수소는 단위질량당 발열량이 높고 널리 알려져 있다시피 연소속도가 빨라서 연소성이 좋은 연료로 알려져 있고 연소시에 부산물로 물만 발생하기 때문에 탄소를 배출하지 않는 최적의 에너지원으로 알려져 있다. 수소의 열량적인 장점과 청정에너지로서의 가치는 인정되지만 현재 세계적으로 수소의 사용은 연료전지에 투입하는 연료로써의 사용이 대부분이다. 이에 수소를 연료로써 직접 연소하는 경우 수소연소의 특성과 현재 가정용과 산업용 적용 현황 및 상용화를 위해 극복해야 할 점에 대해서 알아보기로 하자.
수소의 연소 특성
화석연료를 대체할 에너지원 가운데 수소는 에너지원 보다 에너지를 전달하는 매체로 가장 매력적인 것으로 알려져 있다. 가스중 가장 가벼운 수소는 무색, 무취, 무미의 가연성 기체로 연소 범위(폭발 범위)가 매우 넓은 물질이다. 그래서 사람들은 수소의 연소를 생각할 때 폭발 위험에 대해서 많은 우려를 한다. 그러나 수소는 가볍기 때문에 다른 연료에 비해서 확산이 잘되어서 이런 점은 폭발 위험을 완화할수 있는 점이다. 수소는 연소 후 물만 생성되어 청정에너지원으로 각광받고 있으며 단위질량당 발열량이 메탄(CH4)이나 프로판(C3H8)에 비해서 매우 높다.
수소 혼소가스가 가스터빈과 같은 동력기관에서 사용될 경우 수소의 빠른 화학반응에 의한 매우 높은 화염의 전파속도는 자동차 엔진이나 가스터빈 주 연소로에서 매우 빠른 화학반응을 유도함으로써 가스타빈의 터빈 블레이드까지 화염이 이르기 전에 주연소실에서 실질적인 연소가 끝나고 그 이후 공간에서 단열팽창 함으로써 온도가 하강한다. 따라서 이에 의한 터빈 블레이드의 손상이나 동력으로 전환되지 못하고 열량이 버려지는 현상을 방지할 수 있다.
보일러나 연소기에 적용할 경우 수소의 최고 단열화염온도 상승에 따라 NOx농도가 증가하므로 NOx 생성 감소기술이 필요하다. 수소를 연소장치에 혼소하고자 할때는 연소장치 각각에 대한 주입방법과 주입량 등에 대한 세부적인 연구를 통한 적용이 필요하다.
세계 기술 적용 현황
◆ 가정용 적용 현황
세계적인 연소기 제조사들은 2020년부터 가정용 수소보일러 및 혼소기술에 대한 연구를 수행하면서 시제품을 만들었다. 일본의 린나이는 가정용 수소보일러 개발에 성공했다고 발표했고, 영국의 우스터 보쉬는 2021년 천연가스 보일러를 개조하여 수소보일러 시제품을 제작한바 있고 네덜란드의 BDR Thermea 그룹의 박시(baxi)도 수소로 구동이 가능한 보일러 시제품을 발표하였다. 국내에서는 경동나비엔이 2021년부터 협업을 통하여 가정용 수소보일러 개발을 진행하고 있다.
가정용 수소보일러의 경우 수소의 연소속도가 천연가스보다 약 8배나 빨라서 보일러의 버너타입에 따라 차이는 있지만 확산연소 방식의 경우 저부하시 버너 내부에 화염이 들어가는 역화현상이 발생하기 쉽기 때문에 전용 버너를 사용해야 한다.
◆ 산업용 적용 현황
산업분야에서는 발전소에서 사용되는 가스터빈, 산업용 보일러 등에 수소를 혼소하여 연소시킬수 있다. 수소를 가스터빈에 연료로 활용하는 방식은 기존의 LNG 연료 일부를 수소로 대체해 혼소하는 방식과 수소로만 발전하는 전소방식이 있다. 수소는 메탄에 비해 화염온도가 높고 연소속도가 빨라 폭발적 반응을 일으킨다.
수소터빈 분야는 미국 및 유럽 그리고 일본의 주요 제조사들이 활발하게 연구개발 및 실증 사업화를 진행하고 있다. 대형 및 중소형 가스터빈 분야에서는 GE나 지멘스, 미츠비시파워사 등이 수소혼소가 가능한 연소기를 개발한 것으로 알려져 있다. 산업용 보일러 버너 분야는 일본이 앞서 있는 것으로 나타났고 일본의 미우라(MIURA)와 주이가로 공업 등이 산업용 수소 버너를 개발해서 이미 판매하고 있는 것으로 알려져 있다.
상용화를 위해 극복할 점
앞에서 언급했듯이 수소의 빠른 연소속도는 장점으로 작용하기도 하지만 연소장치에 따라 문제를 야기하기도 한다. 수소를 혼소하면 이산화탄소 발생은 연료를 대체한 양 만큼 줄어들기 때문에 탄소중립 차원에서는 효과가 있을것이다. 그러나 NOx 생성의 경우는 다양한 인자에 의해서 영향을 받기 때문에 연소장치 별로 대책이 필요하다. 가정용 보일러의 경우 저부하시 역화현상이 발생할 수 있으므로 역화를 방지할 수 있는 수소 전용버너를 개발해야 하고, 산업용의 경우 높은 화염온도로 인하여 NOx 생성이 증가하는 경우가 있는데 주입방법 최적화를 통하여 연료와 공기 혼합을 최적화시키거나 수증기 등의 혼소를 통하여 감소시킬 수 있다. 국내 산업용 보일러, 버너 제조사들은 대부분 중소기업이기 때문에 기술개발을 위한 투자에 어려움을 겪고 있는데 수소경제에 대비하기 위하여 연료전지 뿐만 아니라 수소 연소장치 개발에도 국가적인 지원이 이루어져야 할것이다.
댓글