수소를 더하면 탄소가 줄어드는, 수소혼소발전

 

화학은 참 신기합니다. 수소에 산소를 더하면 물이 되고, 산소 원자 세 개가 모이면 오존이라는 물질이 되죠. 화학에서는 1+1이 무조건 2가 되지는 않습니다. 더하면 더할수록, 줄어드는 것도 있습니다. 친환경을 위한 좋은 더하기, 수소혼소발전은 무엇일까요? 

 

 

01

수소혼소발전이란?

   

 

수소혼소발전이란 수소를 혼소해 전기를 생산하는 것입니다. 여기서 혼소란 ‘혼합 연소’의 줄임말로, 풀어서 설명하자면 수소혼소발전은 다른 연료와 수소를 혼합해 태워 전기 에너지를 생산하는 것입니다.

수소혼소발전을 이해하려면, 기존의 가스터빈 시스템에 대해 알아야 하는데요. 가스터빈시설은 압축기, 연소기, 터빈, 발전기로 이루어져 있습니다. 압축기에서  압축된 공기는 연소기로 이동하게 되고 여기에 열과 연료를 넣어 연소하게 됩니다. 이때 발생하는 배기가스는 고온/고압의 기체로, 팽창하는 성질이 있습니다. 이 성질을 이용해 팽창한 공기를 내보내며 터빈을 돌리면 발전기에서 전기가 생산됩니다. 그리고 터빈을 돌리느라 열과 압력을 빼앗긴 배기가스는 배출되죠.

기존의 가스 터빈 시설에는 천연가스, 즉 LNG(Liquified Natural Gas)를 많이 사용했는데요. 연소 시에 많은 이산화탄소가 발생하며 환경에 좋지 않은 영향을 끼쳤습니다. 그래서 ‘수소’를 혼합해 연소하는 방법을 고안한 것입니다.

 

 

02

왜 수소혼소발전일까?

  

 

혼소발전에서 수소가 각광을 받은 이유는 수소가 친환경 에너지의 대표 주자로 알려져 있기 때문입니다. 수소는 연소할 때 나오는 물질이 ‘물’밖에 없기 때문에 탄소 배출량이 ‘0’입니다. 수소를 혼합해 배출하는 만큼 가스터빈에서 LNG를 태울 때 배출되던 이산화탄소가 줄어들게 되죠. 

LNG만 연소할 때 나오는 이산화탄소양이 100이라고 한다면 수소를 35% 섞었을 때는 약 14% 감소한 86만큼이, 수소가 70% 혼합될 경우 37% 가량이 줄어든 양의 이산화탄소만이 배출됩니다. 

지구온난화로 인한 기후재앙이 예견되고 있는 지금, 전세계는 탄소중립, 탈탄소 정책을 펼치고 있는데요. 우리나라 역시 ‘2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)’를 설정했습니다. 온실가스 배출 비중이 가장 높은 발전 부문에서는 2018년 대비 약 46%(1.2억톤)의 온실가스를 저감해야 하는데요. 목표 달성을 위해 온실가스 배출을 줄일 수 있는 수소혼소 기술의 상용화는 매우 중요합니다. 

기술 개발과 구축 기간 소요, 안정적인 에너지 확보 등의 문제로 인해 궁극적인 목표인 무탄소 발전 인프라 구축은 점진적 단계를 거쳐야 하는데요. 수소혼소발전은 탄소중립의 징검다리 역할을 하는데 있어 매우 중요한 역할을 하는 기술이라 할 수 있습니다. 

 

 

03

수소혼소발전 상용화가 어려운 이유는?

   

 

그러나 수소혼소발전 역시 바로 상용화되기에는 한계가 있습니다. 우선 수소 생산 단가가 높아 수소를 활용해 전기를 생산하면 전기료가 올라갑니다. 친환경의 대가라고 하기엔 너무 비싸 경제성이 떨어집니다. 

천연가스에 맞춰져 있는 기존 설비와 수소 간에도 문제가 있습니다. 기존의 가스 터빈은 화염이 중심에 있다고 가정하고 냉각 기술을 적용했는데요. 수소의 비율이 높아지면서 특정 부분에 열이 가해져 기계적 결함이 발생할 수 있습니다. 수소가 기존 연료의 7~8배 가량의 너무 빠른 속도로 연소하는 속성도 화염이 역류하는 화염 역화 현상을 발생시킬 수 있고요. 

배출가스의 문제도 존재합니다. 미세먼지의 주범인 질소산화물(Nox)은 터빈의 연소기 내 화염 온도가 높을수록 더 많이 배출되는데 수소는 기존의 LNG보다 화염 온도가 높아 수소혼소율을 높일수록 질소산화물이 더 많이 발생하는 위험성이 있습니다.

 

04

수소혼소발전에 쓰이는 한화토탈에너지스의 부생수소

   

 

이러한 여러 기술적, 경제적 문제를 해결하기 위해 전세계 각 기업에서는 적극적인 기술개발에 뛰어들고 있습니다. 최근 서산에 위치한 한화임팩트 대산공장에서도 80MW급 중대형 가스터빈의 수소혼소율 59.5% 실증을 성공했다는 반가운 소식이 들려왔는데요. 한국서부발전에서 제공한 노후 LNG 가스터빈을 한화에서 독자 기술로 혼소터빈으로 재생시키고, 한화토탈에너지스에서 부생수소를 조달하는 등 여러 기업 간의 협력으로 이뤄낸 성과였습니다. 

한화토탈에너지스의 대산공장에서는 생산 공정에서 많은 양의 부생수소가 발생하는데요. 부생수소의 연료로서의 가치를 고부가화해 인근 정유사나 대산 수소연료전지 발전소에 부생수소를 공급하고 있습니다. 이번 수소혼소발전에도 한화토탈에너지스의 부생수소가 친환경 연료의 역할을 했는데요. 한화토탈에너지스에서는 이처럼 탄소배출을 줄이기 위해 CCUS(탄소 포집·활용·저장 기술)와 수소혼소발전, 친환경 원료 도입 등의 기술적인 부분에도 많은 투자를 이어가고 있답니다!

 

▶한화토탈에너지스의 친환경 에너지, 부생수소가 궁금하다면?

‘환경’으로 보는 석유화학 이야기

 

 

부산물로 만드는 친환경 에너지, 부생수소 연료전지를 아시나요?

 

현재 산업계는 탈탄소로 향하는 길목에 있습니다. 이 과정은 경제적으로 부담이 되고, 갖은 신기술이 필요하며 모두의 노력이 없다면 실현 불가능한 계획입니다. 수소혼소발전부터 탄소포집기술까지, 탄소를 줄이기 위한 석유화학계의 노력은 끝없이 발전하고 있으며 언젠가는 푸른 지구를 맞이할 수 있을 것입니다.

 

 

---

종합 케미칼 & 에너지 리더,

한화토탈에너지스에 대해 더 알고 싶다면?