신연소 발전·수소에너지 등 청정·고효율 기술개발에 주력

고순도 수소생산유니트 국산화···수전해기술 특허출원 1위

[한국에너지기술연구원 대전 본원 전경]

[가스신문 = 양인범 기자] 대전시 대덕연구단지 내에 위치한 한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 1977년 9월에 설립된 국가연구기관으로, 에너지기술 분야의 연구개발 및 성과확산 등을 통해 국가 성장동력 창출과 국민경제 발전에 기여함을 목적으로 한다.

1991년 한국에너지기술연구소가 출범된 뒤, 2000년 12월 현재 이름으로 변경했다.

연구원의 4대 어젠다는 △에너지전환 3030/5060 실현 △수소경제사회 선도 △고효율 저탄소 사회 구축 △온실가스 감축과 맑은 공기를 내세우고 있다. 특히 추출 수소생산 유니트 지상 보급 모델 개발(단기) 및 수전해 수소생산 경제성 확보를 위한 핵심 기술 확보와 도시 및 주거 커뮤니티로 수소에너지 확산을 위한 생산·저장·이용 기술의 융합과 경제성, 효율성, 안전성, 수용성 확보에 중점을 둔다.

연구원은 재생에너지연구소, 제주글로벌센터, 수소에너지연구본부, 에너지효율연구본부, 기후변화연구본부, 에너지기술정책 등의 부서로 나뉜다.

수소에너지연구본부는 수소 생산, 저장, 이송, 활용에 대한 연구를 수행하고 있다. 화석연료, 물로부터 경제적·친환경적으로 수소를 생산, 저장, 이송하는 기술과 연료전지 기술을 개발하는데 주력하고 있다.

에너지효율연구본부는 온실가스 배출 저감 및 기후변화 대응을 위해 에너지 생산에서 소비까지 전주기에 걸쳐 에너지 효율 향상을 목표로, 고효율 에너지시스템에 관한 연구를 수행하고 있다. 중점 연구 분야는 에너지 AI 및 ICT 기술, 에너지 절약 및 수요관리 기술, 에너지 효율적 변환 및 발전기술, 에너지저장시스템 및 운영기술, 저공해 고효율 연소 기술, 분산에너지 발전 및 네트워크 기술이다.

효율연구본부 내의 신연소발전연구실은 초임계 순산소 연소기술, 급속전열에 적합한 초과엔탈피 연소기술 등을 연구한다. 적용 분야는 발전용·스크러버용·저NOx연소기, 무촉매 개질기, 고부가가치 가스전환 반응기, 열처리로, 플라즈마 유리 용해로 등이 있다. 주요 실적으로는 CO₂ 포집형 축열식 순산소 응용기술, 전기로 대체 가능한 가스열원 열처리로·버너시스템 개발 등이 있다.

[순산소 연소실험 기기]

기후변화연구본부는 온실가스 저감, 포집 및 이용기술 개발을 통해 미세먼지 저감기술 개발을 통해 청정 대기질을 확보하고자 하며 화석연료, 바이오매스, 폐자원의 청정에너지화 및 고부가가치화 기술 개발을 하고 있다.

주요 연구 분야는 온실가스 포집·전환 및 이용기술, 석탄 청정기술, 가스화기술, 석유 및 가스 고부가가치화기술, 폐자원으로부터 대체연료 생산·에너지 회수 기술 등이며, 외국 유관기관과도 협력하고 있다.

에너지기술연구원은 최근 수소·연료전지 분야에서 괄목할 만한 성과를 거두고 있다. 2020년에는 차세대 건물용 고온 고분자연료전지 스택 및 시스템기술을 개발했고, 이 5kW급 시스템은 국내 기업에 이전되어 사업화 진행 중에 있다.

그해에는 또 시장보급형 고순도 수소생산유닛을 100% 국산화하는데 성공했는데, 수소충전소 및 분산형 수소생산 기지 보급용 용량인 643kg/day급 고순도 수소생산 유닛은 생산효율 82%, 수소순도 99.999%(CO <0.1 ppm)으로 세계 최고 성능이다. 이 기술은 2020년 원일티엔아이에 기술이전되어 평택 수소생산기지 1기, 안산 수소생산기지 3기 및 우석대 수소생산기지 2기를 납품했다.

2021년에는 국내 최초 고순도 수소 생산량 20N㎥/h급 고효율 암모니아 분해 촉매반응기 개발에 성공했다. 귀금속 촉매 사용량을 1/10로 줄였으며 반응기, 열교환기, 운전조건 등의 최적화를 통해 90% 이상의 암모니아 분해 효율을 달성했다. 이를 통해 향후 해외에서 암모니아 형태로 청정수소 도입 시, 개발 기술을 통해 그린수소를 대량으로 생산할 수 있으며 충전소, 연료전지발전, 선박용 청정연료 등 수소경제 전반에 공급 기술로 활용할 수 있다.

또한, 최근 20년간 국내 수전해 기술 특허출원에서 에너지기술연구원은 89건으로 76건을 기록한 삼성을 제치고, 1위를 기록했다.

연구원은 이러한 기술들을 개발해 기업 또는 개인에게 기술이전을 하고 있다. 기술이전 계약 후에도 사후관리와 사업화 지원도 연계해 돕고 있다. 더불어, 연구원 연구개발 인프라를 활용해 에너지·환경분야 기술개발을 진행할 중소기업을 선정해 연구원·기업 간 협력도 실시한다.

에너지기술연구원 관계자는 “연구원은 국내 에너지산업 전 분야에 대한 연구를 수행하지만, 청정연소 기술과 수소 생산·활용 기술 개발에도 집중하고 있다”며 “향후 더 많은 기업체와 기술협업을 이뤄낼 것”이라고 말했다.

[인터뷰] 에너지효율연구본부 신연소발전연구실 이민정 박사

“암모니아 전소 기술로 미래 선도할 것”

2016년부터 연구원 근무···산업용연소기 연구 전념

저녹스·순산소 연소 등 암모니아 전소기술 개발

“암모니아는 무탄소 연료로, 향후 다양한 에너지 분야에서 쓰일 것입니다. 연소기술 개발은 필수입니다.”

한국에너지기술연구원에서 2016년부터 근무하고 있는 이민정 박사는 산업용 연소기분야 기술 개발에 전념하고 있다. 그에게 현재까지의 이력과 연구 성과, 계획 등에 대해 들어봤다.

“에기연에 입사 후, 초과엔탈피 기술을 적용한 다공체 버너 개발에 참여했으며, 초임계 순산소 가스터빈 기술 개발도 하고 있습니다. 지난해부터 암모니아 가스터빈 연소기술 개발을 수행 중이며, 올해부터 연구원 기본사업(임무형)예산을 지원받아 본격적인 기술 개발에 착수했습니다.”

이민정 박사는 연소기분야를 전문적으로 연구하며, 다양한 성과를 이뤄냈다.

“에너지 고효율화를 위해 철강분야 연속 소둔로에 다공체 연소기술을 적용해 대면적 균일 복사버너를 개발했고, 기존 대류식 버너 대비 20% 이상 에너지 절감을 이뤘습니다. 초임계 순산소 연소는 고효율 가스터빈 발전으로 LNG와 순산소를 이용해 연소 후 발생하는 CO₂를 작동 유체로 터빈을 가동합니다. 또 최근 정부 지원 사업으로 암모니아 기반 수소 생산기술 개발을 수주했는데, 저희팀은 암모니아·수소 혼소 연소기를 개발합니다. 암모니아만을 이용해 메인 화염을 형성하고, 잔류 수소의 재순환을 통해 분해에 필요한 열을 공급합니다.”

이 박사 연구팀이 개발하는 100% 암모니아 연소기술 개발은 국내에서는 최초다. 그는 이 개발의 중요성을 설명했다.

“일본은 2014년부터 혼소 및 전소기술 개발을 수행했으며, 다양한 연소 시스템에 적용하고 있습니다. 한국도 암모니아 혼소 관련 연구는 학교와 타 연구원에서 진행하지만, 암모니아 전소는 저희가 처음 시도합니다. 이를 통해 기술 격차를 해소하고, 한국이 선도할 수 있도록 노력하고 있습니다.”

암모니아는 연소속도가 LNG에 비해 1/5 수준으로 낮기에, 화염이 쉽게 꺼질 수 있다. 이민정 박사는 높은 TDR을 갖는 화염 안정성 확보 기술의 의미를 강조했다.

“암모니아 전소 기술에서는 높은 TDR을 갖는 연료 노즐 설계와 다단 연소기술을 통해 화염 안정성 확보와 연소시 생성된 NOx를 저감시킬 수 있습니다. 또한, 암모니아-수소 혼소기술의 경우 LNG에 비해 연소 속도가 5배 높은 수소는 화염 안정화에 유리하므로 암모니아 수소 비율을 제어해야 합니다.”

이 박사는 국내 암모니아 연소기술이 2025년 전후로는 어느 정도 완료될 것으로 보고 있다.

“2025년 전후 수송 분야 대형 선박추진 기술, 발전 분야 석탄-암모니아 연소 기술 개발이 상용화에 근접하게 완료될 것으로 보입니다. 이후에는 혼소 비율 상승 또는 전소 기술 개발을 진행해, 2030년 국가온실가스 감축목표(NDC)달성을 위해 암모니아 연소 기술 개발이 확대될 것으로 전망됩니다.”

그는 암모니아가 단점도 큰 연료라는 점을 밝히며, 제도적인 지원책도 필요하다고 강조했다.

“암모니아를 연료로 쓰면 가격, 취급, 저장, 사용 측면에서 사회·경제적 비용이 필요하고, 암모니아 발전의 경우 CHPS 제도와 연계한 인센티브 제도가 필요하며, 산업단지 중심의 공급 및 저장 인프라, 환경 부담금 완화 연계 지원이 필요합니다.”

이민정 박사는 국내 가스업계가 암모니아 연소기술 개발에 좀더 관심을 가져주기를 희망했다.

“암모니아 연소기술의 적용 방법과 한계 등에 대해 다양한 의견이 필요합니다. 또 기존 연료 패러다임이 탄소 중심에서 무탄소로 전환됨을 인식하고, 신재생에너지 기반 전기화에 대응하기 위해 가스업계와 많은 교류와 협력을 해야 합니다.”

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