 반영할 필요가 있고, 수소발전 분야 국책 연구과제의 예산을 증대해 연구개발을 활성화해야 한다”고 밝혔다.