‘가동 멈춘 LNG가스터빈의 재발견’···한화임팩트, 수소혼소율 100% 간다

PSM·토마센 인수 국내최초 수소혼소기술 확보

국내 70% E/F클래스·15년 이상 노후 설비 활용

부품 교체·개조시 수명 10년 이상 연장···최적 선택

이미 상용화, 최근 美수소혼소 40% 개조사업 수주

서부발전과 세계 최고 수소혼소율 50% 실증사업

사진=한화임팩트 제공

수소혼소 기술은 가스터빈에서 수소와 천연가스를 함께 태워 발전하는 방식이다. 이산화탄소 배출량을 획기적으로 줄일 수 있는 만큼, 완전한 수소사회로 가기 위한 중간단계 역할을 할 것으로 기대된다.

하지만 일각에서는 수소혼소 기술에 대한 의심의 눈초리를 보내고 있다. 상용화가 되지 않은 실체 없는 기술이란 지적이다.

한화임팩트는 이 같은 오해를 해소하기 위해 지난달 30일 경기 평택시에 위치한 서부발전 평택발전본부에서 ‘수소혼소 발전 설명회’를 가졌다.

‘탄소중립’은 가장 뜨거운 글로벌 이슈다. 우리 정부도 2030년까지 온실가스 배출량을 40% 이상 감축한다는 계획을 세웠다. 2050년에는 탄소배출 ‘넷 제로’를 목표로 한다. 이를 위해 화석연료발전 비율을 축소하는 대신 신재생에너지 발전을 확대하고 암모니아와 수소 등 무탄소 연료 혼소 도입을 늘린다.

한화임팩트는 올해 3월 미국 PSM사와 네덜란드 토마센에너지를 인수하며 국내 최초로 수소혼소 발전기술을 확보했다. 글로벌 시장에서도 선발주자 입지를 구축하고 있다. 한화임팩트의 수소혼소 발전기술은 국내 노후화된 가스터빈을 활용하는 것이 핵심이다.

가스터빈은 타 엔진형식에 비해 소형·경량으로 높은 출력을 얻을 수 있는 것이 특징이다. 가스터빈은 터빈입구온도(TIT)에 따라 D/E/F/G/H/J클래스로 구분된다. 가장 주력으로 사용되는 것은 설비용량의 66%를 차지하는 E/F 클래스다.

고효율 대형 가스터빈인 G/H/J 클래스는 글로벌 OEM 회사들이 주도권을 선점하고 있다. 하지만 가스터빈 엔진이 대형화될수록 TIT가 지속적으로 증가하기 때문에 질소산화물(NOx) 배출량도 덩달아 증가한다. 이 때문에 친환경 저공해 연소기 개발도 동시에 이뤄져야 한다.

국내 가동 중인 천연액화가스(LNG) 가스터빈은 총 158기로,설비용량은 26기가와트(GW)다. 지난해 기준 총 134GW인 국내 발전 자산 포트폴리오에서 30%의 비중을 차지하고 있다.

한화임팩트는 국내 가스터빈의 70% 가량을 차지하는 E/F 클래스, 또 가동연수가 15년 이상이 된 노후 가스터빈을 활용한다.

송용선 한화임팩트 상무가 수소혼소 발전에 대해 설명하고 있다. 사진=한화임팩트 제공

송용선 한화임팩트 수소사업부 상무는 “글로벌 OEM 업체들은 가스터빈의 수명을 15~20년으로 한정하고 있지만, 개조하고 부품을 교체하면 원래 수명만큼 추가로 더 사용할 수 있다”며 “친환경 전환도 중요하지만, 기존 자산을 얼마나 활용할 수 있는지도 고려해야 한다. 15년 이상된 E/F클래스 가스터빈을 활용하는 것이 최적의 선택이었다”고 설명했다.

수소 가스터빈은 수소나 암모니아를 분해 연료로 활용해 가스터빈을 구동하는 것이 골자다. 유틸리티급 대용량 발전 분야에서는 탄소 배출 저감효과가 매우 우수하기 때문에 수소경제의 핵심 발전원으로 성장할 것으로 전망된다.

수소를 가스터빈 연료로 사용하기 위해서는 메탄 대비 높은 화염온도와 화염속도, 화염구조 변화에 따른 역화현상과 연소진동을 제어할 수 있는 기술이 요구된다.

한화임팩트는 현재 예혼합방식 연소 기술, 공기역학적 유동을 통한 화염 제어 기술을 통해 가스터빈에 수소를 혼소하는 기술을 확보했다. 수소혼소율은 최대 65%(연구소 기준)를 달성했다. NOx 배출은 환경부가 정한 기준 10ppm의 절반 수준인 5.5ppm에 불과하다. 한화임팩트는 오는 2023년까지 수소 100%를 위한 전소 연구개발을 진행 중이다.

수소혼소 발전은 기존 연료로서 LNG를 활용 중인 가스터빈 발전 시스템에 연료를 수소로 교체한 것이다. 기존 가스터빈의 장점을 유지하면서도 이산화탄소(CO2) 배출을 절감해 탈탄소화와 전력망 안정화에 기여한다.

또 한화임팩트가 보유한 수소 연소기는 글로벌 OEM사가 제작한 가스터빈에도 공용으로 적용 가능하다는 점에서 성장성이 높게 점처진다. 향후 G/H/J 클래스 개발을 확대하고, 혼소율 증가와 100% 전소 개발을 추진한다는 계획이다.

한화임팩트의 수소혼소 기술은 이미 네덜란드와 미국에서 상용화된 기술이다. 1998년 준공된 네덜란드 열병합발전소의 E 클래스 3대를 개조했고, 2018년 수소혼소 35%를 달성했다. 인근에 위치한 케미칼 회새에서 발생하는 부생수소를 이용하고 있는데, 수소 100% 전소로 업그레이드할 계획이다.

미국 인디애나에 위치한 미국 복합화력발전소의 경우 F 클래스 4대를 개조해 현재 수소혼조 5% 운전 중이다.

특히 한화임팩트는 최근 미국 뉴저지에 위치한 열병합발전소의 수소혼소 가스터빈 개조 사업을 수주했다. 세계 최초로 2022년까지 상업가동 중인 천연가스 가스터빈에 수소혼소율 40%를 적용할 계획이다.

송 상무는 “수주전에 참여한 또다른 글로벌 OEM사는 수소혼소율 40%를 맞출 수 없다고 중도 포기했다”며 “한화의 최신 기술인 연소기(FlameSheet)는 경쟁사 대비 Refinery Off Gas(ROG)를 대부분 태울 수 있다는 장점을 보유해 프로젝트를 수주했다”고 강조했다.

수소혼소 주요 부품인 연소기. 사진=한화임팩트 제공

한화임팩트는 현재 서부발전과 세계 최고 수준인 수소혼소율 50%를 달성하기 위한 사업을 추진 중이다. 서부발전이 평택발전본부에 보유한 80메가와트(MW)급 E 클래스 노후 가스터빈을 대산에 위치한 한화임팩트 부지로 이동한 후, 가스터빈 개조를 거치게 된다. 이 가스터빈은 1991년 착공해 1996년 준공됐고, 2017년 조기 폐지돼 약 4년간 현장보전만 해 왔다.

한화토탈 대산공장에서 발생하는 부생수소를 활용하고, 실증 완료기간은 2023년 1분기다. 한화임팩트는 CO2가 20% 이상 저감될 것으로 예상한다.

또 서부발전 서인천에 위치한 F 클래스 가스터빈 8대는 단계적 개조를 거쳐 2030년까지 2기의 수소혼소율 50%, 2030년까지 4기의 혼소율 70%를 목표로 한다. 수소를 단독 연료로 연소하는 기술까지 개발한다면 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 대규모 탄소제로 발전이 가능할 것으로 기대된다.

송 상무는 “GE나 지멘스 등 글로벌 OEM 업체들도 조만간 수소 연소기를 개발해 시장에 선보일 것으로 예상된다”며 “하지만 실제로 수소를 넣어 발전기를 돌린 실증사례가 없다. 우리는 실제 역량을 확보하고 있다는 점에서 경쟁력을 갖추고 있다고 판단한다”고 강조했다.