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업체동정 (스페셜테크놀로지)탄소중립 실현을 위한 수소·암모니아 발전 기술 현황 및 전망

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 910회 작성일 22-10-12 14:28

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1. 무탄소 발전 기술의 도입 배경

전 지구적 기후변화에 대한 능동적 대응을 위해 교토의정서(1997) 체제에서 파리협정(2015)을 체결하고, 신 기후체제로의 전환을 천명하였다. 이를 기반으로 2050 탄소중립 목표 달성을 위해 세계 모든 국가에서 산업 전 분야에서 온실가스 저감 방안 마련 및 실현을 위해 노력하고 있다.

이에 우리 정부는 지난 2019년 12월 ‘녹생성장기본법’을 개정하고, 2020년 10월 국회연설을 통해 대통령령으로 ‘2050 탄소중립’을 선언하였으며, 2021년 10월 상향된 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC1))를 유엔기후변화협약 사무국에 제출하였다. 이러한 국제적 약속을 지키기 위해 정부에서는 범부처 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 2019년 1월 발표하고, ‘수소발전 의무화제도(HPS2))’ 도입을 추진하고 있다. 또한 2021년 11월 산업통상자원부 제2차 탄소중립 산업 전환 추진위원회에서 탄소중립 R&D 17개 중점 분야의 핵심 기술을 제시하였으며, 2030년까지 청정연료 기반(수소, 암모니아) 무탄소 발전 기술을 신속한 연구 개발을 통해 상용화를 추진한다고 발표하였다. 이에 ‘수소·암모니아 발전 실증 추진단’을 발족하고, 한전은 발전 그룹사와 공동으로 2027년까지 암모니아 혼소 실증 완료 및 2030년까지 전체 석탄발전(43기)의 절반 이상(24기)에 20% 혼소 발전을 적용해 상용화할 계획이다.

에너지 수입국의 입장에서 탄소중립을 달성하기 위해 무탄소 전원을 심도 있게 검토하고 있는 일본의 경우도 우리와 비슷한 상황이다. 일본 정부도 ‘제6차 에너지기본계획(2021.10.22 각의 결정)’에서 비효율 석탄화력발전소의 점진적 폐지로 화석연료 기반 전원 비중을 축소시키면서 수소·암모니아(1%)를 새롭게 추가하는 내용의 2030년 전원 구성안을 제시하였다.3) 추가로, 저렴한 수소·암모니아를 안정적으로 대량 공급하기 위해 호주·인도네시아를 통한 해외 공급망을 구축하고, 국내 자원을 활용한 수소 제조 기반을 확립하기로 하였다. 또한, 일본 정부는 2050년 탄소중립 실현을 위한 기업의 탈탄소화 연구 개발·실증을 지원하기 위해 NEDO 산하에 2조엔 규모의 ‘그린이노베이션 기금’을 조성하였다.4) 경제산업성은 기금 활용에 있어 수소·암모니아 산업은 ‘에너지 구조 전환’으로 분류되어 구체적인 투자 계획을 수립하였다.5) 일본은 JERA를 중심으로 가스복합화력발전소를 대상으로 2025년부터 부피 기준으로 LNG 약 30%를 수소로 전환하여 발전을 시작할 것이며, 석탄화력발전소는 IHI와 협력하여 대상으로 2030년까지 자사 보유 석탄화력발전소의 암모니아 혼소율 20%를 달성하고, 2040년대에 100 % 암모니아 연소 기술 확립 계획을 수립하였다.6)

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최근 유럽에서 발표한 EU Green Taxonomy는 무탄소 발전 기술 조기 도입의 필요성을 부추기고 있다. 주요 골자는 가스터빈 복합발전의 경우도 효율 개선과 수소/암모니아 등 무탄소 연료를 기반으로 발전하여 온실가스(GHG) 배출량이 270g CO2/kwh 이하의 경우 친환경 전원으로 인정을 공표하였다. 이 기준으로 보면 국내 대부분의 복합화력발전소는 기준을 만족하지 못하며, 일부 최신 기종의 경우도 수소 또는 암모니아를 30%vol으로 혼소해야만 달성할 수 있는 수준이다. 
선진국 대열에 합류한 한국과 일본은 에너지 수입국의 입장에서 탄소중립 달성을 위한 막대한 투자는 국가경제 전반의 위기인 것은 자명한 사실이다. 하지만 국가 에너지 계획에서 2050년 기준 21. 5% 수준의 무탄소 전원 비중을 통해서 기존 화석연료를 대신하는 신에너지 관련 시장 확대에 대한 기회 요인도 있으며, 에너지 전환 과정에서 다양한 대내외 에너지 수급 상황 및 기술 개발 수준을 고려한 투자 효율성을 심도 있게 고민해야 하는 숙제도 있음을 예측할 수 있다.


2. 무탄소 발전을 위한 대상 연료 및 기술 개발 수준

수소(H2) 및 암모니아(NH3) 발전은 모두 무탄소 발전의 큰 카테고리에서 이해되고 있으며, 암모니아는 수소 캐리어로서의 화합물로 이송, 저장 및 활용의 용이성을 고려한 연료로 평가되고 있다.

무탄소 연료를 최종적으로 활용하기 위해서는 생산, 수송, 저장의 단계를 거쳐 발전기로 공급되는 양과 품질에 따라 다양하게 활용하는 방안이 논의될 수 있다.

수소의 생산은 크게 ① 재생에너지로부터 생산되는 방식과, ② 기존의 화석연료로부터 생산하고 부수적으로 발생하는 CO2를 포집, 처리하는 기술, ③ 화석연료로부터 생산되나 CO2 발생 대신 고체 Carbon으로 추출하여 활용하는 기술, ④ 원자력을 이용한 방식 등을 포함한다. 기존의 화석연료로부터 생산되는 수소에 명명된 그레이(Grey) 수소에 대비해 각각의 기술로부터 생산된 수소를 ① 그린(Green), ② 블루(Blue), ③ 청록(Turquoise) ④ 레드(Red) 수소라 칭하고 있다.

미국 등과 같이 풍부한 부존자원과 재생에너지원을 기반으로 그린수소가 생산되고, 그렇게 생산된 에너지는 지하 가스전(소금광산) 등에 장기 보관하였다가 발전용 연료로 전용이 가능하다. 하지만 한국과 일본의 경우는 부존자원도, 재생에너지원도 부족하여 다양한 방법으로 무탄소 전원을 도입 계획을 수립해야 하는 실정이다.

해외에서 생산된 그린수소를 국내로 이송하는 방안으로 1) 수소를 액화하는 방안, 2) 수소와 질소를 반응시켜 암모니아로 전환하여 운송하는 방법, 3) 수소를 유기화합물(CmHm)과 반응시켜 액상유기수소운반체(LOHC:Liquid Organic Hy drogen Carriers)로 이송하는 방법 등 실증 프로젝트 검증이 진행 중에 있다.

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마지막 단계로 수소를 저장하는 방안은 수송 단계의 방법과 연계되어 고려해야 한다. 활용단에서 필요한 에너지 용량(이용률 포함)을 고려하여 그 방식이 결정 가능하며, 여기서 논의되는 기존 발전설비를 이용하는 무탄소 전원의 측면에서는 액체 형태의 수소 또는 암모니아로의 대용량 공급이 주요한 방법으로 논의되며, 수십만 톤의 암모니아 저장 설비는 국내 삼척에서 실증 연구가 진행 중이다.

이렇게 국내에 공급되어 대용량으로 저장된 무탄소 전원은 발전용 가스터빈과 보일러 설비를 이용하여 발전원으로 활용이 가능하다. 상용급 기술로는 최신 기종 가스터빈의 경우 수소 혼소율 50% 수준 이상의 혼소가 가능한 것으로 알려져 있으며, 기존 F급 가스터빈에 대해서도 하드웨어 변경 없이 20~30%vol 수준으로 혼소가 가능한 것으로 보고되고 있다.8) 국내에서도 전력연구원에서 울산, 세종, 서인천 복합화력발전소를 대상으로 15 %vol 수소 혼소 실증 연구를 추진 중에 있다. 암모니아 연료를 대상으로 유동층, 기력 보일러, 가스터빈에 대한 혼소 실증 연구도 한전과 발전사 공동으로 진행 중이다.  


3. 탄소중립을 달성하기 위해 적정 경로 설정

전 세계적으로 탄소중립 목표의 달성 시점은 2050년경으로 합의되었다. 다만, 목표 지점까지 도달하는 경로는 국가별 목표 지점, 요소 기술의 성숙도, 에너지 수급 상황, 주민 수용성 등에 따라 다양하게 검토가 진행 중이다. 한 예로 미국의 경우 국가적인 에너지 자원의 가용성을 종합 검토하는 프로그램[U.S. Regional Economy, Greenhouse Gas, and Energy(US-REGEN) Model]을 근간으로 탄소중립 최적 경로를 선정하고, LCRI(Low Carbon Resource Initiative)라는 정부 지원 대형 프로젝트를 통해서 탄소중립 정책을 이행해 나가고 있다.9)

한국의 경우도 탄소중립으로 가는 경로의 설정은 현재 기준(기술 수준, 연료 가격 추이, 무탄소 연료의 생산/수송/저장 비용)으로 국가의 에너지 정책(전원 구성 비율)에 맞춰 무탄소 발전 분야의 적정 기술을 정의화하는 것이 필요하다.

이렇게 정의된 탄소중립 경로는 두 가지 시사점을 제공한다. 첫째, 탄소중립으로 가는 가장 비용 효율적인 경로를 파악할 수 있다. 둘째, 정부 정책 수립 및 에너지 기업들의 사업 모델 구상 시 가이드라인을 제공할 수 있다. 즉, 탄소중립이 필요하다고 탄소 배출을 줄일 수 있는 여러 가지 기술 개발이 경제성 검토 없이 진행되는 사례를 예방할 수 있다.

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전력연구원에서는 무탄소 발전원의 비중 확대를 위해 1) 무탄소 연료의 생산 비용, 2) 수송을 위한 에너지 전환 비용, 3) 수소 비용, 4) 저장 비용, 5) 에너지 활용 비용, 6) 에너지 수급 상황, 7) 이자율 등을 종합적으로 검토하여 탄소중립 경로에서의 시기별 적정 기술을 분석하였다.

주요 분석 결과로 가스터빈에 수소 사용에 따른 탄소 저감 비용보다 보일러에 암모니아 사용에 따른 탄소 저감 비용이 적었다. 단기적/중기적으로는 석탄화력 보일러에 암모니아를 적용하여 온실가스를 감축하는 방안과 중장기적으로는 효율이 높은 가스터빈에 암모니아 개질 연료를 사용하는 기술, 궁극적으로는 암모니아 직접 연소 방식이 탄소 저감 비용 측면에서 효율적인 방안으로 분석되었다.

이러한 기술 개발의 방향성에 근거하여 한전 전력연구원은 발전 4사(남부발전, 중부발전, 서부발전, 동서발전)과 공동으로 운영 중인 F급 가스터빈(150MW급)을 대상으로 수소 저농도(-15%vol) 혼소 기술을 개발 중에 있다. 본 연구 과제를 통해 국내 운영 중인 F급 이하(50GW 용량) 100여 기 가스터빈을 대상으로 세 개의 대표 기종 가스터빈을 선정하고, 실 규모 연소기를 사용하여 수소 혼소 한계 특성을 평가하고, 연소 최적화 및 실증 방안을 도출할 예정이다. 한전 전력연구원에서는 수소뿐만 아니라 무탄소 전원의 경제성 확보를 위해 2022년 2월 본격적으로 석탄화력(미분탄 및 유동층) 및 가스터빈을 대상으로 암모니아 혼소 시험을 통한 실증 안을 도출하는 연구 개발을 착수하였다. 이를 통해 30개월 동안 암모니아의 혼소로 인해 발생하는 연소 불안정성을 해소하고, NOx 발생의 최소화를 구현할 수 있는 기술을 개발함과 동시에, 20% 혼소 목표 실증을 위한 공급망 구축안 그리고 발전소 개선안 등의 혼소 종합 대책안을 마련할 예정이다.

본 암모니아 혼소 기술 개발 과제는 한전 및 발전 5사를 비롯해 GS동해전력 및 삼척블루파워의 민간 발전 2사, 중공업 2사(두산중공업, 현대중공업파워시스템) 및 암모니아 공급 3사(롯데정밀화학, SK가스, Tenex-Korea) 그리고 POSCO를 대표해 참여한 RIST 등 총 14기관이 협력 연구 기관으로 참여하고 있다. 연구 개발이 진행되는 동안 대학 및 출연연 그리고 타 민간 기관의 참여가 추가될 것이며, 범국가적인 암모니아 혼소 발전 기술 개발의 플랫폼 역할을 할 것으로 기대된다. 본 연구 개발을 기반으로 2027년까지 암모니아 혼소 실증을 통해 2030년 NDC 달성을 위한 기술 상용화 및 확대 보급을 지원할 예정이며, 향후에는 암모니아 혼소율을 점차 높이기 위한 버너 및 연소기 개발을 통해 국가 탄소중립 목표 달성에 한걸음 더 다가갈 수 있는 발전 기술 구현에 기여할 것이다.


4. 결 언

무탄소(수소·암모니아) 발전 기술의 상용화를 위해서는 연구 개발을 통한 수소 및 암모니아 혼소 발전 기술 구현뿐 아니라 발전 경제성 확보 및 발전소 인근 주민 수용성 문제와 같은 사회적 문제 해결이 선행되어야 한다. 무탄소 연료의 생산/수송/저장 기술의 성숙도는 무탄소 발전원의 적용에 따른 탄소 배출 비용 절감에 기여할 것이다.

해당 기술이 탄소중립 경로 상에서 적정 기술로 성숙되기 전에는 경제성 측면에서 손익분기 가격에 미치지 못하는 부분은 정부 정책의 인센티브(CHPS 등)를 통해 정책적 지원이 필요하며, 수소 및 암모니아 운영 및 취급 등에 있어 폭발성, 유독성 등에 대한 기술적 보완책을 마련하고, 안전을 최우선으로 한 발전 연료 전환을 이루도록 노력해 사회적 수용성을 확보해야 한다.

끝으로 발전 분야의 수소 및 암모니아 연료 활용을 통해 탄소중립을 달성에 기여하고, 지속 성장 가능한 발전 분야의 새로운 기술적 시발점이 되길 기원해 본다.


1) NDC(Nationally Determined Contribution) : 국가결정기여
2) HPS(hydrogen energy portfolio standard) : 수소발전 의무화 제도
3) 経済産業省,「第6次エネルギー基本計画」, 2021.10.22

4) 経済産業省, グリーンイノベーション基金事業の今後の進め方について, 2021.2.22
5) 経済産業省, グリーンイノベーション基金事業の今後の進め方について, 2021.4.6
6) 日本経済新聞, 2021.10.18

7) 참조 자료 : Kobayashi et al., Proceedings of the Combustion Institute(2019)

8) https://www.power-eng.com/hydrogen/mitsubishi-reports-success-in-hydrogen-blend-test-using-georgia-power-m501g-turbine/#gref

9) http:://www.epri.com/lcri


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