[발언대]청정수소 사회 징검다리, 암모니아 혼소 발전

석탄 대체해 미세먼지 감소 기여
환경설비 거쳐 암모니아 완벽 제거

류창국 성균관대 기계공학과 교수

올해 3월 청정수소 인증제 시범 사업에 이어 5월 세계 최초로 청정수소발전 입찰 시장이 개설되는 등 청정수소 생태계 전환을 위한 제도적 틀이 하나둘 마련되고 있다.

암모니아 혼소 발전은 청정수소를 암모니아로 전환한 후 석탄화력과 혼소(혼합연소)하는 것으로 청정수소 발전의 핵심 정책 중 하나다. 암모니아 혼소발전은 궁극적으로 화석 연료 사용과 온실가스 배출을 줄이면서 수소 사회로 갈 수 있는 징검다리 역할을 할 것으로 기대된다.

그런데 최근 국내외 환경단체에서 암모니아 혼소 발전에 대해 우려하는 목소리가 나온다. 우선 암모니아 혼소 발전이 석탄화력발전의 수명연장 수단이 될 수 있다는 우려다. 전력 생산에 필요한 비용을 의미하는 균등화발전단가(원/kWh)를 낮추려면 운영 기간이 길어야 하기 때문에 석탄화력발전소의 수명 연장을 위한 편법으로 암모니아 혼소 발전을 활용한다는 시각이다.

암모니아 혼소발전 구성도

하지만 현재 청정수소발전 입찰 시장의 계약 기간은 15년으로 제한하고 있고 여기에 기존의 잔존 수명에 도달할 때까지라는 또 하나의 조건이 붙는다. 따라서 잔존수명 동안의 탄소 배출량을 감축하는 효과를 기대할 수 있을 뿐 석탄 화력의 수명을 연장하려는 꼼수는 원천적으로 불가능하다.

또 입찰에 참여하는 발전소는 환경기여도, 산업경제기여도, 사업 신뢰도, 주민 수용성, 사업진척도 및 계통 수용성 등 비가격적인 요소도 평가받는다. 상대적으로 고효율 친환경 기능을 갖춘 화력발전소가 좋은 평가를 받게 돼 있다. 국내 최신 1기가와트(GW)급 발전소를 운영하는 발전사가 적절한 청정연료수급 모델을 개발해 운영하면 가장 유리한 발전사업자가 될 것이다.

제대로 연소하지 않은 암모니아가 배출되는 상황(암모니아 슬립)을 우려하는 의견도 있다. 그러나 암모니아 혼소 발전은 아파트 30층 높이의 보일러와 5단계에 걸친 환경 설비를 거치며 암모니아를 제거한다.

보일러의 버너에서 공급된 석탄과 암모니아는 70~80m의 높이 고온(1200~1500도) 구역에서 충분한 체류시간을 거쳐 거의 완벽하게 연소하게 된다. 한국기계연구원, 한국전력연구원 등 국내 연구소의 실험에서 실제 보일러 대비 낮은 온도 등의 불리한 조건에서도 암모니아의 완전 연소를 확인했다.

만약 설계나 운전상의 결함으로 연소되지 않은 소량의 암모니아가 포함돼 있다면 탈질 설비를 통해 질소를 제거하게 된다. 남은 암모니아가 있다면 전기집진기에 의한 포집, 석회 슬러리 샤워 공정 등을 거치며 거의 완벽하게 제거된다. 그 이후에도 존재할 수 있는 암모니아는 마지막 5단계인 미스트 제거기에서 제거된다.

암모니아 슬립은 기술적으로 우려할 사항이 아니다. 이보다 중요한 것은 암모니아 연소과정에서 생성되는 질소산화물(NOx)이다. 이를 위해서는 연소 방식을 최적화하는 게 필요한데 현재 개발 중인 기술을 통해 석탄 연소와 동등 수준 이하의 배출량을 무난하게 달성할 수 있을 것으로 보인다.

석탄화력에서의 암모니아 혼소 정책은 우리나라 현실에서 발전 분야의 온실가스 대량 감축과 수소 생태계 확대를 위한 최선의 방안 중 하나다. 또 암모니아 혼소는 석탄을 대체함으로써 황산화물과 입자상 물질의 배출도 감소하게 되므로 미세먼지 감소에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

류창국 성균관대 기계공학과 학과장(한국연소학회 부회장)