실험실 개념이 아닌 상용화 현실
2025년 말, 가와사키중공업은 산업용 발전 분야의 에너지 전환 접근법에 근본적인 변화를 예고하는 기계의 주문 접수를 조용히 시작했다. 회사는 부피 기준 수소 30%와 나머지 천연가스로 구성된 혼합 연료를 사용하는 세계 최초의 대형 가스 엔진을 상용 주문으로 받기 시작했다. 가와사키의 검증된 KG 시리즈 플랫폼을 기반으로 제작된 이 8메가와트급 장비는 보증, 정비 일정, 명확한 기술 사양을 갖춘 실험 기술이 실제 배치 가능한 설비로 전환됐음을 보여준다.
이번 출시는 2024년 10월부터 2025년 9월까지 가와사키 고베 사업장에서 진행된 11개월간의 운전 검증 시험에 이은 것이다. 이 기간 엔지니어들은 통제된 실험실 조건이 아닌 실제 산업 현장의 조건에서 엔진을 가동하며 다양한 부하와 온도, 운전상 스트레스에 시스템이 어떻게 반응하는지 시험했다. 시험이 성공적으로 완료되면서 가와사키는 시연 단계에서 상용화 단계로 나아갔고, 수소 혼소 사양을 맞춤형 엔지니어링 프로젝트가 아닌 표준 제품 기능으로 제공하게 됐다.
수소 30% 해법의 설계
수소 30%라는 기준은 배출 감축과 인프라 호환성 사이에서 신중하게 계산된 절충점이다. 수소 분자는 존재하는 분자 가운데 가장 작아 메탄은 막아내는 밀봉부를 통과해 빠져나갈 수 있으며, 천연가스보다 훨씬 넓은 연료·공기 혼합비 범위에서 점화된다. 이런 특성은 연소 안정성, 소재 내구성, 운전 안전 측면에서 고유한 기술적 과제를 낳는다.
이러한 위험에 대응하기 위해 가와사키 설계에는 연료 공급 경로 곳곳에 배치된 수소 누출 감지기와, 시동·정지 또는 고장 상황에서 연료 배관을 질소로 퍼지할 수 있는 시스템이 적용됐다. 연소실에는 수소가 더 높은 온도를 내는 점을 고려해 냉각 통로를 새로 설계했다. 이를 통해 수소가 특정 합금과 장기간 접촉할 때 발생할 수 있는 금속 피로와 취화를 방지한다. 역화, 즉 불꽃이 연료 공급부 쪽으로 거슬러 올라가는 위험한 현상을 막기 위해 개선된 디지털 시스템으로 연료 분사 시기와 공기·연료비를 정밀하게 제어한다.
배출 측면에서도 혼합 연료 방식은 측정 가능한 이점을 제공한다. 시험 자료에 따르면 순수 천연가스에서 수소 30% 혼합 연료로 전환하면 운전 중 이산화탄소 배출량이 약 10% 감소한다. 고압 연료 분사와 열 관리를 통해 표준 질소산화물 배출 기준도 준수한다. 수소의 연소 온도가 더 높아 NOx 배출이 늘어날 수 있다는 우려에 대응한 것이다.
개조의 이점
가와사키 신제품 출시의 가장 중요한 의미는 새로 발생할 주문보다 기존 설비를 업그레이드할 수 있다는 점에 있을 수 있다. KG 시리즈 플랫폼은 2011년 출시 이후 전 세계에서 240대 이상의 주문을 확보했으며, 현재 다수의 엔진이 산업 시설과 분산형 발전소에서 가동 중이다. 가와사키는 이전 세대 엔진도 같은 수소 혼소 사양을 적용하도록 개조할 수 있다고 밝혔다. 이에 따라 10년 전 순수 천연가스 운전을 위해 지어진 시설도 탄소 집약도를 점진적으로 낮추면서 사용 수명을 연장할 수 있다.
이 개조 경로는 발전소 운영자들이 직면한 설비 활용 문제에 실용적인 해법을 제시한다. 청정 연료를 사용하기 위해 전체 설비를 교체하는 대신, 수소 공급이 늘고 비용이 낮아지는 데 맞춰 단계적으로 탈탄소화를 추진할 수 있다. 특히 수소 30% 혼합 비율은 기존 배관망과 저장 탱크를 큰 조정 없이 이용할 수 있어 이러한 전환 전략에 적합하다. 수소 농도가 더 높을 경우 필요한 배관 인프라의 전면 재구축을 피할 수 있다.
해상 분야에서도 나란히 진전
고정형 발전용 엔진이 상용 판매에 들어간 가운데, 가와사키와 협력사들은 선박 추진 분야에서도 이에 상응하는 성과를 거뒀다. 2025년 10월 가와사키, 얀마 파워솔루션, 재팬엔진코퍼레이션이 참여한 컨소시엄은 세계 최초로 해상용 수소 엔진의 육상 운전을 마쳤다고 밝혔다. 재팬엔진 공장 부지에서 새로 개발한 액화수소 연료 공급 시스템을 활용해 중속 4행정 엔진이 정격 출력에서 안정적으로 연소하는지 검증했다.
해상 분야 사업은 보조 엔진에 그치지 않는다. 재팬엔진은 대형 화물선의 주 추진용 저속 2행정 수소 엔진을 개발하고 있으며, 첫 시험은 2026년 봄으로 예정돼 있다. 세 종류의 엔진 모두 이중 연료 구조를 적용해 특정 항구의 연료 공급 상황에 따라 선원들이 수소와 기존 선박용 디젤 사이에서 전환할 수 있다. 수소 벙커링 인프라가 앞으로도 수년간 고르지 않게 구축될 것이라는 현실에 대비한 이중화 설계다.
액화수소는 지속 가능한 에너지 사회를 실현하는 데 핵심적인 역할을 하며, 우리는 이를 뒷받침할 기술 기반을 구축하는 데 오랫동안 힘써 왔습니다.
가와사키 수소전략부의 노무라 게이 총괄책임자는 해상 시연과 관련해 이같이 밝혔다. 이 발언에는 회사의 엔진 개발과 연료 공급망에 대한 병행 투자를 연결하는 광범위한 기업 전략이 담겨 있다.
연료 공급망 구축
수소 대응 엔진의 상용화로 아직 구축 중인 연료 공급망에 즉각적인 수요가 생기고 있다. 일본은 1차 에너지의 거의 전량을 수입하며, 대규모 수소 물류 체계는 이제 막 모습을 갖추고 있다. 이 사업의 핵심은 2025년 11월 착공한 가와사키시 오기시마의 가와사키 LH2 터미널이다.
2030년께 가동을 시작할 예정인 이 터미널은 일본 최초의 상업 규모 액화수소 수입 거점이다. 사업 참여사들이 세계 최대 규모라고 설명한 약 5만㎥ 용량의 극저온 저장 탱크를 중심으로 선박 접안, 기화, 트럭 출하 시스템을 갖춘다. 국내 재생에너지 잠재력을 제한하는 지리적 여건을 보완하기 위해 해외에서 생산된 수소를 들여오도록 설계됐다.
터미널과 함께 가와사키는 일본수소에너지와 약 4만㎥ 용량의 신규 액화수소 운반선을 개발하고 있다. 이는 2022년 호주에서 일본으로 액화수소 시험 물량을 처음 운송한 실증선 수소 프런티어보다 용량이 32배 크다. 선박과 터미널을 함께 구축해 해안의 벙커링 시설과 내륙 발전소에 연료를 공급할 국제 수소 공급망의 기반으로 삼는다는 계획이다.
공공 지원과 시장 여건
발전용 엔진과 해상 추진 시스템은 모두 일본의 광범위한 기후 정책 틀 안에서 개발되고 있다. 경제산업성이 2050년 탄소중립 목표 달성을 지원하기 위해 약 2조엔(약 130억달러)을 출자한 그린 이노베이션 기금을 통해 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)가 개발을 지원한다.
공공 지원은 수소 밸브의 장기 내구성 시험과 극저온 연료를 안전하게 취급하기 위한 훈련 절차 개발 등 기존 시장 경로로는 자금을 조달하기 어려운 기술적 과제에 기업들이 도전할 수 있도록 한다. 배출량은 줄이지만 아직 기존 화석연료와 비용 경쟁력이 없을 수 있는 기술에 완충 역할도 제공한다.
가와사키의 신제품은 천연가스 엔진 시장이 성장하는 가운데 출시됐다. 업계 분석가들은 이 시장이 연평균 5.9% 성장해 2032년 89억7000만달러 규모에 이를 것으로 전망한다. 아시아태평양 지역이 현재 45%의 점유율로 시장을 주도하고 있으며, 북미가 35.6%, 유럽이 29%로 뒤를 잇는다. 수소 혼소 기능을 도입한 가와사키는 환경 규제가 강화돼 설비가 쓸모없어지는 대신 변화하는 연료 공급에 대응할 수 있는 미래 대비형 장비를 찾는 운영자들의 수요를 확보할 수 있을 것으로 보인다.
초기 도입자가 따져볼 현실
시설 관리자와 선대 운영자들이 당장 묻는 것은 이 기술로 지금 배출량을 줄일 수 있느냐는 점이다. 답은 수소 공급 여건에 크게 좌우된다. 수입 터미널과 운반선, 국내 유통망이 규모를 갖출 때까지 KG 엔진 초기 구매자는 제한된 지역 내 수소를 높은 가격에 확보하거나, 수소 기능에 비용을 지불하고도 이를 사용하지 않은 채 천연가스만으로 운전하거나, 인프라가 갖춰질 때까지 기다려야 한다.
청정수소가 공급되면 환경적 이점은 구체적으로 나타난다. 수소가 저탄소 방식으로 생산된다는 전제에서, 수소 30% 혼합 연료를 사용하는 가스 발전소는 순수 천연가스 발전소보다 킬로와트시당 이산화탄소를 덜 배출한다. 마찬가지로 수소 대응 선박 엔진도 벙커링이 일상화되면 선박 통행량이 많은 항로에서 배출량을 줄일 수 있다. 다만 당장의 이점은 유연성이다. 기존 발전소와 선박은 청정 연료가 공급되는 대로 이를 사용할 수 있어 수십 년간 화석연료에 의존하는 선택으로 자산이 좌초될 위험을 피할 수 있다.
핵심 내용
- 가와사키중공업은 고베 사업장에서 11개월간 운전 시험을 마친 뒤 2025년 말 세계 최초의 수소 30% 혼소 가스 엔진의 상용 주문을 받기 시작했다
- 8메가와트급 KG 시리즈 엔진은 천연가스에 부피 기준 최대 30%의 수소를 혼합한 연료를 연소할 수 있으며, 순수 천연가스 운전과 비교해 CO2 배출량을 약 10% 줄인다
- 2011년 이후 주문된 KG 시리즈 엔진 240대 이상은 수소 혼소가 가능하도록 개조할 수 있어 설비 수명을 늘리고 단계적 탈탄소화를 뒷받침한다
- 수소의 작은 분자 크기와 넓은 점화 범위에 따른 위험을 관리하기 위해 수소 누출 감지기와 질소 퍼지 장치 등 특수 안전 시스템을 갖췄다
- 해상 엔진 개발도 병행되고 있다. 중속 4행정 수소 엔진 시험을 성공적으로 마쳤으며, 화물선 주 추진용 저속 2행정 엔진은 2026년 봄 시험을 목표로 한다
- 2030년 가동 예정인 오기시마 가와사키 LH2 터미널에는 수입 인프라를 뒷받침할 5만㎥ 규모의 액화수소 저장 탱크가 들어선다
- 개발은 2050년 탄소중립 목표 달성을 지원하기 위해 2조엔을 출자한 일본 그린 이노베이션 기금의 지원을 받는다
