[ENTECH 후기] SMR과 함께 수소시장을 선도하는 두산에너빌리티

SMR과 함께 수소시장을 선도하는 두산에너빌리티

대학생신재생에너지기자단 21기 한세민

 

부산의 BEXCO에서 9월 4일부터 6일까지 3일간 2024기후산업국제박람회가 개최되었다. 이곳에서 두산에너빌리티는 전시관을 통해 원자력∙SMR, 수소∙항공터빈, 암모니아∙수소에너지, 해상풍력을 아우르는 무탄소 토탈 에너지 기술 제조 사업에 대해 소개하는 자리를 가졌다.

[자료1. 두산에너빌리티 전시관]

출처: ©21기 한세민

차세대 원전 SMR

최근 소형 모듈 원전(SMR)에 대해 기술 개발과 탄소 감축 대안으로 세계적인 관심이 높아지고 있다. SMR은 기존 대용량 발전 원자로에 대비되는 개념으로 300MWe 이하의 전기 출력을 가진 소형 원자로를 의미한다. 기존 원전보다 강화된 안전성, 입지와 출력에서의 유연성을 모두 갖춰 각광 받고 있다.

[자료2. 두산에너빌리티의 SMR 모형]

출처: ©21기 한세민

다음은 두산에너빌리티의 77MW급 모형이다. 핵연료다발이 중성자를 만나 열을 발생시키게 되면 주위를 둘러싼 튜브의 물이 들어가고, 열교환 매체인 물의 가열로 발생하는 수증기를 이용해 터빈을 돌리게 되는 방식이다. 펌프를 통해 물이 순환하고, 열을 발생시키고 전기로 변환하는 과정의 특성상 냉각 시스템이 함께 돌아갈 수 있도록 한 구조이다.

SMR이 대형 원자로에 비해 안전성을 더욱 확보할 수 있는 이유는 먼저 지하에 묻어 두고 사용 할 수 있고, 물이 항상 들어 있기 때문에 사고가 발생하더라도 방사성 물질을 포함한 핵연료가 빠져나가는 것을 막을 수 있다는 점이다.

또한 핵연료 교체가 필요할 때, 대형 원전의 경우 전체 가동을 중지해야 하지만, SMR은 하나씩 교체가 가능하다. 덕분에 전기 공급이 끊기지 않은 채로 계속 가동할 수 있어 유리하며, 모듈을 여러 개 둘 수 있다는 장점이 있다. 77MW급인 모듈을 4개를 두면 약 300MW의 총 발전 용량을 가질 수 있게 되는 것이다.

 

[자료3. VOYGR-12]

출처: ©21기 한세민

 

[자료4. VOYGR 모형]

출처: ©21기 한세민

두산에너빌리티는 미국 SMR사인 뉴스케일 파워 전력(NUScale Power Corporation)과 전략적 협력관계를 구축하였으며, 뉴스케일과 함께 미국 및 전세계 시장에서 SMR 주요 기자재를 공급할 예정에 있다. 2020년 8월에 미국 원자력규제위원회(NRC)의 설계인증 심사를 최종 완료하였으며, 소형모듈원전 모델 중 최초로 미국 NRC 설계인증 심사를 모두 통과한 유일한 사례이다.

또한 체코 원전 수주의 우선협상대상자로 두산에너빌리티가 컨소시엄을 이루고 있고, 한국수력원자원을 중심으로 하는 ‘팀 코리아(Team KOREA)’가 선정되는 쾌거를 이루는 등 기술력을 인정받고 있다. 두산에너빌리티는 계속해서 원자력 주기기 제작 역량을 바탕으로 전세계 SMR 개발사의 파트너가 되어 SMR 주기기를 최고의 품질로 제작해 나갈 것을 기대해 볼 수 있다.

 

암모니아 수소에너지 사업

두산에너빌리티는 에너지 솔루션 신사업으로 주목받고 있는 수소에너지 사업에 진출하여 생산부터 저장 및 운송, 활용에 이르기까지 수소 밸류체인 전반에 참여하고 있다.

2020년 11월 국내 최초 수소액화플랜트 건설 계약을 체결했으며, 2024년 1월 창원공장에서 준공식을 열었다. 하루 5톤, 연간 최대 1,825톤의 액화수소를 생산하여 창원 시내의 수소충전소로 공급되고, 다양한 수소모빌리티에 사용된다. 수소액화플랜트를 간단히 소개하면, LNG를 이용해 수소를 생산하는 SMR(수증기 메탄 개질법), 생산된 수소를 정제하는 PSA(압력흡착방식 고순도 수소 정제설비), 정제된 수소를 냉각하여 액화하는 80K, 20K Cold Box와 액화된 수소를 저장하는 LH2 Storage Tank, 저장된 액화 수소를 출하하는 Loading Bay로 구성되어 있다.

 

[자료4. 암모니아 크래킹 활용 복합발전 수소 공급 솔루션]

출처: ©21기 한세민

두산에너빌리티는 특히 암모니아를 분해한 청정수소 대량 생산에 강점을 가지고 있으며, 이는 수소터빈 등 발전사업에 활용될 예정이다. 수소 복합발전에 필요한 수소 공급은 암모니아 밸류 체인을 활용하여 인프라 투자가 적고, 대량 생산이 가능한 암모니아 크래킹 기술을 통한 수소 추출 방식을 현실적인 대안으로 보고 있다. 청정 수소를 생산하고, 합성한 암모니아를 해상 운송하여 저장, 암모니아 크래킹 단계를 거쳐 수소복합발전에 활용하는 흐름이다. 복합 발전용 수소 공급을 위한 암모니아 크래킹 플랜트 적용의 핵심은 화학 플랜트와 복합발전 플랜트 사이의 연계 및 제어 기술이며, 이에 대한 솔루션은 필수적이다. 이에 두산에너빌리티는 복합발전 주기기 OEM 기술 역량을 기반으로 하여 수소 복합발전과 암모니아크래킹을 통합한 연계 기술을 적용하여 플랜트 효율을 극대화할 수 있는 솔루션을 개발한다.

 

<INTEGRATED 암모니아 크래킹 수소 복합발전>

- Option 1. 75% 수소 + 25% 질소 공급

암모니아 크래킹 후 ‘Integrated Master Control’로 75%수소와 25%질소가 수소 복합 발전에 사용된다. Cracked Gas를 수소터빈 전용으로 사용하여 수소 생산 단가 절감 및 복합발전 효율 증대가 가능하다. 복합발전 DSS(일간 기동 정지) 운전 대응을 위하여 발전소 정지 시 암모니아 크래킹 Stand-by 운전이 필요하며, 최적의 LCOE를 갖는다.

- Option 2. 75% 수소 + 25% 질소 + PSA(압력흡착방식 고순도 수소 정제설비)의 99% 수소 공급

타 수소 수요처가 있는 경우, 수소터빈용 외에 일부 Cracked Gas를 고순도 수소로 생산을 포함하는 방식이다. 복합발전 정지 시에도 암모니아 크래킹 저부하 연속 운전이 가능하고, 비교적 낮은 LCOE를 갖는다.

- Option 3. 99% 수소 공급

고순도 수소로 전량 생산하여 기존 고순도 수소공급망에 공급 가능한 옵션이다. 마찬가지로 복합발전 정지 시에도 암모니아 크래킹 저부하 연속 운전이 가능한 반면, 높은 LCOE를 갖는다.

 

두산에너빌리티는 암모니아 크래킹 기술 개발 이외에도 고효율 H급 수소 터빈 개발, 그리고 풍력 연계형 그린수소 생산 플랜트 준공, 바이오가스 개질 수소 생산, 원자력 수소 생산 기반 연구 등 다양한 수소 관련 핵심기술을 개발해 나가고 있어 수소 시장의 키플레이어로 자리매김 할 것이다. 

 

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참고문헌

1) 두산에너빌리티, "소형모듈원전(SMR)", https://www.doosanenerbility.com/kr/business/smr_smart

2) 두산에너빌리티, "수소에너지", https://www.doosanenerbility.com/kr/business/hydrogen_energy

3) 두산에너빌리티, "두산에너빌리티, 제주 바람으로 청정수소 생산 본격화", 뉴스와이어, 2023.10.23, https://www.newswire.co.kr/newsRead.php?no=976915