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수소 가스터빈은 전기화학 반응으로 수소로부터 전기를 생산하는 연료전지와 달리 수소와 산소의 연소 반응으로 발생하는 에너지로 터빈을 회전시켜 전력을 생산한다. 수소는 가스터빈에서 기존 발전 연료(천연가스)와 혼소되거나 기존 발전 연료 없이 전소될 수 있다.
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도심 속에 자리 잡은 친환경 에너지 발전소, 수소연료전지발전소.
화력발전소와 달리 화학반응을 통해 에너지를 얻어
발전소의 소음이 적고 유해물질이 발생되지 않는다.
수소연료전지의 발전원리에 대해 알아본다.
[YTN 사이언스 기사원문] https://science.ytn.co.kr/hotclip/view.php?s_mcd=1214\u0026key=201912121420084454
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암모니아 발전 2030년·수소 발전 2035년 상용화 추진 – 정책뉴스
수소·암모니아 발전은 무탄소 연료인 수소(H2)와 암모니아(NH3)를 기존 석탄발전기와 LNG 발전기에 안정적으로 연소해 전력을 생산하는 새로운 발전기술로 …
Source: www.korea.kr
Date Published: 2/5/2022
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완벽한 수소 발전으로 나아가는 첫 단계, 수소 혼소 발전 – 블로그
하나는 수소자동차와 같이 연료전지를 사용하여 전기를 만드는 방법으로, 기본적인 구조는 탱크 안의 수소와 공기 중의 산소를 화학 반응시켰을 때 발생 …
Source: blog.naver.com
Date Published: 4/22/2021
View: 8113
기술·제품 – 연료전지란 – 연료전지 원리
두산퓨얼셀의 연료전지는 수소와 산소의 전기 화학반응을 이용한 고효율의 친환경 수소 연료 발전 기술입니다.
Source: www.doosanfuelcell.com
Date Published: 7/24/2022
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[기획]수소발전소 준공 잇따라…친환경에 경제성도 잡는다
[매일일보 이재영 기자]대규모 수소연료전지 발전소가 잇따라 준공됐다. 탄소중립 환경목표를 달성하기 위해 막대한 투자금이 소요된 이들 발전단지는 …Source: www.m-i.kr
Date Published: 12/7/2021
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연기 없는 발전소? 수소 발전소! – 대학생신재생에너지기자단
이 발전소에서는 수소 연료전지 발전으로 수소 에너지를 생산한다. 수소 에너지는 수소에 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 방식이다. 우리 주위 어디 …
Source: renewableenergyfollowers.org
Date Published: 5/14/2022
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국내 수소발전(연료전지) 현황과 과제 – KDB미래전략연구소
수소발전(연료전지)은 발전효율이 높고 도심에도 설치 가능한 친환경적인 전원으로. 지속적인 시장 규모의 확대가 전망됨. ◇ 수소발전(연료전지) …
Source: rd.kdb.co.kr
Date Published: 2/20/2022
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04 – 수소경제 시대의 발전용 연료전지 역할 및 현황 – 기술과혁신
수소에너지 시스템 내에서 연료전지는 전기에너지 공급 방안뿐 아니라 잉여전력 저장 방안으로 활용될 수 있다. 이 경우 연료전지 발전은 수소를 중심으로 하는 시스템 내 …
Source: webzine.koita.or.kr
Date Published: 11/18/2022
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주제에 대한 기사 평가 수소 발전소 원리
- Author: YTN 사이언스
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- Date Published: 2020. 1. 8.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=xHzPcw1S4tI
수소・암모니아, 발전용 연료 패러다임 바꾼다
[월간수소경제 이종수 기자] 문재인 대통령은 2021년 11월 1일 ‘제26회 유엔 기후변화회의(COP26)’ 기조연설에서 2030년 국가 온실가스 감축 목표(NDC) 상향안과 2050년까지 모든 석탄발전을 폐지하는 내용을 담은 탄소중립 시나리오를 국제 사회에 발표했다.‘2030 NDC 상향안’과 ‘2050 탄소중립 시나리오’의 목표 달성을 위해 전력과 열을 생산하는 전환부문은 안정적 전력수급을 전제로 재생에너지 확대, 석탄발전 연료의 조기 전환・폐지, 수소・암모니아 등 무탄소 신발전 기술 적용이 필요하다.
‘2030 NDC 상향안’에서 재생에너지는 185.2 TWh(30.2%), 암모니아 발전은 22.1TWh(3.6%)를 달성한다는 목표이다. ‘2050 탄소중립 시나리오’에서는 재생에너지를 (B안) 736.0TWh(60.9%)~(A안)889.8TWh(70.8%)로 확대하고, 무탄소 가스터빈을 (B안)66.5TWh(13.8%)~(A안)270.0TWh(21.5%)까지 확대하면서 화력발전은 완전 폐기하거나 가스발전 (B안)61.0TWh(5.0%)를 유지하는 목표를 설정했다.
정부는 2022년부터 본격적으로 수소・암모니아 실증을 추진하는 한편 2022년 1분기 중으로 수소・암모니아 발전 로드맵을 마련할 예정이다.
수소・암모니아 발전 주목
석탄, LNG 등 화석연료를 사용하는 발전 기술은 이산화탄소 배출로 인한 온실가스 증가를 야기한다. 이에 대응하는 기술로는 전력생산 효율을 높여 단위 생산 전력당 CO2 배출을 줄이는 방법과 배출되는 CO2를 포집해 저장하거나 활용하는 기술(CCUS), 연료전환을 통해 연료 내 탄소가 적은 연료(저탄소 연료) 또는 탄소가 없는 연료(무탄소 연료)를 사용해 발전하는 방법 등이 있다.
전 세계적으로 탄소중립을 실현하기 위해 무탄소 연료인 수소(H2)와 암모니아(NH3)를 발전 연료로 활용하려는 움직임이 활발하다.
한전 전력연구원에 따르면 수소 발전기술은 수소를 연료로 사용해 전력을 생산하는 시스템을 의미하며, 대표적인 기술로는 수소연료전지와 수소 가스터빈 등이 있다. 수소 가스터빈은 전기화학 반응으로 수소로부터 전기를 생산하는 연료전지와 달리 수소와 산소의 연소 반응으로 발생하는 에너지로 터빈을 회전시켜 전력을 생산한다.
수소는 가스터빈에서 기존 발전 연료(천연가스)와 혼소되거나 기존 발전 연료 없이 전소될 수 있다. 수소 전소발전의 경우 이론적으로 온실가스 배출량은 없게 되고, 혼소되는 경우에는 전체 연료 중 수소의 비중에 따라 온실가스의 배출이 감소한다.
천연가스와 수소가 기체상태로 공급되기 때문에 수소 혼소율은 연료 중 수소의 부피 비중으로 정의하는 경우가 많다. 수소의 부피 혼소율에 따른 온실가스 저감 효과는 가스터빈 발전기로의 총 투입 열량 중 수소가 차지하는 비율로 정의할 수 있는데, 이는 각각의 연료의 부피 발열량과 관련이 있다.
이에 따라 수소의 부피 혼소율과 온실가스 저감효과는 비선형적인 관계이다. 예를 들면 수소 혼소율이 각각 20%, 50%, 80%인 경우 온실가스 저감 효과는 각각 6.5%, 21.4%, 52.6% 수준이다.
가스터빈 연소기는 연료 특성 변화를 어느 정도 수용할 수 있는 특성을 가진다. 반면 연료 특성 변화가 어느 정도 이상이 되는 경우 화염의 불안정성, 소염, 역화 등의 비정상 상황이 발생할 수 있고, 이를 방지하기 위해서는 연소기의 운영기술 또는 하드웨어가 변경되어야 한다.
따라서 고농도의 수소를 혼소하기 위한 핵심기술에는 수소 터빈용 연소기 설계・운영기술이 포함된다. 특히 수소 터빈 연소기 설계기술은 빠른 연소속도로 인한 화염 역화를 방지하기 위한 다단연소・마이크로믹서 기술이 적용되고 있다.
연소기 이외에도 수소저장・공급 시스템과 수소 안전시스템은 안정적인 수소 가스터빈 발전소 운영에 필수적이다. 이외에도 수소 혼소에 따른 고온부품의 수명확보 기술, 공기압축기와 IGV 제어 및 HRSG 최적화 기술 등이 주요한 핵심기술에 포함된다.
현재 비료 산업 등에서 주로 사용되고 있는 암모니아는 가장 많이 생산되는 무기 화학물질 중 하나로, 천연가스 개질이나 석탄 가스화를 통해 생산된 수소와 질소를 고압(~200bar)・고온(300~400℃)에서 촉매와 함께 반응시키는 ‘하버-보슈(Haber-Bosch)’ 공정으로 생산된다.
암모니아 발전은 기존 석탄・LNG 발전에 암모니아를 혼소하는 방식과 암모니아만 연소해 발전하는 전소 방식으로 나눌 수 있다. 현재는 암모니아 혼소 기술에 초점을 두고 있다. 혼소를 위한 암모니아의 주입방식, 혼소량 증대기법, 버너 또는 연소기 개선 기술 등이 주요한 기술개발 목표가 될 수 있다.
전소기술 개발을 위해서는 석탄 보일러는 전소 버너기술과 전소 보일러 설계기술 등이, 가스터빈은 연소기 개발이 주요한 과제이다.
암모니아 발전의 핵심기술로는 석탄 또는 LNG와 암모니아 혼소 시 연소 안전성(화염 안정성) 유지기술, 암모니아 연소 시 발생하는 NOx(질소산화물)의 배출을 기존 발전수준으로 유지하는 기술, 발전소 적용 시 플랜트 성능 영향과 성능 저하요인을 극복하는 기술 등이 있다.
수소 발전과 암모니아 발전은 적용되는 설비와 기술적 운영 방식에 있어 큰 차이점이 있다. 수소 발전은 주로 가스터빈 활용에, 암모니아 발전은 가스터빈에도 활용할 수 있으나 주로 석탄 보일러 활용에 주안점을 두고 있다.
가스터빈에서의 수소와 암모니아 연료 활용은 각 연료의 연소특성이 매우 달라 차별화된 연소기 설계가 필요하다.
암모니아는 연료 자체에 질소성분을 다량 함유하고 있어 NOx 발생의 문제점이 있다.
또 가스터빈 연소기 개발 측면에서 수소 발전은 높은 연소성으로 인한 역화 방지 노즐 개발이 중요하고, 암모니아 발전의 경우 낮은 연소성으로 인해 화염 안정성 확보를 위한 연료 노즐 설계와 가스터빈 연소기에서 발생하는 NOx 생성을 억제하거나 제거하는 기술개발이 필요하다.
그러나 가스터빈에서도 수소와 암모니아의 적정 혼합 연소를 통해 단일 연료로서의 연소 단점을 보완할 수 있어 수소・암모니아 혼합 연소에 대한 연구개발도 활발히 진행될 것으로 보인다.
석탄 보일러에서의 암모니아 활용은 상대적으로 연소성이 폭발적으로 일어나는 수소 활용의 제약성을 극복하는 방안으로 여겨지며, 현재 운영되고 있는 석탄 보일러의 연료전환을 통해 탄소를 저감할 수 있는 유일한 방법으로 평가된다.
국내외 수소・암모니아 발전기술 현황
한전 전력연구원에 따르면 국내에서는 국책과제로 추진된 석탄 가스화 발전과 연계해 수소 함유 합성가스를 가스터빈의 연료로 적용하는 연구가 수행된 바 있다. 본격적인 수소 터빈 기술개발로는 대형 가스터빈 50% 수소 혼소용 연소기 개발과 5MW급 수소 전소용 연소기 개발 과제가 2020년 정부 과제로 착수되었다.
또한 한화종합화학은 수소 혼소용 연소기 기술을 보유한 PSM사를 인수해 관련 사업을 추진 중이다. 한전 전력연구원은 기존 가스터빈의 연소기를 변경하지 않는 저비용 수소 발전 운영 기술개발을 목표로 연구를 수행 중이다.
한전 전력연구원의 한 관계자는 “정부가 발표한 ‘2050 탄소중립 시나리오’에 따르면 무탄소 가스터빈의 발전량은 166.5~270.0TWh 수준으로 전망된다”라며 “대형 발전용 가스터빈의 경우 초기에는 기존 천연가스 연료와 수소의 혼소에서 장기적으로는 수소 전소의 형태로 시장에 진입하는 반면 분산형 중소형 가스터빈의 경우 처음부터 수소 전소의 형태로 실증・보급이 이뤄질 것으로 보인다”고 밝혔다.
그는 이어 “현재 41GW 수준의 복합화력 용량과 국내 수소 수급을 고려할 경우 기존 가스터빈 설비의 변경 없이 저농도의 수소를 혼소하는 방법, 연소기 등 최소한의 설비 교체로 수소를 혼소하는 방법과 신규 수소 혼소 가스터빈을 설치해 운영하는 방법 등을 순차적으로 이행하는 것이 수소 가스터빈의 비용 효율적인 국내 도입 시나리오로 판단된다”고 덧붙였다.
암모니아 관련 기술 연구는 초기 단계다.
한국과학기술연구원(KIST)은 암모니아에서 질소를 분리해 수소를 생산한 후 연료전지에서 전기를 생산하는 1kW급 발전시스템을 개발한 데 이어 20kW급 설비도 개발 중이다.
한국에너지기술연구원(KIER)은 LPG와 가솔린 겸용의 엔진을 개조해 암모니아 엔진을 개발했다. 암모니아 70%, 가솔린 30%를 혼합한 연료를 사용했고, 이산화탄소 배출량이 70% 줄어드는 것을 확인했다.
울산과학기술원은 세계 최초로 쇠구슬을 이용한 물리적인 힘을 이용해 기계 화학적 반응을 일으켜 암모니아를 합성하는 방법을 개발했다.
한국기계연구원은 질소 플라즈마에 물을 공급해 생산한 수소와 질소산화물을 촉매로 암모니아를 만드는 기술을 개발했다.
암모니아를 활용한 발전 기술로는 한전과 발전공기업 5사, 민간기업 등이 참여해 암모니아 연료 혼소(석탄・LNG) 기술개발을 2022년 신규과제로 착수할 예정이다.
해외의 경우 미국은 석탄가스화발전(IGCC)과 관련해 에너지부(DOE)의 지원으로 2004년부터 수소 가스터빈 연구를 수행해왔다. 일본과 유럽에서도 관련 기술개발이 진행 중이다.
대형 가스터빈 분야에서 GE의 연소기 라인업 중 50%의 수소 혼소가 가능한 ‘2.6e 연소기’가 탑재된 가스터빈이 2021년 11월 미국에 설치되어 수소 혼소 실증 운전에 활용되고 있다.
또한 한화임팩트가 최근 인수한 미국 PSM사는 기존의 가스터빈을 수소 혼소용으로 개조할 수 있는 연소기를 개발해 상용화를 추진 중이다.
일본 MHI(미쓰비시중공업)와 독일 지멘스(Siemens) 등도 수소 혼소가 가능한 연소기를 개발해 상용화를 추진 중이다. MHI의 J급 최신 기종 가스터빈은 미국에 설치되어 2025년부터 그린수소를 활용한 수소 혼소 실증이 추진될 예정이다.
중소형 가스터빈 분야에서도 미국 베이커휴즈(Baker Huges), 독일 지멘스 등은 30% 이상의 수소 혼소 기종에 대해 상용화를 추진하고 있다. MHI는 자사의 멀티클러스터(multi cluster) 연소기를 적용한 30% 수준의 혼소율이 가능한 라인업을 보유하고 있다.
소형 가스터빈의 경우 일본 KHI(가와사키중공업)가 수소 전소 가스터빈을 개발해 2018년부터 실증 운전 중이다. 미국 Capstone사도 수소 혼소가 가능한 마이크로 가스터빈을 개발해 실증 운전 중이다.
암모니아 발전은 일본이 가장 적극적이다. 석탄・암모니아 혼소 기술은 실증을 거의 마치고 상용화 직전 단계에 있다. 2030년까지 전체 석탄발전에 암모니아 20% 혼소를 실시할 계획이다.
일본의 최대 발전회사인 JERA(도쿄전력과 중부전력의 합작회사)는 지난 2020년 10월에 2030년까지 비효율적인 석탄을 폐지하고, 고효율 설비는 암모니아 혼소 후 전소로 확대하는 계획을 발표했다. 1GW급 발전소에 20% 혼소를 시작으로 2040년에 암모니아 전소를 목표로 하고 있다.
IHI와 JERA는 NEDO(신에너지·산업기술종합개발기구), 전력사(도쿄전력, 츄부전력, 주고쿠전력 등), CRIEPI 등과 함께 암모니아 혼소에 대한 연구와 실증을 진행하고 있다. 지난 2017년 10MWth 시험설비에서 석탄과 암모니아 20% 혼소에 성공한 바 있다. 2018년에는 일본 혼슈 중부 아이치현에 있는 헤키난 내 1,000MW USC 발전소를 대상으로 암모니아 혼소 설계에 착수해 오는 2023년까지 20% 혼소를 실증할 예정이다.
또 지난 2019년 2MWe 가스터빈(IM270 by IHI)에서 암모니아 20% 혼소 시험을 완료하는 한편 암모니아 직접 사용을 통한 1kW급 SOFC 실증도 진행 중이다.
주코쿠전력은 별도 설비 개조 없이 120MW급 발전소의 1% 혼소에 성공했다.
Toyota Energy Solutions는 50kW 및 300kW급 100% 암모니아 연소 마이크로 가스터빈을 개발했다. AIST는 50kW 마이크로 가스터빈을 사용해 후쿠시마 재생에너지 연구소(FREA)에서 발전 테스트를 수행한 것으로 보고되고 있다.
수소・암모니아 발전 본격 추진
정부는 2022년 1분기 중 ‘수소·암모니아 발전 로드맵’을 마련하고, 대용량 암모니아 저장 인프라 구축에 착수하는 한편 2022년 하반기에 파일럿 실증을 착수해 2022년을 수소·암모니아 발전의 원년으로 삼기로 했다.
이에 앞서 2021년 11월 16일 한국전력, 발전공기업과 함께 ‘수소·암모니아 발전 실증추진단’을 발족했다. 2021년 7월 15일에는 그린 암모니아 생산-운송-추출-활용의 전주기 기술개발 협력을 위해 한국에너지기술연구원을 중심으로 출연연, 공공기관, 민간기업 등 18개 기관・기업이 참여하는 ‘녹색(그린) 암모니아 협의체’가 발족했다.
우선 정부가 2021년 11월 26일에 발표한 ‘제1차 수소경제 이행 기본계획’을 통해 ‘수소・암모니아 발전 로드맵’의 방향성을 미리 알 수 있다.
‘제1차 수소경제 이행 기본계획’에 따르면 석탄・암모니아 혼소 발전은 2030년까지 암모니아 20% 혼소 후 혼소 비율을 확대할 계획이다.
이를 위해 산업부, 한전, 발전사 등 민관합동으로 기술 개발과 실증을 추진할 예정이다. 2024년까지 암모니아 20% 혼소를 위한 연소·저장기술 등의 원천기술을 개발하고, 상용발전소 4기에 연료공급 인프라를 구축해 2027년에 실증을 추진한다.
2025년부터 2026년까지는 잔여 설계수명, 대규모 석탄발전단지로 인한 규모의 경제, NDC 목표 등을 고려해 혼소 설비 투자 발전기를 선정할 예정이다. 혼소 설비 투자 후 회수 기간 고려시 최소 10년 이상의 잔여 수명이 필요하다. NDC 고려 시 2030년 석탄발전기 32.6GW 중 21GW에 혼소가 필요하다.
혼소 대상 석탄발전기가 선정되면 2030년까지 암모니아 20% 혼소 발전을 상용화할 계획이다.
암모니아 운반은 기존 LPG 운반선으로 가능하지만 암모니아 수요 증가를 감안하면 조선사와 협력해 암모니아 운반선 건조 추진이 필요하다는 게 정부의 판단이다. 발전소 부두를 활용해 암모니아 인수기지 등의 공급설비도 구축할 계획이다.
정부는 2031년부터 암모니아 혼소 비율을 단계적으로 상향해 2050년 이전까지 암모니아 전소를 추진한다는 계획이다.
이를 위해 암모니아 다량 투입에 따른 질소산화물 제거, 미반응 암모니아 누설 방지, 미연소 암모니아 처리 등에 대한 기술개발을 추진한다. 전소설비 투자비 회수, 탄소저감 극대화 등을 고려해 잔존가치가 높은 대용량 고효율 석탄발전기를 대상으로 전소 기술개발·실증을 추진한다.
LNG・수소 혼소 발전의 경우 LNG 터빈에 수소 50% 혼소 후 혼소 비율을 확대한다는 계획이다. 2030년까지 소형 상용화와 중대형 혼소 실증, 2040년까지 중대형 혼소 상용화 및 대형 전소 실증, 2050년까지 대형 전소 상용화를 목표로 추진한다는 것이다. 여기서 소형은 80MW 이하, 중형은 80~270MW, 대형은 270MW 이상을 말한다.
1MW 이하는 주로 비상용 전원인 점을 고려해 우선 등유 등 기존 사용 연료와의 혼소 기술개발 후 천연가스와 수소 혼소 기술개발을 추진할 예정이다. 수소 시범도시, P2G 수소 생산이 가능한 제주도 등의 도서 지역에서 실증을 진행하고, 향후 분산형(도서·농촌), 비상용(병원·데이터센터 등)의 기존 수요를 대체한다는 계획이다.
MW급은 국내 분산형·열병합·산업용 용도로의 개발과 함께 국내보다는 해외 수요가 높은 점을 고려해 수출용으로 개발을 추진할 계획이다.
중형은 기존 설비 중 감가상각비용 회수가 끝난 중형 가스터빈을 활용해 낮은 투자비용으로 수소 혼소를 상용화한다는 목표다. 기존 개발 중인 가스터빈에 수소 혼소 기능 추가, 폐지 석탄발전기 리파워링(Repowering) 등을 통해 2030년까지 실증을 완료한 후 상용화한다는 것이다.
대형 전소 터빈의 경우 2040년 이전에 실증을 완료하고 재생에너지 비중, 수소 수급량 등에 맞춰 전소 터빈 상용화 시점을 결정할 계획이다.
한전의 한 관계자는 “수소·암모니아 발전은 발전설비, 송배전선로 등 기존 전력 인프라를 활용하면서 온실가스를 감축시켜 탄소중립을 달성할 수 있는 방안”이라며 “석탄발전 1GW에 암모니아 20% 혼소 시 연간 약 80만 톤(이용률 60%), 가스복합발전 1GW에 수소 50% 혼소 시 연간 약 34만 톤의 온실가스를 각각 감축할 수 있다”고 설명했다.
수소・암모니아 발전 활성화 방안
정부는 수소・암모니아 발전 활성화를 위해 발전사업자, 전기판매사업자 등을 대상으로 수소발전의무제도를 운영한 후 청정수소 도입여건이 마련되면 청정수소발전의무화(CHPS)로 전환할 계획이다.
연료전지 발전, 석탄발전기 암모니아 혼소 발전, 수소 혼소·전소 발전 등의 발전형태와 우선 구매제도(급전 순위 최우선), 입찰을 통한 급전 순위 경쟁 등의 전력시장 참여형태 등을 고려해 정산을 차별화하는 방안을 검토할 예정이다.
또한 탄소연료의 제세 부담금은 상향 조정하고, 청정수소의 제세 부담금은 하향조정 또는 환급을 통한 환경 급전을 검토하기로 했다.
석탄・암모니아 혼소 발전을 실질적으로 적용하기 위한 암모니아 저장시설을 2022년에 구축할 계획이다. 또 암모니아를 기존 비료・산업용에서 발전용으로 확대하기 위한 산업안전보건법, 화학물질관리법 등 관련 규정 개정도 추진한다.
한전 관계자는 “수소와 암모니아를 발전용 연료로 활용하기 위해서는 우선 기술 수준이 우수한 석탄발전에 암모니아를 적용한 후 가스발전을 수소 발전으로 단계적으로 전환하기 위한 정부 차원의 포트폴리오가 마련되어야 한다”라며 “암모니아 발전 관련 인프라 구축에 대한 정부의 지원방안과 함께 유해 화학물질인 암모니아의 안전성 문제에 대한 주민 수용성 확보를 위한 정부와 지자체의 협력도 필요하다”고 밝혔다.
이 관계자는 또 “수소와 암모니아를 혼소해 발전하는 설비에 대해 우선 급전 순위를 부여해 연간 이용률을 보장해야 한다”라며 “청정수소와 암모니아 인증을 통한 온실가스 감축량 산정 가이드도 마련해야 할 것”이라고 밝혔다.
한전 전력연구원 관계자는 “수소・암모니아 발전 기술의 상용화를 위해서는 기술개발뿐만 아니라 발전 경제성 확보와 발전소 인근 주민 수용성 문제와 같은 사회적 문제해결이 선행되어야 한다”라며 “발전 경제성 확보의 경우 현재 동일 발열량 기준으로 석탄・LNG 가격에 비해 암모니아・수소 가격이 비교적 높은 편이므로 탄소저감을 위해 암모니아・수소 연료로 전환 시 발생하는 비용에 대한 인센티브를 제공할 필요가 있다”고 밝혔다.
암모니아 발전 2030년·수소 발전 2035년 상용화 추진
정부가 석탄 발전과 액화천연가스 발전을 대체하기 위해 수소·암모니아 혼소 발전 상용화를 추진한다.
오는 2030년까지 암모니아 혼소(20%) 발전, 2035년까지 수소 혼소(30%) 발전을 상용화해 온실가스 배출량을 확 줄인다는 계획이다.
산업통상자원부는 16일 에너지산업실장 주재로 한국전력, 발전공기업과 함께 ‘수소·암모니아 발전 실증 추진단’을 발족했다고 밝혔다.
이날 회의에서는 석탄·LNG 발전의 화석연료를 대체해 온실가스(CO2) 배출을 줄이는 방안으로, 지난달 확정·발표한 ‘2030 NDC 상향안’과 ‘2050 탄소중립 시나리오’에 반영된 수소·암모니아 발전기술 현황 및 추진계획 등을 논의했다.
수소·암모니아 발전은 무탄소 연료인 수소(H2)와 암모니아(NH3)를 기존 석탄발전기와 LNG 발전기에 안정적으로 연소해 전력을 생산하는 새로운 발전기술로, 발전설비·송배전선로 등 기존 전력 인프라를 활용하면서 온실가스를 감축시켜 탄소중립을 달성할 수 있는 방안이다.
암모니아는 석탄 대체와 정비례해 온실가스 발생량이 저감되며, 수소는 LNG 대체와 비례해 온실가스 발생량이 저감된다.
수소 발전의 경우 미국은 바이든 정부가 1조 6000억 원의 수소기금 중 11%를 수소 터빈발전 R&D에 배정했고, 일본은 2050년 탄소중립 비전을 선언하면서 2050년 수소 소비 2000만 톤을 목표로 하고 있으며, 유럽 주요 기업들은 LNG 발전의 단계별 연료전환과 수소터빈 기술개발에 노력하고 있다.
암모니아 발전은 일본의 경우 발전 전 분야(석탄, LNG, 연료전지)에서 암모니아 연소기술에 대한 기초 실증을 마치고 2024년까지 1GW급 석탄발전소 혼소 실증을 완료할 계획이다.
미국과 유럽에서도 신재생에너지와 연계해 암모니아를 생산하고 내연기관 연료로 활용할 수 있는 기술개발 및 실증을 추진 중이다.
우리나라도 지난달 발표한 ‘2030년 NDC 상향안’에 2030년 암모니아 발전을 총 발전량의 3.6%(22.1TWh)로 반영했으며, ‘2050 탄소중립 시나리오’에도 무탄소(수소·암모니아) 가스터빈 발전이 2050년 총 발전량의 13.8~21.5%로 반영됐다.
‘수소·암모니아 발전 실증 추진단’에는 산업부 및 전력공기업과 함께 수소·암모니아의 생산·확보-운송-저장 전 단계에서 민간기업이 참여하고, 2024년까지 ‘가스터빈 수소 혼소 한계평가 및 연소 최적화 기술개발’, ‘Carbon-Free 친환경 암모니아 발전 기술개발’ R&D를 완료할 예정이다. 아울러, 국내 석탄·LNG발전을 대상으로 수소·암모니아 혼소·전소 발전 상용화에 속도를 낼 계획이다.
수소 발전은 2028년까지 150MW급 50% 혼소 실증을 완료하고, 2035년에는 30% 이상 혼소를 상용화해 2040년에는 30~100% 혼소 또는 전소하는 것을 목표로 하고 있다.
암모니아 발전은 2027년까지 20% 혼소 실증을 완료하고, 2030년에는 전체 석탄발전(43기)의 절반 이상(24기)에 20% 혼소 발전을 적용해 상용화할 계획이다.
산업부는 석탄발전에 암모니아 혼소 발전을 실질적으로 적용하기 위한 암모니아 저장시설을 내년에 구축하고, 친환경 인증제도를 통한 인센티브 부여 등 수소·암모니아 발전 관련 법·제도 개선사항을 찾아 지원하기로 했으며, 수소·암모니아의 안정적 조달 등 에너지 안보를 높이기 위해 국제적 공급망 구축을 선도할 계획이다.
강경성 산업부 에너지산업실장은 “탄소중립 시대에 전력산업은 과감한 사업재편이 필요하며, 그동안 축적된 경험과 기술을 바탕으로 새로운 무탄소 전원에 대한 기술개발과 적용에 전력투구해야 한다”고 강조했다.
이어 “최근 IEA보고서 등에 따르면 수소·암모니아 발전은 기존 발전 설비자산과 관련 인프라의 좌초자산을 최소화하고, 재생에너지의 변동성에 대한 유연성을 제공하는 역할 수행이 가능한 탄소중립을 달성할 수 있는 필수 대안”이라고 밝혔다.
아울러 “탄소중립은 선언이 아닌 실천이 중요하며, 수소·암모니아 발전 실증 추진단을 통해 우리나라가 탄소중립으로 한 발자국 더 나아가는 계기가 될 수 있도록 민관이 함께 노력해 주길 바란다”고 당부했다.
문의 : 산업통상자원부 전력산업정책과(044-203-3881)
완벽한 수소 발전으로 나아가는 첫 단계, 수소 혼소 발전
지속가능기술 완벽한 수소 발전으로 나아가는 첫 단계, 수소 혼소 발전 한화그룹 ・ URL 복사 본문 기타 기능 공유하기 신고하기 꽃샘추위가 봄을 질투하던 예년과 다르게 올해 3월은 20℃가 넘는 이상 고온이 발생한 날도 있었고, 유독 봄꽃도 일찍 피었는데요. 2021년 3월의 평균, 최고, 최저 기온 모두 1973년 이후 가장 높았다고 합니다. 이렇게 되니 올해 여름은 얼마나 더울지 슬슬 걱정되는데요. 과거에는 더운 여름이 예상되면 전력 공급이 안정적으로 이루어질지가 초미의 관심사였습니다. 하지만, 이제는 비정상적인 기온 상승을 근본적으로 막아줄 친환경 에너지 개발은 어떻게 진행되고 있는지가 더 주목을 받고 있죠. 그만큼 전력 산업의 패러다임도 친환경 중심으로 재편되고 있다는 방증입니다. 친환경 에너지 삼대장인 태양광과 풍력, 수소의 중요성은 이제 두말하면 잔소리! 그중에서 이번에는 수소를 이용한 전력 생산에 대해 조금 더 자세히 알아볼까요? 가스터빈 수명 늘리는 수소 혼소 발전 수소를 이용해 전력을 생산하는 방법은 크게 두 가지가 있습니다. 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 자동차를 움직이는 것이죠. 국내에서는 이런 연료전지를 이용한 발전소가 있는데요. 2020년 7월 충남 서산에 세워졌습니다. 당시 한화에너지는 한국동서발전 등과 함께 인근 석유화학 공장에서 부산물로 생기는 부생수소를 연료전지 발전용 연료로 이용하는 대산 수소연료전지 발전소를 완공했죠. 이 발전소는 연간 16만 가구가 사용할 수 있는 40만MWh의 전력을 인근 지역에 안정적으로 공급할 수 있고, 평균 97%의 높은 가동률을 보입니다. 수소를 이용한 전력 생산의 다른 하나는 수소를 연소해 가스터빈을 돌려서 전력을 생산하는 방법입니다. 가스 터빈을 이용해 전력을 생산하는 건 아주 전통적인 방식이죠. 연료와 압축된 공기가 연소하면서 발생한 고온·고압의 기체가 터빈을 매우 빠른 속도로 돌려서 전력을 생산하는 원리인데요. 대게 가스터빈을 이용한 발전은 40%의 열효율을 보이고, 배출되는 가스의 열을 한 차례 더 이용하는 가스터빈 복합발전을 하면 60%의 효율로도 전력을 생산할 수 있습니다. 이런 가스터빈 발전의 연료로는 주로 액화천연가스(LNG)가 사용되고 있습니다. 이때, 수소도 가스터빈의 연료로 사용할 수 있지만, 천연가스와 수소의 연소 특성이 달라 수소 특성에 맞는 새로운 가스터빈이 필요하다는 것이 문제입니다. 또, 수소 특성에 맞는 새로운 가스터빈을 개발하는 일은 상당히 어렵습니다. 발전용 대형 가스터빈을 제조하는 데 큰 비용이 들고, 뿐만 아니라 가스터빈 제조 기술은 쉽게 공유하지 않는 기술이기 때문이죠. 한국도 2019년에 이르러서야 두산중공업에서 처음으로 발전용 대형 가스터빈을 개발하게 되었습니다. 이로 인해 미국, 독일, 일본, 이탈리아에 이어 세계에서 5번째로 발전용 대형 가스터빈을 보유한 국가가 되었죠. 2019년 당시 국내에서 가동 중인 발전용 가스터빈 149기는 모두 외국에서 수입한 것이었는데, 여기에 들어간 구매 비용과 유지보수 비용을 추산하면 12조 3,000억 원에 달했습니다. 이처럼 수소만을 이용하는 가스터빈을 개발하는 데에는 부담이 커, 과도기에는 천연가스와 수소를 혼합해 사용하는 ‘혼소 발전’ 방식이 제시되었습니다. 연료의 10~50% 정도를 수소, 나머지는 천연가스를 사용하는 것이죠. 기존 천연가스용 가스터빈을 일부 개조하면 이렇게 혼합된 연료를 연소할 수 있어 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 10년 이상 노후화된 천연가스 가스터빈도 수소 혼소 가스터빈으로 개조할 경우, 사용수명도 늘릴 수 있어 교체비용을 절감할 수 있죠. 이런 장점 때문에 이미 미국과 독일, 일본 등 가스터빈 제조기업들은 수소 혼소가 가능한 가스터빈을 개발해 상용화까지 마친 상태입니다. 이에 반해 한국은 이제 막 개발을 시작한 단계인데요. 10년가량 앞서 있는 해외기술을 따라가기 위해 해결할 과제들이 산적해 있습니다. 수소 혼소 발전 달성을 위한 과제는? 수소 혼소 발전을 위해 해결해야할 과제들은 무엇이 있을까요? 가장 먼저 ‘화염 역화(flashback) 현상’을 억제할 연소 기술이 필요합니다. 앞서 말한 대로 수소와 천연가스는 서로 연소하는 특징이 다릅니다. 특히 수소는 천연가스와 같이 탄소수소 계열의 연료보다 화염이 전파되는 속도, 조금 더 구체적으로 말하면 ‘층류화염속도’가 매우 빠릅니다. 그렇다 보니 수소가 연소되면서 순간적으로 커지는 화염이 연료가 주입되고 있는 노즐까지 역행하면서 손상을 입히게 되죠. 이를 막기 위해서는 화염 역화에 대한 데이터베이스를 구축하고 정확히 예측해야 합니다. 다만, 역화는 단순히 수소와 천연가스 혼합연료의 본래 성질보다, 연소실 내에 형성되는 기체의 흐름에 따라 크게 달라지는데요. 제각기 다른 연소실 내 흐름을 정확히 파악하는 건 꽤 어려운 일입니다. 또, 대기오염 물질인 질소산화물(NOx) 배출 문제를 해결해야 합니다. 현대의 발전용 가스터빈에서 질소산화물은 실시간으로 모니터링되는 가장 중요한 연소 특성 가운데 하나입니다. 질소산화물은 연소장의 온도가 높아질수록 더욱 많이 배출되는데, 수소는 천연가스보다 화염온도가 높습니다. 그래서 질소산화물 배출을 줄이기 위해서는 적정한 수소 혼합 비율을 찾거나, 또는 추가적인 장치를 이용해 배출되는 질소산화물을 줄여야 합니다. 가령 지난해 8월 국내에서는 포스코에너지가 한국기계연구원 등과 함께 플라즈마 기화기를 활용한 질소산화물 배출 감축 실증에 나서기도 했습니다. 연소불안정 문제도 해결해야 합니다. 수소를 많이 혼합할수록 기존 100% 천연가스를 연소한 것보다 화염의 길이가 짧아지고 화염의 형상도 크게 바뀝니다. 이런 변화에 따라 연소 현상이 불안정하게 일어나기도, 반대로 더 안정적으로 일어나기도 합니다. 수소를 얼마큼 혼합했을 때 안정적으로 연소가 이뤄지는지 정확히 파악할 필요가 있습니다. 이처럼 해결해야 할 과제가 많기는 하지만, 수소 혼소 발전은 피할 수 없는 과제입니다. 혼소 발전은 완전한 수소 발전을 위해 꼭 건너야 하는 다리이기 때문이죠. 수소 혼소 발전 상용화를 위한 한화의 노력! 최근, 국내에서도 혼소 발전 상용화를 위한 노력이 시작됐습니다. 지난 3월 29일 수소 혼소 발전기술을 보유한 한화종합화학은 한국서부발전과 손을 잡고 국내 최초로 ‘수소 혼소 발전기술’ 실증에 나선다고 발표했습니다. 서부발전은 폐지된 평택1복합 발전소의 80MW급 가스터빈을 제공하고, 한화종합화학은 수소 혼소 기술을 적용한 가스터빈의 개조 및 시험평가 등을 담당합니다. 이번 수소 혼소 가스터빈 개발 추진으로 2040년까지 수소 연료를 100% 태우는 ‘수소 전소 가스터빈’을 상용화하겠다는 정부의 계획을 5년 정도 앞당길 수 있을 것으로 전망하고 있습니다. 실증에 성공할 경우, 국내 첫 수소 혼소 도입 사례가 되는데요. 이후 서부발전이 운영 중인 복합화력 설비에 수소 혼소 가스터빈을 적용할 계획도 세우고 있습니다. 두 회사는 가스터빈 연료를 천연 가스에서 수소로, 단계적으로 대체하여 이산화탄소 배출을 최소 30%에서 최대 100% 감축할 것으로 기대하고 있습니다. 오늘은 수소를 이용한 전력 생산 방식, 그 가운데에서도 ‘수소 혼소’ 발전 방법과 앞으로 해결해야 할 과제에 대해 알아보았는데요. 수소차를 넘어 수소를 이용한 전력 생산까지, 한화의 첨단 기술력으로 깨끗한 에너지를 완성할 그날을 위해 많은 응원을 보내주세요! [한화종합화학 홈페이지] 한화종합화학 제33기 결산공고 (2021.03.29) 외부감사인 선임 공고 (2021.02.25) 제32기 결산공고 (2020.03.25) 외부감사인 선임 공고 (2020.03.02) hgc.hanwha.com 인쇄
연료전지 원리
연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 이용하여 전기를 생산하는 친환경 수소 발전 기술 입니다.
A_연료극 (ANODE) 수소는 연료극으로 투입되어
촉매에 의해
수소양이온과 전자로 분리됨
B_전해질 (ELECTROLYTE) 이온만 통과시키는 물질로
수소 이온은 연료극에서
전해질을 통과하여
공기극으로 이동
C_공기극 (CATHODE) 전해질을 통과한 수소양이온과
공기극으로 투입된 산소가
촉매에 의해 서로 결합해 물이 생성
[기획]수소발전소 준공 잇따라…친환경에 경제성도 잡는다
연료전지 발전소 본격 상업가동…환경은 물론 지역경제효과도 기대
기존 화석연료에 수소혼소한 발전소도 경제성 대안으로 부상
지난달 26일 한국남부발전의 단일단지 세계 최대 규모 신인천빛드림 수소연료전지 종합 준공식에서 관계자들이 기념촬영을 하고 있다. (왼쪽부터 수소산업협회 이동휘 부회장, 연료전지발전사업협회 권혁수 이사장, H2KOREA 김성복 단장, 인천시 유훈수 환경국장, 청라3동 주민자치회장, 인천시 서구 의회 송춘규 의장, 산업부 강경성 에너지산업실장, 남부발전 이승우 사장, 인천시의회 강원모 부의장, 삼천리ES 하찬호 대표, 두산퓨얼셀 유수경 대표, 인천연료전지 전영택 사장, 남부발전 윤진영 사업본부장, 남부발전 신인천빛드림본부 심재원 본부장) 사진=남부발전
[매일일보 이재영 기자]대규모 수소연료전지 발전소가 잇따라 준공됐다. 탄소중립 환경목표를 달성하기 위해 막대한 투자금이 소요된 이들 발전단지는 본격 사업가동에 진입하면서 경제성을 확보하기 위한 노력을 경주할 전망이다.7일 업계에 따르면 최근 15MW 연료전지 발전소를 준공한 동서발전은 본격적인 상업 운전에 나서 대기질 개선 효과는 물론, 지역사회 경제효과도 현실화할 계획이다. 이 발전소는 총 사업비 약 1009억원이 투입됐다. 호남발전본부에서 2020년 9월에 착공해 1년여 공사기간을 거쳤고 SK에코플랜트가 설계·납품·시공을 맡아 300kW급 연료전지 50대를 설치했다. 호남연료전지는 연간 12만5000MWh의 전력을 생산할 예정이며, 이는 여수시의 약 5만2000가구가 사용할 수 있는 규모이다. 동서발전은 인근지역 약 1500세대에 도시가스 공급망을 구축하게 돼 주민 생활환경 개선과 여수산단 도시가스 공급 환산망 구축, 천연가스 사용으로 인한 대기질 개선 효과를 기대한다.
서부발전도 지난달 말 서인천 연료전지 사업 5단계를 준공했다. 5단계 사업의 설비용량은 20MW(440kW×46대)로, 858억원이 투입됐다. 서부발전은 특히 준공을 한 달이나 앞당기면서 조기 상업운전을 통한 전력판매와 REC 비용으로 약 34억7000만원의 추가 이익을 창출했다. 이번 준공으로 서인천 연료전지 1~5단계 조성사업은 2014년 9월 1단계부터 7년만에 종료됐다. 총 설비용량은 77MW로, 한 달 전력생산량은 약 5만5386MWh다. 23만7300여가구가 사용할 수 있는 양이다. 서부발전은 유지관리와 지원인력 등을 포함해 약 1만명의 고용창출 효과도 거둔 것으로 파악했다. 서부발전은 발전공기업 최초로 주기기 제작사인 두산퓨얼셀로부터 연료전지 운영 및 정비 기술을 이전받아 향후 기술자립화도 추진한다.
이보다 앞서 남부발전은 단일 단지 세계 최대 규모인 80MW급 수소연료전지 발전소를 지난달 26일 준공했다. 남부발전은 2017년 1단계 수소연료전지 사업을 시작한 이후 4년에 걸쳐 약 3400억원을 투자했다. 남부발전이 준공한 신인천빛드림 수소연료전지는 수도권 25만 가구에 친환경 전력을 생산함과 동시에 4만4000 가구가 사용 가능한 온수를 공급하면서 분산형 전원 역할을 톡톡히 할 예정이다. 또 수소연료전지의 장점인 전기를 얻는 과정에서 하루 약 70만명 이상이 호흡할 수 있는 공기 정화가 가능해 인천지역 미세먼지 저감 효과도 기대된다.
기존 화석연료 발전소에 수소를 혼소해 단순 수소발전보다 경제성이 있는 수소혼소발전 투자도 한창이다. 수소혼소발전은 완벽한 탄소중립으로 가는 길의 징검다리 역할을 하면서 국가 경제적 부담을 줄이는 역할을 담당하게 된다. 지난해 5월 두산중공업이 한국기계연구원과 300MW급 50% 수소 혼소 터빈 개발을 목표로 하는 국책 과제를 시작했다. 수소 가스터빈은 가스터빈에서 수소를 태워 전기를 생산하는 설비다. 액화천연가스(LNG)를 단독 연료로 사용하는 기존 가스터빈에 비해 온실가스 배출량을 획기적으로 감축할 수 있다.
올들어 6월 중부발전은 두산중공업이 국책과제로 개발하고 있는 수소혼소 연소기와 수소가스터빈 기술 도입을 추진하기로 했다. 두산중공업이 관련 부품 양산기술을 확보하고 중부발전이 관련 기술을 활용한 연계사업 추진에 협력한다. 지난 8월에는 서부발전과 한화종합화학이 수소 혼소 발전 실증 연구개발 협약을 체결했다.
한편, 해외경제연구소에 따르면 국내 연료전지 시장은 연평균 21% 성장세를 보일 것으로 추정되며, 2018년 2600억원 규모의 시장이 2030년에는 2조5000억원 규모가 될 것으로 전망된다. 특히 한국은 지난해까지 2년 연속 수소차 판매와 발전용 연료전지 보급에서 세계 1위를 달성했다. 올해 1분기 수소전기차 판매량 기준으로 현대차와 토요타의 시장점유율이 97%를 넘기며 세계시장을 양분하는 중이다. 발전용 연료전지는 블룸에너지, 두산퓨얼셀, 퓨얼셀에너지가 대표적인 제조사이고 한국과 미국이 주요 시장이다. 2020년 한국은 세계보급량의 약 40%를 차지하는 것으로 추정됐다. 전세계 발전용 연료전지 시장은 2030년까지 연평균 25~32% 성장이 전망된다.
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연기 없는 발전소? 수소 발전소!
R.E.F. 19기 임하영
연기 없는 발전소? 수소 발전소!
대학생신재생에너지기자단 19기 임하영
‘하얀 연기’가 나오지 않는 발전소
발전소라고 하면 굴뚝에서 하얀 연기가 나오는 장면이 떠오르곤 한다. 발전시설 측은 이 연기가 인체에 무해한 성분으로 이루어졌다고 주장하지만, ‘과연 그럴까?’라는 의문점이 드는 것이 사실이다. 그렇다면 연기가 나오지 않는, 굴뚝 없는 발전소는 없을까?
[자료 1. 수소 발전소]출처 : 한화에너지
이곳은 연기가 나오지 않는 발전소, 바로 ‘수소 발전소’이다. 이 발전소에서는 수소 연료전지 발전으로 수소 에너지를 생산한다. 수소 에너지는 수소에 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 방식이다. 우리 주위 어디에서나 볼 수 있을 만큼 흔하게 볼 수 있는 원소인 수소는 화석연료와 달리 고갈될 우려가 없다. 또한, 시시각각 변화하는 자연에 영향을 받지 않기에 재생에너지의 단점을 보완해줄 수도 있다. 이러한 이유로 수소 에너지에 대한 관심이 커지고 있는 것이다. 미국 컨설팅 기업 맥킨지에 따르면 전 세계 수소 산업 시장 규모는 2017년 1292억 달러(약 142조 원)에서 매년 6%씩 성장해 2050년 2조 5000억 달러(약 2825조 원)에 이를 것으로 전망된다. 국내 수소 시장도 2050년 연간 70조 원 규모까지 성장할 것이라 예상되고 있다.
우리나라 수소 발전소 현황
멀게만 느껴지던 수소 사회는 생각보다 가까운 곳에서 시작되고 있다. 우리나라에도 이러한 새로운 수소 발전소가 계속해서 지어지고 있는데, 그 현황을 알아보자.
가. 대산 수소연료전지 발전사업
충남 서산시 대산산업단지에는 부생수소를 활용한 세계 최대 규모의 연료전지 발전소가 있다. 석유화학공정에서 발생하는 나오는 부산물인 부생수소를 사용하여 전력을 생산하는 방식이며, 부산물로는 순수한 물만 생산된다.
한화에너지, 한국동서발전, 두산퓨얼셀이 총 사업비 2,550억 원을 들여 대산산업단지 내 2만m2 (약 6,000평) 부지에 한화건설이 설치 및 시공을 맡아 건설한 부생수소 연료전지 발전소는 50MW(메가와트) 규모로 연간 40만 MWh의 전력을 생산할 예정이다. 지난해 6월부터 본격 운행을 시작해 현재는 인근 지역에 전력을 공급하고 있다.
[자료 2. 대산그린에너지]출처 : 월간수소경제
나. 울산 액화수소 플랜트
효성그룹은 현재 국내 수소 충전 시장의 약 28%를 점유하는 수소 관련 국내 1위 기업이다. 2020년 4월 독일 산업용 가스업체 린데그룹과 액화수소 플랜트 건립 추진 양해각서(MOU)를 체결하는 등 수소 관련 인프라 구축에 장기적인 계획을 가지고 있다.
[자료 3. 액화수소 플랜트]출처 : 인더스트리뉴스
신설 공장에서는 효성화학 용연공장에서 생산되는 부생수소에 린데의 수소 액화 기술과 설비를 적용해 액화 수소가 생산된다. 2035년 5월부터 연 1만 3000t의 액화수소를 생산하겠다고 밝힌 바 있는데 이는 연간 수소차 10만 대에 사용할 수 있는 양으로 단일 설비로는 세계 최대 규모다. 이외에도 효성그룹은 △수소 생산 및 충전 설비의 안정성과 신뢰성, 경제성을 확보하기 위한 R&D 확대 △이산화탄소를 배출하지 않는 블루 수소 및 그린 수소 추출 기술 개발 및 설비 국산화 △이산화탄소 저감 기술(CCU) 개발을 통한 탄소중립 수소사업 기반 구축 등을 3대 과제로 선정하며 수소 산업 생태계 조성에 열을 올리고 있다.
다. SK인천석유화학 단지
SK는 향후 5년간 약 18조 원을 투자해 국내 수소 생태계 조성에 본격적으로 나선다고 밝혔다. SK E&S는 2023년까지 SK인천석유화학 단지에 세계 최대 규모의 수소 액화플랜트를 짓고 2025년까지 액화수소 연 3만 t, 블루 수소 연 25만 t을 공급할 계획이다. 또 2025년까지 전국에 수소충전소 약 100곳을 설치해 수소 연료전지 발전소 및 수소차 분야로 활용처를 확대해 나갈 방침이다. 수소 전문기업 미국 플러그파워와 협력해 중국, 베트남 등 아시아 시장으로 사업 영역을 확장할 예정이다.
또한 SK는 서울시와도 △액화 수소 충전소 구축 △수소 차량 도입 확산 △수소 체험관 건립 등 수소경제활성화를 위한 다양한 분야의 협력 방안을 논의하고 있다.
수소 발전소의 과제
물론 모든 수소 발전소가 친환경성을 보장하는 것은 아니다. 수소를 얻는 방법에는 철강이나 석유 제조 과정에서 부산물로 나오는 부생수소를 이용하는 방법, 천연가스를 추출해서 만드는 방법, 물을 분해해서 만드는 수전해 방법 등이 있다. 수소 발전 방식에 따라 환경오염 물질이 배출되기도 하고 완전한 CO2-Free 수소를 만들어내는 기술은 아직까지 경제성이 보장되지 않고 있다는 한계점을 가지고 있다.
이러한 한계를 극복하고 수소 생태계를 구축하기 위해서는 정부, 기업, 국민 등 각계의 노력이 필요하다. 그린 수소의 생산기술을 점검하고 단계적 의무화를 통한 정책 강화 등이 그 예시가 될 수 있다. 효과적인 설비운영을 위해 다양한 인프라를 활용하고 수소 전환을 뒷받침할 구체적인 근거를 마련해 탄소중립을 이뤄나가기 위한 발걸음을 내디뎌야 할 것이다.
*그린 수소 : 태양광·풍력 등 재생에너지에서 나오는 전기로 물을 전기분해(수전해)해 생산한다. 생산 과정에 이산화탄소를 전혀 배출하지 않아 이상적인 수소에너지
참고문헌
1) 남정민, “SK E&S “4년내 세계 1위 수소기업 되겠다””, 한경경제, 2021.09.01, https://www.hankyung.com/economy/article/2021090152141
2) 홍대선, “수소경제는 친환경?…문제는 수소 생산방식이다”, 한겨레, https://www.hani.co.kr/arti/economy/economy_general/990633.html
3) 한화에너지, “한화에너지, 세계 최초·최대 규모 부생수소 연료전지 발전소 준공”, 2020.07.28, https://m.hanwha.co.kr/media/news/report_view.do?seq=5771
4) 조성준, “[성큼 다가온 수소경제]한화·효성, 수소 기업으로 변신…미래 먹거리 키운다”, 매일일보, 2020.07.28, https://www.m-i.kr/news/articleView.html?idxno=733167
5) 최근도, “효성의 수소비전…”2023년 액화수소 국내공급””, 매일경제, 2021.06.21, https://www.mk.co.kr/news/business/view/2021/06/599373/
6) 최민경, “SK, 5년간 수소에 18조 투자…세계 최대 액화수소플랜트 만든다”, 머니투데이, 2021.03.02, https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2021030215264569734
수소경제 시대의 발전용 연료전지 역할 및 현황
04 – 수소경제 시대의 발전용 연료전지 역할 및 현황
글. 임희천 기술 부회장, 소장
수소산업협회, (주)수소지식 그룹 컨설팅 Lab.
수소경제 시대의 연료전지는 현재의 분산형 발전형태로부터 전력 안정성 확보를 위한 전력에너지저장장치로도 활용될 것으로 예상된다.
또한 미래 수소경제 시대에서는 전력, 가스, 열망이 통합된 에너지 통합망의 핵심적인 역할을 수행할 것으로 예상한다.
수소경제와 전력
전기는 현대의 문명을 유지시켜주는 가장 중요한 에너지원이다.
수소경제의 핵심은 재생에너지원에서 출발하고, 재생에너지 중심의 에너지 시스템에서 수소는 에너지 캐리어로서 재생에너지와 전력을 연계시켜주는 역할을 한다.
수소에너지의 변환 과정과 타 에너지와의 연계를 그림 1에서 보여주고 있다.
그림 1에서 보는 바와 같이 수소에너지 시스템에서 수소는 연료전지와 수전해 장치를 통하여 전기에너지로 전환할 수 있다.
또한, 생산된 수소는 가스나 액체로 만들어 쉽게 수송할 수 있고 다양한 형태로 저장할 수 있다.
수소는 열 및 동력으로 활용될 수 있으며, 운반 시에도 전기에너지 형태보다도 손실을 10분의1 정도로 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다.
즉, 수소는 에너지원뿐만 아니라 저장·수송 매체로도 활용할 수 있기 때문에 우리는 수소를 에너지 매체(Energy Carrier)라고도 부르고 있다.
수소에너지 시스템 내에서 연료전지는 전기에너지 공급 방안뿐 아니라 잉여전력 저장 방안으로 활용될 수 있다.
이 경우 연료전지 발전은 수소를 중심으로 하는 시스템 내에서 가정 및 공장에 수소를 공급하는 수송용 가스망 그리고 열 배관과 함께 전력망을 구성하여 열, 전기, 가스가 통합되어 운용되는 통합 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
이와 같이 수소 관련 기술 수전해, 연료전지, 수소 전력저장을 활용하여 열, 전기, 가스망을 통합하여 에너지 시스템을 구축하게 되면, 기존 화석연료 기반 에너지 시스템을 친환경 지속가능한 에너지 시스템으로 전환하는 중요한 수단으로 활용할 수 있다.
연료전지 발전 기술 개요
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지(수소)를 공기 중의 산소와 전기화학적인 방법으로 결합하여 물과 전기 그리고 열을 생산하는 직접 발전 방식이다.
직접발전 방식이기 때문에 에너지 변환효율이 높고, 연소과정이 없어 오염물질 발생이나 소음, 진동 등 공해요인도 적다.
연료전지는 발전 시 나오는 고온증기를 발전에 이용하여 더욱 높은 효율을 얻을 수 있는 장점도 있다.
발전용 연료전지는 도심에 위치하는 분산전원에서 대규모 전원으로도 활용이 가능하기 때문에 연료전지 발전은 환경을 중시하는 미래 수소에너지 사회에서 저공해, 고효율을 갖는 가장 새로운 발전 방식으로 제시되고 있다.
발전용 연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생산하는 연료전지 본체(Fuel Cell Power Section: Stack), 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환시키는 연료처리계(Fuel Processor), 발전된 직류 전기를 교류 전기로 변환시키는 전력 변환장치(Power Conditioner)로 구성된다.
그 외에 이들 시스템을 제어하고 생산된 고온의 물을 이용하여 전기를 생산하는 배열이용 시스템(Heat Recovery System)이 있다.
연료전지에서 전기를 생산하는 가장 기본적인 요소는 단위전지(Unit Cell)이다.
단위전지는 전극(Anode, Cathode), 전해질(Electrolyte) 및 분리판(Separator) 등의 구성요소로 이루어져 있고 이들이 유기적으로 반응에 관여하여 발전이 이루어지게 된다.
단위전지에서 전류를 인출하는 경우 낮은 전압을 갖게 되는데, 우리가 원하는 출력을 얻기 위하여 단위 전지들을 여러 장 쌓아올려 전압을 상승시켜 전기를 인출하게 된다. 이를 연료전지 본체, 즉 스택이라고 한다.
일반적으로 발전용 연료전지는 저온 연료전지인 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell) 등이 있다.
고온 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 등이 있다.
분산 및 발전용으로는 PAFC, MCFC, SOFC 등이 사용되며, PEMFC는 소규모 가정용과 건물용 수송용 연료전지로 사용되고 있다. 그림 2에서 연료전지 종류와 특징을 보여주고 있다.
연료전지의 활용
발전용 연료전지는 전력수요 증가, 환경 문제 등의 전력공급 제약 요인 및 전기를 필요로 하는 수요처에서 요구되는 에너지 패턴 등에 따라 화력발전 대체용, 분산형 전원 그리고 가정용 전원 등으로 구분하여 운용되고 있다.
현재 전력 생산에 있어서 가장 큰 제약조건은 지구온난화 문제로 CO2 발생을 억제하는 것이다.
연료전지는 수소를 바로 공급한다면 CO2 생산이 없고, 천연가스를 개질하여 사용하더라도 고효율 발전방식이기 때문에 기존 화력발전을 대체할 수 있는 유일한 발전 방식이 된다.
연료전지의 CO2 배출량은 천연가스 연료를 사용하는 화력발전 방식에 비교하여도 20~30% 정도를 줄일 수 있다.
연료전지는 기존 화력발전소보다 건설 기간이 짧고, 급격한 전력 수요에도 빨리 대응할 수 있다.
아울러 소규모 열병합 연료전지 발전방식에서는 열과 전기를 필요로 하는 수요자 요구에 직접 대응할 수 있으며, 송배전 설비 사용을 줄여 전력 사용 비용을 줄일 수 있다.
이는 열 및 전기를 필요로 하는 일정 수요지 근처에서는 수백㎾에서 수천㎾ 정도가 되는 연료전지를 설치하여 열과 전기를 동시 공급하는 분산형 전원(Distributed type)으로 활용이 가능하다.
가정은 열과 전기를 동시에 생산 소비 할 수 있는 가장 좋은 장소이다.
파이프로 공급되는 도시가스를 이용 배기가스가 작고 소음이 없는 현지 설치 소형 연료전지 발전시스템을 이용 열과 전기를 생산하여 사용할 수 있다.
연료전지 보급 및 보급 정책
전 세계 연료전지 보급 현황을 살펴보면 아시아 지역의 연료전지 보급이 크게 두드러지고 있다.
특히 일본, 한국 등에서는 백업전원, 마이크로 열병합 발전(m-CHP), 그리고 발전용 연료전지 활용을 위해 적극적으로 도입하고 있다.
한국은 대규모 발전용 연료전지 시스템이 중심이지만 국가별 정책에 따라 도입량 및 도입형태가 다르다.
연료전지 보급은 국내에서는 RPS(Renewable Energy Portfolio Standard) 정책, 일본은 ENEFARM(프로젝트명으로 Energy + Farm의 합성어)등의 정부지원에 크게 의존하여 증가하고 있다.
북미지역에서도 발전용 및 하역기계용 연료전지의 보급이 증가하고 있는데, 역시 미국의 SGIP(Self Generation Incentive Policy) 정책에 기인하고 있다.
종류별로는 자동차 가정용 연료전지인 PEMFC이 주를 이루고 있으나, 미국, 한국 등은 발전용 연료전지로 MCFC, PAFC가, 일본은 PEMFC 미국은 분산전원 수요에 따라 SOFC 보급이 많이 증가하고 있다.
2017년 말 기준으로 발전용 연료전지의 보급은 약 1,000㎿정도이고, 국내 보급은 2018년 기준 약 360㎿ 정도가 보급 운용되고 있다(그림 3).
수소 시대 연료전지 활용
향후 에너지 시스템으로서 전기는 재생에너지원으로부터 얻어지겠지만 재생에너지 간헐성에 따른 전력의 불안정성을 해결하는 방안이 필요하다.
수소는 연료전지를 통하여 전기에너지로 변환 가능하므로 태양광, 풍력과 같은 재생에너지에서 생산된 수소를 저장하였다가 필요한 경우 연료전지로 발전하여 계통에 공급하게 되면 전력에너지저장장치로 활용될 수 있다.
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