오염물질 '0' 암모니아 연료 가스터빈 개발 본격화

한국에너지기술연구원, 무수 암모니아 활용한 연소 기술 개발 시작

[아시아경제 김봉수 기자] 2050 탄소 중립 실현을 위해 무탄소 연료 중 하나인 암모니아를 이용해 고효율의 가스터빈을 제작하기 위한 연구가 시작됐다.

한국에너지기술연구원은 신연소발전연구실 이민정 박사 연구팀이 국내 최초로 100% 무수 암모니아를 이용한 연소 기술 개발에 나섰다고 29일 밝혔다. 무수 암모니아(anhydrous ammonia)는 질소와 수소로 구성된 액체 및 기체 상태의 순수 암모니아를 의미하며, 수용액 상태의 암모니아수와 구별된다.

연구팀은 연구원의 기본 사업인 '이산화탄소(CO2)-free 암모니아 직접 이용을 위한 저질소산화물(NOx) 가스터빈 연소기술 개발'을 통해 암모니아 연소기 핵심 설계 기술을 확보할 예정이다. 특히 기존 연료와의 혼합 없이 100% 암모니아만을 이용한 연소기술 개발은 국내 최초의 시도다.

이 기술이 주목받는 것은 정부가 지난해 발표한 '수소경제 활성화 로드맵', '2050 탄소중립 추진전략' 때문이다. 수소는 다양한 산업 부문으로 확대돼 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다. 암모니아는 폭발 위험성이 있는 수소에 비해 안정적인 물질이면서 분해할 경우 곧 바로 수소로 전환할 수 있는 '수소 캐리어'다. 또 연소시켜 직접적으로 연료로 활용할 수도 있다. 이미 세계적으로 비료 용으로 이용이 활발해 기반 인프라가 갖춰져 있어 경제성 확보도 가능하다.

이에 세계적으로도 암모니아 활용 연소 기술이 활발히 연구되고 있다. 지난 3월 미쯔비시 중공업이 2025년 세계최초 상용화를 목표로 40MW 암모니아 가스터빈 개발에 착수했다. 6월에는 미국 제너럴 일렉트릭(GE)사와 일본 IHI사가 가스터빈 개발을 위한 양해각서(MOU)를 체결하기도 했다.

다만 암모니아는 기존 액화천연가스(LNG)연료 대비 발열량이 50% 정도에 불과하고 연소 속도도 20% 수준에 불과해 안정성을 확보하기 어렵다는 게 단점이다. 연료에 포함된 질소 원자로 인해 고온의 연소 환경에서 질소산화물 배출이 증가하는 것도 약점이다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 높은 TDR(Turn Down Ratioㆍ연소기의 운전 범위)을 갖는 연료 노즐 설계, 폐열을 이용한 암모니아 수소 분해 기술 및 연료 다단연소기술을 확보해 연소 안정성 확보 및 NOx 생성을 억제할 계획이다.

정학근 에너지효율연구본부장은 "무탄소 연료 암모니아 연소기술 개발을 통해 발전ㆍ산업부문의 에너지 다소비 기기 탄소 감축에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다"며 "이 기술은 국내 온실가스 배출의 87%를 차지하는 에너지 부문 연료 연소 시스템의 무탄소 연료 전환 분야에 적용 가능하다. 특히 가스터빈, 화력발전, 철강 가열공정, 석유화학 및 정유 공정, 산업용 보일러 부문의 탄소 배출량 저감에 기여할 것"이라고 말했다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr