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ⓒ박준석 제작

 

세계적인 탄소중립 정책에 따라 수소를 주 에너지원으로 사용하기 위해 우리 정부는 2019년 수소 경제 활성화 로드맵 1.0을 시작으로 작년 세계 최초로 제정한 수소법이 올해 2월 5일부로 시행되면서 수소 경제 활성화에 속도를 내고 있습니다. 그에 따라 한국전력을 포함한 경제계에서도 수소기술과 전략을 교류하고 수소 산업전시회를 개최하는 등 수소경제 실현을 위해 각자의 위치에서 노력 중입니다. 수소경제 활성화 로드맵에 따르면 오는 20301년에 194만 톤의 수소가, 2040년에는 연간 526만 톤의 수소가 필요할 것으로 내다보고 있습니다. 결국, 수백만 톤에 이르는 수소를 확보하는 문제가 중요한 쟁점으로 부각되고 있습니다이러한 배경 아래 수소 수요에 대응할 방법으로 암모니아가 열쇠로 부각되고 있는데요. 시큼한 냄새나는 화학물질인 암모니아가 탄소중립에 상관이 있다니 의아할 수도 있겠습니다. 하지만 기사를 읽다 보면 암모니아가 왜 탄소중립의 열쇠로 부각되고 있는지 다음 두 질문에 대한 답을 찾으면서 자연스럽게 이해하실 수 있을 것입니다.

 

암모니아는 수소 산업과 무슨 연관이 있을까?
암모니아는 탄소중립 분야에서 어떻게 활용할 수 있을까?


암모니아의 수소 저장 운송 및 수소 생산 기술

ⓒ박준석 제작

 

수소 수요가 높아질수록 암모니아는 더 빛나게 됩니다. 수소를 운반할 때 가장 효과적인 방법이 암모니아 합성법을 사용하는 것입니다. 해외에서 국내로 혹은 국내에서 해외로 수소를 운송하기 위해서는 대용량 수소 저장 운송기술이 필요하게 됩니다. 이때 수소 저장 운송기술로 여러 화합물이 제시되어 왔지만, 그중 암모니아를 활용한 액상 암모니아 형태의 화합물로 수소를 저장해 장거리 운송을 하게 된다면 기존 수소만 저장했을 때 보다 같은 부피에 1.5배 이상의 수소를 더 저장 가능한 것으로 밝혀졌습니다. 그뿐만 아니라 암모니아 분자(NH3)는 분해 시 수소(H2)와 질소(N)로 분해되기에 탄소가 배출되지 않아 탄소중립을 실현할 수 있어 친환경적이라는 평가도 함께합니다. 이미 비료 분야에서 암모니아 사용이 활성화되어 있기에 추가적인 인프라 투자가 필요하지 않다는 점도 경제성과 환경성을 동시에 잡을 수 있는 암모니아의 수소 캐리어로서의 장점입니다.

 

암모니아 수소 생산  ⓒ한국에너지기술연구원

 

암모니아는 수소 운반에만 사용하는 것이 아닙니다. 최근 국내 연구진이 액상 암모니아를 수소로 바꾸는 효율적인 방법을 정부연구소 및 대학·기업과 협업하여 연구 성과를 내고 있습니다. 최근 KIST 연구진은 암모니아를 수소와 질소로 분리하는 분리막 소재를 개발함과 동시에 암모니아에서 수소를 생산하면서 에너지 소비를 줄이는 수소추출 장치를 개발하였습니다. 한국에너지기술연구원에서도 암모니아를 원료로 수소생산용 가압형 암모니아 분해 반응기 핵심기술 개발에 성공하며 99.97% 이상의 고순도 수소 생산하는 ’반응기‘와 ’촉매‘ 개발에 성공하였습니다.

 

암모니아의 활용성이 수소·저장·운송에 국한된 것이 아니라 수소의 생산까지도 할 수 있기 때문에 확장성 측면에서 탄소중립 다양성에 큰 역할을 할 수 있다는 점은 이목을 주목하기에 부족함 없는 물질인 것 같습니다.

 

무탄소 암모니아 연료를 활용한 엔진 및 발전

암모니아 연료 활용방안  ⓒ한국에너지기술연구원

 

앞서 암모니아를 활용하여 수소를 운반하고 수소를 생산하는 데에 초점을 맞추었다면 이번에는 암모니아를 발전원으로 한 전력생산 기술연구에 대해 확인해 보겠습니다. 지난 7월 포항산업과학연구원과 포스코 등이 암모니아 가스 터빈을 연구 개발하는 협약을 맺으며 암모니아 연료 발전 기술 개발에 착수하였습니다. 암모니아가 분해기를 통해 수소+질소 가스로 분해 후 연소 과정을 거쳐 가스터빈을 구동하는 방식으로, 암모니아를 단독 연소했을 때 낮은 연소속도와 발열량을 극복하는 방법입니다.

 

해외의 경우 암모니아를 연료로 하는 엔진을 19세기 후반 디젤엔진을 발명한 독일의 ’루돌프 디젤(Rudolf Diesel)’이 처음 개발을 시도했으며 1930년 노르웨이와 벨기에에서 각각 암모니아 트럭과 버스를 개발하는 등 여러 개발 시도가 꾸준하게 있었습니다. 최근에는 다국적 석유 기업인 로열더치셸과 일본 도쿄전력이 석탄화력발전소에서 연료 일부에 암모니아를 사용하는 실험을 시작하였고 2040년까지 100% 암모니아만으로 발전을 목표로 연구개발을 진행하는 등 전 세계적인 탈 탄소 노력에 암모니아가 자리하고 있는 것을 알 수 있습니다.

 

한국전력의 암모니아 사용과 연구개발

한국전력 역시 세계적인 흐름 속에 발맞추어 암모니아를 사용하여 전력산업에 친환경의 바람에 힘을 더하고 있습니다. 암모니아를 활용하여 수소를 저장·운송·생산을 통해 확보하게 되면 더 다양하고 효율적인 방법으로 수소를 확보하여 사용할 수 있습니다. 현재 우리 한국전력에서는 수소를 활용한 다양한 탄소중립 노력을 엿볼 수 있습니다.

ⓒ박준석 제작

 

지난 5월 경주시 외동읍 일대에 수소연료전지발전설비를 구축하기 위한 MOU를 체결하였습니다. 오는 20244월까지 발전용량 20MW 규모의 연료전지 발전소를 건립할 계획을 하고 있습니다. 본 발전소는 연간 161,184MW의 전력을 생산하여 4인 가구 기준으로 26천 세대에 전력을 공급할 수 있는 친환경 발전설비입니다. 연료전지뿐만 아니라 한국전력 전력연구원에서는 현재 장기 운영 중인 천연가스 가스터빈에 수소를 적용하여 가스터빈 수소혼소 발전을 하기 위한 기술개발도 시작하였습니다. 기존 천연가스 발전시스템은 석탄보다 약 45% 낮은 온실가스를 배출하는데 더해 수소를 활용하여 온실가스 배출을 추가로 저감 하여 수소 사회로 가는 변곡점인 지금 안정적인 전기수급을 도모할 수 있습니다. 또한 기존 가스터빈을 사용하여 추가적인 설비 투자 없이 온실가스 배출 저감에 도움이 되기 때문에 긍정적인 부분이 큰 것으로 보입니다.

 

한국전력에서는 또한 암모니아를 직접 사용하기 위해 연구 중입니다. 비교적 최근인 9월 전력연구원 주관하에 기존 화력발전 감축 목표로 암모니아를 혼합하는 방식으로 전력을 생산하는 모니아 혼소발전 개발에 착수했습니다. 이는 최종적으로 석탄발전소 일부를 암모니아 발전소로의 전환을 통해 탄소중립을 실현할 수 있을 것이라 내다보고 있습니다.

 


한국전력 탄소중립 다양성 속 감초, 암모니아

암모니아 생산 및 활용 ⓒ산업통상자원부

 

서론 부문에 나왔던 질문에 이제 답을 할 수 있겠지요? 암모니아는 수소산업과는 떼려야 뗄 수 없는 사이입니다. 효과적으로 수소를 저장해 주며 기술 발전에 따라 수소를 생산할 수도 있습니다. 암모니아를 이용하여 직접 발전원으로써 전력을 만들어 낼 수 있으며 수소로 분해하여 연료전지로도 활용할 수 있습니다. 또한 한국전력이 개발하고 있는 암모니아 혼소발전과 같이 수소 사회로 가기 위한 변곡점에서 감초 같은 역할을 수행할 것으로 보입니다.

 

이번 기사를 쓰면서 가장 놀랐던 점은 암모니아를 활용한 기술이 비교적 흔하지 않고 에너지원으로 사용하기 위한 산업계 및 학계의 자료가 비교적 적은 편에 속함에도 한국전력은 탄소중립 다양성 확대를 위해 수많은 방향성을 이미 제시하고 개발하고 있었습니다. 이는 전력산업 전반을 꾸준히 공부하고 관심을 가진 한국전력 기자단인 저조차 상당히 놀랐으며 한편으로는 감사했습니다. 지독한 냄새 속에 감추어져 몰랐던 탄소중립 분야에서 높은 효용을 발휘할 것으로 보이는 암모니아처럼 한국전력이 탄소와의 역투 끝에 가져올 환경친화적인 세상을 이른 시일 내에 볼 수 있도록 응원과 관심을 우리 한국전력에 보내주면 좋겠습니다.

 

 

 


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