수소경제시대 만난 IGCC…석탄발전 대체 환경·경제적 면모 갖춰
수소경제시대 만난 IGCC…석탄발전 대체 환경·경제적 면모 갖춰
  • 김진철 기자
  • kjc@energytimes.kr
  • 승인 2019.05.07 11:15
이 기사를 공유합니다

대기환경오염물질 배출 가스발전보다 낮고 미세먼지 배출 가스발전과 유사
대형화·고효율 등으로 기존 석탄발전 효율 38%보다 웃도는 48%까지 가능
게다가 수성가스변위반응·해양미생물 등으로 수소생산 가능해 경제성 확보

【에너지타임즈】 최근 미세먼지 문제로 적잖은 곤욕을 치르는 석탄발전과 석탄가스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle) 공통점은 유연탄(일명 석탄)을 연료로 사용한다는 점이다.

반면 석탄발전과 IGCC가 차별되는 점은 경제성이다. 석탄발전은 국내 발전전원 중 원전에 이어 두 번째로 발전단가가 낮지만 IGCC는 낮은 경제성으로 인해 국회를 비롯한 여론 등으로부터 그 동안 뭇매를 맞아 왔다.

그렇기 때문에 IGCC는 이론적으로 석탄발전을 대체할 발전전원이지만 석탄발전 장점인 낮은 발전단가를 충족시키지 못하면서 석탄발전 대체발전전원으로써 물음표만 남아 있는 상태다.

우리나라 최초의 IGCC를 운영하고 있는 서부발전은 일찍이 이 발전전원 걸림돌인 경제성 확보를 위해 대형화와 고효율 가스터빈 개발과 함께 연료전지를 가동할 수 있는 연료인 수소를 생산할 수 있는 기술개발에 방점을 찍었다.

그 결과 IGCC는 환경적인 측면과 경제적인 측면에서 석탄발전 대체발전전원으로써 면모를 갖추게 됐으며, 특히 정부의 수소경제시대를 만나 무한한 가능성을 내포한 발전전원으로 자리매김하고 있다.

서부발전 태안IGCC 전경.
서부발전 태안IGCC 전경.

서부발전은 국가연구개발과제로 우리나라 최초의 IGCC인 태안IGCC프로젝트를 2006년 추진하게 됐다. 2011년 본격적인 건설공사를 시작해 2016년 8월 상업운전에 돌입했다. 또 2017년 10월까지 최적화와 가동률을 단계적으로 높여나가는 실증운전을 성공적으로 매듭지었다. 이로써 국가연구개발과제를 마무리된 셈이다.

석탄발전과 IGCC는 같은 연료인 유연탄을 사용하고 있지만 전력을 생산하는 과정은 전혀 다르다.

석탄발전은 유연탄을 공기와 혼합해 완전히 연소시켜 전력을 생산하는 방식인 반면 IGCC는 주 설비인 석탄가스화설비에서 유연탄에 소량의 산소를 공급해 부분적으로 연소시켜 일산화탄소와 수소 등을 주성분으로 한 합성가스를 만들어내면 이 합성가스를 고성능 세라믹 필터와 물리화학적 용매를 사용하는 환경설비를 거쳐 가스터빈에서 사용할 수 있을 정도로 정제된 후 합성가스를 발전시스템에 발전연료로 공급해 전력을 생산하게 된다.

그렇기 때문에 IGCC가 석탄발전과 같은 유연탄을 발전연료로 사용함에도 불구하고 석탄발전 가동 후 발생하는 대기오염물질인 황산화물·질소산화물·먼지 등을 가스발전에 버금갈 정도로 대기오염물질을 줄일 수 있는 원리가 바로 여기에 있는 셈이다. 환경단체나 시민단체 등이 그 동안 IGCC를 석탄발전으로 규정하는 주장을 일축할 수 있는 부분이다.

실제로 수도권 석탄발전 대기오염물질은 kWh당 0.181g, 수도권 가스발전은 0.087g, 태안IGCC는 0.057g 등으로 조사돼 IGCC 대기오염물질은 가스발전보다 훨씬 낮은 수준이다.

또 수도권 석탄발전 미세먼지는 kWh당 0.044g, 수도권 가스발전은 0.007g, 태안IGCC는 0.008g 등으로 조사돼 IGCC 미세먼지 배출은 가스발전과 비슷한 수준이다.

이로써 IGCC가 환경적인 측면에서 석탄발전 대체 발전전원으로 면모를 갖췄음이 확인된 셈이다. 다만 그 동안 경제적인 측면에서 IGCC가 석탄발전 대체 발전전원으로의 면모를 갖추는데 부족함이 없잖아 있었던 것으로 분석되고 있다.

현재까지 태안IGCC 효율은 네덜란드(효율 41.4%)·미국(36.5%)·스페인(41.5%)·일본(40.5%) 등보다 높은 42.3%까지 확인됐다. 이 효율은 최근 지어진 발전설비용량 1000MW급 석탄발전 효율과 동일하고 기존 석탄발전 효율인 38~40%보다 높은 수준이나 문제는 초기투자비가 석탄발전보다 크게 높다는 점이 경제성을 떨어뜨리는 가장 큰 원인으로 손꼽히고 있다.

태안IGCC는 실증플랜트인 탓에 초기 투자비가 많고 정해진 부품을 사용하는 탓에 효율을 높일 수 있는데 제약을 받고 있는 것으로 알려지고 있다.

서부발전은 태안IGCC의 경우 실증플랜트인 탓에 경제성을 확보하지 못하고 있다는 점을 감안해 이 설비를 대형화시키는 한편 고효율 가스터빈을 장착할 경우 효율을 45~48%까지 끌어올려 경제적인 측면에서의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 내다보고 있다.

게다가 서부발전은 석탄가스화설비에서 생산된 합성가스는 발전시스템에 활용되는 것뿐만 아니라 메탄을 주성분으로 한 합성천연가스(Synthetic Natural Gas)와 연료전지를 가동시킬 수 있는 수소, 석탄액화석유(Coal To Liquid), 암모니아, 메탄올, 요소 등 화학원료를 생산할 수 있는 병산시스템 구축으로 투자비를 줄이는 한편 효율을 높이는 두 마리 토끼를 잡을 수 있도록 하는데 방점을 찍고 있다.

서부발전에서 계획한 목표가 달성될 경우 IGCC는 환경적인 측면뿐만 아니라 경제적인 측면에서 석탄발전을 대체할 수 있는 새로운 발전전원으로 당당히 면모를 갖출 수 있을 것으로 기대되고 있다.

특히 서부발전은 정부에서 선포한 수소경제시대에 발맞춰 석탄가스화설비에서 수소를 생산하는 것으로 경제성을 한층 더 높여나갈 방침이다. 수소 생산은 연료전지를 가동시킬 수 있어 태안IGCC 효율을 50% 이상으로 끌어올릴 수 있을 것으로 전망하고 있다. 높은 초기투자비에도 불구하고 석탄발전 대체 발전전원으로 손색이 없어지는 셈이다.

IGCC 주 설비인 석탄가스화설비에서 생산된 합성가스는 일산화탄소와 수소 등을 주성분으로 하고 있다. 서부발전은 합성가스에 포함된 수소를 수성가스변위반응(Water Gas Shift Reaction)과 해양미생물로 추출하는 기술을 이미 확보한 상태다.

먼저 서부발전은 석탄가스화설비에서 생산된 합성가스를 원료로 수성가스변위반응(Water Gas Shift Reaction)을 이용해 지난해 6월 순도 99.99% 수소를 생산하는데 성공한 바 있다. 또 오는 9월 100kW급 연료전지와 연계한 전력생산시험을 준비하고 있으며, 2025년까지 발전설비용량 100MW 규모까지 확대할 방침이다.

유연탄을 연료로 가스화 과정을 거쳐 생산된 수소를 연료전지에 공급한 뒤 전력을 생산하는 이른바 석탄가스화연료전지(Integrated coal Gasification Fuel Cell)모델이 만들어진 셈이다.

특히 이렇게 생산된 수소는 연료전지 연료뿐만 아니라 압축·저장 등을 거쳐 수소충전소 등 수소 수요처에 공급하는 것도 가능하다. 그렇기 때문에 현장에서 전력생산뿐만 아니라 수소를 생산할 수 있는 수소공장으로써의 기능을 할 수 있게 된다.

이와 함께 서부발전은 석탄가스화설비에서 생산된 합성가스는 수성가스변위방응을 거치지 않고 해양미생물을 이용해 수소를 생산할 수 있는 기술개발을 경동엔지니어링과 협력해 추진하고 있다.

그 결과 서부발전은 기술개발에 성공한데 이어 지난 3월 연간 300톤의 수소를 생산할 수 있는 실증설비 건설에 돌입했고 오는 12월까지 실증운전을 완료한 후 경제성평가를 거쳐 2025년까지 연간 1000톤 규모로 증설할 예정이다.

수소 300톤은 연간 1만2000km를 운영하는 수소자동차 2000대에 연로로 공급될 수 있는 양이다.

권창원 서부발전 기술사업화실 차장은 “석탄을 청정하게 사용할 수 있고 다양한 기술적 잠재 가치를 가진 IGCC는 지속적인 발전을 거쳐 석탄발전 대체 발전전원으로써 국가에너지 안보에 기여할 수 있을 것”으로 기대했다.

이어 그는 “이를 위해 대용량화와 표준화 등을 통한 초기투자비용을 낮추는 노력과 함께 신재생에너지공급인증서(REC) 이행비용보전과 가중치 상향 등 정책적 지원이 필요하다”는 의견을 내놓기도 했다.

한편 서부발전은 국내 첫 IGCC를 성공적으로 준공시킨 공로를 인정받아 2016년 한국프로젝트경영협회에서 선정하는 올해의 프로젝트대상 등을 수상하는 영예를 안은 바 있다.

IGCC 관련 미국과 유럽은 원천기술을 보유하고 있으나 추가적인 기술개발에 대한 의지가 없어 기존에 개발한 기술을 단순하게 판매하는 수준인 것으로 알려지고 있다. 특히 미국은 셰일가스 등의 영향을 받아 당분간 IGCC 재추진 가능성이 낮은 것으로 분석되고 있다.

일본은 유럽의 원천기술을 도입해 30년 이상 자체적으로 기술개발에 나서는 등 기술개발과 상용화에 가장 적극적인 행보를 보이고 있고, 중국은 자국 내 석탄을 사용함으로써 원유·천연가스 수입대체에 방점을 찍고 있어 IGCC를 매력적으로 보고 있으나 고가인 탓에 현재 보류하고 있으나 가격경쟁력이 확보될 경우 재추진하겠다는 입장을 견지하고 있는 것으로 알려지고 있다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.