[에너지분석⑳] 화력발전 대안으로 ‘수소·암모니아’가 뜨고 있다”

2050 탄소중립(net-zero) 달성을 위한 국가별 로드맵이 구체화 되면서 화력발전의 완전 퇴출이 가시화되고 있는 상황에서, 잔존 화력발전원의 친환경적 활용을 실현하는 대표적 방안으로 '수소 및 암모니아'와 같은 무탄소 신전원의 혼소 및 전소가 대두화 되고있다.

IEA 통계에 따르면, 2019년 전 세계 석탄 및 가스복합 화력발전 설비용량은 2000년 대비 약 200% 증가하여 3.7TW를 기록하였고, 2019년 기준 전 세계 화력 발전설비의 절반 이상은 2005년부터 상업운전을 하고있다.

석탄 및 가스복합화력 발전소의 설계수명이 통상 30년 수준임을 감안할 때, 선진국에서는 2030년까지 기운영 중인 석탄 및 가스복합화력 발전소의 약 79%, 2040년까지 약 43%가 잔존수명이 남아있을 것으로 추정하고 있다.

또한 우리나라를 포함한 세계 각국에서는 석탄화력 발전소의 조기폐쇄 또는 환경설비 보강(CCUS 부가) 등을 추진 중이며, 일본의 경우 화력발전소에 저탄소(low-carbon) 연료를 투입할 수 있도록 설비 일부를 개조하는 방안도 적극 고려중에 있다.

에너지경제연구원 세계 에너지시장 인사이트에 따르면 '무탄소 신전원'은 우리나라의 전환부문 '2050 탄소중립 시나리오 초안'에서 공식적으로 언급됐으며 지난해 10월 관계부처 합동으로 발표된 '2050 탄소중립 시나리오 최종안'에서 무탄소 가스터빈으로 구체화 됐다.

가스터빈이 구체적으로 언급됐다는 것은 일본 등을 중심으로 구체화되고 있는 수소 및 암모니아 혼소?전소 발전을 무탄소 전원으로 고려하고 있음을 의미한다는 분석이다. 2050 탄소중립 시나리오 최종안의 전환부문 정책 제언에서도 R&D 확대를 통해 수소터빈 등 신규 발전원의 조기 상용화 추진을 밝히기도 했다.

'2030 NDC 상향안'의 2030년 전원믹스에서도 화력발전 비중 축소와 신재생에너지 확대에 더해 암모니아 등 무탄소 연료의 혼소발전 도입을 명시하고 있다.

2030 NDC 상향안에서는 2030년까지 전환부문 온실가스 배출량 1.5억톤을 달성하기 위해 화력발전(석탄, LNG, 유류) 비중을 축소하는 대신 신재생에너지 확대와 암모니아 등 저탄소 내지 무탄소 연료의 혼소발전 활용을 명시하고 있다.

현재 기술단계에서 수소의 폭발력을 감안할 때 활용 과정에 충분한 주의를 기울여야 하므로 중단기적으로는 수소 대비 폭발력이 작고 안정적이면서 저장 기술은 성숙단계에 접어든 '암모니아'가 2030 NDC 상향안에서의 주요 무탄소 전원으로 제시됐다.

2050 탄소중립 목표 달성에 기여할 주요 무탄소 신전원은 수소와 암모니아로 볼 수 있으며 중단기적으로는 암모니아의 활용이 기술·경제적 측면에서 수소보다 경쟁력이 있을 것으로 평가되고 있다.

수소와 암모니아 연료의 혼소발전 시 CCUS까지 결합해 활용할 수 있다면 화력발전의 단계적 퇴출계획 구체화 및 계통안정성 확보, 탄소저감 효과 제고 등의 효과를 기대할 수 있다는 분석이다.

이와 관련 산업부는 2022년을 본격적인 수소·암모니아 발전의 원년으로 삼고 1분기 중 '수소·암모니아 발전 로드맵'을 마련할 계획이다.

한전과 전력연구원은 수소·암모니아 공급·안전설비, 연소시험 장치 등 추가 시험 설비 구축을 상반기 중 완료하고 2023년에는 최적의 혼소 운전기법을 도출, 실제 석탄·LNG 발전소에서 적용 가능할 수 있도록 '수소·암모니아 발전 가이드'를 마련할 방침이다.

암모니아 혼소 발전을 위해 전력공기업과 민간기업이 협력 'Carbon-Free 친환경 암모니아 발전기술 개발 R&D'를 추진한다. 두산중공업과 HPS는 암모니아 혼소 발전설비 구축 방안을 도출하고 롯데정밀화학은 대규모 암모니아 연료 공급을 위한 구축망을 마련한다.

남부발전은 운영 중인 석탄발전소를 활용, 올해부터 암모니아 혼소 기술을 개발·적용하고 2024년 이후에는 암모니아 20% 혼소 상용화를 추진할 예정이다. 수소 혼소 발전을 위해 서부발전이 한화임팩트와 연말까지 수소 50% 혼소 발전 실증연구(폐지된 평택 1복합 설비[80MW] 설비 활용)를 완료하고 2025년까지 70% 이상의 수소 혼소 실증을 추진할 계획이다.

에너지경제연구원은 기후변화대응과 2050 탄소중립 이행을 시대흐름에 부응한 불가역적(irreversible) 정책목표로 본다면 이를 달성하는 과정에서 발생할 사회적· 경제적 비용을 최소화하는 액션플랜(action plan) 구축이 중요하며, 기술개발 외에도 저탄소 연료 수요증가에 대비한 저렴한 원료 공급루트 확보 노력을 병행하여 잔존 화력발전의 친환경적 활용 및 질서있는 퇴출, 재생 에너지 보급을 위한 계통여건 마련의 선순환 체계가 지속될 수 있는 여건을 구축할 필요가 있다고 분석했다.