수소는 발전용 연료로 공급 중인 도시가스의 주성분인 메탄과 비교하여 Table 1과 같은 물성값을 갖는다⁵⁾. Table 1에서 알 수 있듯이 수소는 천연가스보다 부피발열량은 1/3 수준이며, 질량발열량은 2.4배 크다. 가스터빈의 연료로 수소-천연가스를 혼입하는 경우 후단 터보 기기에 대한 영향을 최소화하기 위해 연소기로 인입되는 총 입열량을 기존 천연가스만을 사용할 때와 동일하게 유지해야 한다.

따라서 수소를 혼소할 경우, 기존 연료의 부피 유량은 증가하고, 질량 유량은 감소하게 되며, 총 수소혼소율에 따른 연료 입열량 내 메탄이 차지하는 비율은 Fig. 2와 같다⁶⁾. 동일 연료 노즐에 수소 혼소를 적용할 경우, 부피 유량의 증가로 연료 또는 연료-산화제 혼합기의 노즐 출구 속도가 변화하게 되므로, Wobbe 지수와의 종합적인 비교를 통해 적용성을 평가하는 것이 필요하다.

Fig. 2. 
Relations between heating value (by mass) and compositon of CH₄-H₂ fuel mixture (by volume)

가스터빈의 도시가스 연료를 메탄 기준 100%로 가정하고, 부피 기준 50% 수소를 혼합하여 적용한다면, Table 2에서 보듯이 2종 연료의 열량은 동일한 반면, 100% 메탄 연료 대비 인입 질량유량은 약 14% 감소하고, 인입 부피유량은 약 54%로 증가한다. 이로 인해 수소-메탄 혼합연료의 입열량 내 메탄과 수소가 차지하는 비율은 각각 77%와 23%가 된다.

수소의 층류화염속도는 탄화수소계열 연료보다 Table 3과 같이 매우 빠르다⁶⁾. 국부적인 화염전파속도의 예측에 있어 중요한 지표인 층류화염속도의 변화는 수소 이용 연소기의 설계·운영에 있어 필수적으로 고려되어야 한다. 수소 혼합 비율이 증가할 경우, 화염 안정화 위치가 상류쪽으로 이동하는 경향이 있으며, 연소환경에 따라서 종종 역화(flashback) 현상이 발생되기도 한다.

수소혼소율에 따른 화염특성은 Fig. 3에서 알 수 있는데, Fig. 3은 화염의 위치를 대표적인 지시자인 OH^-의 분포와 온도장을 보여주고 있다⁷⁾. 수소의 혼소율이 높을수록 연소 영역이 노즐방향으로 이동하며, 수소 80% 혼소 시에는 화염이 노즐 안쪽에서 형성되는 것을 알 수 있다.

Fig. 3. 
Affect of Flame shapes by H₂ mix ratios (a) OH- mass fraction (b) temperature distribution (K)⁷⁾

수소-메탄의 혼합연료의 가연한계 범위는 Table 4와 같다⁸⁾. CH₄ 연료 대비 수소 혼합 연료의 상한 가연한계(upper flame limit)는 큰 폭으로 증가하는 것에 비해 하한 가연한계(lower flame limit)의 변화도 제한적이지만 확대된다. 또한 수소 첨가 화염의 안정성을 나타내는 희박연소한계(lean blowout limit)와 화염스트레치 증가에 따른 소염(extinction) 한계도 증가한다⁹⁾. 화염 안정성의 강화는 화염 온도의 잠재적인 상승분을 상쇄하여 희박연소 가스터빈 연소기에서 NO_X 배출량의 제어와 저부하 운전영역 확대를 구현하는 요소로 활용 가능하다.

가스터빈에 수소를 혼소하는 기대효과는 크게 두 가지로 설명할 수 있다. 첫 번째 기대효과는 청정에너지원을 사용으로 온실가스의 배출을 저감하는 것으로, 수소의 혼소율에 따른 CO₂ 저감효과는 앞선 Fig. 2에서 알 수 있다. CO₂의 저감율(질량기준)은 상기 양론 조건하에서 수소-메탄 혼합연료 중 수소에 의해 차지하는 입열량의 변화와 동일하게 표현되므로 수소를 50% 혼소할 때 약 22% CO₂가 저감된다. 두 번째는 재생에너지의 출력 변동성을 보완해줄 수 있는 유연운전원을 확보하는 것이다. 가스터빈은 기타 발전원(석탄, 원자력)에 비해 기동시간과 응답속도가 빠르기 때문에 현재에도 첨두부하를 담당하고 있지만, 향후 재생에너지가 점차 확대되면 그에 따른 출력변동성과 계통 불안정에 대한 문제가 심화될 수 있다. 이에 가스터빈의 유연운전 능력을 강화하기 위해서는 현재보다 더 낮은 최저부하율이 가능해야하며, 수소를 혼소하면 그와 같은 효과를 얻을 수 있다. Fig. 4에서 알 수 있듯이 수소혼소율이 높을수록 동일한 CO 발생량 대비(25 ppm) 높은 연소온도를 가지는데, 이는 같은 연소성능 하에서 혼소율이 높을수록 높은 출력을 얻을 수 있고, 상대적으로 낮은 부하에서 운전할 수 있는 조건을 가질 수 있다¹⁰⁾.

Fig. 4. 
Extended low loading operating limit with H₂ mix ratio¹⁰⁾

기존 천연가스 기반 복합화력발전소에 수소를 공급하기 위해서는 수소의 폭발성을 고려하여 공급 및 안전계통에 대한 변경 및 보완이 필수적이다. 「수소경제 활성화 로드맵」 발표에 따라 현행되고 있는 고압가스안전법과 차별화된 「수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률」 (이하 약칭 “수소법”)이 2020년 1월 국회를 통과하여 시행 준비를 하고 있다. 따라서 수소를 연료로 사용하기 위해서는 수소법에 근거하여 수소취성 등을 고려한 배관설계, 수소가스 누출방지 피팅, stop/ratio valve와 gas control valve이며, inlet piping 및 strainer, control servo valves, pressure gauges, fuel vent valve, fuel nozzle로 이송하는 배관 설계를 포함한 공급시스템, 배관 내 잔여수소에 대한 purge와 수소가스 누출감지, 경보시스템, 고압가스용 안전밸브, 역화방지장치, 정전기 제거 설비, 물분무장치, 소방시스템 등과 같은 안전계통의 추가 설계가 필요하다¹¹⁾.

수소 가스터빈 운영에 대한 수소안전의 국제적인 기준은 아직 없으나, International Standards Organization Technical Report (ISOTR) “수소시스템 안전의 기본 고려사항”, 미국 에너지성(DOE) 리포트(INEEL/EXT-99-00522) “safety issues with hydrogen as vehicle fuel”, National Fire Protection Association (NFPA) standard 50A “gaseous hydrogen systems at consumer site” 등을 통해 수소 가스터빈 운영에 대한 안전사항을 참고할 수 있다³⁾.

수소혼소용 가스터빈 연소기는 수소혼소 방식과 비율에 따라 형식을 달리한다. 기존 천연가스용 가스터빈은 예혼합 화염 기반의 dry low NOx (DLN) 노즐을 적용하며, 합성가스용 가스터빈은 확산화염 기반의 연소기가 적용되는 것이 일반적이다. 30% 수준의 낮은 수소혼소 비율의 경우 가스터빈 제작사별로 각기 다른 수소 혼소한계 범위에서 기존 확산화염 방식 노즐(diffusion)과 DLN 연료 노즐이 그대로 적용될 수 있다. 반면 고농도 수소 혼소 가스터빈에는 빠른 연소속도에 대응하기 위한 multi-jet 방식의 노즐을 개발하고 적용하는 연구가 수행되고 있다. Multi-jet 형태의 노즐은 3.2절에서 자세히 언급하고자 한다.

수소혼소용 연소기의 설계는 연소기 내 열 음향 및 열전달 특성에 대한 실험·해석 연구를 통해 개념설계와 상세 설계단계로 진행된다. 1차원 전산 유동해석과 열 음향 해석을 통해 기본설계를 수행한다. 1차원 유동해석은 Fig. 5와 같이 flow network model을 기반으로 한다¹²⁾. Flow network model이란 연소기 공간을 온도와 압력, 유체성분이 유사한 조건에 대하여 같은 조건영역으로 지정하고, 각 영역에 대한 다수의 lumped plug flow reactor (PFR) 혹은 fluid nod로 구분하여 1차원 기반 유동을 해석하는 방식이다. 즉 가스터빈 연소기의 공간을 다수로 구분하고 공간 간의 입력/출력 공정정보(유체 유량, 온도, 압력, 조성)를 상호 주고받으면서, 전체 연소기의 경계조건에 수렴하는 방식이다. 대표적으로 가스터빈 분야에서는 Flownex, Chemkin 등과 같은 프로그램을 이용한다. 1차원 열 음향 해석은 1차원 유동해석 결과를 바탕으로 길이 방향으로 열 음향 방정식을 해석한다. 열 음향 해석은 연소기 내 화염 위치, 모양에 따라 발생하는 동압을 예측한다. 연소 동압은 연소기 라이너 설계에 직접적인 영향을 주는데, 연소 동압 발생 위치에 따라 라이너 냉각 홀의 위치와 동압 센서 설치 위치가 결정된다.

Fig. 5. 
Computer modeling in 1D flow network tool (FLOWNEX)¹²⁾

1차원 기본설계 후 3차원 전산해석을 통한 상세설계를 진행한다. 3차원 전산해석은 연소해석, 구조해석, 열 음향해석이 필요하다. 연소해석은 기하학적인 연소기 형상을 수 만개의 격자로 구분하여, 각 격자부피 위치에서 Fig. 6과 같이 연소반응에 의한 유량, 온도, 압력, 조성을 산출한다¹³⁾. 3차원 연소해석은 질량, 운동량, 에너지, 화학반응 등에 대한 지배방정식을 컴퓨터를 이용하여 예측하는 방법으로, 연소기의 공간 안에서의 온도, 유속, 화학종 분포를 비교적 상세하게 취득할 수 있다. 연소해석의 결과를 이용하여 구조해석과 열 음향 해석을 각각 진행한다. 구조해석은 연소기와 같은 고온에 노출된 부품에 대해 연료노즐, 라이너를 대상으로 열-응력 분포를 해석한다. 수소가 혼소될 때 변경되는 화염의 위치에 따라 기존 재질에 대한 영향이 없는지에 대해 확인한다. 또한 1차원 열 음향 해석 결과를 바탕으로 3차원 열 음향해석을 진행하여 연소실 내 동압을 상세하게 예측할 수 있다.

Fig. 6. 
3D computational analysis under variable conditions¹³⁾

가스터빈의 연소시험은 상기 연소기 설계 및 연소기 운영기술 개발을 위해 필요한 과정이다. 연소시험을 통해 수소 혼합연료에 대한 특성, 각 위치별 온도, 동압, 화염 거동 및 형태, 배기가스 조성 및 온도패턴 등을 확인하여 연소기 설계인자에 대한 정보를 제공하고 설계에 대한 평가를 수행할 수 있다. 특히 연소동압과 같은 인자는 연소시험을 통한 확인이 필수적이다. 또한, 연소시험은 연소기 운전에 대해 설계한다. 연소를 위한 점화, 연료전환, 연료공급 스케줄, 부분 부하 연소특성과 같은 연소기 기동 시 필요한 운전설계와 정격부하 운전 시 발생하는 불안정요소를 회피하는 화염안정화 기술, 질소산화물 배출저감 기술과 같은 운영기술개발에 이용된다. 연소시험은 단일노즐, 캔을 대상으로 각각 수행하며, 압력에 따라 상압과 고압으로 수행한다. Fig. 7은 전력연구원이 보유한 수소혼소용 상압 연소시험설비이다¹³⁾.

Fig. 7. 
Combustion test facility based on real scale¹³⁾

수소혼소용 연소기를 기존 천연가스 기반 복합화력발전소에 적용하기 위해서는 두 가지 영향성 평가가 필요하다. 첫 번째는 수소혼소용 연소기 후단의 터보기기에 대한 영향성 분석이다. 하나의 축으로 연결되어있는 터보기기는 공력해석을 기반으로 하는 turbine inlet temperature (TIT), turbine inlet pressure (TIP), 열용량, 회전속도 등에 따른 열-응력 변화를 평가한다.

두 번째는 복합화력발전소 시스템에 대한 성능평가이다. 천연가스용 DLN 연소기 기반 복합발전을 수소혼소로 retrofit 하는 경우 플랜트의 효율은 낮아지고 출력에는 영향이 없는 것으로 알려져 있는데, 가스터빈 후단 배기가스의 열용량과 조성이 달라지므로 배열회수 보일러 및 증기터빈에 영향을 미칠 수 있다³⁾. 따라서 기존 복합발전시스템의 공정해석과 수소혼소에 따른 민감도 분석, 사이클 분석 등을 통해 시스템의 효율과 출력 등에 대한 성능평가가 필요하다. 특히 배열회수 보일러의 경우 다단의 열교환기가 배치되어 있으므로 각각 열교환기의 pinch 특성도 분석해야 한다.

2.1절에서 비교하였던 메탄과 수소-메탄 연료 적용에 대해 연소반응 중심으로 가스터빈의 열물질 수지를 산출하면, Fig. 8과 같은 간략적인 시스템 영향성을 예측할 수 있다. 가스터빈에 동일한 공기를 인입하고, 메탄(case 1)의 연공비를 0.04 기준으로 가정할 때, 수소-메탄 혼합연료(case 2)의 연공비는 0.035로 감소하나, 통상 예혼합 연소기의 연공비 범위인 0.02-0.04를 유지할 수 있다. 가스터빈의 연소가스 부피량은 0.5% 감소하며, 배기가스의 성분 변화는 Table 5와 같다. 연소가스의 부피량은 크게 변하지 않으므로 가스터빈에 대한 영향은 크지 않을 것으로 예측할 수 있다. 또한 배기가스 성분에 의해 변하는 배기가스의 단위 열량에 의해 배열회수보일러로 인입되는 열량이 변하므로 배열회수보일러와 증기터빈에 대한 영향은 있을 수 있으나, Table 5와 같이 성분변화도 크지 않으므로 그 영향도 적을 것으로 판단할 수 있다. 하지만 상기 언급한 정확한 영향성 평가를 통해 복합발전 시스템의 효율, 출력 등을 예측하여 실증 운전 시 고려해야 할 요소를 찾아 시스템 위험성을 줄여야 한다.

Fig. 8. 
Simplified impact assessment of combined cycle system

국내 수소가스터빈 연소기술은 학계의 기초 단계 연구수행이며, 아직 실증연구 이력은 전무하다. 하지만 2006-2016년 국책사업으로 진행된 한국형 석탄가스화 복합발전(integrated gasification combined cycle, IGCC) 실증사업과 관련하여 대학 및 한전 전력연구원 등을 중심으로 수소를 30% 함유한 합성가스에 대한 연소기 성능향상 및 연소기술, 연소특성 개발 수행 이력이 있고, 현재 태안 IGCC의 합성가스 가스터빈 실증사례가 있다. 그리고 서울대학교와 한국과학기술원 등 학계에서 수소가스터빈용 연료노즐에 대한 연구를 수행하고 있다. 서울대학교에서는 수소와 이산화탄소를 주성분으로 하는 연료를 대상으로 기존 예혼합노즐 대상 연소 동특성 분석, 레이저계측을 통한 화염 구조분석, 수소용 멀티노즐 시험 등을 수행하고 있다. 또한, 한국과학기술원에서는 상압 하의 수소용 다중노즐 연소시험을 수행하고 있다. 한전 전력연구원에서는 단일노즐 시험용 상압 연소시험설비와 캔 규모 상압 연소시험설비를 갖추고 있으며, 본 설비들을 이용하여 수소를 포함한 합성가스 연소특성연구를 비롯하여 다양한 연료(SNG/PNG, 셰일가스)에 대한 연소기술을 개발한 이력이 있다. 또한, 가스터빈 3대 제작사인 MHPS와의 공동 연구를 통해 합성가스 조성 변화에 따른 연소성능평가를 수행한 이력이 있다.

가스터빈은 열유체, 구조/동역학, 제어 및 계측, 소재 분야 등의 기계 공학 전 분야의 핵심기술이 종합적으로 활용이 되는 시스템 기술이며, 국내에서는 정부 및 민관 협동 과제를 통하여 전 세계 기술개발 동향을 따라잡고 있다. 최근 두산중공업의 대형 가스터빈 국산화 개발에 대한 단품 제작 및 조립이 완료되었고 향후 시운전과 수차례 기술보완 과정을 거치면서 점점 더 국내 기술이 세계 기술에 근접하는 데 속도를 내고 있다. F급 연소부품의 제작 기술은 국내에 가장 많이 설치된 GE 기종의 경우 조기에 국산화 개발이 이루어져 양산단계에 와있고, 상대적으로 수량이 적은 Siemens 기종과 도입 시기가 가장 늦어진 MHPS 기종의 경우 아직 제대로 국산화 개발이 이루어 지지 않고 있는 실정이다. 그렇다고 해서 국내기업이 제작기술이 없는 것은 아니며, G급 가스터빈 일부 부품까지 개발이 이루어졌고 양산화 단계에 있기에 F급 가스터빈의 연소부품에 대한 요소기술 및 제조기술은 충분히 경쟁력 있는 수준을 확보하고 있다고 볼 수 있다. 사용자의 적극적인 국산화 개발의지는 기업에게 국내시장에서의 track record를 쌓을 수 있는 기회를 제공하고, 이는 곧 수출로도 연계될 수 있는 발판의 역할을 하게 될 것이다. 가스터빈 연소부품 제작을 위한 공정기술은 선진국 대비 동등이상의 기술 수준을 보유하고 있다.

수소혼소 가스터빈의 연소기술은 가스터빈 및 발전분야 선진국인 미국과 유럽을 중심으로 진행되고 있다.

3.2.1 미국

미국은 캘리포니아 주와 연방정부 중심으로 ‘민-관 파트너쉽’을 통해 2004년 DOE 주관 하에 범정부적 수소 가스터빈 개발을 시작하였다. 상기 프로젝트는 미국의 대표적인 발전용 가스터빈 OEM 사인 General Electric (GE)은 연료다변화용으로 적용 중인 multi nozzle quiet combustion (MNQC) 연소기를 토대로 하여 수소가 30% 함유된 합성가스를 적용하였으며, 그 개발 및 실증이력은 Fig. 9와 같다. GE는 전 세계적으로 F급 가스터빈 약 70여 기에 실증하였다⁵⁾. 하지만 확산화염 방식의 MNQC 연소기는 연소 특성상 많은 양의 NOx를 배출하고, 이를 줄이기 위해 질소 및 증기 분사가 필요하며, 이로 인해 연소기의 효율이 낮은 편이다. 현재 발전용 가스터빈에 가장 많이 적용되는 예혼합화염 방식의 DLN 2.6e은 약 15%까지 수소혼소가 가능하며, 실제 운영상에는 5%까지로 수소 혼소를 제한하고 있다¹⁴⁾.

Fig. 9. 
Timeline of selected projects with hydrogen fuels⁶⁾

이에 GE는 발전용 가스터빈의 50% 이상의 고농도 수소 적용을 위해 high hydrogen 가스터빈 연소기를 개발 중이며, 본 개발은 DOE “Advanced IGCC/High Hydrogen Turbine Program”을 통해 100% 수소 전소까지 가능한 multi-tube mixer type으로 연구하고 있다. 개발 중인 연소기는 2018년 7HA, 9HA에 적용된 DLN 2.6e+기술을 기반으로 Fig. 10과 같이 매우 작은 연료노즐이 다발로 묶이는 형태를 하고 있다⁵⁾. 또한 GE는 노후 가스터빈의 업그레이드 및 수소 연료전환을 위해 Alstom E급 가스터빈 모델인 GT13E2의 연소기를 기존 EV 노즐에서 advanced EV 노즐을 적용하여 수소 60 vol%까지 혼소시험에 성공하였다. Advanced EV 노즐은 FDS 연결부 및 mixing zone 형태 개조를 통해 연료적용 범위의 확장, 수명시간 및 NOx 배출량을 개선하였다¹⁵⁾.

Fig. 10. 
Multi tube mixer of GE⁶⁾

3.2.2 유럽

유럽은 2019년 2월 ‘수소 로드맵 유럽’을 수립하고, 각 국가별 재생에너지 연계 수소 프로젝트를 진행 중에 있으며, 2010년 ENEL은 세계최초 수소 가스터빈 발전소를 건설하고, GE의 소형급 가스터빈을 이용하여 Fusina hydrogen power station을 실증하였다.

발전용 가스터빈의 제작사인 Siemens는 기존 자사 제품라인에 대해 연소기 변경 없이 15%까지 수소혼소가 가능하나, 그 이상에 대해서는 변경이 필요할 것으로 판단하였다¹²⁾. 또한 수소혼소용 3세대, 4세대 DLE 연소기를 개발하고, 중‧소형급 가스터빈 모델 SGT-600/700/750/800에 대해 수소혼소 실증테스트를 완료하였으며, Table 6과 같이 연료 유연성을 보증하고 있다^16,17). Fig. 11은 SGT-800을 대상으로 한 수소혼소 시험에 대한 이미지 결과이다.

Table 6. 
Fuel flexible ranges of Siemens GTs

Fuel	Unit	SGT-800	SGT-750	SGT-700	SGT-600
Methane	mol%	100	100	100	100
Hydrogen	mol%	30	15	40	40

Fig. 11. 
Results of hydrogen-mixed combustion test for SGT-800¹⁶⁾

ANSALDO는 기존 GT26 버너를 토대로 수소혼소 적용을 위하여 2011년 Alstom의 재열 엔진을 업그레이드 한 sequential environmental (SEV) 버너를 Fig. 12와 같이 개발하였다. ANSALDO는 SEV 버너의 수소혼소 15-60 vol% 범위에 대해 단일노즐 시험을 완료하였으며, 2011년 SEV 버너를 적용한 업그레이드 GT26의 15 vol% 수소혼소 실증에 성공하였다. 또한, EU 수소 가스터빈의 목표인 45 vol% 수소혼소 달성을 목표로 하고 있다¹⁸⁾. 뿐만 아니라 ANSALDO는 상기 SEV 연소기를 이용해 기존 노후 가스터빈의 수소전환 연소기 교체 및 가스터빈 Retrofit 사업인 FlameSheet^TM을 추진하고 있다. FlameSheet^TM는 Fig. 13과 같이 초기 공급한 OEM 사의 E급/F급 발전용 가스터빈 전 기종을 대상으로 하며, 노후 가스터빈의 수명연장 및 친환경 발전원 전원시장을 확보하기 위한 전략기술을 바탕으로 하고 있다. ANSALDO의 sequential combustion과 FlameSheet^TM를 통해 제공하는 수소혼소 적용 범위와 기술 성능은 Table 7과 같다¹⁹⁾. 하지만 ANSALDO가 제시한 상기 서비스에 대한 실증이력은 아직 공식적으로 발표된 내용이 없다.

Fig. 12. 
Alstom GT24/GT26 sequential combustion systems

Fig. 13. 
Concept of FlameSheet^TM of ANSALDO combustor¹⁰⁾

Table 7. 
Specification of ANSALDO GTs and FlameSheet^TM

Technology	Application	Max. H2	NOx emissions	Load range
		vol%	ppm	%
Sequential combustion	New GT26	30	15	20-100
	New GT36	50	15	20-100
FlameSheetTM	GE (6F, 7F, 9F) MHPS (501F/G, 701F/G) Siemens-WH (501F/G)	40	9	30-100

3.2.3 일본

일본은 후쿠시마 원전사고 이후 수소경제를 집중하여 육성하고 있다. 2017년 2월 ‘수소기본전략’을 채택하고, 2030년까지 연간 30만 톤 수소공급망 구축 및 수소 발전단가를 천연가스와 동등한 ¥17/kwh을 목표로 하고 있다²⁰⁾. MHPS 사는 신에너지 산업기술종합개발기구(NEDO) 주관 EAGLE 프로젝트에서 개발된 IGCC용 합성가스 가스터빈 기술을 바탕으로 Fig. 14와 같은 multiple injection dry low NOx 연소기를 이용해 G급/J급 가스터빈 수소혼소 30% 실증을 진행하고 있으며, 기존 천연가스 가스터빈 대비 약 10%의 이산화탄소를 절감할 수 있다고 알려져 있다²¹⁾.

Fig. 14. 
Multi-cluster combustor of MHPS (a) detailed diagram (b) mixing process of a coaxial jet¹⁹⁾