[투데이에너지 김병욱 기자] 탄소중립이 전세계적인 과제로 떠오르며 탄소중립 실현을 위한 가장 유력한 친환경 에너지 대안으로 ‘수소’가 주목받고 있다. 재생에너지의 간헐성을 보완하면서도 분산발전이 가능해 유연한 에너지원으로서의 역할이 기대되고 있다. 특히 발전6사는 정부의 수소경제 활성화 정책 부응을 위해 다양한 신재생 에너지원 개발로 민·관·공 이해관계자와 협업해 사업모델 개발을 하고 있다. 이에 발전6사의 수소연료전지 발전사업의 단계적 추진과 중·장기 규모의 수소 혼소·전소 발전사업, 연료전지 사업 등에 대해 살펴봤다. /편집자 주
■한국수력원자력
수소사업의 영역은 크게 수소의 생산-유통활용의전주기로 구분할 수 있다. 국내 최대 발전용 연료전지 운영사인 한국수력원자력(사장 정재훈)은 이러한 수소 전주기 가운데 수소 생산·활용 분야와 연계한 수소 융복합 사업모델을 우선적으로 추진하고 있다.
먼저 ‘수소 생산’ 부문에서는 재생에너지나 한수원이 보유한 수력 및 중소형 원자로 기술 등을 활용한 수전해 등 청정수소를 생산할 수 있는 사업모델 개발을 추진하고 있다. 수전해는 물을 전기분해해 순도 높은 수소를 생산하는 것으로 저렴하면서도 탄소배출이 적은 에너지를 활용해 다량의 청정수소를 생산하는 기술을 갖추는 것이 핵심이다.
수전해 청정수소 생산체계를 구축하기 위해 한수원은 수전해 실증연구센터인 ‘그린수소 안전 연구시스템’을 5월 준공할 계획이다. 올 하반기에는 실증연구센터의 수전해 수소생산 시스템을 가동하고, 관련 DB를 확보해 MW급 기본설계 역량을 갖출 예정이다.
한수원이 추진하고 있는 대표적인 수소 생산 비즈니스는 국내 최초로 바이오가스를 활용한 수소융복합사업이다. 전주시 등과 공동개발협약을 체결하고 진행 중인 이 사업은 전주리싸이클링타운 내에 연료전지발전소를 건설, 음식물 쓰레기의 바이오가스를 활용해 전기와 수소를 생산하고 전력 판매 및 전주시가 운영 예정인 수소충전소를 통해 수소버스를 충전하는 것이다.
한수원을 포함한 분야별 전문기업과 지자체 등 민·관·공의 성공적 협력모델로 평가받고 있다. 2023년 하반기 발전소가 준공되면 향후 전라북도의 약 13%, 6만여 가구가 사용할 수 있는 연간 15만MWh의 전력을 생산하고 200톤의 수소를 생산해 수소충전소 공급에 활용할 예정이다.
‘수소 활용’ 부문에서는 연료전지발전이 수소 융복합 사업모델의 핵심이다. 한수원은 국내 최대의 연료전지 발전사로 경기그린에너지, 노을그린에너지 등 현재 약 150MW규모의 연료전지 발전소를 운영하고 있다.
수소연료전지는 소음과 진동이 적고 온실가스 저감 효과가 크다. 또 수요에 따라 다양한 용량으로 분산형 구성이 가능해 도심의 친환경 발전에 유리하다. 날씨 영향을 받지 않아 운전효율이 좋은 것도 장점이다. 한수원은 연료전지 복합모델인 창원시 분산형 연료전지, 화성시 스마트 에너지 사업도 추진중이다.
창원시, SK에코플랜트 등과 함께 추진하는 창원시 분산형 연료전지 사업은 수소연료전지 시스템을 창원시 유휴부지 8곳에 분산, 설치하는 것이다. 2023년 하반기 준공돼 연간 약 15만MWh의 전력을 생산, 공급할 예정이며 8곳의 시스템은 통합관제센터에서 원격 모니터링 및 통합 관리된다.
정재훈 한수원 사장은 “수소산업의 생태계를 이끄는 종합에너지기업으로서 한수원이 수소융복합 사업을 적극 추진해 탄소중립 사회를 앞당기는 데 기여할 수 있도록 최선을 다하겠다”고 밝혔다.
■한국남동발전
한국남동발전(사장 김회천)은 여수발전본부에서 운영 중인 연료전지설비의 지난 한해 발전 이용률이 국내 최고 수준인 평균 99.2%으로 나타났다.
남동발전에 따르면 지난 2020년 국내 연료전지 운영 기업 중 가장 높은 이용률을 기록한 국내 5개 기업의 평균 이용률은 92%로 여수발전본부 연료전지는 이보다 7%이상 높은 수치를 나타냈다. 이는 국내 연료전지(PAFC) 중 가장 높은 수준이다.
여수발전본부 연료전지는 10MW급 PAFC(액체인산염) 형식으로 두산퓨얼셀이 주기기를 공급해 제작됐다. 최초 운영 당시 평균 발전 이용률이 84%에 그쳤으나 약 1년여 만에 무려 15% 이상 향상된 이용률을 나타냈다. 이는 남동발전의 체계적인 개선 노력과 순수 국내 기술로 제작된 설비 이점이 작용했기에 가능했다.
남동발전은 연료전지 이용개선을 위해 직접정비, 간접정비, 점검관리로 나눠 이용률 개선 대책을 마련해 현장에 적용했다. 국내 기술력으로 제작된 설비의 이점을 적극 활용해 제조사인 두산퓨얼셀 기술팀과의 잦은 교류로 설비 이해도를 높여 유틸리티 설비 공급의 안정화를 가져올 수 있었으며 핵심 부품에 대한 예비품 확보도 비교적 수월해 고장시간을 감소시킬 수 있었다.
그 결과 2020년 10월 84%에 그쳤던 이용률은 지난해 1월 96%로 증가했으며 지난 7월에는 무려 100.2%의 발전이용률을 나타내는 등 획기적인 수치로 증가했다.
이를 통해 남동발전은 여수발전본부 연료전지 운영으로 발생하는 수익이 당초 목표 대비 약 31% 가량 늘어날 것으로 내다보고 있다.
김회천 남동발전 사장은 “탄소중립 실현 및 에너지정책 전환을 위한 가스터빈 및 중소형 수소터빈 기술을 두산중공업과 협력을 통해 적기에 확보함으로써 국가 발전산업의 경쟁력을 강화하고 국가 에너지정책에 적극 부응하는 디딤돌 역할을 하겠다”라며 “이번 협약을 통해 상호간 기술교류를 확대하고 긴밀한 협력을 통해 기술개발 및 실증이 성공적으로 추진되도록 하겠다”고 말했다.
■한국중부발전
한국중부발전(사장 김호빈)은 (주)제이씨에너지, 두산중공업과 탄소중립 달성 및 수소경제 활성화를 위한 ‘수소에너지 신사업추진 업무협약’을 체결했다.
중부발전은 이번 협약체결을 통해 전남지역에 기반을 둔 에너지 전문기업인 제이씨에너지, 수소 연료전지 EPC 및 수소터빈제작 전문기업인 두산중공업과 각 부문별 노하우를 상호 융합해 정부 탄소중립 이행 및 수소경제 활성화를 위해 상호 협력할 계획이다.
이번 협약으로 전라남도 영암군 대불 국가산업단지에 100MW 규모의 수소연료전지 발전사업의 단계적 추진과 중·장기 최대 1,000MW 규모의 수소 혼소·전소 발전사업을 추진할 예정이다.
중부발전은 2050 탄소중립 달성 및 친환경 에너지전환을 위하여 태양광, 풍력 등 재생에너지 발전사업뿐만 아니라 수소경제 활성화를 위해 노력하고 있다. 그 일환으로 충남 보령에 세계 최대규모 블루수소 생산 플랜트 구축사업과 제주도에 국내 최초 P2G(Power to Gas) 그린수소 생산과 연계한 수소드론 충전소 구축을 추진하고 있다.
또한 중부발전은 각 협약사와 긴밀한 협업을 통해 전남 서남해안 지역의 산업경제 부활 및 수소경제의 새로운 패러다임에 대응한 청정 일자리 창출로 지역경제 활성화에 뜻을 함께하기로 했다.
또한 중부발전은 친환경 청정수소 생산 구축에 박차를 가하고 있다.
중부발전은 SK E&S, 충청남도, 보령시와 함께 ‘충청남도 보령시 친환경 청정수소 생산 기반 구축을 위한 상호협력에 관한 업무협약’을 체결했다.
이번 협약에 따른 사업은 중부발전이 보유한 대규모 플랜트 구축·운영 및 CCUS 운영 역량과 SK E&S가 가진 LNG 인프라와 CCS 기술 역량을 활용해 연간 25만톤의 청정수소 생산과 공급 인프라를 구축하는 사업으로 보령화력 1·2호기 폐지에 따라 이용률이 저하된 제2부두와 회처리장을 활용해 추진할 예정이다.
중부발전은 지난 2013년 국내 최초 습식 아민 방식의 이산화탄소 포집 설비인 CCS를 국가 R&D 실증사업으로 준공·운영해 운전 및 정비 기술을 확보했으며 SK E&S가 보유한 CCS 기술 역량에 힘을 더해 블루수소 생산 시 나오는 이산화탄소를 포집 및 제거한 청정수소를 공급할 계획이다.
이번 사업을 통해 지역 내 수소경제 기반 사업육성과 관련 기업의 유치로 지역경제 활성화를 유도하고 수소에너지의 안정성 및 친환경 에너지로의 전환에 따른 환경개선 효과에 대한 인식을 제고해 지역주민과의 상생협력을 위한 공동의 노력에 뜻을 같이하기로 했다.
■한국서부발전
한국서부발전(사장 박형덕)은 한국세라믹기술원(원장 정연길)과 ‘탄소중립 수소발전 기술개발
을 위한 업무협약’을 체결했다.
양 기관은 앞으로 3년간 수소경제 시대를 선도하기 위한 수소 혼소 및 전소 가스터빈용 열차폐 세라믹 코팅분말 개발과 고체산화물 수전해설비의 핵심 부품 국산화 등 다양한 기술개발을 위해 긴밀히 협력하기로 했다.
서부발전은 탄소중립 실현을 위해 단계적으로 수소비율을 높여 결국에는 100% 수소로만 연소하는 발전기술을 구현할 계획이다.
이를 위해 필요한 게 열차폐 코팅기술이다. 기존 LNG 가스터빈과 달리 수소혼소용은 연소온도가 매우 높고 연소 후 발생되는 기체특성도 다르다.
이 때문에 고온에 노출되는 연소기, 가스터빈 날개 등 주요 부품을 보호하기 위해 새로운 코팅소재 개발이 요구된다.
또한 서부발전은 세라믹기술원과 그린수소 생산을 위해 고체산화물 수전해설비(SOEC) 기술개발도 협력한다. 독일과 일본 등 외산에 의존하고 있는 SOEC 셀(Cell) 기술을 국산화해 국가경쟁력 확보에 나선다.
박형덕 서부발전 사장은 “이번 협약을 통해 양 기관이 긴밀히 협력해 다양한 핵심 수소 기술이 개발되기를 기대한다”라며 “이를 통해 탄소중립 시대를 앞당길 수 있도록 선도적 역할을 하겠다”고 말했다.
특히 서부발전은 서인천발전본부에서 5단계에 걸쳐 77MW 규모의 연료전지를 구축했다.
정부의 수소경제 활성화 로드맵에 발맞춰 추진된 서인천 연료전지사업은 본부 내 경유저장탱크를 철거한 부지에 조성됐다.
이번에 구축한 5단계 사업의 설비용량은 20MW(440kW×46대)로 858억원이 투입됐다. 특히 준공을 한 달이나 앞당기면서 조기 상업운전을 통한 전력판매와 REC 비용으로 약 34억7,000만원의 추가 이익을 창출했다.
이번 준공으로 서인천 연료전지 1~5단계 조성사업은 성공적으로 마무리됐다. 지난 2014년 9월 1단계 사업을 마친 지 7년만이다. 총 설비용량은 77MW로 남부발전(80MW)에 이어 단일설비로는 국내 두 번째 규모다. 한 달 전력생산량은 약 5만5,386MWh로 23만7,300여가구가 사용할 수 있는 양이다.
■한국남부발전
한국남부발전(사장 이승우)이 한국에너지기술평가원 주관 ‘10MW 재생에너지 연계 대규모 그린수소 실증 기술 개발’ 정부 지원 연구과제를 최종 수주했다.
남부발전 컨소시엄은 제주도청, 한국수력원자력, 한국가스기술공사, 제주에너지공사, 한국에너
지기술연구원, 한국에너지공단, 미래기준연구소, 제주대학교, SK E&S, SK Ecoplant, 지필로스, 선보유니텍, YEST 등 13개 기관과 전략적 협업체계를 구축해 실증과제에 공모했으며 수요기업으로는 현대자동차와 코하이젠이 참여했다.
이번에 수주한 그린수소 실증과제는 제주 동복·북촌 풍력단지 내 알카라인(AEC), 고분자전해질(PEM), 고체산화물(SOEC), 음이온교환막(AEM) 등 4가지 수전해 방식을 모두 실증하는 사업이며 정부 목표 대비 25% 용량을 증대한 12.5MW급 수전해 설비를 구축할 계획이다.
연구 기간은 올해 4월부터 2026년 3월까지 48개 월간이며 연구비는 정부 지원 299억원, 민간부담 323억원 등 총 622억원이 소요될 전망이다. 연구개발이 종료된 이후에는 20년간 사업화에 들어간다.
남부발전 컨소시엄은 제주도 내 그린수소 설비 구축을 통해 연간 약 1,200톤 규모의 그린수소를 생산할 예정이며 생산된 수소는 모빌리티 충전소 공급 및 남제주, 한림빛드림발전소 LNG 연료와 혼합 연소에 활용함으로써 제주도 Carbon Free Island 달성을 통한 탄소중립 실현과 수소경제 활성화를 선도해 나간다는 계획이다.
또한 남부발전은 한국가스공사와 천연가스 배관을 활용한 그린 수소 혼입 실증사업으로 탄소중립 실현을 위한 수소 인프라 조성에 나선다.
남부발전과 가스공사는 ‘그린 수소 배관 혼입 기술개발을 위한 업무협약’을 체결했다.
이번 협약에 따라 양사는 △제주 한림 LNG 복합 발전소의 천연가스 공급 배관 수소 혼입 사업 △수소 사업 경쟁력 확보를 위한 기술개발 △수소 사업 협력 분야 실무협의체 구성 및 운영을 위해 긴밀히 협력하기로 했다.
이승우 남부발전 사장은 “탄소중립과 수소경제는 선택의 문제가 아닌 더 나은 미래를 위해 반드시 실행해야 할 과제”라며 “이를 위해 남부발전은 그린 수소 실증사업 개발 등 다양한 수소 연관 사업에 적극적인 노력을 아끼지 않겠다”고 말했다.
한편 정부는 온실가스 배출 감축과 함께 수소 인프라 확대를 위해 오는 2026년까지 도시가스에 수소 20% 혼입을 목표로 관련 사업을 추진한다고 발표한 바 있다.
■한국동서발전
한국동서발전(사장 김영문)은 수소연료전지 발전소에서 발생하는 열을 활용해 비닐하우스 농가에 난방용 온수를 공급하는 사업을 추진한다.
동서발전은 충청남도, 논산시, JB(주)와 영농형 연료전지 발전사업 추진을 위한 업무협약을 체결했다. 협약에 따라 동서발전은 연료전지 발전사업을 추진하고 발전소에서 나오는 열을 농가에 난방용 온수로 제공한다.
JB(주)는 사업을 위한 도시가스 공급 배관을 건설하고 인근 도시가스 미공급 70세대에 도시가스를 공급한다. 충청남도와 논산시는 사업 부지제공과 인허가 등 행정적 지원에 나선다.
동서발전은 총사업비 605억원을 들여 논산시 양촌면에 9.6MW급 수소연료전지 발전소 구축을 추진한다. 오는 2023년 11월 착공에 들어가 2024년 11월 준공할 예정이다.
이번 사업으로 발전소 인근 시설재배 농가 비닐하우스 111동이 난방용 온수를 공급받게 된다.
또한 도시가스 배관망을 인근 도시가스 미공급 마을까지 연장하게 됨에 따라 70세대에 도시가스 공급이 가능해져 지역주민 편익 향상에도 기여할 것으로 기대된다.
동서발전은 앞서 2020년 생활SOC형 파주연료전지 발전소를 건설하면서 도시가스 미공급 마을주민 74세대에 도시가스를 보급해 적극행정 우수사례로 선정된 바 있다.
김영문 동서발전 사장은 “충남도, 논산시와 함께 친환경 저탄소 경제 전환을 가속화하고 지역사회 에너지복지를 실현할 수 있도록 지속적인 노력을 기울여 나가겠다”고 말했다.
동서발전은 생활SOC형 연료전지 발전사업, 영농형 태양광 연구과제 등을 토대로 다양한 상생발전 사업을 개발해 친환경 신재생에너지 보급과 탄소중립 달성에 앞장설 계획이다.
또한 동서발전은 호남권 첫 대규모 연료전지 발전소를 준공하고 본격적인 상업 운전에 나선다.
동서발전은 호남발전본부에서 15MW급 호남연료전지 준공식을 개최했다.
호남연료전지는 총 사업비 약 1,009억원을 투자한 자체사업으로 호남발전본부에 지난 2020년 9월에 착공해 약 1년간의 공사 끝에 준공됐다. SK에코플랜트가 설계·납품·시공을 맡아 300kW급 연료전지 50대를 설치했다.
호남연료전지는 연간 12만5,000MWh의 전력을 생산할 예정이며 이는 여수시의 약 5만2,000가구가 사용할 수 있는 규모다.
이번 호남연료전지 발전소 준공으로 인근지역 약 1,500세대에 도시가스 공급망을 구축하게 돼 주민 생활환경 개선이 기대되며 여수산단 도시가스 공급 환산망 구축과 천연가스 사용으로 대기질 개선에도 기여할 전망이다.
이번 호남연료전지 준공으로 동서발전은 130MW급 연료전지 발전용량을 확보해 운영하게 된다