“합리적인 그린수소사회 구현하자”

암모니아 기반 수소 생산, 수소혼소터빈 활용 필요

탄소중립 시대 ‘청정수소’, 인프라 미흡

수소는 탄소중립 시대의 핵심 에너지원으로 자리 잡고 있으며, 반도체 분야에서도 수소를 응용할 수 있다는 점 등 수소경제의 의미와 잠재력은 날이 갈수록 커지고 있다. 이와 관련, 지난 8월 19일 정태호 국회의원(더불어민주당)과 그린수소사회연구회가 공동 주최한 ‘합리적인 그린수소사회 구현을 위한 제2차 정책 세미나’가 국회의원회관 제3세미나실에서 개최됐다.

정태호 국회의원은 축사를 통해 “수소는 탄소중립 시대 핵심 에너지원으로서 자동차와 선박 등 다양한 운송수단의 친환경 원료가 되고 연료전지 등 무탄소 전원에 사용되며, 산업용 공정에도 활용한다”고 전했다.

수소는 생산된 재생에너지를 저장하고 운송하는 데도 중요한 역할을 하고 있어 전 세계가 친환경 에너지 정책의 핵심으로 수소경제에 주목하고 있다. 2015년 197개국이 합의한 피리기후변화협정은 ‘지구의 평균 온도 상승을 2℃ 아래로 유지하고 1.5℃로 제한하도록 노력한다’라는 내용을 담고 있다.

이 협정에 따라 참가국들은 온실가스 배출을 자발적으로 얼마나 줄일지 국가 온실가스 감축 목표(NDC)를 정하고 다양한 탄소감축 방안을 마련해 왔다. 기후 위기가 머나먼 미래의 일이 아니라 현실의 문제로 다가온 만큼 우리나라를 포함한 세계 여러 국가에서 재생에너지 보급 확대와 수소경제로의 전환을 서두르고 있다.

수소경제 기반 조성 필요

컨설팅업체 맥킨지는 2050년까지의 수소경제의 규모가 약 3233조 원에 달하고, 전체 에너지 수요의 20%를 차지할 것으로 전망했다.

정태호 의원은 또한 “생산과정에서 온실가스 배출이 없는 청정수소 생산에 전 세계의 관심이 집중되어 있지만, 우리나라에서는 청정수소의 생산·도입 인프라조차 미흡하다”면서 “그린수소경제 실현을 뒷받침하기 위한 역할과 정책 일관성을 확보하기 위한 거버넌스 구축 등 경제성, 환경성 및 안정성을 모두 만족시키는 그린수소경제를 실현하자”고 강조했다.

그동안 정태호 의원은 의정활동의 핵심아젠다로 ‘수소경제’를 정하고, 수소와 관련된 분과토론을 비롯해 수소경제 기반을 조성하기 위한 정책적 지원 방안을 마련하고자 노력했다.

특히 정태호 의원이 대표 발의한 청정수소 명문화, 수소 관련 기업 및 발전 사업자의 의무규정 등이 명시된 수소법 개정안이 지난 5월 9일 국회 산자위를 통과해 곧 본회의 상정을 앞두고 있어 그린 수소 생태계 조성의 제도적 기반도 만들어질 것으로 기대된다.

이와 관련해 정태호 의원은 “조속한 그린수소 생태계를 구축해 탄소중립 실현을 뒷받침해야 한다”며, “국내 기업들이 그린수소 활용을 통해 세계 수소시장을 선도하도록 국회 차원에서 지속적으로 정책적 지원을 위한 논의의 장을 만들겠다”고 밝혔다.

그린 암모니아 기반 수소 생산·활용

이날 첫 주제발표자로 나선 채호정 박사(한국화학연구원)는 ‘그린 암모니아 기반 수소 생산 및 활용’에 대해 발표했다. 채호정 박사에 따르면 수소는 안전한 저장/이송/공급을 위해서 결합을 필요로 한다.

그레이수소는 현재까지 매우 유용한 에너지·자원이었으나 완전하지 않다. 따라서 C-free/N-based 수소의 결합이 필요하다. 그리고 암모니아를 이용한 재생에너지 변동성 대응 및 원활한 수급 확보가 가능하다.

결국 효율적인 수소 운송/저장을 위한 암모니아계 물질 활용 기술 개발이 필요하다. 수소저장탱크 기술은 고가, 고에너지, 저장 용량 한계 등으로 이송 경제성, 안정성이 미흡하다.

반면 안전한 고에너지 밀도의 암모니아계 물질은 고용량, 저에너지, 비가연성, 비폭발성, 경제성 등이 있고, 비료산업 연계 및 안정적 수요 대응이 가능하다. 암모니아는 또 가장 단위 무게 당/단위 부피당 수소 저장 능력이 우수하다. 때문에 그린 암모니아(Green NH3)는 향후 20년 동안 1000만 톤/년 정도까지 성장할 것으로 예상된다.

또한 화학 및 에너지 시장에서 2020∼2040년 동안 mobility 응용 분야에서 기존 연료를 대체하는 암모니아-수소 개발로 2040년 이후 5000만 톤/년 이상의 높은 에너지 수요가 생길 것으로 예측된다.

암모니아 기반 그린수소 개발

호주-일본은 신재생에너지를 이용한 수소의 생산·수송에 나서고 있다. 세계 최대 암모니아 생산기업인 Yara는 태양에너지를 이용해 암모니아 생산 실증 플랜트를 추진 중이다. 호주는 암모니아 기반 수소 생산을 연구하고 있다. 호주 연방과학원(CSIRO)을 중심으로 암모니아 기반 수소 저장·운송 기술로 수소 보급 실증 연구를 추진 중이며, 그린 암모니아 수소 추출을 위한 공정을 통해 암모니아 기반 이동식 수소 충전스테이션 실증을 완료했다. 또한 미분해 암모니아와 질소 분리를 위해 분리막 정제 공정을 사용했다.

일본은 암모니아 기반 국제적인 수소 공급 체인을 구축하고 있다. 다이요닛산, 히로시마대학, 일본과학기술진흥기구(JST) 등의 공동연구팀(2018년)은 20N㎥/h급 암모니아 개질 수소정제시스템을 개발했다. 미국은 암모니아 기반 에너지 저장/직접 이용 연구를 진행 중이고 ARPA-E, U.S Department of Energy(DOE) 등이 관련 프로젝트를 진행 중이다.

포스코그룹은 지난해 현대차그룹과 ‘수소사업 협력에 관한 업무협약’을 체결했다. 이들은 우선 수소에너지 활용기술 개발과 관련해, 포스코그룹이 암모니아를 활용한 그린수소 제조 기술을 개발하고 현대차그룹은 그린수소를 사용하는 연료전지 발전사업을 추진키로 했다.

현대중공업그룹은 지난해 사우디아라비아 국영 석유기업 아람코와 ‘수소 암모니아 업무 협약’을 체결, 양사는 협약을 통해 친환경 수소, 암모니아 등을 활용, 협력 모델을 구체화하는 것은 물론, 공동 연구개발을 추진키로 했다. 롯데케미칼은 지난해 2분기 실적발표에서 “해외 그린수소를 한국으로 이동하는 방법에는 액화 수소 자체 운반과 암모니아 변환, 다른 유기화합물로 변환시켜 운송하는 방법이 있다”면서 “암모니아 방식을 택한 것은 경제성이 좋을 뿐만 아니라 이미 글로벌하게 2억 톤 가량 트레이딩되고, 롯데케미칼 계열사가 인프라를 보유한 가장 적합하다 판단했기 때문”이라고 전했다.

한화-원익도 암모니아를 기반으로 한 수소사업 확장에 나선다. (주)한화(글로벌 부문)와 한화임팩트는 지난해 10월 원익머트리얼즈, 원익홀딩스와 암모니아를 기반으로 한 수소 생산·공급에 협력하는 내용의 양해각서(MOU)를 체결했다. 4개사는 먼저 암모니아를 분해(크래킹)해 수소를 생산할 수 있는 시스템을 공동 개발하고, 대규모 수소 생산·공급 시설의 구축까지 협력해 나갈 예정이다.

추후 한화임팩트가 수소가스 터빈 기술에 암모니아 개질 수소를 활용하는 등 MOU를 계기로 친환경 수소 밸류 체인 구축에도 힘을 모을 방침이다. 국내는 또한 암모니아 기반 청정수소 생산 1000N㎥/h 규모의 파일럿 플랜트 실증화 기술 개발, 부산 국제자유 특구사업 암모니아 기반 선박 개발 등이 추진 중이다.

채호정 박사는 “연구개발은 암모니아-수소 기반 수소 시장 선점이 가능한 분야와 응용 확장성 다변화를 위한 기술 선점 분야에 집중할 필요가 있다”고 제안했다.

수소혼소터빈 활용

두 번째 주제발표자로 나선 김민국 연구실장(한국기계연구원)은 ‘수소혼소터빈 활용’에 대해 발표했다. 김민국 연구실장에 따르면 가스터빈 활용 탄소중립 달성 방안과 관련해 미국 GE는 H-class에 CCS를 적용해 석탄 대비 97% CO2 저감 기술을 확보한 상태지만 CCS 적용이 제한적인 국내에서는 수소 혼소·전소 터빈 개발이 필수다. 또한 국내 2050년 탄소중립 시나리오에서 가스터빈이 전체 전원믹스에서 18.8∼21.5%를 담당한다.

수소터빈 활용의 합리성은 ▷재생에너지 간헐성 대응 급속기동(급속기동 10∼30분) ▷전력망 관성 자원 제공(회전체 발전 형식) ▷수소사회 전환 견인(대량의 수소 소비처, 규모의 경제 실현) ▷수소사회 과도기 수요-공급 불균형 해소(소비량 실시간 조절 가능) ▷주민 수용성(기존의 발전부지, 송전망 사용) ▷연료 다변화 대응 능력 우수(불확실성이 내재된 연료 시장에 능동적으로 대응) 등이다.

가스터빈 연소기는 1세대 연소기(확산화염 형태, 수소 70∼100% 가능, NOx 200∼600ppm), 2세대 연소기(예혼합화염 형태, 수소 5∼20% 가능, NOx 10∼25ppm), 3세대 연소기(예혼합화염 형태, 50% 혼소 가능, 100% 전소 개발 중) 등으로 나뉜다.

해외 수소 혼소 터빈은 미국 GE의 경우 40년 이상 연구를 진행해 오고 있고, 구체적인 사업화를 진행 중으로 2030년 대형 GT 수소 전소 개발을 완료한다는 계획이다. 그리고 선진 OEM사 모두 2030년까지 수소 전소 기술 확보 완료 계획을 밝히고 있다. SIEMENS는 2030년 100% 수소전소기술을 적용할 계획이다. MHPS는 일본 정부의 수소 사회 로드맵과 연계, 2030년까지 상업 운전에 착수할 계획이다. 그리고 단기적으로 소형 GT 대상 수소 혼소·전소 기술을 확보하고, 장기적으론 중대형 GT 수소 혼소·전소 기술 개발을 완료한다는 계획이다.

국내 수소터빈 개발 현황

두산에너빌리티(전 두산중공업)는 국내 최초로 세계 5번째 대형 가스터빈 독자모델 개발(LNG 버전, 김포복합화력 실증 예정, 2023.7∼2025.7)할 예정이고, 270MW급 대형 GT 대상 50% 혼소 연소기 retrofit 기술을 개발(2024년 완료 목표, 기계연구원 주관) 중이며, 50MW급 소형 GT 대상 수소 전소 기술을 개발(2024년 완료 목표, 두산 주관) 중이며, 370MW급 표준복합용과 중형 등 line up 모두 H2-ready로 개발하고 있다.

한화임팩트(전 한화종합화학)는 PSM(미국)·ATH(네덜란드) 인수를 통해 중대형 GT 수소 혼소 연소기 retrofit 기술을 확보했고, 서부발전 대산산업단지에서 80MW급 55% 수소 혼소 기술을 실증 중이다. 뿐만 아니라 해외 수소혼소 retrofit 사업도 수행하고 있다.

백업 발전원 역할

수소혼소터빈은 또 ▷재생에너지의 급격한 발전 증감이 발생(태양광, 풍력 등) ▷ESS 초기 대응 이후 재생에너지 발전 재개 사이 백업 발전 필요 ▷급속기동 뿐만 아니라 급속 부하 추종 능력 필요 ▷일일 간헐성(태양광)과 계절 간헐성(풍력) 등에 모두 대응 가능 등 재생에너지 간헐성에 대한 백업 발전원 역할을 한다.

아울러 경제적인 탄소중립 사회 구현을 위해 전원믹스에 원자력 기저 발전 필요 ▷대형발전원인 원자력 백업 발전원 역할 수행(탈석탄 이후) ▷AC/DC 전원망 혼재 상황의 과도기에 관성자원 제공 역할 등 원자력 발전 백업 발전원 역할도 한다.

기존 인프라 활용 가능

수소혼소터빈은 기존 인프라를 활용할 수도 있다. 이와 관련, 수소연료 공급시스템은 추가적으로 필요하겠지만 LNG 가스터빈에서 연소기만 수소용으로 교체하면 기존 LNG 가스터빈 발전 시스템을 그대로 사용할 수 있다. 그리고 기존 발전 부지와 송전망을 그대로 사용하면 기존 LNG 발전소의 전문 인력을 활용해 일자리 및 기술노하우를 유지하고, 신규 발전소를 건설하지 않아 주민수용성 확보에 유리하다.

최소 인프라 투자로 전환도 가능하다. 이외에 과도기 수소혼소터빈 전환 활용과 최종 수소전소터빈 전환 활용으로 석탄발전 전환 가스발전의 좌초자산화도 방지할 수 있다.

때문에 수소혼소터빈은 선택이 아닌 필수라고 할 수 있다. 공급량 추종 대형 수요도 제공한다. 대용량 수소 수요처 역할로 규모의 경제를 실현하고, 혼소율 조절이 가능(공급량에 맞게 수요 조절 가능, 거의 실시간으로 조절)하다. 때문에 수소사회 과도기의 수요-공급 불균형을 해결(생산-공급 차질 발생 시 혼소율 감소, 과잉 생산 시 혼소율 증가)해준다.

김민국 연구실장은 “수소혼소터빈 기술 실증 가속화로 수소터빈 시장 국내 기업의 진출 기반을 마련하고, 수소터빈 기술 개발 전용 인프라를 확보하고, 지속가능한 생태계 활성화를 위한 전문 인력 양성 지원도 필요하다”고 전했다.

이와 관련해 대형 수소혼소 기술 실증을 위해 대용량 수소공급 설비 투자가 필요하고, 전기터빈 특성상 발전소에서의 기술 실증이 필요하다. 또한 전력수급계획상 기술 실증과 보급 확산 개념을 구분하고, 발전사의 기술 실증 노력에 대한 인센티브(전환 우대, 용량 증대 등)가 필요하다.

<조원상 기자>