2050 탄소중립 달성을 위한 에너지원으로써 수소가 주목받음에 따라 기존 연료전지에 한정돼있던 수소 소비처를 수소보일러, 수소터빈 등으로 확대하기 위한 움직임이 생기고 있다.
수소보일러의 경우 기존 주택용 난방시스템을 유지하면서 탄소배출을 줄일 수 있어 효율적인 난방의 저탄소전환 방안으로 국내·외 주요 보일러사에서 개발을 추진하고 있다.
수소보일러가 천연가스와 수소를 섞어 사용하는 혼소 중심으로 개발되는 상황에서 인하대 수소기반 차세대 기계시스템 키우리 인재양성연구단(이하 키우리연구단)이 경동나비엔과 함께 수소전소보일러 개발을 진행하고 있어 향후 수소경제 도래 시 주거난방부문 탈탄소화에 적극 기여할 것으로 기대된다.
연구를 주도하고 있는 유준상 인하대 키우리연구단 박사를 만났다.
■ 탄소중립을 위한 수소보일러의 역할은해마다 환경오염에 대응하기 위한 정책이 제시되고 있으나 환경오염의 속도를 늦추지 못하는 상황이다. 특히 CO₂는 온실효과의 주범으로 기후변화에 악영향을 미치고 있다. 평균기온이 상승하고 북극의 빙하가 녹아 해수면이 높아지고 있다.
이에 따라 저탄소연료에서 무탄소연료로 전환이 필요하다. 수소는 연소 시 산소와 반응부산물로 물만 생성돼 CO₂ 배출이 없다. 즉 궁극적인 탄소중립 달성을 위한 이상적인 연료다.
정부의 기술로드맵을 살펴보면 탄소중립을 위한 난방분야 수소사용량은 매년 증가할 것으로 예상된다. 이는 겨울에만 난방을 위해 사용되는 전기량이 상당히 증가하기 때문에 겨울철 난방을 고려한 신재생에너지 전력확보가 현실적으로 불가능하기 때문이다.
또한 연료전지의 경우 단가가 높고 내구성에 대한 개선이 요구돼 가정용, 산업용 난방장치로 사용하기 부적합한 실정이다. 기존 건물에 있는 난방시스템에 히트펌프를 설치하는 방안 역시 호환성에 따른 문제가 있다.
현재 유럽의 경우에도 전역에 40% 이상이 가스난방시스템을 사용하기 때문에 가스인프라를 활용하는 방안이 가장 합리적으로 평가받고 있다.
■ 수소보일러 개발 주안점 및 현황은
수소보일러 개발에는 천연가스와는 다른 수소의 물성을 고려해야 한다. 메탄과 비교했을 때 수소는 가연범위가 넓어 공기 중 수소가 4%가량 있으면 불이 붙을 수 있으며 연소속도가 매우 빠르고 화염온도가 높은 특성을 가지고 있다.
발열량의 경우 질량당 발열량은 메탄보다 약 2.5배 높지만 체적(부피)당 발열량은 1/3 수준으로 매우 낮아 가스기기 호환성에 영향을 미칠 수 있다.
일반적으로 가스기기 호환성은 웨버지수로 판단하는데 천연가스와 수소의 웨버지수를 비교하면 약 10% 차이로 두 연료는 상호호환이 가능한 것으로 나타난다. 그러나 수소의 매우 빠른 연소속도로 인해 기존 보일러 연소기를 사용하는 경우 화염이 역행하는 역화가 발생한다.
역화로 인해 화염이 연료관 내부로 유입되면 폭발사고로 이어질 수 있으며 이에 따라 웨버지수로만 연료간 호환성을 평가할 것이 아닌 수소 특성을 반영한 연소기를 개발하는 것이 중요하다.
현재 연구진은 수소연소기 개발을 진행하고 있으며 이와 함께 열교환기 및 수소화염감지 센서 등 보일러 핵심부품을 수소특성에 맞춰 개발하고 있다.
우리나라의 대기오염물질 배출기준은 미세먼지에 대한 경각심으로 인해 세계적으로 높은 수준을 유지하고 있다. 수소의 경우 연소온도가 높아 질소산화물(NOx) 배출량을 증가시킬 수 있기 때문에 이를 저감하기 위한 기술이 고도화돼야 한다.
인하대의 목표는 현행 가스보일러 규제치인 열효율 92% 이상의 에너지효율 1등급 및 NOx배출량 20ppm 이하를 달성하고자 한다. 또한 향후 발생할 수 있는 규제강화에 능동적으로 대응해 나갈 방침이다.
수소취성에 대한 내구성 연구도 반드시 수반돼야 한다. 수소원자의 크기는 일반적인 금속격자의 크기보다 작아 원자상태로 금속격자 내부로 침투하기 쉽다. 이러한 수소침투로 인해 금속격자구조가 파괴돼 내구성이 감소하는 것이 수소취성이다.
현재 실제 연소실험데이터 분석을 통해 수소의 취성특성을 연구중이다. 수소보일러의 경우 기존 도시가스라인으로 공급될 것으로 예상된다. 도시가스라인의 경우 공급압력이 낮아 고압라인을 사용하는 차량용 수소충전소보다 수소취성에 의한 균열 및 파괴가 적을 것으로 보인다.
수소를 연소할 경우 기존 가스연소와 달리 불꽃이 육안으로 보이지 않는 불휘염 특성 등 보일러 안전장치인 화염감지센서를 수소에 특화된 제품으로 적용해야 한다. 그러나 기존 센서와 달리 가격이 비싸 이에 대한 개발도 함께 이뤄져야 할 전망이다.
■ 글로벌 수소보일러 개발 현황은
세계적으로 수소보일러에 대한 연구가 진행되고 있으며 유럽의 경우 가정용, 일본의 경우 산업용 위주로 개발이 이뤄지고 있다. 영국 정부는 2025년부터 2030년까지 수소혼소보일러를 사용하고 2030년부터 2035년까지 수소전소보일러로 전환해 나갈 계획이다.
이에 따라 Worcester Bosch와 ThermeaGroup은 수소전소보일러를 개발했으며 2020년부터 영국의 Spadeadam 지역에 무인실증단지를 구축해 수소 모델하우스 내에서 테스트를 진행하고 있다. 일본의 경우 도요타에서는 주가이공업과 함께 새로운 타입의 수소버너를 개발해 산업용 보일러에 적용하고 있다.
인하대는 보일러 선진사들의 개발현황을 분석해 역화방지, 가스누설, 호환성, 안전시스템 등을 고려해 개발을 진행하고 있다.
■ 수소보일러 보급확산 과제는
현재 수소보일러가 양산되고 있지 않아 수소가스기기에 대한 규제가 확립되지 않은 상황이므로 수소보일러를 보급하기 위해서는 관련제도 정비가 필요하다. 수소는 가장 주목받고 있는 친환경 에너지원이지만 인프라 구축이 제대로 이뤄지지 않아 수소보일러를 보급한다고 할지라도 사용은 미지수다.
또한 현재 수소생산량으로는 난방에 필요한 에너지를 공급하기에는 턱없이 부족하다. 효율적인 수소사용을 위해서는 단계적 접근이 필요하다. 원유 정제 시 발생하는 부생수소에 대부분을 의존하고 있는 우리나라는 수소연료를 완전한 탈탄소 연료로 보기 어렵다.
우선적으로 수소공급량을 확보해야 효율적인 수소사용에 대한 논의가 가능하다고 본다. 특히 그린수소를 사용하는 시점이야 말로 궁극적인 탄소중립 시점이라고 할 수 있다. 향후 수소인프라는 점차 개선될 전망이며 수소생산량을 고려해 수소와 천연가스를 혼합사용하는 방식을 우선 적용하는 것이 필요하다.
약 20% 수소혼소의 경우 기존 보일러에서도 구동할 수 있다는 연구가 있으며 수소경제로 일순간 전환보다는 수소생산량을 고려해 혼소라는 가교를 거치는 것이 효율적이다.
우리나라는 연료전지 외에 수소를 활용하는 분야에 대한 연구, 보급이 미진한 실정이다. 수소를 사용하는 방법은 연료전지만 있는 것이 아니며 난방, 발전, 산업 등 전 분야에서 수소를 활용하는 기술에 대한 정부와 업계의 관심과 지원이 필요하다.
■ 탄소중립을 위한 수소보일러의 역할은
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