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발전의 심장 ‘가스터빈’, 수소터빈으로 진화한다

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Name 관리자
Date 2022-01-12
Views 186
Link http://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=80265
Origin 에너지신문

GE·지멘스·미쓰비시 3강 체제…두산중공업 도전장
최대 15기 실증 통해 국산 표준복합발전모델 확산

 

[에너지신문] 정부가 지난해 11월 유엔기후변화협약 사무국에 10월 확정한 ‘2030년 국가 온실가스 감축 목표(NDC)’를 제출했다. 2030년 온실가스 배출을 2018년 대비 40% 감축하는 내용이다.

 

특히 이 계획에는 노후 석탄발전소를 LNG발전으로 교체하겠다는 방침이 명시됐다. LNG발전을 친환경 발전 수단으로 볼 것인가를 놓고 국내외에서 논란이 있는 가운데 국제사회에 LNG 전환 의지를 피력한 셈이다.

 

▲ 핵심 구성품인 로터 조립체.

 

석탄 대비 약 45%정도 온실가스 배출량이 낮은 가스터빈은 ‘탄소중립’의 중요한 기술로 자리매김하고 있다. 특히 무탄소 연료인 수소를 사용하는 수소터빈 분야는 ‘탄소중립’ 달성을 위한 필수적인 기술로 새롭게 주목받으며 빠르게 성장할 것으로 전망된다.

 

수소터빈은 가스터빈을 사용해 기존 LNG와 수소를 섞은 연료를 연소(수소 혼소)하는 과정에서 생성되는 고온·고압의 가스를 팽창시켜 발전기를 구동해 전기를 생산하는 장치다.

 

수소터빈은 현재 국내 전력 생산량의 약 26%를 차지하는 기존 LNG 복합발전 가스터빈의 일부만을 개조 또는 새로 제작해 사용할 수 있다. 재생에너지의 확대 속도에 맞춰 LNG와 수소를 탄력적으로 혼합해 발전할 수도 있다.

 

이 기술은 재생에너지의 문제점으로 지목되고 있는 간헐성에 대응하고 탄소중립으로 가는 과정에서 발생할 사회·경제적 비용을 획기적으로 줄이면서 탄소 및 질소산화물 배출을 감축할 수 있는 기술로 이미 상용화 단계에 있다. 태양광과 풍력 등 재생에너지가 안정적으로 전력을 생산하지 못하는 한계를 수소터빈 발전이 극복할 수 있다는 의미다.

 

기존 석탄발전소 폐쇄에 따른 일자리 감소와 지역경제 침체, 신규 발전소 건설에 따른 민원 등을 고려할 때 기존 LNG 발전소의 가스터빈을 개조 또는 교체해서 탄소 배출을 줄이는 수소터빈기술은 에너지전환 과정에서 사회·경제적 충격을 완화해 줄 것이라는 얘기다.

 

전 세계적인 저탄소 경제로의 전환 과정속에서 탄소중립을 실현할 수 있는 기술들에 대한 투자 및 연구 활동은 확대될 것이다.

 

우리나가가 탄소중립 달성을 위해서는 정부의 적극적인 지원 아래 우리 기업들이 보유한 가스터빈 관련 모든 기술을 테이블에 올려놓고 가스터빈에서 수소터빈으로 단계적으로 전환해 가기 위한 치밀한 전략 수립이 필요하다.

 

발전의 심장 ‘가스터빈’…세계시장 도전장


가스터빈은 복합발전이나 열병합발전소의 심장이다. 4만여개 부품에 가스터빈 내부 블레이드는 450개를 넘는다.

 

초도 시험을 마친 가스터빈은 1500~1700도의 열을 견디는 초내열 합금 소재 및 정밀 주조 기술, 축류형 압축기 및 배출가스 최소화 연소기, 압축기·연소기·터빈 핵심 구성품을 조합시키는 시스템 통합 등 최고난도 기술을 망라한다.

 

▲ 두산중공업 직원들이 발전용 대형 터빈의 최종조립 작업을 진행하고 있다.

 

발전용 가스터빈은 한 번 설치하면 수명이 20~30년에 달한다. 게다가 원천기술 확보도 어려워 진입 장벽이 매우 높은 시장으로 꼽힌다. 가스터빈 시장은 제너럴일렉트릭(GE), 지멘스, 미쓰비시파워(MPW) 등 3대 기업이 세계 시장 점유율 80% 이상을 과점해 오고 있다.

 

대부분의 전문가들은 2028년까지 가스터빈 글로벌 시장에서 이들 메이저 3사의 3강 체제가 유지될 것으로 전망하고 있으며, 시장 점유율은 82%이상을 과점할 것으로 예측하고 있다.

 

최근 미쓰비시는 터빈 입구온도 1700도급 가스터빈 개발을 위해 국가프로젝트로 계통과 직접 연결해 검증하는 실증사업을 진행하고 있는 것으로 전해지고 있다.

 

현재까지 국내 발전시장에 도입된 150여기의 가스터빈도 전량 해외 제품이다. 최근에도 GE는 신세종열병합에, 지멘스는 여주, 청주, 음성열병합발전소에 이들이 개발한 가스터빈 최신기종을 공급했다.

 

다행히 우리 정부는 지난 2020년 11월 가스터빈 산업 경쟁력 강화방안 발표하고 2030년 가스터빈 산업 글로벌 4강 도약 비전을 제시한 바 있다.

 

한국형 표준복합모델 구축을 위해 최대 15기의 가스터빈을 실증하고 후속 가스터빈 모델 효율을 63%에서 65%로 향상하고 80MW 중형급 가스터빈 개발 추진과 더불어 2040년까지 대형(300MW급) 수소전소터빈을 개발하겠다는 것이다.

 

아울러 블레이드·베인·대형디스크 등 핵심 고온 소재부품의 역량 확보를 위한 R&D를 병행하고 부·울·경을 중심으로 가스터빈 혁신 클러스터로 조성하겠다는 계획이다.

 

두산중공업은 지난 2019년 11월 독자적으로 순수 국내 기술로 270MW급(DGT6-300H S1) 모델을 개발했다. GE, 지멘스, 미쓰비시, 이탈리아 안살도 에네르기아 등에 이은 세계 다섯 번째 쾌거였다.

 

최근에는 이 가스터빈에 대한 성능 시험을 완료하고, 2023년 상업 가동 예정인 한국서부발전의 495MW급 김포열병합발전소에 적용할 계획이다. 21개 대학과 4개 정부출연연구기관, 230개 중소·중견기업 등이 참여해 이뤄낸 성과다.

 

그동안 해외기업이 장악해 온 대용량, 고효율 가스터빈 시장에 국내 순수기술의 가스터빈기술이 도전장을 내민 것이다.

 

두산중공업은 2025년 6월까지 370MW급(DGT6-300H S2) 대형 가스터빈을 개발하고, 2025년말까지 380MW급(DGT6-300H S2+) 대형 가스터빈 표준복합모델을 개발해 한국중부발전의 보령복합화력 5호기 대체 발전소에 적용할 예정이다.

 

 

가스터빈에서 수소터빈으로 ‘진화’


발전용 가스터빈은 압축된 공기와 연료를 태워 고온·고압의 연소가스를 만들고, 이를 통해 발전기를 돌려 전기를 생산하는 장비다.

 

수소터빈은 기존 연료인 LNG 대신 수소를 사용해 운영하는 가스터빈이다. 현재는 연료로 LNG를 사용하지만 여기에 수소를 더하고 궁극적으로는 수소만으로 가동되는 발전용 터빈을 만들겠다는 의미다. 무탄소 수소 연료를 기존 연료에 혼합 적용해 온실가스 배출을 추가적으로 저감하는 친환경 발전기술이다.

 

LNG를 연료로 하는 가스터빈으로부터 수소터빈으로의 전환을 위한 기술개발이 성공적으로 이뤄질 경우 향후 대용량의 수소인프라를 활용하면서 저탄소 대규모 발전원 구축이 가능하다.
일본 야노경제연구소 분석에 따르면 수소터빈 시장은 2030년 40조원 규모에 달할 전망이다. 세계 가스터빈 시장을 선점하고 있는 글로벌 기업들이 눈독을 들이는 이유다.

 

주요 가스터빈 제조사들의 수소 혼소 및 전소를 위한 연구개발은 이미 상당한 수준에서 활발히 진행중인 것으로 분석되고 있다.

 

GE의 최신 가스터빈 기종(7HA.03)과 미쓰비시의 최신 기종(M501JAC)은 2025년 50% 수소 혼소를 목표로 하고 있으며, 지멘스의 최신 기종(SGT6-9000HL)과 두산중공업의 최신기종(DGT6-300H S2+)도 2025년 30% 수소 혼소를 목표로 기술이 개발되고 있다.

 

GE, 지멘스, 미쓰비시 등 메이저 3사의 경우 아직 대용량 가스터빈의 실증사례는 없지만 산업용 가스터빈(10MW급 이하)에는 혼소율 30%까지 실증이 진행중이며, 항공기 엔진 등에 대한 수소전소 실증도 하고 있는 것으로 알려졌다. 이들 3사는 대용량 발전용 가스터빈의 수소전소는 2030년까지 개발할 계획을 갖고 있다.

 

전세계적으로 수소혼소 가스터빈의 상업운전도 늘어나고 있다. 네덜란드에 있는 다우-듀폰의 열병합발전소와 미국 인디애나에 있는 복합화력발전소는 기존의 노후 가스터빈을 개조해 5∼30% 수소를 넣은 수소터빈을 상업운전하고 있다.

 

또 고온 연소로 발생하는 미세먼지인 질소산화물(NOx)도 수소 65% 혼소시 9ppm 이하로 감축할 수 있는 기술이 개발되는 등 별도의 선택적 촉매반응(SCR) 장착없이 질소산화물 배출량을 규제치 이하로 줄일 수 있는 수준에 도달한 것으로 알려진다.

 

대용량 가스터빈시장에 도전장을 내민 두산중공업은 향후 공급할 가스터빈 모두 2027년까지 수소터빈화하기로 했다. 목표 달성을 위해 우선 2024년까지 수소만을 연료로 사용해 탄소 배출이 전혀없는 5MW급 소형 수소터빈을 개발할 계획이다. 동시에 50%까지 수소와 LNG 혼합연료를 사용하는 300MW급 대형 수소가스터빈용 수소혼합 연소기도 개발할 계획이다.

 

두산중공업의 2027년 수소전소 터빈 개발 목표는 매우 도전적인 계획이다. 목표가 달성된다면 GE, 지멘스, 미쓰비시의 목표보다 3년 앞서 세계 최초 수소전소터빈화가 가능해 지기 때문이다.

 

270MW급 김포열병합 적용…380MW급, 보령 5호기 대체
수소터빈, 2030년 40조원 시장규모…수소혼소기술 ‘경쟁’

 

수소터빈 시장을 주목하라


국내 기업들도 수소터빈 기술을 선제적으로 확보하고, 한국전력과 발전 자회사들도 기존 LNG 발전시설을 개조해 실증에 나서는 등 시장변화를 이끌고 있다.

 

한국전력 전력연구원은 2021년 8월부터 한국중부발전, 한국서부발전, 한국남부발전, 한국동서발전과 함께 장기 운영중인 천연가스 가스터빈에 수소를 적용하기 위한 ‘가스터빈 수소혼소 한계평가 및 연소 최적화’ 기술개발에 들어갔다.

 

기존 가스터빈의 수소혼소 전환을 통해 대용량 가스터빈 발전소의 친환경 활용성을 강화하고 온실가스 배출을 저감할 것으로 기대된다.

 

발전 공기업 5개사의 수소터빈 상호협력 협약 체결로 수소터빈 개발과 실증사업이 가속화되고 있다.

 

2021년 11월 한국남동발전과 두산중공업은 표준 가스복합발전 테스트 베드 구축과 중소형 수소터빈 기술개발 및 적용을 위한 업무협약을 체결했다.

 

두산중공업은 국책과제로 진행 중인 한국형 표준 가스복합발전 가스터빈 실증을 위한 기술을 적기에 개발하고, 한국남동발전은 향후 건설예정인 신규 복합화력에 적용할 예정이다.

 

한국남부발전도 두산중공업과 2021년 10월 ‘국내기술 기반 친환경 수소터빈 발전소 실증사업 추진을 위한 업무협약’을 체결했다. 남부발전과 두산중공업은 2020년부터 5MW급 수소전소터빈 연소기 공동연구개발을 수행하고 있었으며, 이 협약은 그 후속 연구과제 추진을 위한 것이다.

 

한국중부발전은 2021년 10월 현대제철·두산중공업·현대엔지니어링과 ‘중형급 수소전소터빈사업 협력을 위한 다자간 업무협약(MOU)’을 체결하고, 국내 최초로 중형급(80MW) 수소 전소터빈 실증사업을 진행하고 있다. 2027년까지 충남 당진 지역에 80MW 중형급 수소전소터빈을 적용한 신규 발전소를 건설하고 상용화하는 것을 목표로 한다.

 

한국동서발전은 2021년 6월 SK가스, 두산중공업과 국내기술 기반 차세대 친환경 수소터빈 실증사업 추진을 위한 업무협약을 체결했다.

 

2025년 폐지 예정인 동서발전 울산화력본부의 노후 복합화력을 대신해 2027년까지 270MW급 수소터빈으로 전환하기 위한 것으로 100% 수소만을 사용해 전소하는 수소터빈 전환이 목표다.

 

SK가스는 수소터빈발전소 수소 공급과 기반 구축, 두산중공업은 국내 기술기반 혼소 수소터빈 기술개발과 수소터빈 실증 플랜트 공급을 맡는다.

 

앞서 2021년 3월 한국서부발전과 한화임팩트는 ‘수소혼소 발전 사업협력 양해각서(MOU)’를 체결하고, 최대 55% 혼소율 발전 실증연구를 진행하고 있다. 이후 2025년까지는 70% 이상의 수소 혼합 연소 실증을 추진한다.

 

2023년에는 서부발전 서인천발전본부 가스터빈 1기에 수소혼소 발전을 적용해 연간 이산화탄소 1600만톤을 저감할 계획이다.

 

한화임팩트는 세계 최초로 수소혼소 기술을 상용화한 미국 PSM과 네덜란드 토마센에너지 지분 100%를 인수해 트랙레코드와 원천기술을 보유하고 있다. 두 업체는 현재 유의미한 수소혼소 발전 실증사례를 보유하고 있다.

 

2021년 12월에는 메이저 가스터빈 OEM사를 제치고 미국 뉴저지에 위치한 린덴 코제너레이션 172MW급 가스터빈 1기에 40% 수준의 수소혼소율을 적용하는 개조사업을 수주했다.

 

2022년까지 세계 최초로 수소혼소율 40%를 적용한 상업발전 사례가 될 전망이다. SK에코플랜트는 2021년 9월 한국지역난방기술, 두산중공업과 ‘친환경 수소 가스터빈을 이용한 분산형 집단에너지 사업’ 추진을 위한 업무협약(MOU)을 체결했다.

 

이 협약으로 SK에코플랜트는 Gas & Power 사업그룹에서 추진 중인 다수의 LNG 집단에너지 및 열병합발전 플랜트 EPC(설계·조달·시공) 수행 경험과 역량을 바탕으로 수소에너지 활용을 위한 친환경 수소 공급 기술 및 수소터빈 열병합발전 플랜트 설계 기술을 확보할 방침이다.

 

한국지역난방기술은 사업 타당성 조사를 수행하고 설계 분야 전반에서 힘을 보태고, 두산중공업은 5MW급 소형 수소 연소기 및 수소터빈 기술을 개발하고 양산 기술을 확보할 예정이다.

 

한국지역난방공사는 2021년 12월 가스터빈 제작사인 미쓰비시 파워와 정비사인 한전 KPS와 함께 수소 가스터빈 개체 협력 업무협약을 체결했다.

 

한난은 현재 열병합발전시설 핵심 설비인 가스터빈의 연료로 사용되는 천연가스에 수소를 혼합해 사용할 수 있도록 설비를 순차적으로 개체하고, 향후 수소 전소가 가능한 설비로 전환할 계획이다.

 

지멘스는 한국가스공사와 수소터빈 발전분야에서 협력하고 있다. 최근 지멘스는 여주열병합발전소, 청주LNG발전소, 음성복합발전소에 최신기종의 가스터빈을 공급했으며, GE의 HA클래스 가스터빈은 안양열병합발전소, 내포열병합발전소, 통영천연가스발전소, 신세종복합발전소에 채택됐다.

 

지멘스와 GE는 최근 채택된 음성복합, 신세종복합발전소 등의 가스터빈에 대해 수소 혼소기술을 적용하지 않은 것으로 전해지고 있지만 수소 혼소 및 전소를 위한 연구개발을 활발하게 진행중인 것으로 전해진다.

 

▲ 일본 효고현 다카사오 공장에서 MHPS의 M501JAC 터빈이 생산되고 있다.

 

풀어야할 과제는


국산 가스터빈과 수소터빈 기술은 앞으로도 풀어야할 많은 숙제를 안고 있다. ‘탄소중립’ 정책에 따라 높은 관심을 모으고 있고, 재생에너지 확대에 따른 계통안정성을 확보하는 등의 장점이 있지만 기존 LNG 발전급의 효율을 내면서도 경제성을 높이는 등 넘어야할 과제가 많다.

 

당장 수소 가스터빈 등 수소발전 사업의 법적 지원 근거가 들어 있는 수소법 개정안이 국회 문턱을 넘지 못하고 제대로 된 심의조차 이뤄지지 않고 있다.

 

정부는 2021년 2월 세계 최초로 ‘수소법’(수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률)을 시행했지만 청정수소의 개념 정의와 인증제 도입, 청정수소발전 구매의무 등의 내용이 개정안에 담겨 있어 법안 통과가 시급하다는 것이다.

 

개발중인 국산 가스터빈 기술에 대한 신뢰성 검증은 반드시 필요하다. 그동안 해외기업의 가스터빈 공급 과점시장이었기에 국산기술에 대해 의구심을 갖는 것은 어쩌면 당연하다.

 

정부 R&D과제로 개발중인 두산중공업의 가스터빈 모델에 대해 철저한 검증이 필요하다. 현재 두산중공업의 최신기종(DGT6-300H S2+) 모델은 GE, 지멘스, 미쓰비시 파워와 동등 수준의 복합효율 63%를 목표로 진행중이다.

 

아직 실증되지 않은 국산 가스터빈을 발전사들이 적용하는데 따른 리스크도 잠재한다. 서부발전의 김포열병합발전소에 채택하는 두산중공업의 270MW급 (DGT6-300H S1) 모델의 시험결과 검증은 향후 국산 가스터빈 기술의 신뢰성을 높이는데 매우 중요한 역할을 할 것으로 전망된다.

 

대용량 가스터빈의 수소 혼소 또는 전소를 위한 근본적 해결과제는 근접 지역에 대규모 수소 생산 및 공급설비, 수송인프라를 갖춰야 한다는 것이다. 석유화학공장 또는 제철소의 부생수소 공급이 가능하거나 개질수소 공급설비 인근이 최적이다.

 

수소 전소시 고온에 견디는 연소기 소재 개발도 과제다. 가스터빈 공급사의 대용량 수소 혼소 또는 전소 연소 실증도 미흡한 실정이어서 이에 대한 보완이 필요하다. 온실가스 배출 저감 확대와 연소기의 안정적 운영을 위해 수소혼소 연소 최적화를 찾아야 한다.

 

특히 수소 혼합 연료 적용에 따른 안전성 확보를 위해 수소 공급·안전시스템을 설계하고, 작동 유체 변동에 따른 가스터빈 복합화력의 공정 영향성을 분석해 수소혼소 가스터빈의 기술적 실증이 가능토록 해야 한다.

 

환경급전, 발전비용 정산 방안 등 정책방안을 마련해 수소발전 기술이 빠르게 정착될 수 있는 기반을 마련해야 한다.

 

에너지신문, 최인수 기자

 

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