□ 개요
ㅇ 수소를 가스터빈 및 보일러로 연소시킴으로써 발전하는 수소 발전은 발전 단계에서 이산화탄소를 배출하지 않는 클린한 발전 방식으로, 일본 전원 구성에 새로운 선택지를 제공. 본 조사에서는 수소 발전의 기술적, 제도적, 경제적인 과제와 대응책에 대해 정리.

 

□ 수소 발전의 기술적, 제도적, 경제적인 과제
ㅇ 수소 발전의 의의
- 수소 발전의 의의는 연료가 되는 수소 제조 방법에 따라 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있는 점, 일본이 충분히 활용하지 못하는 에너지원 활용이 가능해져 에너지 공급원을 다양화할 수 있다는 점.

 

- 수소 발전은 수소 제조 시에 발생하는 이산화탄소를 CCS에 의해 회수하여 지중에 저장하거나 재생에너지 유래 수소를 활용하는 등 수소 제조 방법에 따라서는 이산화탄소를 배출하지 않음.

 

- 경제성 면에서 2020년 후반에 수소 플랜트 비용을 30엔/Nm3, 즉 천연가스 화력발전 연료를 수소로 기계적으로 치환한 경우의 발전 비용으로 17엔/kWh로 하는 것이 목표.

 

- 이것은 석유화력보다는 저렴하지만 석탄이나 LNG와 비교해서는 경제성 면에서 떨어지는 수치. 향후 석유화력은 서서히 감소할 것으로 전망되는 가운데 우선은 30엔/Nm3을 목표로 하려면 비용 절감이 더 필요.

 

ㅇ 수소 발전 현황
- 일본 국내에서는 발전사업용 수소발전 실적은 없지만, 제유소나 제철소 등에서는 수소를 포함한 부생가스를 연료로 하여 보일러 발전이나 가스터빈 발전을 하는 사례가 다수 존재.

 

- 이러한 사례에서는 연료가스 내에 일정한 수소가 포함되어 있지만, 수소 농도가 낮은 경우가 대부분.

 

- 해외에서도 IGCC나 CCS를 조합해 고효율로 저탄소 석탄화력발전에 관한 노력이 진행되고 있으며, 그 일환으로 수소 연소 가스터빈 개발을 진행 중.

 

- 이탈리아 Enel사, 미국 GE사에서는 고농도 수소 가스에 의한 수소 발전 운전 실적을 보유.

 

- 자가 발전용의 경우, 일정 농도를 포함한 부생가스를 유효하게 이용하기 위해 이것을 연료로 하는 수소 발전은 이루어지고 있지만, 더 높은 농도의 수소를 포함한 부생가스를 더 효율적으로 발전에 이용하고자 하는 니즈에 대응하기 위해 기술 개발이 진행 중.

 

- 2015년에는 질소산화물 배출량을 천연가스 발전 수준인 25ppm 이하로 억제한 후에 농도 60%의 수소까지 이용할 수 있는 예혼합 연소 방식의 3만kW급 가스터빈에 대한 시장 투입을 목표로 함.

 

- 또한, 일본 내각부가 주도하는 전략 이노베이션 창조 프로그램에서도 수소연소 기술에 관한 연구가 이루어지고 있으며, 그 일환으로서 질소산화물 발생을 억제하면서 수소농도 100%까지 가능한 연소기에 대해서도 개발이 진행 중.

 

- 수소발전 기술에 관한 주요 과제는 수소 전로를 포함하는 고농도 수소 연소에 대응한 저NOx와 고효율을 모두 만족시키는, 예혼합 연소 방식 등의 희석제를 이용하지 않는 고효율 연소 방식을 사용한 연소기와 가스터빈의 개발, 이것들의 장기 사용에 관한 신뢰성, 부하 변동이나 연소 소정 변동에 대한 대응 등의 검증.

 

ㅇ 수소 발전 도입을 위한 수소 취급과 규제
- 수소 발전이라는 새로운 발전 방식을 도입하기 위해서는 법규제를 포함해 수소 취급에 만전을 기하는 것이 중요.

 

- 수소 발전소의 설비 구성은 기존의 화력발전소와 비교해 발전 부분과 연료 공급 부분이 각각으로 나눠져 있으며. 이것들을 감안해 필요한 법규제 등에 관한 검토를 진행해 나가는 것이 중요.

 

□ 수소 안정 공급의 기술적, 제도적, 경제적 과제
ㅇ 새로운 수소 공급 체인의 현황과 과제
- 대량의 수소를 장거리 이송하여 저장하기 위한 새로운 방법으로는 유기 하이드라이드 방식과 액화수소 방식의 2가지 방식 검토 중.

 

- 유기 하이브리드 방식은 톨루엔 등과 반응시킴으로써 메틸시클로헥산 등의 유기화합물에 수소를 고정, 수소 캐리어로서 수송, 저장하는 방식. 기체 상태의 수소의 약 500분의 1 체적으로 할 수 있을 뿐 아니라 상온과 상압에서도 취급 가능.

 

- 유기 하이브리드 방식의 공급 체인 비용으로서는 2020년 후반에 수소 조달 시의 CCS 비용을 포함한 플랜트 비용으로서 30엔/Nm3 정도가 목표. 2030년에 대해서도 공급 체인의 규모 확대, 저렴한 수소원 개발, 촉매 등의 기술 개발 등 비용 절감 여지가 더 있을 것으로 기대.

 

- 액화수소 방식은 수소 가스를 –253℃로 냉각함으로써 액체 상태로 만들어 수송, 저장하는 방식으로, 기체 상태 수소의 약 800분의 1의 체적으로 만들 수 있을 뿐 아니라 액화 시에 수소 순도를 높일 수 있어 고순도로 이용 가능.

 

- 액화수소 방식 수소 공급 체인 비용으로서는 수소 조달 시의 CCS 비용을 포함한 2030년 시점의 CIF 비용으로는 30엔/Nm3이 목표.  2030년에 대해서도 기기 구성이 유사한 LNG 공급 체인 비용 절감 실적을 참고로 기기나 기지의 대형화, 양산에 의한 숙련 효과, 가동률 향상 등에 의한 비용 삭감 여지가 있을 것으로 기대.

 

- 저렴하고 안정적인 수소원으로서는 해외의 부생 수소, 원유 수반가스, 갈탄, 미이용 재생에너지가 유망시.

- 단, 이러한 미이용 에너지는 현재 수요가 없기 때문에 거래 가격이 억제되어 있지만, CCS나 다른 기술 과제가 해결되어 자원가치가 인식됨에 따라 거래 가격은 상승할 것으로 예상.

 

ㅇ 과제와 향후 전망
- 유기 하이드라이드 체인에서의 주요 기술적 과제는 수소화 반응에서는 설비의 대규모화, 탈수소화 반응에서는 설비의 대규모화와 함께 반응률 향상과 반응온도 저감 등. 또한, 톨루엔 및 메틸시클로헥산의 순환이용 시의 최적화 검토가 운영 상의 과제.

 

- 액화수소 체인에서의 주요 기술적 과제는 수소 액화 설비의 대규모화 및 효율화, 액화수소에 대응한 해상 수송 및 로딩 수단 개발, 액화수소 저장설비의 대형화 등. 또한, 해상 수송에서의 하역 오퍼레이션이나 국제 기지 확립은 운용 상 과제.

 

□ 해외의 실태
ㅇ GERG(벨기에, Group Europeen de Recherches Gazieres)
- 유럽 전체적으로 민영화의 영향을 받아 장기적인 정책이 적어지고 있지만, 에너지 정책에는 장기적인 전망이 필요해 에너지믹스의 일환으로서 재생에너지 유래 전력량이 증가.

 

- GERG는 수소를 에너지 공급의 밸런서로서 생각하고, 가스 파이프라인에 수소를 혼합해도 10%까지는 기술적으로 문제없이 공급할 수 있을 것으로 봄.

 

- 안정적인 계통 접속 실현이 급선무이며, 유럽의 정비된 망을 배경으로 재생에너지 유래 전력을 수소로 변환하여 저장, 공급하는 Power to Gas 기술을 개발 중.

 

ㅇ European Commission
- EU에서는 2030년까지 온실가스를 40% 삭감(1990년 기준)하고, 재생에너지 비율을 27%로 하는 것이 목표.

 

- 이를 위해 수소, 연료전지 분야에서는 제2기 연료전지·수소합동사업(Fuel Cells and Hydrogen 2 Joint Undertaking ; FCH2JU)에 7억 유로 예산 할당. 여기서는 재생에너지 도입을 확대할 때의 잉여전력 저장, 변동 억제에 대한 수소 활용을 고려 중.

 

ㅇ Enel
- 이탈리아의 Enel사에서는 장래 IGCC와 CCS를 조합하는 것을 염두에 두고, 2009년 수소발전 데모 플랜트 실증사업을 개시.

 

- 주변 석유화학공장에서 발생하는 부생 수소를 연료로 하여 수소 발전으로 약 12MW를 발전하고, 그 때 발생한 증기를 석탄화력 플랜트로 보내 4MW 발전하는 총 16MW의 GTCC 실증사업이었지만, 현재 정부 지원 종료에 따라 운전이 정지된 상태.

 

- 2010년 5월까지 2,300시간 연속 운전에서는 질소산화물 배출량 저감 등을 목표로 확산 연소 방식에 의한 수소농도 80%의 발전 실증을 달성.

 

ㅇ DOE
- 미 에너지부(DOE)의 화석에너지국에서 수소 터빈을 개발 중. 터빈 개발 프로그램에서는 대형, 높은 수소농도를 가진 것이 대상으로, 수소 연소, 고온 내구 재료, 가스 유로에 관한 검증이 진행 중. 종료 단계가 가까워 연소 온도 상승, 압력비 개선, 소형화가 향후 과제.

 

- DOE는 최근 10년 사이에 초점을 CCS로 이동. 환경 면에서 EPA 규제에 의해 향후 석탄화력발전소 신설에는 CCS가 의무화. 또한, 미국은 EOR에 세금 우대 조치가 부여되고 있어 CCS의 인센티브가 되고 있는 상황.

 

ㅇ GE Gobal Research Center
- 미국에서는 향후 석탄화력발전소를 신설할 경우, CCS를 사용하지 않으면 달성하기 곤란한 수준의 이산화탄소 배출 기준을 의무화하는 등 까다로운 환경 규제를 검토 중. 이로 인해 IGCC와 CCS를 조합하는 것이 장래 유망시.

 

- 그 일환으로 GE사는 미 에너지부(DOE)의 Advanced Energy Systems/Hydrogen Turbine 프로그램에 참가해 수소 가스터빈을 연구 개발 중. 2020년 경까지 1,450℃급 수소 터빈을, 2035년 경까지 1,700℃급 수소 터빈을 개발, 실증할 예정.

 

ㅇ 유럽과 미국의 수소 이용 상황
- 유럽과 미국에서는 까다로운 환경규제 하에 고농도 수소 가스터빈 연구 개발을 포함한 수소 이용 기술 연구 개발이 진행되고 있지만, 현재로서는 주로 경제성 면에서 직접 연소에 의한 수소 발전은 시야에 두지 못하는 실정.

 

- 유럽에서는 안정적인 계통 접속 실현이 급선무이기 때문에 재생에너지를 확대 도입하기 위한 잉여 전력 저장, 변동 억제에 대한 활용을 고려.

 

- 미국에서는 수송 부문에서이 수소 이용을 상정하고 있는 외에, IGCC와 CCS의 조합에 의한 고효율, 저탄소 석탄화력발전에 관한 연구가 진행 중. 그 일환으로 수소 연소 가스터빈 개발이 진행 중.