[한국에너지신문] 지난 1월 전국 평균 기온은 2.8도로 평년대비 3.8도가 높은 가장 따뜻한 겨울이었다. 이 때문인지 패딩 점퍼 판매량은 21% 줄고 난방 수요 급감으로 천연가스 가격이 하락했다.
지구 온난화를 막기 위한 노력은 지속되고 있으며, 특히 2015년 UN 파리협정의 채택으로 신 기후변화제체(Post-2020)가 출범함에 따라 청정에너지원을 이용한 발전의 중요성이 전 세계적으로 커지고 있다.
온실가스 배출이 없는 태양광과 풍력발전은 기술 개발에 따라 비용도 낮아지고 있어 급속한 성장이 예상된다. 전력 생산의 간헐성으로 인해 예상되는 전력계통의 불안정성은 에너지 저장과 화력발전 유연운전 등의 기술로 해소가 가능하다.
에너지 패러다임 전환에 따라 가스터빈 발전의 역할은 더 커질 것으로 보이는데 이는 저탄소 천연가스 연료를 기반으로 하면서 수소와 같은 청정 연료 전환이 가능함은 물론 기동·부하추종이 빨라 유연운전이 가능하기 때문이다.
정부는 2019년 1월 세계 최고 수준의 수소경제 선도국가 도약을 위한 「수소경제 활성화 로드맵」을 발표하였다. 수소는 잉여 신재생 전력을 활용한 수전해 등을 통해 생산이 가능하기 때문에, 온실가스를 배출하지 않으면서 안정적이고 원활한 공급이 가능한 에너지 캐리어(energy carrier)이다. 수소전주기 생태계를 구축하기 위해서는 생산 및 이용기술의 균형이 필요하고, 수소경제 활성화를 위해서는 공급과 수요 측면의 규모의 경제가 달성되어야 한다.「수소경제 활성화 로드맵」중 수소 이용기술에는 수소차, 수소 연료전지, 수소 가스터빈 등이 포함된다. 이중 수소 가스터빈은 대용량 수요처로 전력계통 안정화 측면에서 수소 supply chain의 큰 역할을 할 수 있다.
수소 가스터빈의 핵심, 연소기술
수소 가스터빈은 무탄소 연료인 수소와 공기를 연소하여 전기를 생산하기 때문에 온실가스가 배출되지 않는다. 수소는 기존 가스터빈 연료인 천연가스와 비교할 때 특성이 크게 다르다. 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 역화(flashback)가 발생되는 경향이 있다. 이를 방지하기 위해 마이크로 연료 노즐을 다수 적용한 multi-jet 형식의 연소기 개발이 선진 제작사를 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.
유연하고 경제적인 수소 가스터빈 기술 확보 필요
가스터빈에 수소를 적용하는 방법은 저·고농도 혼소 및 수소 전소로 구분 가능하다. 저농도 혼소는 기존 가스터빈에 허용 가능한 범위(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. 마지막으로 신규 가스터빈의 개발을 통해 100% 수소 연소를 구현하는 수소 전소는 분산형 발전을 위주의 수소 발전 전략에 적합하다.
수소 혼소 비율이 높을수록 온실가스 배출 저감 효과는 커지는데 50% 혼소 시, 기존 대비 20% 수준의 CO₂ 배출이 낮아진다. 수소 50% 혼소의 경우 기존 대비 온실가스 배출 저감량은 약 20% 수준이다.
2030년 수소경제 활성화를 대비하여 유연하고 경제적인 수소발전 기술을 확보하고 수소발전 믹스를 최적화하는 것이 필요하다.
운영 중 기존 가스터빈의 활용하여 유연한 대용량 수소 수요처를 확보하는 전략은 발전 부문의 효과적 RPS 이행, 설비 운영 효율화 및 투자비 절감에 기여가 가능하다.
기후변화 대응 및 신재생발전 확대 측면에서 수소 가스터빈은 실질적인 온실가스 저감과 수소 경제 기반 확보에도 동시에 기여가 가능한 기술이다.
