저NOx 가스터빈 연소 기술의 전략적 분석: 제작사별 비교 평가
I. 요약
본 보고서는 가스터빈의 질소산화물(NOx) 저감 기술, 특히 저NOx(Low NOx) 연소기에 대한 심층적인 기술 및 시장 분석을 제공한다. 전 세계적으로 강화되는 환경 규제와 에너지 전환의 가속화에 따라, 가스터빈의 NOx 배출량은 발전 자산의 경제성과 사회적 수용성을 결정하는 핵심 요소가 되었다. GE Vernova, Siemens Energy, Mitsubishi Power, Ansaldo Energia 등 주요 가스터빈 제작사들은 모두 천연가스 연소 시 한 자릿수 ppm 수준의 NOx 배출을 달성하는 데 성공했지만, 이를 구현하는 기술적 철학과 접근 방식에는 상당한 차이가 존재한다. 이러한 차이는 운전 유연성, 연료 다변화 대응 능력, 그리고 수소와 같은 미래 무탄소 연료에 대한 준비 상태 등에서 중요한 성능 격차로 이어진다. 보고서의 핵심 분석 결과는 다음과 같다. 시장을 주도하는 GE, Siemens, Mitsubishi는 ‘희박 예혼합(Lean-Premixed)’이라는 검증된 기술을 점진적으로 개선하는 진화적 경로를 택했다. 이들의 기술(GE의 DLN, Siemens의 DLE 등)은 높은 신뢰성과 광범위한 운용 실적을 자랑하지만, 재생에너지 비중이 높은 전력망에서 요구되는 깊은 수준의 부하 추종 운전(turndown)과 유연성을 확보하기 위해 축류 연료 분사(Axial Fuel Staging)와 같은 복잡한 추가 기술을 필요로 한다. 반면, Ansaldo Energia는 ‘순차 연소(Sequential Combustion)’라는 근본적으로 다른 혁신적 설계를 통해 시장에 접근한다. 이 기술은 구조적으로 두 개의 연소 단계를 가지므로, 별도의 추가 장치 없이도 탁월한 최저 부하 운전 능력과 연료 유연성을 본질적으로 제공한다. 특히 수소 혼소 시, 연료의 높은 반응성을 제어하는 데 매우 유리한 구조를 가지고 있다. 결론적으로, 저NOx 연소기 기술의 선택은 더 이상 단순한 배출 규제 준수 문제를 넘어, 해당 가스터빈 자산이 급변하는 에너지 시장에서 어떤 역할을 수행할 것인지에 대한 복잡한 전략적 결정이 되었다. 기저부하 운전의 효율성과 검증된 생태계를 중시한다면 GE나 Mitsubishi의 성숙한 플랫폼이 유리할 수 있다. 반면, 재생에너지의 변동성을 보완하는 유연한 운전과 수소 경제로의 선제적 전환을 최우선 과제로 삼는다면 Ansaldo의 순차 연소 기술이 강력한 대안을 제시한다. 본 보고서는 이러한 기술적 차이와 전략적 함의를 상세히 분석하여, 발전 사업자, 엔지니어, 그리고 전략 기획 담당자들이 정보에 기반한 최적의 의사결정을 내릴 수 있도록 지원하는 것을 목표로 한다.
II. NOx 저감의 당위성: 생성 원리 및 저감 경로
2.1. 가스터빈 연소기 내 NOx 생성 화학
가스터빈 연소 과정에서 생성되는 질소산화물(NOx)은 주로 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 지칭하며, 대기오염, 산성비, 광화학 스모그의 주요 원인 물질로 지목된다.1 NOx는 생성 과정과 반응물에 따라 크게 세 가지 경로로 분류되며, 각 경로의 특성을 이해하는 것은 효과적인 저감 기술을 설계하는 데 있어 필수적이다.
2.1.1. 열적 NOx (Thermal NOx)
열적 NOx는 가스터빈에서 발생하는 NOx의 가장 지배적인 형태로, 연소용 공기 중에 포함된 질소(N2)가 고온 환경에서 산소(O2)와 반응하여 생성된다.3 이 반응은 ‘젤도비치 메커니즘(Zeldovich Mechanism)’으로 알려져 있으며, 다음과 같은 연쇄 반응으로 설명된다.2 O+N2↔NO+N N+O2↔NO+O N+OH↔NO+H 열적 NOx 생성률은 온도에 지수적으로 비례하기 때문에, 화염 온도가 가장 중요한 제어 변수이다.4 일반적으로 연소 온도가 약 1600-1700K (1300-1400°C)를 초과하면 열적 NOx 생성이 급격히 증가한다.7 또한, 고온에 노출되는 시간(체류 시간, residence time)과 연소기 내 압력도 생성량에 영향을 미치는 중요한 2차 요인이다.2 따라서 모든 저NOx 연소 기술의 기본 원리는 최고 화염 온도를 낮추는 데 집중된다.
2.1.2. 신속 NOx (Prompt NOx)
신속 NOx는 1971년 Fenimore에 의해 처음 발견되었으며, 화염대(flame front)의 초기 단계, 특히 연료가 풍부한(fuel-rich) 영역에서 탄화수소 라디칼(CH, CH2 등)이 공기 중의 질소와 반응하여 생성된다.2 주요 반응 경로는 다음과 같다.5 N2+CH→HCN+N CN+O2→NO+CO 신속 NOx는 열적 NOx만큼 온도에 민감하지 않다. 이 때문에 희박 연소 등을 통해 열적 NOx 생성을 성공적으로 억제한 최신 저NOx 연소기에서는 신속 NOx의 상대적 기여도가 중요해진다.2 하지만 절대적인 생성량은 열적 NOx에 비해 적어, 통상적으로는 열적 NOx 제어에 우선순위를 둔다.
2.1.3. 연료 NOx (Fuel NOx)
연료 NOx는 연료 자체에 화학적으로 결합된 질소 화합물(예: 암모니아(NH3), 아민류)이 연소 과정에서 산화되어 생성된다.2 파이프라인으로 공급되는 고품질 천연가스의 경우 질소 함량이 거의 없어 연료 NOx는 무시할 수 있는 수준이다.2 그러나 석탄가스화 복합발전(IGCC)에서 사용되는 합성가스(syngas), 바이오가스, 그리고 미래 연료로 주목받는 암모니아 등은 상당량의 질소를 포함하고 있어 연료 NOx가 매우 중요한 문제로 대두된다.9
2.2. NOx 저감의 기본 전략: 희석부터 첨단 연소기까지
NOx 저감 기술은 크게 연소 전, 연소 중, 연소 후 처리 방식으로 나뉜다.5 연소 전 처리(Pre-Combustion Control): 연료에서 질소 화합물을 사전에 제거하는 방식으로, 주로 연료 NOx가 문제 되는 경우에 적용된다.9 연소 중 제어(In-Situ Control): 연소 과정 자체를 제어하여 NOx 생성을 원천적으로 억제하는 기술이다. 습식법(Wet Methods): 연소 영역에 물이나 증기를 분사하여 화염 온도를 직접 낮추는 전통적인 방식이다.5 NOx 저감 효과는 확실하지만, 다량의 순수(demineralized water)가 필요하고 가스터빈의 열효율을 저하시키는 단점이 있다.14 건식법(Dry Methods): 물이나 증기 없이 연소기 구조 설계와 연소 방식 제어를 통해 NOx를 저감하는 기술이다. 본 보고서의 핵심 주제인 희박 예혼합 연소(Lean-Premixed Combustion)와 단계적 연소(Staged Combustion)가 여기에 해당한다.5 연소 후 처리(Post-Combustion Control): 배기가스에 포함된 NOx를 화학적으로 제거하는 기술이다. 선택적 촉매 환원법(SCR, Selective Catalytic Reduction): 배기가스에 암모니아(NH3)와 같은 환원제를 분사한 후, 촉매층을 통과시켜 NOx를 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 환원시키는 방법이다.1 90% 이상의 높은 제거 효율을 보이지만, 촉매 관리, 암모니아 저장 및 공급 설비 등 추가적인 설비 투자와 운영 비용이 발생한다.15 현대의 고효율 가스터빈은 주로 건식 저NOx 연소기(DLN/DLE)를 기본으로 장착하고, 필요에 따라 SCR을 추가하여 매우 엄격한 배출 기준을 만족시키는 하이브리드 전략을 채택한다.14 이러한 기술적 배경 속에서 모든 저NOx 연소기 설계는 근본적인 공학적 트릴레마(trilemma)에 직면한다. 열적 NOx를 줄이기 위해 화염 온도를 낮추면, 연소가 불완전해져 일산화탄소(CO)와 미연탄화수소(UHC) 배출이 증가하는 경향이 있다.17 동시에, 연소 한계에 가깝게 운전되므로 연소 불안정(combustion dynamics)이나 희박 불꽃 꺼짐(Lean Blowout, LBO)과 같은 운전 안정성 문제가 발생할 위험이 커진다.19 따라서 현대의 저NOx 연소기는 단순히 ‘NOx를 줄이는 장치’가 아니라, ‘NOx-CO-안정성’이라는 세 가지 상충하는 요소를 터빈의 전체 운전 영역에 걸쳐 정밀하게 관리하는 복잡한 시스템으로 이해해야 한다. 이 트릴레마를 어떻게 해결하는지가 각 제작사 기술의 핵심적인 차이를 만들어낸다.
III. 저NOx 연소의 핵심 철학
가스터빈 저NOx 기술은 크게 두 가지 핵심적인 설계 철학으로 양분된다. 하나는 시장의 주류를 형성하고 있는 ‘희박 예혼합’ 방식이며, 다른 하나는 특정 제작사가 채택하여 차별화된 성능을 구현하는 ‘순차 연소’ 방식이다.
3.1. 희박 예혼합 패러다임 (DLN/DLE): 원리와 내재적 과제
희박 예혼합 연소는 현재 대부분의 가스터빈 제작사가 채택하는 건식 저NOx 기술의 표준이다. GE Vernova는 이를 DLN(Dry Low NOx) 21, Siemens Energy는 DLE(Dry Low Emission) 22라고 부르지만, 기본 원리는 동일하다. 작동 원리: 이 기술의 핵심은 연료와 공기를 연소실에 직접 분사하여 태우는 확산 화염(diffusion flame) 방식과 달리, 연료와 과량의 공기를 연소 영역에 진입하기 전에 미리 균일하게 혼합하는 것이다.14 이렇게 생성된 ‘희박하고(lean) 균일한(homogeneous)’ 혼합기는 확산 화염에서 발생하는 국부적인 고온 영역(hot spot) 없이, 전체적으로 훨씬 낮고 균일한 온도로 연소된다.14 이 낮은 연소 온도는 열적 NOx 생성을 원천적으로 억제하는 가장 효과적인 방법이다.6 운전성을 위한 연료 단 분할(Fuel Staging): 희박 예혼합 방식은 본질적으로 연소 안정성이 취약하다. 특히 터빈 부하가 낮은 경우, 연료-공기 혼합비가 너무 희박해져 안정적인 화염 유지가 불가능하다. 이를 해결하기 위해 DLN/DLE 연소기는 복잡한 연료 단 분할 전략을 사용한다. 시동 및 저부하 구간에서는 안정성이 높은 확산 화염 또는 부분 예혼합 화염(pilot flame)을 사용하고, 부하가 일정 수준(통상 50% 이상)으로 올라가면 주연료를 예혼합 회로로 전환하여 완전한 희박 예혼합 모드로 운전한다.2 이 운전 모드 간의 전환 과정과 각 모드에서의 안정성 확보는 정교한 제어 시스템을 요구한다. 내재적 과제: 연소 불안정(Combustion Dynamics): 희박 예혼합 화염은 연소실 내의 음향학적 압력 파동과 화염의 열 방출률이 서로 결합하여 발생하는 자발적 진동(thermoacoustic instability)에 매우 민감하다. 이 진동은 ‘연소 소음(humming)’으로 감지되며, 심할 경우 연소기 부품에 심각한 피로 손상을 유발할 수 있어 주요 운전 제약 조건이 된다.24 역화(Flashback): 화염이 설계된 위치를 벗어나 상류의 예혼합기 내부로 전파되는 현상으로, 예혼합기 및 연료 노즐에 치명적인 손상을 초래할 수 있다. 특히 수소와 같이 화염 전파 속도가 매우 빠른 연료를 사용할 경우 역화 위험이 크게 증가한다.19 희박 불꽃 꺼짐(Lean Blowout, LBO): 연료-공기 혼합비가 연소 가능한 하한계보다 더 희박해져 화염이 완전히 소멸되는 현상이다. 이는 터빈의 비상 정지(trip)로 이어지며, 예혼합 모드의 운전 하한을 결정한다.19 최저 부하 운전(Turndown) 한계: 저부하에서 배출가스 규제를 만족하는 예혼합 모드를 유지할 수 없어 확산 화염 모드로 전환해야 하므로, 배출가스 규제 준수 운전이 가능한 부하 범위, 즉 ‘터빈다운’ 성능이 제한된다.14
3.2. 순차 연소 패러다임: 궁극의 유연성을 위한 설계
순차 연소는 희박 예혼합 방식과는 근본적으로 다른 접근법으로, 두 개의 연소 단계를 직렬로 배치하는 것이 특징이다.30 Ansaldo Energia가 이 기술의 대표적인 주자이다. 작동 원리: 1단 연소기: 첫 번째 단계는 일반적인 DLN 연소기와 유사한 희박 예혼합 연소기로, 특정 조건에서 연소하여 고온의 가스를 생성한다. 2단 연소기: 1단에서 연소하고 남은, 여전히 다량의 산소를 포함한 고온의 배기가스가 2단 연소실로 유입된다. 여기에 추가 연료를 분사하면, 별도의 점화 장치나 화염 안정기 없이도 고온 가스에 의해 자연적으로 발화(auto-ignition)한다. 이는 가스터빈 사이클에 재열(reheat) 개념을 적용한 것과 유사하다.30 핵심 장점: 향상된 최저 부하 운전 및 부분 부하 효율: 1단과 2단 사이의 연료 분배율을 조절함으로써, 터빈이 매우 낮은 부하에서도 각 연소 단계를 최적의 배출가스 준수 상태로 유지할 수 있다. 이는 단일 단계 DLN 시스템에서 나타나는 저부하 시 예혼합 모드의 ‘경직된’ 운전 중단을 피할 수 있게 해준다.31 내재된 수소 대응 능력: 이 설계는 수소 연소에 특히 적합하다. 수소의 높은 반응성은 1단 연소기의 연료량을 줄이고(화염 온도와 역화 위험 감소) 그만큼 2단 연소기로 연료를 이동시켜 제어할 수 있다. 2단 연소는 1단에서 유입되는 가스의 온도에 의해 제어되므로, 터빈 출력 감소(derating) 없이 연료의 변화에 유연하게 대응하는 내장 메커니즘을 제공한다.30 이 두 가지 상이한 기술 철학은 각 제작사의 시장 전략을 반영한다. GE, Siemens, Mitsubishi와 같은 거대 기업들은 널리 보급되어 검증된 희박 예혼합 아키텍처를 기반으로 점진적인 성능 개선을 추구하는 전략을 채택했다.34 이들의 혁신은 DLN 기술의 본질적인 단점(예: 낮은 터빈다운 성능)을 보완하는 데(예: GE의 AFS 기술) 초점이 맞춰져 있다.36 반면, 상대적으로 작은 시장 점유율을 가진 Ansaldo Energia는 순차 연소라는 혁신적인 설계를 핵심 차별화 요소로 내세운다.32 이 설계는 다른 제작사들이 복잡한 공학적 해결책으로 극복해야 하는 문제들을 구조적으로 해결한다. 이는 발전 사업자에게 명확한 전략적 선택지를 제공한다. GE/Siemens/Mitsubishi의 터빈을 선택하는 것은 광범위한 서비스 생태계와 운용 실적을 가진 기술에 투자하는 것을 의미하지만, 깊은 수준의 유연성을 위해서는 복잡한 부가 장치와 제어가 필요하다. Ansaldo의 터빈을 선택하는 것은 처음부터 유연성을 위해 설계된 기술을 채택하는 것이지만, 상대적으로 작은 설치 기반과 서비스 네트워크를 감수해야 한다. 최적의 선택은 결국 사업자의 전략적 우선순위(기저부하 운전 대 첨두부하 운전, 미래 연료 계획 등)에 따라 달라질 것이다.
IV. 기술 심층 분석: GE Vernova
GE Vernova(이하 GE)는 가스터빈 시장의 선두주자로서, 자사의 DLN(Dry Low NOx) 연소기 기술을 수십 년에 걸쳐 지속적으로 발전시켜 왔다. GE의 접근 방식은 검증된 기술 플랫폼을 기반으로 한 점진적이고 체계적인 혁신으로 요약될 수 있다.
4.1. DLN의 진화: DLN 1에서 DLN 2.6+ AFS까지
GE의 DLN 기술 개발 역사는 저NOx 연소 기술의 발전사와 궤를 같이한다. DLN 1: 1990년대 초 E-클래스 터빈에 처음 도입된 DLN 1은 다중 노즐을 이용한 희박 예혼합 개념을 상용화하여, 물이나 증기 분사 없이 한 자릿수 ppm의 NOx 배출을 가능하게 한 선구적인 기술이다.21 DLN 2.6: F-클래스 터빈의 더 높은 연소 온도에 대응하기 위해 개발된 시스템이다. 다수의 독립적인 연소기(can-annular) 배열 구조 내에서 안정적인 예혼합 운전을 보장하는 첨단 연료 노즐 설계를 특징으로 하며, 천연가스 사용 시 15 ppm 이하의 NOx 배출을 달성한다.38 DLN 2.6+: DLN 2.6 시스템을 더욱 개선하여 9FA 및 9FB 터빈의 운전성과 최저 부하 운전 성능을 약 30-40% 부하 수준까지 향상시켰다.39 DLN 2.6+ AFS (Axial Fuel Staging): 유연성 증대에 대한 시장의 요구에 부응하기 위한 GE의 최신 혁신 기술이다. 7F 터빈에 적용되는 이 기술은 연소기 하류에 2차 연료 분사기(AFS injector)를 추가한다. 매우 낮은 부하에서 연료의 일부를 이 AFS 분사기로 보내 연소시킴으로써, 터빈은 배출가스 규제를 준수하면서도 최저 부하를 약 26%까지 낮출 수 있다. 이는 7F 터빈 기준으로 약 100 MW의 운전 가능 범위를 추가로 확보하는 효과를 가져온다.36
4.2. F-클래스 및 H-클래스 터빈 적용
DLN 2.6 제품군은 GE의 주력 기종인 F-클래스(7F, 9F)와 세계 최고 효율을 자랑하는 H-클래스(7HA, 9HA) 터빈의 표준 연소 시스템이다.38 특히 H-클래스 터빈은 기록적인 효율을 달성하면서도 낮은 배출가스를 유지하도록 설계되었다.40
4.3. 성능 프로파일: 배출가스, 최저 부하 운전, 연료 유연성
배출가스: 최신 대형 터빈용 DLN 시스템은 천연가스 기준 15 ppm 이하의 NOx를 보증하며, 일부 구성에서는 5 ppm 미만의 초저NOx 배출도 가능하다.37 최저 부하 운전 (Turndown): 표준 DLN 2.6 시스템은 약 35-40%의 터빈다운 성능을 제공한다. AFS 업그레이드를 통해 이 성능은 약 26%까지 획기적으로 향상된다.36 연료 유연성: 표준 DLN 시스템은 일정 수준의 연료 성분 변화(워베지수 ±10-15%)를 허용하지만, 높은 비율의 수소나 비활성 가스를 포함하는 연료를 사용하기 위해서는 특별한 구성이 필요하다.38
4.4. 탈탄소 로드맵: 수소 역량 및 미래 전망
GE는 수소 및 저탄소 연료 연소 분야에서 광범위한 경험을 축적해왔다. 120기 이상의 터빈에서 850만 시간 이상의 수소 함유 연료 운전 경험을 보유하고 있다.42 현재 주력 H-클래스 터빈(7HA, 9HA)은 최대 50% (부피 기준)의 수소 혼소를 지원하는 옵션으로 제공된다.34 2030년까지 100% 수소 연소 기술을 확보한다는 명확한 로드맵을 발표했다.34 이를 위해서는 연소기 및 연료 시스템의 추가적인 개조가 필요하다.42 GE의 AFS 업그레이드는 재생에너지의 경제적 위협에 대한 직접적인 시장 대응으로 분석될 수 있다. 기존의 복합화력발전소는 낮은 터빈다운 성능(약 50% 부하) 때문에 전력 가격이 낮은 시간대(예: 풍력/태양광 발전량이 많은 시간)에 가동을 멈춰야 했고, 이는 상당한 비용과 설비 마모를 유발했다. AFS 업그레이드 36는 7F 터빈이 훨씬 낮은 출력(약 26%)으로도 온라인 상태를 유지하게 함으로써, 불필요한 기동-정지를 피하면서도 예비력(spinning reserve)과 같은 보조 서비스 시장에 참여하여 추가 수익을 창출할 수 있게 한다. 이는 저NOx 기술 개발이 더 이상 단순한 환경 규제 대응이 아니라, 변화하는 전력망 환경에서 발전 자산의 재무적 생존을 위한 핵심 도구로 진화했음을 보여준다. 이 기술은 기저부하 자산을 더 유연한 첨두부하 자산으로 변모시켜 그 역할과 경제적 가치를 근본적으로 바꾸고 있다.
V. 기술 심층 분석: Siemens Energy
Siemens Energy(이하 Siemens)는 자사의 저NOx 연소 기술을 DLE(Dry Low Emission)로 명명하며, 특히 광범위한 운전 조건과 다양한 연료에 대한 강건함(robustness)과 유연성(flexibility)을 핵심 가치로 내세운다.
5.1. DLE 철학: 강건함과 유연성에 대한 집중
Siemens의 DLE 시스템은 희박 예혼합 연소 원리를 기반으로 한다.22 이들의 설계 철학은 안정적인 와류(vortex)를 형성하여 화염을 안정화시키는 버너 디자인에 중점을 둔다. 이를 통해 높은 수준의 예혼합도를 달성하여 NOx를 저감하면서도, 복잡한 다단 버너 구조를 지양하여 시스템의 신뢰성을 높이는 것을 목표로 한다.43
5.2. SGT 포트폴리오 전반에 걸친 적용
DLE 기술은 중소형 산업용 터빈인 SGT-400, SGT-750, SGT-800부터 대용량 발전용 터빈인 HL-클래스에 이르기까지, Siemens의 전체 가스터빈(SGT) 포트폴리오의 근간을 이룬다.44 이는 다양한 출력 등급에 걸쳐 일관된 기술 플랫폼과 운전 경험을 제공한다는 장점이 있다.
5.3. 성능 프로파일: 넓은 운전 범위와 배출가스 보증
배출가스: Siemens는 다수의 DLE 터빈 모델에서 상당한 수준의 최저 부하 운전 중에도 한 자릿수 ppm의 NOx 배출을 보증한다.44 예를 들어, SGT-750 모델은 20%의 낮은 부하까지 9 ppm NOx를 보증하며 45, SGT-400 DLE 시스템은 30% 부하까지 15 ppm 이하를 달성한다.46 연료 유연성: 이는 Siemens의 핵심적인 기술 및 마케팅 포인트이다. DLE 버너는 높은 비활성 가스 함량, 중질 탄화수소, 그리고 상당한 비율의 수소를 포함하는 등 광범위한 조성의 연료를 처리할 수 있도록 설계되었다.43
5.4. 탈탄소 로드맵: H2-Ready 포트폴리오와 전략적 이니셔티브
Siemens는 자사 포트폴리오를 ‘H2-Ready’로 적극 브랜딩하며 미래 연료 시장을 선점하려 하고 있다.47 검증된 수소 혼소 능력은 모델별로 다양하다: SGT-400은 DLE 시스템으로 최대 30% H2 46, SGT-600은 최대 60% H2 47, SGT-800은 최대 75% H2 44, 그리고 HL-클래스는 최대 38% H2 혼소가 실증되었다.47 GE와 마찬가지로 2030년까지 100% 수소 연소 기술을 확보한다는 로드맵을 가지고 있으며, 스웨덴의 ‘무배출 수소 터빈 센터(ZEHTC)’와 같은 자체 R&D 시설을 통해 이를 뒷받침하고 있다.34 영국의 Keadby 2 발전소 프로젝트와 같이, 전력사들과 적극적으로 협력하여 자사의 최신 대용량 터빈에 적용될 100% 수소 연소 시스템을 개발하고 검증하고 있다.49 Siemens의 ‘H2-Ready’ 브랜딩은 강력한 마케팅 도구이지만, 고객 입장에서는 신중한 기술적 검토가 요구된다. ‘H2-Ready’라는 용어는 여러 의미를 가질 수 있다. 이는 현재 특정 비율(예: 30%)의 수소를 연소할 수 있음을 의미할 수도 있고, 미래에 하드웨어 개조를 통해 100% 수소 연소가 가능하도록 ‘개조 가능하게(retrofittable)’ 설계되었음을 의미할 수도 있다.49 이러한 미래의 개조에 수반되는 비용과 일정은 매우 중요한 고려사항이다.52 따라서 자산 소유주는 ‘H2-Ready’라는 라벨을 넘어, 구매 시점에서 보증되는 구체적인 수소 혼소 비율, 더 높은 비율로 가기 위한 미래 업그레이드의 상세 범위와 비용, 그리고 이것이 보증 및 서비스 계약에 미치는 영향을 면밀히 파악해야 한다. Siemens의 전략은 미래에 대비한 자산을 판매하는 것으로, 이는 매력적이지만 그 ‘미래’에 대한 약속은 정량화되어야 할 기술적, 재정적 리스크를 내포하고 있다.
VI. 기술 심층 분석: Mitsubishi Power
Mitsubishi Power(이하 Mitsubishi)는 높은 효율과 신뢰성을 자랑하는 G-클래스와 J-클래스 터빈을 중심으로 저NOx 기술을 발전시켜 왔다. 이들의 가장 큰 특징은 단순한 기술 사양을 넘어, 실제 운전 환경에서의 검증을 통해 기술의 신뢰성을 입증하는 데 있다.
6.1. G-클래스 및 J-클래스 터빈용 첨단 건식 저NOx 연소기
Mitsubishi의 연소기는 고효율 G-클래스 및 J-클래스 터빈을 위해 설계된 첨단 희박 예혼합 시스템이다.53 이들의 설계는 매우 높은 터빈 입구 온도(J-클래스의 경우 1600-1650°C)에서도 NOx 생성을 낮게 유지하기 위해, 연료와 공기의 균일한 혼합을 극대화하는 데 초점을 맞추고 있다.54 초기 G-클래스의 증기 냉각 방식에서 GAC 및 JAC 클래스의 공기 냉각 방식으로 진화하며 운전 유연성을 높였고, 공기 바이패스 메커니즘과 같은 기술을 통해 연소 영역의 연료-공기 비율을 정밀하게 제어한다.55
6.2. T-Point 2의 강점: 실계통 연계 실증의 역할
Mitsubishi의 가장 독보적이고 강력한 차별점은 T-Point 2 실증 설비이다. 이는 실제 전력망에 연결된 완전한 복합화력발전소로, 신규 터빈 설계가 상용화되기 전에 최소 8,000시간 동안 실제 운전 조건 하에서 검증되는 곳이다.57 이 장기 실증 과정은 고객에게 기술의 신뢰성, 성능, 운전성에 대한 비교할 수 없는 확신을 제공하며, 기술 도입에 따르는 리스크를 크게 줄여준다. Mitsubishi가 주장하는 99% 이상의 신뢰도는 이러한 철저한 검증 과정에 기반한다.53
6.3. 성능 프로파일: 신뢰성, 배출가스, 운전 유연성
배출가스: J-클래스 터빈은 25 ppm, G-클래스 터빈은 15 ppm의 NOx(모두 15% O2 기준)를 보증한다.55 이 수치는 일부 경쟁사의 한 자릿수 ppm 주장에 비해 다소 높아 보일 수 있으나, 이는 세계 최고 수준의 연소 온도와 효율에서 달성되는 값이다. 규제가 엄격한 시장에서는 이러한 터빈에 SCR을 추가 장착하여 최종 배출량을 극소화하는 것이 일반적이다.16 최저 부하 운전 (Turndown): GAC 및 JAC 모델의 표준 터빈다운 성능은 50% 부하로 명시되어 있다.57 그러나 Mitsubishi는 단순화력 운전을 위해 기동 시간, 부하 변동률, 터빈다운 성능을 개선하는 ‘Enhanced Response’ 기술과 같은 유연성 향상 업그레이드를 제공한다.57
6.4. 탈탄소 로드맵: 검증된 고농도 수소 혼소 리더십
Mitsubishi는 T-Point 2와 전략적 파트너십을 활용하여 고농도 수소 혼소 실증 분야에서 선두 주자로 자리매김했다. T-Point 2의 J-클래스 터빈에서 30% H2 혼소 시험을 성공적으로 완료했다.58 가장 주목할 만한 성과는 미국 Georgia Power와 협력하여 M501GAC 터빈에서 50% 수소 혼소를 검증한 것이다. 이는 첨단 가스터빈에서 이루어진 세계 최대 규모의 시험으로 기록되었다.64 현재 100% 수소 연소를 위한 건식 저NOx 연소기를 개발 중이며, 2025년 3월까지 리그 테스트(rig test) 완료를 목표로 하고 있다.58 Mitsubishi의 T-Point 2는 ‘가능성’에 대한 논의를 ‘검증된 신뢰성’으로 바꾸는 전략적 자산이다. 다른 OEM들이 리그 테스트나 파일럿 프로젝트에 의존하는 동안, Mitsubishi는 최신 기술을 실제 상업 발전소에서 1년 가까이 운전한 실적을 제시할 수 있다.58 이는 신규 모델 도입 시 발생할 수 있는 예기치 못한 문제에 대한 고객의 두려움을 해소해 준다. Georgia Power에서 50% 수소 혼소를 시연했을 때 64, 그것은 단순한 실험실 테스트가 아니라 실제 전력망에 전력을 공급하는 첨단 가스터빈에서의 실증이었다. 이는 Mitsubishi에 엄청난 신뢰성을 부여하며, 수십억 달러 규모의 투자를 고려하는 전력사에게 경쟁사의 서류상 더 낮은 NOx 보증치나 아직 대규모로 검증되지 않은 더 높은 수소 혼소 약속보다 더 결정적인 요소가 될 수 있다. 이는 기술적 리스크를 고객에서 OEM으로 이전시키는 효과를 가진다.
VII. 기술 심층 분석: Ansaldo Energia
Ansaldo Energia(이하 Ansaldo)는 Alstom으로부터 인수한 GT26/GT36 플랫폼을 기반으로, 시장의 주류 기술과는 근본적으로 다른 ‘순차 연소(Sequential Combustion)’ 기술을 통해 독보적인 위치를 구축했다.
7.1. 순차 연소의 강점: 근본적으로 다른 접근법
Ansaldo의 기술은 다른 제작사들의 희박 예혼합 시스템과는 구조부터 다르다.32 이 시스템은 직렬로 연결된 두 개의 연소 단계로 구성된다. 1단 연소기 (First Burner 또는 BEV): 희박 예혼합 방식의 1차 연소기. 2단 연소기 (Sequential Burner): 1차 연소기에서 나온 고온의 가스에 추가 연료를 분사하여 자연 발화시키는 2차 연소기.30 이러한 2단 구조는 연소 과정을 분리하여, 전체 시스템에 대한 독특하고 정밀한 제어 능력을 부여한다.
7.2. GT26 및 GT36 터빈 적용
이 기술은 F-클래스인 GT26과 H-클래스인 GT36 터빈의 핵심적인 특징이다.31 특히 GT36은 기존 GT26의 환형(annular) 연소기 구조를 개별 연소기 캔을 사용하는 캔-환형(can-annular) 구조로 발전시켜 적용했다.32
7.3. 성능 프로파일: 독보적인 최저 부하 운전과 부분 부하 효율
배출가스: GT36은 25 ppm의 NOx를 보증하며, 옵션으로 15 ppm까지 제공 가능하다.31 최저 부하 운전 (Turndown): 이것이 순차 연소 기술의 가장 두드러진 장점이다. 순차 연소 시스템은 매우 넓은 배출가스 준수 운전 범위를 가능하게 한다. GT36은 1-on-1 복합화력 구성에서 약 30%의 낮은 부하까지 운전할 수 있는데, 이는 단일 단계 DLN 시스템의 표준 성능을 훨씬 뛰어넘는 수준이다.33 부분 부하 효율: 두 연소 단계 간의 연료 분배를 조절하여 부분 부하에서도 높은 배기 가스 온도를 유지할 수 있다. 이는 복합화력 발전 시 증기 터빈의 효율 저하를 최소화하여, 경쟁 기술 대비 훨씬 넓은 부하 범위에서 높은 종합 효율을 유지하게 해준다.
7.4. 탈탄소 로드맵: 100% 수소의 경계를 허물다
Ansaldo의 순차 연소 기술은 구조적으로 수소 연소에 매우 적합하다. 연료 분배 조절을 통해 수소의 높은 반응성을 제어하고, 1단에서는 화염 안정성을 확보하면서 2단에서 에너지를 추가하는 방식으로 터빈 출력 감소 없이 수소를 연소할 수 있다.30 현재 상용 GT36 터빈은 최대 70% 수소 혼소 운전이 가능하다.33 2024년 2월, Ansaldo는 독일 항공우주센터(DLR)의 시험 설비에서 GT36 연소기 프로토타입을 100% 수소 연료로 성공적으로 시험했다고 발표했다.67 이는 이 기술의 완전한 수소 연소 잠재력을 입증한 중대한 성과이다. Ansaldo의 순차 연소 기술은 변동성이 큰 재생에너지와 수소가 지배하는 미래 전력망에 가장 ‘미래 지향적인(future-proof)’ 설계라고 평가할 수 있다. 미래 전력망의 핵심 과제는 변동성 관리(높은 유연성과 터빈다운 성능 요구)와 연료의 탈탄소화(수소 수용성 요구)이다. Ansaldo의 설계는 복잡한 부가 장치 없이도 30%까지의 깊은 터빈다운 33과 100% 수소 연소 능력 67을 모두 본질적으로 제공함으로써 이 두 가지 핵심적인 미래 요구사항을 직접적으로 해결한다. 비록 Ansaldo가 시장 점유율 면에서는 ‘빅3’에 미치지 못하지만 34, 그들의 기술은 30년 이상의 운영 수명을 염두에 두고 건설되는 신규 발전소에 대해 매우 설득력 있고 기술적으로 우월한 솔루션을 제공한다. 그들의 과제는 기술 자체가 아니라, 시장 규모, 서비스 네트워크, 그리고 보수적인 구매자들이 주류인 DLN/DLE 아키텍처와 다른 길을 선택하도록 설득하는 것이다.
VIII. 비교 분석 및 전략적 통찰
주요 가스터빈 제작사들의 저NOx 기술은 각각 뚜렷한 장단점을 가지며, 이는 발전 사업자의 전략적 선택에 중요한 시사점을 제공한다. 기술 선택은 더 이상 단순한 스펙 비교가 아닌, 미래 전력 시장에서의 자산 가치를 결정하는 핵심 변수가 되었다.
8.1. 기술 철학의 정면 대결: DLN/DLE 대 순차 연소
두 핵심 기술 철학은 근본적인 차이를 보인다. DLN/DLE는 ‘기저부하 운전 시 NOx 저감’이라는 특정 문제를 해결하기 위한 우아한 솔루션으로 시작했으나, 유연성 및 수소 혼소와 같은 새로운 과제에 대응하기 위해 AFS나 첨단 제어 시스템과 같은 복잡성을 더해가는 방식으로 진화했다. 반면, 순차 연소는 기본 설계 자체가 더 복잡하지만, 이러한 새로운 과제들에 대해 큰 구조적 변경 없이 본질적으로 더 잘 적응할 수 있는 구조를 가지고 있다. 표 1: 주요 저NOx 가스터빈 연소기 사양 비교 매트릭스
제작사 터빈 모델 연소기 기술명 기본 NOx 보증치 (ppm @ 15% O2, 천연가스) 최저 부하 운전 (% GT 부하, 복합화력) 수소 혼소 능력 (vol %, 상용) 핵심 차별점 GE Vernova 7HA.03 DLN 2.6+ (AFS 옵션) 15 (옵션으로 더 낮게 가능) 38 ~40% (표준), ~26% (AFS 적용 시) 36 최대 50% 40 AFS를 통한 획기적인 최저 부하 운전 성능 개선 Siemens Energy SGT-9000HL DLE 15-25 (모델/조건 따라 다름) 47 ~30-40% 47 최대 30-50% (모델별 상이) 47 ‘H2-Ready’ 포트폴리오, 광범위한 연료 유연성 Mitsubishi Power M501JAC Dry Low NOx Combustor 25 58 ~50% (유연성 향상 옵션 가능) 57 50% 실증 완료 64 T-Point 2를 통한 실계통 장기 운전 검증 Ansaldo Energia GT36 Sequential Combustion 15-25 31 ~30% 33 최대 70% (100% 기술 검증 완료) 33 순차 연소를 통한 독보적인 유연성 및 수소 대응 능력
이 매트릭스는 의사결정자가 각 제작사의 주력 제품을 핵심 지표별로 신속하게 비교할 수 있게 해준다. 예를 들어, ‘최고의 최저 부하 운전 성능’이 필요하다면 Ansaldo가, ‘현재 시점에서 검증된 50% 수소 운전 실적’이 중요하다면 Mitsubishi/Georgia Power 사례가 주목받을 것이다.
8.2. 재생에너지 중심 전력망에서의 운전 유연성 벤치마킹
미래 전력망에서는 기저부하 효율만큼이나 최저 부하 운전(turndown), 부하 변동률(ramp rate), 기동 시간(start-up time)이 중요해진다. GE의 AFS 솔루션 36, Mitsubishi의 Enhanced Response 기술 57, 그리고 Ansaldo의 순차 연소 고유의 능력 33은 모두 이러한 시장의 요구에 대한 직접적인 응답이다. 특히 Ansaldo의 기술은 추가적인 시스템 없이도 본질적으로 높은 유연성을 제공한다는 점에서 구조적 우위를 점하고 있다.
8.3. 수소 준비 상태 평가: 로드맵과 실증 능력 비교
‘H2-Ready’라는 마케팅 용어와 실제 현장에서 검증된 성능 사이에는 간극이 존재한다. Mitsubishi가 Georgia Power에서 보여준 50% 혼소 실증 64과 Ansaldo의 100% 프로토타입 테스트 성공 67은 GE와 Siemens가 상업적으로 제공하는 일반적인 30-50% 혼소 능력 40과 비교하여 기술적 성숙도에서 한발 앞서 있음을 시사한다. 표 2: 수소 준비 상태 스코어카드
제작사 실증된 최대 H2% (대용량, 첨단 터빈) 상용 제공 최대 H2% 100% H2 로드맵 목표 연도 핵심 구현 기술 GE Vernova ~30-50% 수준의 파일럿/프로젝트 최대 50% 2030 34 DLN 2.6+ 및 파생 기술 Siemens Energy 38% (SGT6-6000G) 47 최대 75% (SGT-800) 44 2030 34 DLE 및 파생 기술 Mitsubishi Power 50% (M501GAC) 64 30% (JAC) 58 2030년 이후 (100% 연소기 개발 중) 58 첨단 공기 냉각 DLN 연소기 Ansaldo Energia 100% (GT36 프로토타입) 67 최대 70% 33 기술 검증 완료 순차 연소 (Sequential Combustion)
수소로의 전환은 기술적 리스크와 불확실성을 동반한다. 이 스코어카드는 운영자가 마케팅 주장 너머 각 OEM의 실제 기술 준비 수준(TRL)을 평가하는 데 도움을 준다. 이는 리스크 관리와 장기적인 자산 계획에 필수적이다.
IX. 다음 개척지: 무탄소 연료의 연소
가스터빈의 미래는 천연가스를 넘어 수소와 암모니아 같은 무탄소 연료를 연소하는 능력에 달려있다. 이는 기존의 저NOx 기술 패러다임을 근본적으로 바꾸는 도전 과제들을 제시한다.
9.1. 수소의 도전 과제: 역화, 재료 건전성, 주변 설비 통합
수소는 뛰어난 청정 연료이지만, 그 특성 때문에 새로운 기술적 과제를 야기한다. 연소 관련 문제: 빠른 화염 속도: 화염이 예혼합기 내부로 역행하는 역화(flashback)의 위험을 크게 높인다.27 이를 방지하기 위해 마이크로믹싱(micromixing)과 같은 첨단 분사기 설계나 순차 연소와 같은 다른 연소 전략이 요구된다. 높은 화염 온도: 적절히 제어되지 않으면 열적 NOx 생성을 다시 증가시킬 수 있으며, 고온 부품에 더 큰 열적 스트레스를 가한다.29 넓은 가연 범위: 연료 공급 시스템 내에서 의도치 않은 점화가 발생할 위험을 증가시킨다.70 시스템 레벨 문제: 재료 취성(Material Embrittlement): 수소는 특정 금속의 기계적 물성을 저하시킬 수 있어, 고온 부품과 연료 배관의 장기적인 건전성에 큰 위협이 된다.71 주변 설비(Balance-of-Plant, BOP): 수소로의 전환은 단순히 버너 교체 이상의 것을 요구한다. 새로운 연료 공급 스키드, 배관, 안전 및 화재 감지 시스템(수소 화염은 눈에 보이지 않음), 환기 시스템 등이 필요하다.42 체적 유량: 수소는 부피당 에너지 밀도가 천연가스보다 훨씬 낮아, 동일한 에너지를 내기 위해 약 3배의 체적 유량이 필요하다. 이는 연료 시스템 전체의 크기에 영향을 미친다.71
9.2. 암모니아의 딜레마: 안정성을 확보하며 연료 NOx 억제하기
암모니아(NH3)는 탄소 배출이 없는 유망한 수소 운반체이지만, 연료 자체에 질소를 포함하고 있다는 치명적인 문제를 안고 있다. 핵심 문제: 암모니아를 연소하면 연료에 결합된 질소(fuel-bound nitrogen)가 다량의 NOx로 전환될 수 있다. 이는 천연가스 터빈보다 1~2 자릿수 더 높은 수준으로, 탄소 제로의 환경적 이점을 상쇄할 수 있다.9 저감 전략: 가장 유망한 전략은 다단(multi-stage), 농후-희박(rich-lean) 연소 방식이다.9 1단에서는 연료를 과잉(농후) 상태로 연소시켜 NH3를 NOx 대신 N2와 H2로 분해하고, 후속 희박 연소단에서 남은 H2를 태우는 방식이다. 이는 천연가스를 위한 희박 예혼합 철학과 정반대의 접근법이다. 현재 기술 수준: 최적화된 다단 연소 방식을 사용하더라도 순수 암모니아 연소로 한 자릿수 ppm의 NOx를 달성하는 것은 매우 어려운 과제이다. 현재로서는 고압 조건에서 25-50 ppm 수준이 현실적인 목표로 여겨지며, 종종 상당량의 미연 암모니아나 수소 슬립(slip)이 발생한다.13 이는 암모니아 터빈이 엄격한 배출 규제를 충족하기 위해서는 연소 후 처리 기술인 SCR의 장착이 필수적일 수 있음을 시사한다. 암모니아는 단순한 ‘대체 연료(drop-in fuel)’가 아니며, 가스터빈 연소에 대한 근본적인 재고를 요구한다. NOx 최소화를 위한 최적의 천연가스 연소 방식(희박 예혼합)은 최적의 암모니아 연소 방식(농후-희박)과 정반대이다. 희박 예혼합된 암모니아 화염은 막대한 양의 NOx를 생성한다.75 이는 천연가스용으로 설계된 터빈이 단순히 연료 노즐 교체만으로 100% 암모니아를 연소할 수 없음을 의미한다. 완전히 새로운 연소 아키텍처가 필요하다. 따라서 업계는 잠재적인 기술적 분기점에 직면해 있다. 수소에 최적화된 터빈이 암모니아에는 적합하지 않을 수 있으며, 그 반대도 마찬가지이다. 미래 연료를 계획하는 자산 소유주는 자신의 지역 공급망에서 어떤 ‘탈탄소 분자’가 지배적이 될지에 대해 전략적인 판단을 내려야 한다, 왜냐하면 요구되는 발전소 기술이 근본적으로 다르기 때문이다.
X. 결론 및 전략적 권고
본 보고서에서 분석한 바와 같이, 가스터빈 저NOx 기술은 성숙 단계에 접어들었으나, 제작사별 기술 철학의 차이로 인해 성능과 미래 확장성 면에서 중요한 선택지를 제공하고 있다. 기술 선택은 이제 단순한 환경 규제 준수를 넘어, 전력 시장의 구조적 변화와 탈탄소 목표에 대응하는 핵심적인 전략적 의사결정이 되었다. 발전소 운영자 및 자산 관리자를 위한 권고: 저NOx 기술의 선택은 미래 전력망에 대한 전략적 헤지(hedge)이다. 신뢰성 높은 기저부하 운전과 명확하지만 점진적인 탈탄소 경로를 최우선으로 한다면, 성숙하고 지원 생태계가 잘 갖춰진 GE와 Mitsubishi의 플랫폼이 가장 낮은 리스크를 제공한다. 특히 Mitsubishi의 T-Point 2 실증은 신뢰성에 대한 독보적인 확신을 준다. 변동성이 큰 재생에너지 중심 시장에서 최대의 유연성을 확보하여 생존하고 수익을 창출하는 것이 목표라면, Ansaldo의 순차 연소 기술이 본질적으로 우월한 최저 부하 운전 및 부분 부하 성능을 제공한다. 광범위한 포트폴리오에 걸쳐 수소 조기 도입과 연료 유연성 확보에 중점을 둔다면, Siemens의 H2-Ready 제품군과 강력한 R&D 파트너십이 설득력 있는 경로를 제시한다. 기술 스카우트 및 전략 기획자를 위한 제언: 현재의 경쟁 구도는 점진적 혁신과 혁명적 혁신 간의 대결로 정의된다. 주목해야 할 핵심 트렌드는 단순히 NOx ppm 수치가 아니라, 저배출 기술이 운전 유연성 및 미래 연료 준비 상태와 융합되는 방식이다. 모든 OEM이 안정적인 운전의 한계를 넓혀감에 따라, 강건하고 신뢰성 있는 연소 불안정 감시 및 제어 시스템 24의 개발은 이들 모두에게 중요한 기반 기술이다. 궁극적인 승자는 2030년대 이후의 불확실한 연료 환경에 비용 효율적으로 적응할 수 있는, 즉 깨끗하고(clean), 유연하며(flexible), 신뢰성 있고(reliable), 적응 가능한(adaptable) 솔루션을 제공하는 OEM이 될 것이다. 따라서 기술 평가는 현재의 성능뿐만 아니라 미래의 불확실성에 대한 기술적, 구조적 대응 능력에 초점을 맞춰야 한다. 참고 자료 질소산화물(NOx) 저감기술 및 신기술 개발현황 – 자유대기오염이론 – Daum 카페, 8월 5, 2025에 액세스, https://m.cafe.daum.net/hades8882/KW8I/144 Prompt NOx, fuel NOx and thermal NOx: The DLE strategy – Turbomachinery Magazine, 8월 5, 2025에 액세스, https://www.turbomachinerymag.com/view/prompt-nox-fuel-nox-and-thermal-nox-the-dle-strategy 저 NOX 연소기술, 8월 5, 2025에 액세스, https://www.koreascience.kr/article/JAKO199621862234055.pdf Nitrogen Oxides (NOx) Primer – B&W Learning Center Articles » Babcock & Wilcox, 8월 5, 2025에 액세스, https://www.babcock.com/home/about/resources/learning-center/nitrogen-oxides-nox-primer 소형열병합발전시스템의 NOx생성원리 및 저감기술 – Korea Science, 8월 5, 2025에 액세스, https://koreascience.kr/article/JAKO200474057905286.pdf 가스터빈 低 NOx 연소기술(중) – 전기신문, 8월 5, 2025에 액세스, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=30558 NOx Formation Mechanism and Emission Prediction in Turbulent Combustion: A Review, 8월 5, 2025에 액세스, https://www.mdpi.com/2076-3417/14/14/6104 What Is NOx? 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