한국서부발전과 한화임팩트가 6월 21일 충남 서산시 한화임팩트 대산사업장에서 ‘대산 수소터빈발전 실증 기념식’을 개최했다. 세계 최초로 이뤄낸 80㎿급 중대형 가스터빈의 수소 59.5% 혼소 발전 실증을 축하하고자 마련된 행사다. 양사는 2021년 8월부터 수소 혼소 발전 기술 실증을 준비하고 약 20개월 만에 성공함으로써 향후 친환경 수소 혼소 발전 상용화에 속도가 붙을 전망이다.

노후화 가스터빈 재활용

수소 혼소 발전은 가스터빈에 액화천연가스(LNG)와 수소를 혼합·연소시켜 전기를 생산하는 방식으로, 이산화탄소(CO2)와 대기오염물질(NOx·질소산화물) 배출량을 크게 줄이는 저공해 연소가 가능하다. LNG발전소의 오래된 가스터빈을 적은 비용으로 개조해 사용할 수 있는 것도 장점이다. 이번 실증에는 한국서부발전이 1992년 6월부터 2017년 12월까지 25년 6개월간 운영한 평택 제1복합화력의 노후화된 80㎿급 LNG 가스터빈이 대상이 됐다. 이 가스터빈을 한화임팩트 대산사업장으로 옮겨 독자적인 수소 연소기 기술을 더해 수소 혼소 터빈으로 재생시켰다. 이후 올해 4월 세계 최초로 중대형 가스터빈의 수소 혼소율 59.5% 실증에 성공했다. 미국과 유럽, 일본 등 주요 선진국을 중심으로 수소 혼소 기술이 개발되고 있지만, 상업 운전이 가능한 중대형 가스터빈에서 60%에 육박하는 수소 혼소 발전 실증에 성공한 것은 이번이 처음이다. 일본(1㎿급), 이탈리아(11㎿급)는 100% 전소를 달성했으나 소형 터빈이고, 네덜란드(140㎿급)와 미국(150㎿급)은 중대형 터빈이지만 각각 30%, 40% 혼소율에 그치고 있다.

박형덕 한국서부발전 사장은 실증 기념식에서 “수소를 활용한 에너지 전환에 선제적으로 대응하기 위해 2021년 한화임팩트와 수소 혼소 발전 실증 연구개발 협약을 체결했다”며 “양사는 평택 제1복합화력의 노후화된 80㎿급 가스터빈을 활용해 지난 2년간 대산사업장에 시험설비를 구축한 뒤 올해 4월 세계 최고 수준의 수소 50% 혼소 발전 실증에 성공했다”고 말했다.

이번 실증의 또 다른 의미는 온실가스 감축과 수소 생태계 확장에 있다. 전 세계 많은 국가가 온실가스 배출량 감축에 힘쓰고 있으며, 한국도 ‘2050 탄소중립 시나리오’를 발표해 지속가능한 탄소중립 사회를 만들고자 노력 중이다. 이런 가운데 이번 실증을 통해 수소 혼소 발전이 이산화탄소와 대기오염물질 배출량을 획기적으로 줄일 수 있다는 사실이 확인된 것이다(그래프 참조). 한화임팩트 측에 따르면 59.5% 혼소율로 발전하는 동안 LNG 전소(100%) 발전 대비 배출가스 내 CO2 저감률은 실증 목표의 최고 수준인 22%를 달성했고, NOx 배출량은 6ppm 이하로 저감됐다. 전 세계적으로 중대형 가스터빈에서 이와 같은 성과를 거둔 사례는 없다. 이번 성과는 한화임팩트가 가진 세계 최고 수준의 ‘수소 연소기 기술’과 ‘화염 제어 기술’에 기반한다. NOx는 연소기 내 화염 온도가 상승할수록 더 많이 배출되는데, 수소는 LNG보다 화염 온도가 높다. 한화임팩트는 별도의 저감장치 없이 연소 조건을 제어함으로써 저공해 연소가 가능한 연소기 기술을 개발한 것이다. 이 기술이 현재 국내에서 가동 중인 LNG 가스터빈에 모두 적용될 경우 LNG발전 부문에서 연간 약 1600만t 이상 온실가스를 감축할 수 있다. 이는 ‘2030 국가온실가스감축목표(NDC)’ 중 발전 부문에서 감축해야 하는 온실가스 배출량 약 1억2000t의 13%에 해당한다. 현재 LNG발전 부문의 연간 온실가스 배출량은 2021년 기준 약 6600만t이다. 3월 21일 탄소중립녹색성장위원회는 2050 탄소중립 목표 달성을 위해 2021년 발표된 NDC와 마찬가지로 온실가스 배출량을 2030년까지 40%(2018년 대비) 감축하기로 했다. 그중 온실가스 배출 비중이 가장 큰 발전 부문에서는 2018년 온실가스 배출량 대비 45.9%(약 1억2000t)를 감축해야 한다.

김희철 한화임팩트 대표는 “혼소 발전은 탄소중립의 징검다리 역할을 할 전력생산 방식”이라며 “여기서 멈추지 않고 수소 100% 전소 발전을 위해 도전해나갈 것”이라고 전했다.

수소터빈 시장 선도 기대

문제는 LNG 대비 2~10배 비싼 수소 가격에 따른 생산비용 상승과 안정적인 수소 조달 여부다. 이와 관련해 양사는 실제 수소 혼소 기술 도입을 목표로 하는 2030년쯤에는 수소 가격이 충분히 경쟁력이 있을 것으로 내다본다. 이에 더해 국내외 청정수소 생산기지 구축, 연료 공급 인프라 건설 등과 관련한 정부의 대규모 투자가 이어질 것으로 전망된다. 이옥헌 산업통상자원부 수소경제정책관은 실증 기념식 축사에서 “수소발전은 전 세계가 주목하는 무탄소 전원의 하나로, 정부는 수소발전 비중을 2030년 2.1%, 2036년 7.1%로 확대할 계획”이라면서 “향후 급격히 성장할 글로벌 수소발전 시장에서 국내 기업이 수소터빈 시장을 선도하길 기대한다”고 말했다.

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