우리나라는 세계최초로 ‘수소법’을 제정하고 수소경제를 향하여 엄청나게 빠른 속도로 전진하고 있다.

2020년 2월 4일 제정해 2021년 2월 5일부터 시행된 수소법의 정식 명칭은 '수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률'이다. 수소법 시행에 따라 ▲수소 전문기업 확인제도 ▲수소충전소의 수소 판매가격 보고제도 ▲수소충전소 및 연료전지 설치 요청 제도 ▲수소특화단지 지정 및 시범사업이 도입됐다.

3년 전 제정된 이 법에 따라 수소경제 활성화에 대한 연구개발 및 제도마련이 폭발적으로 이뤄진다. 충청남도가 수소경제를 주요 정책으로 채택하는 것도 수소법의 영향을 받았다.

26일 보령머드테마파크에서 열린 ‘6회 수소에너지국제포럼’은 수소를 이용한 발전소에 대한 연구 및 기술수준이 어느 정도인지 한 눈에 알 수 있는 기회였다.

토론회에서 한 질문자는 "수소폭발과 같다"고 수소경제 생태계에 대해 높아진 관심을 간접적으로 설명했다. 이날 국내 생태계를 소개한 주요 발표자는 다음과 같다. 

▲김창종 H₂ KOREA 전문위원 <대한민국 수소산업 육성 현황 및 방향>
▲정학희 한국중부발전 수소사업실장 <한국중부발전 수소사업 현황 및 향후 추진계획>
▲송용선 한화파워시스템 상무 <수소터빈발전 소개 및 수소밸류체인 상의 역할>

천연가스+수소, 석탄+암모니아 섞어 쓰는 '혼소발전' 

한국중부발전은 작년까지 기업평가에서 이산화탄소 배출이 4위 이내여서, 수소 에너지 신사업 추진이 시급하다. 그래서 한국중부발전은 수소나 암모니아를 섞어서 발전하는 ‘혼소발전’을 추진한다.

LNG 발전소는 30%에서 50%의 수소를 혼합하는 혼소 발전을 준비하고, 석탄 발전소는 20%의 암모니아를 혼합하는 혼소를 생각한다. 이런 방법으로 2030년 온실가스 감축 목표를 2017년 대비 48.4%로 줄이고, 2050년에 넷제로 달성을 목표로 한다.

보령시, SK E&S, 한국중부발전은 세계 최대 규모의 블루수소 생산 공장 건설사업을 시작했다. 19만 평 정도 되는 부지에 사업비 2조 5천억 원을 들여 2026년 하반기에 준공되면 앞으로 60년 플러스 알파 기간 동안 운영하게 된다. 생산규모는 연간 25만 톤 규모이다.

3 기관이 2021년 8월에 공동추진협약을 체결하고, 올 8월에 특수목적기업(SPC)를 SK E&S 쪽에서 설립했다. 이 공장의 기대효과는 사회적 편익이 1.5조 원, 건설 인력은 연간 약 2만 명에 상시고용은 250명이다.

한국중부발전은 보령복합발전소에 수소를 30% 혼소하는 기술을 추진하고 있다. 또 보령 5호기를 대체하는 신복합 발전소를 수소 혼소 30% 방식으로 추진하고, 2028년에는 50%까지 혼소율을 높일 예정이다. 인천 복합발전소에도 수소 혼소 발전을 확대할 계획이다.

우리나라 가스터빈 인프라가 많이 상당히 많이 좋아졌지만, 시험 인프라는 부족해서 대학이나 연구소에서 상용화 개발이 어려워서 가스터빈 실험시설을 준비중이다.

수전해 기반 수소 생산기지도 구축중이다. 신보령의 전력을 이용해서 하루 1톤의 옐로우 수소를 생산하는 시설이다. 2026년 12월까지 건설을 완료하고 5년 동안 운영하면서 사업 모델을 개발할 것이다.

암모니아 혼소 발전기술도 개발하고 있다. 신보령 암모니아 20% 혼소 발전 실증 부분 과제기간이 2027년 12월까지이며, 총 연구비는 208억 원 정도이다. 참여 기관은 한국중부발전, 동서발전, 남동발전, 한전에 기업, 학교가 참여한다.

한국중부발전은 설비 용량이 10기가와트 이상이고, 작년 매출은 8조 8천억 정도이다. 국내 발전본부는 7개 사업장에 1개의 건설회사를 가지고 있다. 현재 대한민국 전력 공급의 약 8%를 차지한다. 신재생 에너지는 작년 말 기준으로 979메가와트를 운영하고 있고 2040년까지 6기가와트의 설비 용량을 목표로 한다.

수소터빈으로 발전하는 기술 크게 향상

혼소 발전에서 가장 중요한 기술이 수소터빈 발전 기술이다. 불과 2~3년 전까지만 해도 수소를 이용한 발전이 생소하고 진짜 가능한 것이냐 의견이 분분했는데 분위기가 많이 바뀌었다. 그만큼 수소 경제가 성큼 다가오고 있다.

가장 많은 이산화탄소를 배출하는 곳이 발전 부분이다. 2030년까지 발전부분에서 이산화탄소 배출을 절감하는 목표가 약 46%이다.

대한민국 정부가 넷제로를 구현하려면 목표 시점인 2050년까지 발전부문에서 이산화탄소 배출을 넷제로로 해야 한다.

탄소중립위원회는 넷제로 정책에서 무탄소 가스터빈이 차지하는 비중을 21.5%로 예상한다. 한마디로 요약하면 기존에 사용하던 가스터빈의 원료를 LNG에서 수소로 바꾸는 것으로 보면 된다.

수소법에도 명시적으로 ‘수소 터빈’ 이 들어가있다. 내년에는 수소발전 입찰이 시작된다. 기술적인 우위와 경쟁력이 있는 수소발전을 장기 계약을 해주기 때문에, 수소 발전이 상용화될 정부 제도가 마련됐다. 다른 나라보다도 가장 빠르게 정책적인 지원 제도가 마련된 것으로 보인다.

현재 수소를 50% 이상 사용하는 발전 터빈이 구현되었으므로, 조만간에 100% 수소만 쓰는 터빈으로 전환될 것이다.

가스터빈에는 원통형으로 생긴 연소기가 10개 이상 달려있다. 이 터빈에서 연소기를 개조해서 수소를 연료로 사용하면 이산화탄소 배출이 크게 줄어든다.

수소 100%를 사용하면, 이산화탄소 배출량이 제로가 되고, 50% 수준이면 20% 감소, 혼소율이 60% 정도면 이산화탄소가 30% 줄어든다.

새 발전소를 짓는 것보다 기존발전소의 터빈을 개조하기 때문에 버리는 ‘좌초 자산’이 되지 않는 매우 경제적인 방법이다. 수소로 전환하면 가스터빈의 수면까지 연장시킬 수 있다.
국내에도 한화가 세계에서 다섯 번째로 만드는 상황이다. 수소 혼소율이 실증시험에서 60% 이상까지 나오고, 실험실 시험에서는 더 많은 것도 있다.

현재 실제 발전소에서는 혼소율을 50~60%까지 진행한다.

국내 가스터빈이 약 한 160대 이상인데, 이 중 절반 정도인 80대 이상이 지금 당장 진행할 수 있는 종류의 언더터빈이기 때문에 기술적으로도 준비가 많이 되었다. 송배전에서도 유리하다.

블루 수소 최대 소비처는  화력발전소

수소를 생산하면 소비처가 있어야 수소밸류체인이 형성되는데, 수소 터빈이 차지하는 비중이 매우 높다. 수소 터빈의 혼소율이 50% 이어도 1시간당 약 3톤의 수소가 필요하다.

50% 혼소를 했을 때 1년 동안 수소가 필요한 양이 가스터빈 1대에서 약 2만 톤이다. 수소자동차가 연간 10만 대가 돌아다녀야 필요한 수소량이 약 1만 톤이다. 수소 터빈 한 대에서 50% 혼소만 해도 필요한 양이 수소차량 약 2만 대에서 사용하는 수소를 소비한다.

그런데 국내에 가스터빈이 160대가 넘고 그 중 80대에 수소터빈이 조만간 적용되므로, 자동차에 비교하기 어려울 정도로 어마어마하게 많은 수소가 필요하다.

장벽이 없지 않다. 아직은 수소 생산비용이 높기 때문에 수소 터빈을 사용할 경우, 전력생산 단가가 올라간다. 정부는 수소경제를 활성화하기 위해 보조금을 지급하기로 했다.

정부는 어느 정도의 보조금을 지불할 것인지 조만간 결정할 전망이다. 참고로 미국에서는 수소 1kg에 3달러(약4000원)의 보조금을 지급한다. 우리나라는 1000원 안팎에서 정해질 것 같다.

그러나 수소터빈에 의한 발전 비중이 2030년까지 약 10%로 예상되므로, 설사 전기생산 단가가 올라간다고 해도 큰 비중을 차지할 것 같지는 않다. 현재 정부는 에너지경제연구원을 통해서 적정한 가격을 산출하고 있다.

온실가스 감축이 우리나라 에너지 분야에서 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 수소법이 민간에 신호를 주면서 지속적인 투자가 일어난다.  지속적인 정부 예산이 투입되는 트렌드가 굉장히 중요하다.

정부는 2040년에 수소 전문 기업 1천 개를 육성하는 목표를 추진한다. 수소전문 기업이 전국에서 2548개 정도의 후보군이 나오고, 그 중 충남이 180개 정도이다.

2019년만 해도 수소충전소를 구축하려고 주민 설명회를 열면 발표도 못하고 항의를 받았다. 지금은 주민들이 수용하지만 우리 집 옆에는 수소충전소나 수소 시설이 좀 안 들어왔으면 좋겠다고 한다. 국민들도 수소를 사용할 수 있는 에너지라고 느낀다고 판단하는 것 같다.