수소터빈

수소터빈은 가스터빈을 사용해 기존 LNG와 수소를 섞은 연료를 연소하는 과정에서 생성되는 고온·고압의 가스를 팽창시켜 발전기를 구동해 전기를 생산하는 장치다.

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개요

발전용 가스터빈은 압축된 공기와 연료를 태워 고온·고압의 연소가스를 만들고, 이를 통해 발전기를 돌려 전기를 생산하는 장비다. 더 진화된 개념인 수소터빈은 기존 연료인 LNG 대신 수소를 사용해 운영하는 가스터빈이다. 물론 아직까지는 혼합 연료로 LNG를 사용하지만 여기에 수소를 더하고 궁극적으로는 수소만으로 가동되는 발전용 터빈을 만드는 것을 목표로 한다. 따라서 수소터빈은 무탄소 수소 연료를 기존 연료에 혼합 적용해 온실가스 배출을 추가적으로 저감하는 친환경 발전기술이라고 할 수 있다. LNG를 연료로 하는 가스터빈으로부터 수소터빈으로의 전환을 위한 기술개발이 성공적으로 이뤄질 경우 향후 대용량의 수소 인프라를 활용하면서 저탄소 대규모 발전원 구축이 가능하다.

특징

연소 기술

혼소

수소를 이용해 전력을 생산하는 방법은 크게 두 가지다. 하나는 수소자동차와 같이 연료전지를 사용하여 전기를 만드는 방법으로, 기본적인 구조는 탱크 안의 수소와 공기 중의 산소를 화학 반응시켰을 때 발생하는 에너지로 전기를 발생하고 그 전기로 모터를 돌려 차량를 움직이는 것이다. 수소를 이용한 전력 생산의 다른 하나는 수소를 연소해 가스터빈을 돌려서 전력을 생산하는 방법으로, 아주 전통적인 방식이라고 할 수 있다. 연료와 압축된 공기가 연소하면서 발생한 고온·고압의 기체가 터빈을 매우 빠른 속도로 돌려서 전력을 생산하는 원리인데, 대게 가스터빈을 이용한 발전은 40%의 열효율을 보이고, 배출되는 가스의 열을 한 차례 더 이용하는 가스터빈 복합발전을 하면 60%의 효율로도 전력을 생산할 수 있다. 이런 가스터빈 발전의 연료로는 주로 액화천연가스(LNG)가 사용되고 있다. 하지만 수소만을 이용하는 가스터빈을 개발하는 데에는 부담이 커, 과도기에는 천연가스와 수소를 혼합해 사용하는 혼소 발전 방식이 제시되었다. 연료의 10~50% 정도를 수소, 나머지는 천연가스를 사용하는 것이다. 가스터빈에 수소를 적용하는 방법은 저·고농도 혼소로 구분 가능하다. 저농도 혼소는 기존 가스터빈에 허용 가능한 범위인 최대 30%의 수소를 기기 변경없이 천연가스와 혼합 연소하는 방법으로 단기 확보가 가능한 저비용 수소 발전 기술이다. 가스터빈 제작사들에 따르면, 기존 가스터빈에 5~30% 수준(부피 기준)의 수소 혼소가 가능하다. 고농도 혼소는 기존 가스터빈의 연소시스템을 개조하여 50% 이상의 수소 혼소가 가능하게 하는 방법으로 기존 인프라를 최대한 활용할 수 있는 전략이다. 수소 혼소 비율이 높을수록 온실가스 배출 저감 효과는 커지는데 50% 혼소 시, 기존 대비 20% 수준의 이산화탄소 배출이 낮아진다. 수소 50% 혼소의 경우 기존 대비 온실가스 배출 저감량은 약 20% 수준이다. 기존 천연가스용 가스터빈을 일부 개조하면 이렇게 혼합된 연료를 연소할 수 있어 비용을 크게 절감할 수 있다. 뿐만 아니라, 10년 이상 노후화된 천연가스 가스터빈도 수소 혼소 가스터빈으로 개조할 경우, 사용수명도 늘릴 수 있어 교체비용을 절감할 수 있다. 이런 장점 때문에 이미 미국과 독일, 일본 등 가스터빈 제조기업들은 수소 혼소가 가능한 가스터빈을 개발해 상용화까지 마친 상태다.

단일 수소

수소도 가스터빈의 연료로 사용할 수 있지만, 천연가스와 수소의 연소 특성이 달라 수소 특성에 맞는 새로운 가스터빈이 필요하다는 것이 문제다. 또, 수소 특성에 맞는 새로운 가스터빈을 개발하는 일은 상당히 어렵다. 발전용 대형 가스터빈을 제조하는 데 큰 비용이 들고, 뿐만 아니라 가스터빈 제조 기술은 쉽게 공유하지 않는 기술이기 때문이다. 신규 가스터빈의 개발을 통해 100% 수소 연소를 구현하는 수소 전소는 분산형 발전을 위주의 수소 발전 전략에 적합하다. 수소 가스터빈은 무탄소 연료인 수소와 공기를 연소하여 전기를 생산하기 때문에 온실가스가 배출되지 않는다. 수소는 기존 가스터빈 연료인 천연가스와 비교할 때 특성이 크게 다른데, 천연가스의 부피발열량은 약 1/3 정도 작으며, 질량발열량은 2.4배 크고, 층류화염속도는 약 4배 이상 빠르다. 수소연료 특성으로 인해 연소기 내 화염의 거동이 크게 달라진다. 특히 수소 연소 시에는 화염이 연료 노즐 가깝게 위치하거나 노즐 안쪽으로 진입하여 연소기 소손을 유발하는 역화가 발생되는 경향이 있다. 이를 방지하기 위해 마이크로 연료 노즐을 다수 적용한 멀티젯(multi-jet) 형식의 연소기 개발이 선진 제조사를 중심으로 이뤄지고 있다. 반면 수소의 강한 반응성으로 인해 가스터빈 저부하 운전 안정성이 확대된다는 점은 전력계통 안정화를 위해 수소 가스터빈을 활용 가능하게 한다. 수소 가스터빈 기술의 구현을 위해서는 연소기술의 최적화와 수소 연소기 개발이 무엇보다 중요하다.

문제점

화염 역화

수소터빈을 개발하기 위해서는 화염 역화(flashback) 현상을 억제할 연소 기술이 필요하다. 수소와 천연가스는 서로 연소하는 특징이 다르다. 특히 수소는 천연가스와 같이 탄소수소 계열의 연료보다 화염이 전파되는 속도, 조금 더 구체적으로 말하면 층류화염속도가 매우 빠르다. 그렇다 보니 수소가 연소되면서 순간적으로 커지는 화염이 연료가 주입되고 있는 노즐까지 역행하면서 손상을 입히게 된다. 이를 막기 위해서는 화염 역화에 대한 데이터베이스를 구축하고 정확히 예측해야 한다. 다만, 역화는 단순히 수소와 천연가스 혼합연료의 본래 성질보다, 연소실 내에 형성되는 기체의 흐름에 따라 크게 달라지는데, 제각기 다른 연소실 내 흐름을 정확히 파악하는 건 꽤 어려운 일이다.

질소산화물 배출

수소터빈을 제대로 개발하기 위해서는 대기오염 물질인 질소산화물(NOx) 배출 문제를 해결해야 한다. 현대의 발전용 가스터빈에서 질소산화물은 실시간으로 모니터링되는 가장 중요한 연소 특성 가운데 하나다. 질소산화물은 연소장의 온도가 높아질수록 더욱 많이 배출되는데, 수소는 천연가스보다 화염온도가 높다. 그래서 질소산화물 배출을 줄이기 위해서는 적정한 수소 혼합 비율을 찾거나, 또는 추가적인 장치를 이용해 배출되는 질소산화물을 줄여야 한다.

연소불안정

연소불안정 문제도 해결해야 한다. 수소를 많이 혼합할수록 기존 100% 천연가스를 연소한 것보다 화염의 길이가 짧아지고 화염의 형상도 크게 바뀐다. 이런 변화에 따라 연소 현상이 불안정하게 일어나기도, 반대로 더 안정적으로 일어나기도 한다. 수소를 얼마큼 혼합했을 때 안정적으로 연소가 이뤄지는지 정확히 파악할 필요가 있다.

현황

해외

주요 가스터빈 제조사들의 수소 혼소 및 전소를 위한 연구개발은 이미 상당한 수준에서 활발히 진행중인 것으로 분석되고 있다. 제너럴일렉트릭(GE)의 가스터빈 기종(7HA.03)과 미쓰비시그룹의 기종(M501JAC)은 2025년 50% 수소 혼소를 목표로 하고 있으며, 지멘스(Siemens AG)의 기종(SGT6-9000HL)과 두산중공업㈜의 기종(DGT6-300H S2+)도 2025년 30% 수소 혼소를 목표로 기술이 개발되고 있다. 제러럴일렉트릭, 지멘스, 미쓰비시 등 메이저 3사의 경우 대용량 가스터빈의 실증사례는 없지만 산업용 가스터빈(10MW급 이하)에는 혼소율 30%까지 실증이 진행중이며, 항공기 엔진 등에 대한 수소전소 실증도 하고 있는 것으로 알려졌다. 이들 3사는 대용량 발전용 가스터빈의 수소전소는 2030년까지 개발할 계획을 갖고 있다. 전 세계적으로 수소혼소 가스터빈의 상업운전도 늘어나고 있다. 네덜란드에 있는 다우-듀폰의 열병합발전소와 미국 인디애나에 있는 복합화력발전소는 기존의 노후 가스터빈을 개조해 5∼30% 수소를 넣은 수소터빈을 상업운전하고 있다. 또 고온 연소로 발생하는 미세먼지인 질소산화물(NOx)도 수소 65% 혼소시 9ppm 이하로 감축할 수 있는 기술이 개발되는 등 별도의 선택적 촉매반응(SCR) 장착없이 질소산화물 배출량을 규제치 이하로 줄일 수 있는 수준에 도달한 것으로 알려진다.

국내

수소터빈은 2022년 1월 기준 대한민국 전력 생산량의 약 26%를 차지하는 기존 LNG 복합발전 가스터빈의 일부만을 개조 또는 새로 제작해 사용할 수 있다. 재생에너지의 확대 속도에 맞춰 LNG와 수소를 탄력적으로 혼합해 발전할 수도 있다. 이 기술은 재생에너지의 문제점으로 지목되고 있는 간헐성에 대응하고 탄소중립으로 가는 과정에서 발생할 사회·경제적 비용을 획기적으로 줄이면서 탄소 및 질소산화물 배출을 감축할 수 있는 기술로 이미 상용화 단계에 있다. 태양광과 풍력 등 재생에너지가 안정적으로 전력을 생산하지 못하는 한계를 수소터빈 발전이 극복할 수 있다는 의미다. 기존 석탄발전소 폐쇄에 따른 일자리 감소와 지역경제 침체, 신규 발전소 건설에 따른 민원 등을 고려할 때 기존 LNG 발전소의 가스터빈을 개조 또는 교체해서 탄소 배출을 줄이는 수소터빈기술은 에너지 전환 과정에서 사회·경제적 충격을 완화해 줄 것이라는 얘기다. 전 세계적인 저탄소 경제로의 전환 과정속에서 탄소중립을 실현할 수 있는 기술들에 대한 투자 및 연구 활동은 확대될 것이다. 대한민국의 탄소중립 달성을 위해서는 정부의 적극적인 지원 아래 우리 기업들이 보유한 가스터빈 관련 모든 기술을 수소터빈으로 단계적으로 전환해 가기 위한 치밀한 전략 수립이 필요하다. 대한민국의 기업들도 수소터빈 기술을 선제적으로 확보하고, 한국전력과 발전 자회사들도 기존 LNG 발전시설을 개조해 실증에 나서는 등 시장변화를 이끌고 있다. 특히 대용량 가스터빈시장에 도전장을 내민 두산중공업㈜은 향후 공급할 가스터빈 모두 2027년까지 수소터빈화하기로 했다. 목표 달성을 위해 우선 2024년까지 수소만을 연료로 사용해 탄소 배출이 전혀없는 5MW급 소형 수소터빈을 개발할 계획이다. 동시에 50%까지 수소와 LNG 혼합연료를 사용하는 300MW급 대형 수소가스터빈용 수소혼합 연소기도 개발할 계획이다.

대한민국의 가스터빈과 수소터빈 기술은 앞으로도 풀어야할 많은 숙제를 안고 있다. 탄소중립 정책에 따라 높은 관심을 모으고 있고, 재생에너지 확대에 따른 계통안정성을 확보하는 등의 장점이 있지만 기존 LNG 발전급의 효율을 내면서도 경제성을 높이는 등 넘어야할 과제가 많다. 당장 수소 가스터빈 등 수소발전 사업의 법적 지원 근거가 들어 있는 수소법 개정안이 국회 문턱을 넘지 못하고 제대로 된 심의조차 이뤄지지 않고 있다. 대한민국 정부는 2021년 2월 세계 최초로 수소법(수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률)을 시행했지만 청정수소의 개념 정의와 인증제 도입, 청정수소발전 구매의무 등의 내용이 개정안에 담겨 있어 법안 통과가 시급하다. 대용량 가스터빈의 수소 혼소 또는 전소를 위한 근본적 해결과제는 근접 지역에 대규모 수소 생산 및 공급설비, 수송인프라를 갖춰야 한다. 석유화학공장 또는 제철소의 부생수소 공급이 가능하거나 개질수소 공급설비 인근이 최적이다. 수소 전소시 고온에 견디는 연소기 소재 개발도 과제다. 가스터빈 공급사의 대용량 수소 혼소 또는 전소 연소 실증도 미흡한 실정이어서 이에 대한 보완이 필요하다. 온실가스 배출 저감 확대와 연소기의 안정적 운영을 위해 수소혼소 연소 최적화를 찾아야 한다. 특히 수소 혼합 연료 적용에 따른 안전성 확보를 위해 수소 공급·안전시스템을 설계하고, 작동 유체 변동에 따른 가스터빈 복합화력의 공정 영향성을 분석해 수소혼소 가스터빈의 기술적 실증이 가능토록 해야 한다. 환경급전, 발전비용 정산 방안 등 정책방안을 마련해 수소발전 기술이 빠르게 정착될 수 있는 기반을 마련해야 한다.

참고자료

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• 도다솔 기자, 〈채권단 졸업 임박 두산重, 친환경 에너지에 힘준다〉, 《이코노믹리뷰》, 2022-01-19

같이 보기

• 터빈
• 가스터빈
• 증기터빈

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