암모니아·수소만으로 발전…‘무탄소 전력’ 미래 밝힌다 > 기후·환경·에너지 자료

친환경 에너지 기술 개발 현장…한전 전력연구원 가보니
석탄·암모니아 혼합발전 실험
화석연료 사용량 줄여 탄소 저감
수소·산소 활용 청정발전도 연구
2050년 ‘탄소 제로’ 목표 구슬땀

최근 방문한 대전시 유성구 한국전력공사 전력연구원의 무탄소 미분탄 보일러 실험실 한쪽 벽면에 달린 선반에는 커피재 등 다양한 물질이 가득했다. 석탄과 함께 어떤 물질을 태울 수 있는지, 태운 뒤 배출되는 오염물질은 없는지에 대한 실험을 하는 데 필요한 재료들이다. 방문 당시는 석탄과 암모니아를 함께 태우는 연구가 진행되고 있었다.

김동원 전력연구원 책임연구원은 “화염은 유지하면서 유해물질은 최대한 적게 배출하는 것이 목표”라며 “밀가루보다 더 곱게 만든 석탄과 암모니아를 함께 태워 발생하는 화염과 배기가스를 분석해 최적의 비율을 찾고 있다”고 말했다.

■암모니아의 재발견 

13일 전력연구원에 따르면 암모니아는 비료를 만드는 데 주로 사용돼왔다. 연소 시 이산화탄소를 배출하지 않는 장점이 있지만 가격이 높고 화재·폭발 위험이 있기 때문이다. 그러나 기존 화석연료와 혼소를 하면 이산화탄소는 줄이면서 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 연료가 되기도 한다. 암모니아 발전에 가장 적극적인 일본은 2030년까지 발전용 석탄 20%를 암모니아로 대체하겠다고 밝혔다. 이를 통해 줄일 수 있는 탄소배출량은 연간 약 4000만t에 이른다. 일본은 그 첫 단계로 2024년까지 1기가와트(GW)급 석탄발전소에서 암모니아와 석탄을 통해 전력을 생산하기로 했다. 장기적으로는 암모니아로만 전력을 생산하기 위한 기술 개발을 추진 중이다.

한전도 암모니아 발전 연구에 착수했다. 지난달 한국남동발전 등 발전 5사와 두산중공업, 현대중공업파워시스템 등 국내외 13개 기관과 협약을 맺고 암모니아 기반의 무탄소 발전기술 개발을 진행 중이다.

김태균 한전 기술기획처장은 “2024년까지 암모니아 혼소발전 기술을 개발하고 2027년까지 석탄화력 발전소를 가동할 때 암모니아 비율을 20%까지 늘릴 계획”이라며 “2050년에는 암모니아만 사용해 탄소 배출을 0으로 만들겠다”고 말했다.

또 다른 곳인 연구원 무탄소 가스터빈 실험실에서는 연구원들이 수소와 산소의 연소 반응을 통해 터빈을 회전시켜 전력을 생산하는 기술을 개발하고 있다. 수소는 기존 가스터빈 연료인 액화천연가스(LNG)와 달리 온실가스를 배출하지 않아 미래의 에너지원으로 떠오르고 있다.

정부는 국내 연간 수소 수요가 2030년 20만∼30만t으로 늘고 2050년에는 1150만∼1300만t까지 증가할 것으로 예상한다. 정부는 이 중 청정 수소 비중을 2030년까지 50%로 늘리고 2050년에는 100%로 만들 계획이다. 다만 수소를 발전원으로 활용하려면 높은 저장비용과 수송의 어려움 등 숙제를 해결해야 한다.

■에너지 패러다임 바꿀까 

암모니아는 수소 발전에서도 활용된다. 수소를 액상 암모니아 형태의 화합물로 운반하면 같은 부피에서도 50% 이상 더 많은 수소를 저장할 수 있다. 박정극 책임연구원은 “기체 상태로 존재하는 수소를 이송하기 위해서는 높은 압력에서 압축을 하거나 영하 253도에서 액화시켜야 한다”며 “암모니아는 영하 33도로 냉각하거나 상온에서 중압으로 압축하면 쉽게 액화가 되므로 수소에 비해 쉬울 뿐만 아니라 같은 크기 통에 많은 수소를 저장할 수 있어 경제적”이라고 말했다.

수소가 천연가스에 비해 연소 시 화염 속도가 10배 이상 빨라 부품 파손 위험을 안고 있는 점은 풀어야 할 과제다. 암모니아도 연소 시 질소 산화물(NOx)을 일부 배출한다.

이 같은 단점을 극복하기 위해 전력연구원에서는 수소를 다른 연료와 함께 태울 때 효율과 안정성 등을 정확하게 검증할 수 있는 설비를 구축 중이다. 김 처장은 “2030년에는 수소와 암모니아, LNG 등으로 전력 생산 기술을 선보이고 2050년에는 수소로만 전력을 생산할 계획”이라고 말했다.

지난해 정부는 온실가스 감축을 위해 2050년에는 수소나 암모니아 발전 비율을 최대 21.5%까지 확대하겠다는 계획을 내놨다. 김처장은 “암모니아와 수소는 이제 곧 실험실을 넘어 에너지 패러다임도 바꿔놓을 것으로 예상한다”고 말했다.