송민호 한국가스기술공사 에너지사업본부장
지난해 11월, 우리 정부와 탄소중립위원회는 2050 탄소중립 목표 달성을 위해 유엔기후변화협약 사무국에 2030 국가 온실가스 감축 목표(NDC)를 제출했다. 이는 2030년까지 온실가스 배출량을 2018년 대비 40% 감축하겠다는 목표를 담았는데, 특히 배출량이 가장 많은 발전 및 난방 분야에서는 45.9% (약 1억 2000만톤)를 감축해야 한다. 탄소중립위원회는 발전 및 난방 분야 주요 감축 방안으로 석탄발전 축소, 신재생에너지 확대, 연료 원료 전환 등을 제시했는데, 기존 석탄 및 천연가스(LNG) 발전을 대체 할 수 있는 ‘수소 가스터빈’이 주요 대안으로 주목받으며 빠르게 성장하고 있다.
발전용 가스터빈은 연료와 압축된 공기의 연소를 통해 고온·고압의 가스를 팽창시켜 발전기를 가동해 전기를 생산하는 설비다. 대게 가스터빈을 이용한 발전은 40%에서 60%의 열효율로 전기를 생산하고 발전 연료로는 액화천연가스(LNG)가 사용된다. 수소터빈은 기존 연료인 LNG 대신 수소를 원료로 사용하는 가스터빈이다. 현재 100% 수소터빈은 개발이 진행 중이고 과도기로 혼소-수소터빈 발전, 즉 LNG와 수소 (10~50%)를 섞은 연료를 연소해 전기를 생산한다. 하지만 궁극적으로는 수소만으로 가동되는 발전용 터빈으로 전기를 생산 할 것이다.
수소터빈은 환경 및 경제적으로 다양한 이점을 지니고 있다. 먼저 무탄소 에너지원인 수소만을 원료로 사용하기에 이산화탄소 및 질소산화물 등 온실가스 배출을 획기적으로 감축할 것이다. 그리고 태양광과 풍력 등 재생에너지의 문제점인 전력 생산 간혈성에 의한 전력망 불안정을 보완하기 위한 분산전원으로 사용 될 수 있다. 또 10년 이상 노후화된 LNG 복합발전 가스터빈을 수소-혼소 및 수소-전소가 가능하도록 개조한다면 고가의 고온 부품과 로터의 수명을 연장할 수 있어 교체비용을 절감할 수 있다. 마지막으로 수소경제 달성을 위해서는 대규모의 수소 수요와 이를 위한 인프라를 구축함으로써 규모의 경제를 실현하는 게 필수적인데, 이 과정에서 수소 터빈이 대규모 수요처로 활용돼 수소 사회로의 진입을 빠르게 실현 시킬 것이다. 하지만 국산 수소터빈 기술은 앞으로 풀어야 할 많은 숙제를 안고 있다. 기존 LNG 발전급의 효율을 내면서도 경제성을 높이여야 하고 수소 발전 시 고온에 견디는 연소기 소재 개발과 대용량 수소 혼소 또는 전소 연소 실증 경험 부족 등 아직 넘어야 할 과제가 많다.
다행히 우리 정부는 2020년 11월 가스터빈 산업 경쟁력 강화방안을 발표하고 2030년 가스터빈 산업 글로벌 4강 도약 비전을 제시했다. 이를 바탕으로 가스터빈에서 수소터빈으로 기술 개발이 이뤄진다면 향후 목표한 탄소중립을 위한 NDC 달성, 대규모의 저탄소 발전원 구축으로 재생에너지 확대에 따른 계통 안정성을 높일 것이며 또 대용량의 수소 수요처를 확보하는 수소경제로의 전환에 핵심적인 역할을 담당할 것이다.