2050 탄소중립 선언에 따라서 국내에서는 이를 달성하기 위한 점진적인 목표를 설정하고 여러 정책들을 도입하고 있다. 주요 정책으로는 석탄 화력 발전의 감축 및 신재생에너지 도입 등이 있으며 이에 따라 노후화된 석탄 화력은 감축되고 기존 발전 설비를 활용하여 석탄 화력 발전에 무탄소 연료인 암모니아의 혼소 발전을 도입하는 방안이 제시되었다. 암모니아는 석탄과 다른 연소 특성을 가지고 있기 때문에 암모니아 혼소 시 기존 석탄 전소와는 다른 열전달 특성을 가진다. 열전달 특성 변화에 따라 플랜트의 성능이 변화하기 때문에 플랜트 운영 관점에서 보았을 때, 석탄 화력 발전 플랜트의 암모니아 혼소 적용에 따른 성능 평가와 이에 따른 경제성 평가가 필요하다.

본 논문에서는 초임계 미분탄 플랜트의 공정해석 모델을 개발하여 암모니아 혼소에 따른 성능해석을 진행하였다. 공정해석 모델은 보일러 시스템 모델과 터빈 시스템 모델의 연계를 통해 전체 플랜트를 모사하였고 암모니아 혼소율 0, 5, 10, 20, 30% 조건에서 두 가지 시나리오에 대해서 해석을 진행하여 시나리오에 따른 결과를 분석하였다. 무탄소 연료인 암모니아 혼소에 따라 암모니아 혼소율 20% 기준 CO₂ 배출 저감량이 약 147 ton/hr 증가하였고, 암모니아 혼소에 따른 터빈 전력 생산량의 감소로 인하여 플랜트의 효율이 약 0.3% 감소하였다. 추가적으로 공정해석을 통해서 석탄 전소와 동일한 전력 생산량을 확보하기 위한 추가 연료 투입량과 이에 따른 CO₂ 배출량을 도출하였다.

공정해석 결과에 기반하여 암모니아 생산 방법 별 암모니아 혼소에 대한 경제성 평가를 진행하였다. 기존 석탄 화력 발전소에 암모니아 혼소율 20% 적용을 기준으로 수익 및 비용을 산출하고 2022 년 기준 석탄 및 암모니아 가격과 탄소배출권 비용을 기준으로 암모니아 혼소에 대한 경제성 평가를 도출하였다. 그리고 경제성 평가 주요 항목들에 대하여 parametric study 를 진행하여 경제성 확보 조건을 도출하였다. 암모니아 가격의 경우 257 원/kgNH3 이하의 조건에서 경제성 확보가 가능하였고, 탄소배출권 가격의 경우 석탄화력 암모니아 생산 기준 549,000 원/ tCO₂ 이상 조건에서 경제성 확보가 가능한 것으로 도출되었다. 추가적으로 공정해석 결과 기반 터빈 전력 생산량 확보를 위한 추가 연료 투입량과 CO₂ 배출량을 통해서 터빈 전력 생산량 확보에 따른 경제성 평가를 추가로 진행하여, 연료 추가 투입에 따른 비용과 CO₂ 배출량 증가에 따른 탄소배출권 비용 증가에 따라 경제성이 하락하는 결과를 보였다. 결론적으로, 본 연구에서의 경제성 평가 결과를 통해 실제 석탄 화력 발전소에 암모니아 혼소 적용 전 암모니아 혼소에 대한 사전 평가를 위한 기초적인 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.