수소혼소용 가스터빈의 요소기술 및 국내외 기술개발 동향

1. 서 론

“안정적 전력 공급”이 최우선 목표였던 국내 전력산업은 글로벌 메가트렌드에 따라 큰 변화의 바람을 맞이하고 있다. 풍력․태양광 발전설비의 대규모 증설을 내세운 3020 재생에너지 정책에 따라 국내 신재생발전 비중은 2019년 1분기 7%를 돌파한 바 있고, 석탄 화력은 주기적으로 운영을 중단하거나 일부는 폐지 절차가 진행 중에 있다. 또한 2030년까지 국내 배출 온실가스 감축 비율을 business as usual (BAU) 대비 25.7%에서 35.2%로 대폭 확대하는 온실가스 감축 로드맵 수정안이 2018년 발표된 바 있다. 2019년에는 온실가스 저감과 관련하여 파리협약의 온실가스 감축 목표를 근간으로 하여 재생에너지의 확대 및 청정에너지로의 전환을 위한 제3차 에너지기본계획이 수립되었다. 제3차 에너지기본계획의 목표는 에너지 전환을 통한 지속 가능한 성장과 국민 삶의 질 제고이며, 이를 위해 깨끗하고 안전한 에너지믹스, 재생에너지, 수소, 효율연계 산업 등 미래에너지산업 육성을 중점 추진 과제의 하나로 계획하고 있으며, 이에 따라 제9차 전원수급 기본계획의 개편이 진행되고 있다¹⁾. 특히 3020 재생에너지 정책에 따라 풍력·태양광 등 간헐성 재생발전설비는 크게 증가할 전망이며 이에 따른 전력계통 안정성 확보 문제가 대두되고 있다. 청정발전과 재생에너지 확대 측면에서 세계 각국은 수소경제 활성화를 지향하고 있으며, 우리나라도 지난 2019년 1월 「수소경제 활성화 로드맵」을 발표한 바 있다. 「수소경제 활성화 로드맵」은 수소의 생산부터 이송/저장, 이용에 대한 전주기 산업 생태계를 구축하여 혁신성장의 새로운 성장동력을 창출하고, 친환경 에너지 원동력으로 확보하고자 한다²⁾. 따라서 재생에너지의 확대를 통해 수소 전환으로 이루어지는 산업이 급성장할 것으로 예측되며, 수소 생산·이용에 대한 value chain을 완성하기 위해서는 대용량의 수소 수요처 발굴 및 확보가 매우 중요하다. 2019년 발표된 ETN 보고서에 따르면 에너지 패러다임의 변화에 따른 가스터빈의 역할에 대해 기술하고 있다. 2030년까지 유럽은 Zero-CO₂를 실현하고자 하며, 이를 위해 가스터빈은 3단계에 걸쳐 연료를 전환하고 적용기술을 개발할 것으로 판단한다. Fig. 1과 같이 천연가스 가스터빈에서 과도기로 수소-바이오가스-천연가스의 혼소를 거쳐 최종적으로 수소-바이오 가스터빈으로 귀결될 것으로 보고하고 있다³⁾.

Fig. 1.

The role of gas turbines in the global energy transition

한편, 장기간 국내 발전 부분에서 주요 발전원으로 큰 역할을 수행해 온 대형 발전용 가스터빈(100 MW 이상)은 글로벌 친환경 추세에 따라 중요성이 점차 커질 전망이다. 가스터빈은 천연가스 연료 특성상 석탄 대비 낮은 온실가스 배출 특성을 가지며, 대용량 타 발전원(석탄, 원자력) 대비 짧은 기동시간, 높은 출력과 증·감발 속도의 특성도 가지고 있다. 발전용 가스터빈의 기계적 수명은 30년 이상으로 길지만, 에너지가 부족한 우리나라와 일본에서는 20여 년 정도 운전된 노후 가스터빈의 경우, 상대적으로 낮은 발전효율로 인해 급전 순위가 하락하고 결과적으로 설비 이용률이 낮아지고 있다. 이러한 영향으로 발전사는 운영 경제성이 낮은 가스터빈을 제작사와의 장기 서비스 계약(long term service agreement), 장기 부품 계약(long term parts management) 종료 시기에 맞춰 폐지하는 것을 검토하고 있다. 그러나 미국 등 다수의 국가에서 30년 이상 운전되는 사례를 바탕으로 볼 때, 기계적 잔존 수명이 20년 이상 남은 가스터빈을 폐지하고 고가의 신규 발전설비로 대체하는 것은 국가적으로 자산 가치와 전문 인력의 일자리가 매몰되는 부정적인 영향을 미치게 된다. 이와 같은 문제는 10년 이상 운전된 노후 발전용 가스터빈의 연소방식을 천연가스와 수소의 혼소로 전환함으로써 해결할 수 있는데, 수소라는 청정연료를 사용하여 환경급전을 통한 급전순위를 상향시키고, 이용률을 증가시킬 수 있다. 환경급전이란 기존의 경제급전 방식이 아닌 대기오염물질 배출이 적은 발전원을 우선 가동하는 방식으로 가스발전〉석탄발전〉유류발전 순서로 급전 순위를 정의하고 있다. 이와 관련하여 국회 예산정책처는 현행 전기사업법 제45조에 대해 “전력시장에서 결정된 우선순위(경제급전)를 따르되, 지속 가능한 발전법에 따른 환경의 보전 등을 함께 고려해야 한다”로 개정 제시하였다^4,5). 수소혼소 가스터빈을 통한 환경급전 강화는 자연스럽게 가스터빈의 이용률 증가와 발전설비의 수명연장으로 이어질 수 있다. 이로써 신규 발전설비로의 교체 시기를 상당 기간 뒤로 연기함으로써 투자비와 운영비를 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 수소혼소용 가스터빈 기술

발전용 대용량 가스터빈을 대상으로 하는 수소혼소 기술은 기존 운전 중인 가스터빈의 연소방식 교체를 목표로 하므로 연소기 개조 및 운영기술 그리고 기존 발전시스템에 영향을 주는지를 분석·평가하는 기술이 핵심이다. 연소기 개조를 위해서는 수소 연소특성 분석을 위한 전산해석과 단일노즐시험, 혼소용 연료노즐 및 라이너 설계를 수행해야 하며, 혼소용 연소기에 대한 수소 혼소화염 안정화를 위한 연소조정과 같은 운영기술이 필요하다. 또한 혼소용 연소기 적용에 따른 터보기기, 연소기 출력 및 효율에 대한 영향성 분석과 발전시스템(배열회수보일러, 증기터빈)의 성능에 대한 영향성 분석·평가가 필요하다. 연소기 전산해석은 열 음향과 연소해석, 구조해석으로, 시험은 단일노즐, 캔에 대해 상·고압시험으로 세분화할 수 있다.

2.1 수소연료 및 연소특성

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.

Table 1.

Comparison of fuel properties

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.

Table 2.

Comparison of fuel flows between 100% CH4 and 50% H2 mixtures

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.

Table 3.

Laminar flow velocity under stoichiometric condition on each fuel

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.

Table 4.

Flammable limits of H2 mixing ratios

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)

2.3 수소혼소용 연소기 설계

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)

2.4 수소혼소 시험기술

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)

2.5 수소혼소 복합발전 영향성 평가기술

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

Table 5.

Comparison of mol fraction in exhaust gas from GT

3. 수소혼소용 가스터빈 기술개발 동향

3.2 국외 기술개발 동향

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

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 FlameSheetTM of ANSALDO combustor10)

Table 7.

Specification of ANSALDO GTs and FlameSheetTM

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)

4. 결 론

최근 급격한 기후변화에 따른 환경적 요인으로 신재생에너지 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 이 중 온실가스 배출이 없어 환경에 영향을 주지 않으면서 안정적인 전력을 공급할 수 있는 에너지원으로 수소가 대두되고 있다. 기존 탄소 기반 경제체제에서 수소 기반 경제체제로 전환된다는 것은 단순한 에너지 시스템의 변화뿐만 아니라 경제, 사회, 문화 전반에 걸친 패러다임의 변화를 동반하는 것을 의미하며 이를 인지하고 있는 선진국들은 이에 대응하기 위하여 수소에너지 기술 개발 및 보급에 집중하고 있다.

한국전력공사는 2019년 수소 생산 및 이용 기술 확보를 위해 2030년을 목표로 하는 중장기 기술 개발 전략 “KEPCO H₂ 비전 로드맵”을 수립하였다. 본 로드맵을 통해 한국전력공사는 수소 가스터빈으로 대용량 발전용 혼소기술과 분산전원용 전소기술을 확보하기 위한 기술 개발을 추진하고 있다.

수소혼소용 가스터빈 기술은 안정적 수소 수요처 창출을 통해 수소경제 활성화 로드맵 이행 및 수소 산업의 전주기 생태계 활성화에 이바지할 것으로 전망된다. 또한, 미래기술의 선제적 기술 확보를 통한 복합화력의 연료 다변화 및 청정발전 사회로의 전환을 가속화 할 수 있으며, 해외 의존적인 가스터빈 기술의 국산화를 통해 국내 발전기술의 자립도를 향상할 수 있다. 특히, 급전 순위가 낮은 노후 가스터빈에 적용함으로써 환경 급전 강화를 통해 수명연장을 꾀하여 신규 발전 설비로의 교체시기를 상당 기간 뒤로 연장함으로써 투자비와 운영비를 절감할 수 있는 기술로 주목받을 것이다.

References

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