Nikkei Ecology_2018.4 기술 프론티어 (p82-84)

수소발전, 실증 진행 중인 저탄소발전
NOx 억제와 효율의 양립이 열쇠

수소를 코제너레이션이나 전력회사용 등 다양한 규모의 발전에 사용하는 실증이 진행 중이다. 미래의 저탄소사회에 있어서 기간 전원의 하나로서 기대할 수 있다.
화력발전설비에서 천연가스나 석탄 등 화석연료 대신에 수소를 사용하는 ‘수소발전’의 실증이 시작되었다. 수소를 사용하는 발전 방법에는 그 외에 ‘연료전지’가 있다. 모두 발전할 때 CO₂를 배출하지 않는 전원이다.

-- 대형 가스화력에서 수소 사용 --
연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 발전한다. 발전 반응에 필요한 촉매 등에 고가의 재료가 필요하기 때문에 발전 규모를 대형화하면 비용이 커진다. 세계적으로 발전 설비에서 나오는 CO₂의 삭감을 요구하는 가운데, 기존의 가스터빈 연료를 수소로 바꾸는 수소발전은 설비 투자를 억제하면서 규모를 확대할 수 있을 것으로 기대를 받고 있다. 대규모 수소발전이 실현되면 수소의 수요가 증가하고 수소 제조나 수송, 공급 인프라의 확대나 가격 저하로 이어져 저탄소사회의 구축할 수 있다.

수소발전에는 크게 3가지 방식이 있다. ①천연가스나 석탄과 혼합하여 발전 설비에 투입하는 ‘혼소(혼합연소)’와 ②수소만을 사용하는 ‘전소(Mono Fuel Combustion)’ ③분자 구조에 수소를 포함하는 ‘수소 캐리어’라고 부르는 암모니아 등을 사용하는 경우다. 모두 기술 실증이 추진 중이다. 향후, 대규모의 안정적인 수소 공급망이 확립되어 1N㎥당 20엔의 단가가 되면 본격적으로 도입될 것으로 전망된다.

미쓰비시히타치파워시스템(MHPS)은 1월, 천연가스에 수소를 혼합하여 발전 가스터빈용으로 안정적으로 연소가 가능하다는 것을 확인했다고 발표하였다. 가스터빈은 일반적으로 천연가스의 이용을 전체로 설계되어 있다. ‘연소기’에서 천연가스에 산소를 섞어 연소, 고온고압가스를 발생시켜 터빈을 회전하여 발전기를 구동한다.

MHPS는 개발한 혼소에 사용할 수 있는 연소기에서, 수소를 체적 대비 30% 섞어서 사용할 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하였다. 발전시의 CO₂ 배출을 10% 삭감할 수 있다. 신에너지산업기술총합개발기구(NEDO)의 조성사업으로서 고효율 발전이 가능한 MHPS의 J형 가스터빈에서의 채용을 상정하고, 70만kW의 대규모 발전이 가능한 조건에서 시험하였다.

MHPS의 터보머시너리본부 대형가스터빈기술부의 다니무라(谷村) 주간기사는 “기존형 가스터빈 연소기를 교환하면 수소를 이용할 수 있게 된다”라고 말한다. 발전소 내에 수소저장탱크나 수송 설비 등이 필요해지지만 발전기는 최소한만 개조하면 된다. 다니무라 씨는 “기존의 터빈에서 정기적인 부품 교환을 할 때, 수소에 대응할 수 있는 연소기를 채용하면 추가 비용을 억제할 수 있다”라고 말한다.

수소에는 약점도 있다. 연소 속도가 빠르다는 점이다. 천연가스용 연소기에서 수소를 사용하면, 노즐에서 분출한 가스가 연소기의 바로 옆에서 연소하거나 불꽃이 노즐을 역류하여 부품이 손상된다. 또한 연소 온도가 높다는 점에서 질소산화물(NOx) 발생량이 많아진다.

MHPS는 노즐을 혼소용과 전소용의 각각에 적합한 설계로 변경하여 연소에 의한 손상을 억제할 수 있는 연소기를 개발하였다. NOx의 억제에는 수증기를 분무하여 연소 온도를 낮추는 습식 기술이 있지만, 연소 온도가 저하되면 발전 효율이 낮아진다. 수소연료는 당분간 화석연료보다 비쌀 전망이다. 비용이 악화되는 효율 저하는 간과할 수 없다. 그래서 혼소용에는 천연가스용의 ‘건식 저 NOx(DLN)’라는 연소 기술을 응용한다. 수증기를 사용하지 않고 수소와 천연가스를 균일하게 혼합하는 구조로 NOx 발생량을 억제한다.

지금까지도 제철소나 제유소용으로 주로 수소 혼소의 자가발전기가 채용되어 왔다. MHPS에서는 사업통합 전의 미쓰비시중공업과 히타치제작소에서 합계 31기의 수소 혼소 자가발전기를 납품한 실적이 있다. 1970년대에 55% 정도의 수소를 포함하는 부생가스가 사용되기 시작하였고, 80년대부터는 수소를 90% 정도 포함하는 가스도 사용되고 있다.

앞으로는 전력회사용을 상정하고, 2020년까지 혼소 터빈의 설계를 완료하고 실증을 거친 후에 대규모 발전소 등에서 경신할 때 혼소를 제안한다. 또한 전소용은 2030년까지 실증을 완료하여 실제기기에 전개하는 것을 목표한다. 네덜란드의 발전소에서는 45만kW의 천연가스화력복합발전(GTCC) 1기에서 수소연료로의 전환을 계획 중이다. 이르면 2023년에 수소 전소의 대규모 발전이 탄생할 것 같다.

-- 중소형에서 전력시스템의 핵심으로 --
가와사키중공업은 중소형 가스터빈에서 수소 이용 기술을 연마한다. 2월, 고베시에 있는 고베 포트아일랜드에서 NEDO 조성사업의 일환으로 수소를 연료로 사용하는 1MW(1,000kW)급 가스터빈의 시운전이 시작되었다. 전기와, 발전을 통해 발생하는 열을 근처 병원이나 스포츠시설 등에 공급하는 코제너레이션 시스템이다.

가와사키중공업은 여기에서 천연가스와의 혼소와 수소 전소를 실증한다. 독자적으로 개발한 부품 소손(燒損)이나 NOx 억제 기술을 내장하였다. 이번 실증에서는 습식 NOx 저감 기술을 사용하여 대기 배출량을 억제치 이하로 한다. 2015년에 개발한 건식 저 NOx기술도 앞으로 실제기기에 적용을 추진한다.

“재생가능에너지의 도입이 확대될 앞으로의 전력시스템에서 수소발전은 중요한 역할을 담당한다”라고 가와사키중공업 수소체인개발센터의 니시무라(西村) 부센터장은 말한다. 재생에너지의 출력 변동을 보충하는 ‘조정 전원’의 역할이 기대된다. 전력시스템의 경우는 전력의 수요와 공급이 항상 일치할 필요가 있다. 일조나 바람 상황으로 인해 태양광발전이나 풍력발전의 출력이 갑자기 작아졌을 때, 공급을 보충하기 위해 현재는 양수발전이나 출력을 조정하기 쉬운 가스화력이 사용된다. 수소발전이라면 CO₂를 배출하지 않고 재생에너지의 출력 변동을 흡수할 수 있다.

MHPS가 목표하는 수십만 kW급의 대규모 수소발전은 장기적으로 저가의 수소 공급망이 확립된다면 일년 내내 발전하는 베이스로드 전원의 역할도 기대할 수 있다. 한편, 가와사키중공업이 수소발전용으로 발전하는 것은 3만kW급까지의 중소형이다. 특히 중규모형은 출력 조정에 사용하기 쉬워, 재생에너지 대량 도입에 대한 대응에 적합하다.

고베의 실증에서는 현재 이와타니산업이 공급하는 수소를 사용한다. 화석연료를 개질하여 만들어지는 수소로 생성과정에서 CO₂를 배출한다. 수소 전소에서도 발전한 전기는 라이프사이클 전체에서는 CO₂ 배출량이 제로가 되지 않는다.

가와사키중공업은 호주에서 산출하는 갈탄을 가스화하여 수소를 생성, 가와사키중공업의 액화수소운반선으로 일본에 수송할 계획을 세우고 있다. 아와타니산업이나 Shell Japan, 전원개발주식회사와 협력하여 2020년 여름으로 예정하고 있는 액체수소운반선의 시운전 후, 2020년에 호주에서 고베까지 갈탄으로 만드는 수소를 수송할 계획이다. 가스화로 발생하는 CO₂를 회수∙저류(CCS)하면 라이프사이클의 CO₂ 배출이 제로가 된다. 제조시의 CO₂가 제로인 ‘CO₂프리 수소’를 앞으로 일본에 공급할 계획이다.

-- ‘암모니아’로 수소 발전 --
가장 쉽게 조달할 수 있는 수소로 발전하는 방법도 있다. IHI는 화학품의 원료나 비료에 사용되는 암모니아에 의한 발전 기술의 실증을 추진하고 있다. 암모니아는 분자구조에 질소와 수소를 포함한다. IHI는 천연가스와 암모니아를 가스터빈에서 혼소시키는 기술 외에 석탄화력발전의 증기보일러 연료로서 석탄과 혼소하는 기술을 개발 중이다.

요코하마시의 사업소에서는 2017년부터 2,000kW의 가스터빈 발전기로 암모니아의 20% 혼소(열량 베이스)를 실증 중이다. 효고현의 아이오이공장에서는 보일러에 가루로 분쇄한 석탄과 암모니아를 투입하여 시험을 한다.

암모니아는 연료전지의 연료도 된다. 고체산화물형 연료전지(SOFC)는 연료전지차 등에 사용되는 고체고분자형 연료전지(PEFC)와는 달리, 수소 이외의 물질이 연료에 섞여도 사용할 수 있다. IHI는 암모니아를 직접 사용하는 1kW급의 SOFC시스템의 실증을 2018년에 추진할 계획이다.

암모니아는 체적당 수소 함유량이 많고 저가로 제조할 수 있으며 저장이나 운반이 쉽다. 다른 수소 캐리어 물질과 비교하면 암모니아는 비료나 공업재료로서 널리 사용되고 있기 때문에 제조나 저장, 유통 인프라가 이미 정비되어 있어 비용을 줄일 수 있다.

다른 수소 캐리어로서 메틸시클로헥산(MCH)의 유통 기술을 지요다화공건설이 개발하고 있다. 상온 상압에서 저장∙수송할 수 있지만 MCH를 발전에 사용하기 위해서는 비용을 들여 수소를 추출할 필요가 있다.

한편, 암모니아는 기온 20℃, 8.46기압에서 액화하기 때문에 MCH만큼 간단하지는 않지만 마이너스 253℃에서 저장∙수송하는 액화수소와 비교하면 추출하기 쉽다. “사회비용을 억제할 수 있으며, 직접 연소시켜 발전에 사용할 수 있는 암모니아를 사용하는 이점은 크다”라고 IHI 기술개발본부의 후지모리(藤森) 본부장 보좌는 말한다.

정부는 작년 12월에 수소발전의 상용화와 도입 확대를 목표로 수소의 대량소비를 촉진하여 경제성장으로 연결시키는 ‘수소기본전략’을 결정하였다. 또한, 가와사키중공업을 비롯하여 도요타자동차, 에너지관련 세계적 기업 28사는 작년 1월에 ‘수소 카운슬’을 발족시켰다. 세계가 저탄소사회로 향해 가기 때문에 수소를 활용한 인프라 구축은 시작된다. 일본의 수소발전 기술은 그 핵심으로서 중요한 역할을 담당할 것이다.

● IHI는 암모니아로 발전 – 암모니아 발전의 주요 이점

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