가스터빈 발전 개념도

LNG(천연액화가스) 대신 수소 연소로 가스터빈을 구동해 전력을 생산하는 수소 가스터빈 관련 특허출원이 늘고 있다.

특허청에 따르면, 발전용 수소 가스터빈 관련 특허는 최근 9년간(‘11~’19년) 총 36건이 출원됐고, 매년 2건 정도에 불과하던 것이 ’15년 이후에는 6~7건으로 증가했다.

수소 가스터빈 : 수소는 LNG대비 6배의 화염 확산속도와 3배의 발열량을 가지고 있을 뿐만 아니라, 연소되고 나면 부산물로 깨끗한 물만 남기 때문에 CO2가스 배출이 전혀 없는 친환경적 에너지원이다. 수소는 기존 석탄, LNG 등 화석연료에서 추출하는 방식 이외에도, 잉여 전력을 이용해 물을 전기분해 하는 등 다양한 방식으로 경제적인 생산이 가능하다.

최근 9년간 연도별 수소 가스터빈 관련 국내 특허출원 동향

‘18년 기준으로 LNG 발전은 우리나라 전체 발전량의 26.8%로 석탄화력발전(41.8%)에 이어 두 번째로 높은 비중을 차지하고 있다. 최근, 미세먼지 저감을 위해 석탄화력 발전을 LNG 발전으로 점차 대체하고 있어, 향후 LNG 가스발전의 비중은 더욱 확대될 것으로 예상된다.

이런 가운데, LNG 가스터빈의 효율을 높이기 위하여 연료로 사용되는 LNG에 수소를 혼합하려는 시도가 일어나고 있는데, 현재 수소의 혼합비율을 약 60%정도까지 높인 사례가 발표되고 있다. 현재의 수소 가스터빈 기술 발전 추세를 감안할 때, 향후 대부분의 LNG 발전소에서 수소를 발전연료로 사용할 수 있게 될 것으로 보인다.

최근 9년간 국내 특허출원동향을 살펴보면, 한전 등 발전사가 수소 가스터빈에 대한 특허출원을 주도하고 있고, 대우조선해양 및 미츠비시(日)가 그 뒤를 따르고 있다.

최근 9년간 출원인별 수소 가스터빈 관련 국내 특허출원

반면, 현재 가스터빈 시장을 선도하는 지멘스(美), 알스톰(伊)이나 두산중공업은 저조한 특허출원 동향을 보이고 있어, 아직 수소 가스터빈 기술에 대한 뚜렷한 전략은 드러나지 않고 있다.

그러나, 2030년 경에는 수소 가스터빈의 보편화 및 상업화가 가능할 것으로 예상되면서 해당 기술분야에 대한 투자는 독자적인 원천기술을 선점할 수 있는 기회로 평가된다.

수소 가스터빈에 관한 특허출원을 기술 내용 별로 살펴보면, ①석탄 등 화석연료에서 추출된 수소를 활용하는 기술 ②연료전지와 수소 가스터빈을 통합하여 발전하는 기술 ③고화염전파 특성 및 고발열량의 활용을 위한 LNG와 수소의 혼합비를 결정하는 기술 ④수소 연료 분사노즐 설계 ⑤연소실의 배치 및 형상 설계에 관한 것이 주류를 이루고 있다.

발전용 가스터빈

향후에는 ▲생산된 수소를 생산, 운반, 저장하는 기술 ▲가스터빈에서 발생하는 공해물질인 질소산화물을 줄이기 위해 LNG와 혼합비율 ▲연료분사 노즐 및 연소실 구조 개선 등에 관한 기술개발이 추진될 것으로 예상된다.

우리 정부는 지난 ‘19년 수소경제를 데이터, 인공지능과 함께 3대 차세대 전략 투자분야로 선정해 세계 최고 수준의 수소경제 선도국가를 목표로 하고 있다. 이러한 노력에 수소 가스터빈 분야가 일조할 수 있을 것으로 예상된다.

특허청 조지훈 동력기술심사과장은 “현재, 수소 가스터빈 관련 연간 출원건수는 10건 미만에 불과하지만, 수소경제에 대한 관심의 증가 및 관련 인프라의 확충에 따라, 향후 이 기술분야의 특허출원은 점점 증가할 것”으로 예상하며 ”현재 추진 중인 온실가스 감축, 미세먼지 절감, 그리고 화석연료에 대한 에너지 의존도 감소를 통한 에너지 자립에도 크게 기여할 수 있을 것”으로 내다봤다.

박경일     kips1214@naver.com