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2020년 7월 1일 (수) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2020년 7월호 - 전체 보기 )

국내 유일 IGCC, 국산기술로 세계화 도전 중
가동률 86.5% 기록…수소생산으로 자원개발 다양화도

지난 2016년 한국서부발전이 충남 태안군에서 가동을 시작한 국내 유일 석탄가스화 복합발전 설비인 태안 IGCC 발전소는 석탄화력발전의 가능성을 지켜보는 이들의 관심을 받아왔다. IGCC는 석탄과 산소를 고온고압의 가스화기를 통해 합성가스를 생산해 가스터빈의 연료로 사용하고, 가스화 반응열과 가스터빈 배열에 의해 생산된 증기로 증기터빈을 구동해 전기를 생산하는 복합발전기술이다. 이 기술은 효율이 높고 환경성이 우수한 차세대 발전기술로 꼽힌다. 높은 기술력을 요하는 발전기술이다 보니 전 세계에서도 실증에 성공한 사례가 많지 않다. 이런 가운데 서부발전의 태안 IGCC는 지금까지 큰 문제없이 제 역할을 톡톡히 해내고 있다는 평가를 받고 있다. 게다가 지난 4월에는 3,000시간의 무 고장 연속 운전을 달성하며 한국형 IGCC로서 전 세계의 이목을 끌고 있다.

글 김수진 기자 자료협조 한국서부발전

IGCC, 석탄 장점 높이고 환경오염은 낮추고

자원고갈과 원유 수급불안정, 지구온난화 등의 문제로 최근 대체에너지 개발 필요성이 대두되고 있지만 많은 전문가들은 향후 한동안 주요 1차 에너지원은 화석연료가 될 것으로 보고 있다. 특히, 석탄은 중국과 인도의 영향으로 2035년에는 현재보단 사용량이 56% 증가할 것이라는 예측도 있다.

이러한 가운데 온실가스 배출을 줄일 수 있는 IGCC 발전은 적절한 대안으로 손꼽히고 있다. 기존 석탄화력이 석탄을 공기와 혼합해 완전 연소시키는데 반해 IGCC의 석탄가스화 기술은 석탄에 적은 양의 산소를 공급해 부분 연소시킴으로써 합성가스(CO, H₂가 주성분)를 만든다. 이렇게 만들어진 합성가스는 고성능 세라믹 필터와 물리화학적 용매를 사용하는 환경설비를 통해 가스터빈에서 사용 가능토록 깨끗하게 정제된다. 이렇게 공해물질 제거 후 깨끗하게 정제된 합성가스를 발전연료로 사용하고, 일반적인 석탄화력 발전소에서 발생하는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 먼지 등을 천연가스 발전소 수준으로 크게 줄일 수 있어 IGCC 발전은 친환경기술로 평가된다.

이산화탄소 포집설비와 연계할 경우, 기존 석탄화력 발전소보다 경제적으로 온실가스 포집이 가능하다. 최신 1,000 ㎿ 석탄화력 발전의 효율이 42%인데 반해 IGCC는 설비 대용량화와 고성능 가스터빈의 개발에 따라 효율을 45~48%까지 달성 할 수 있다.

수도권 최신 석탄화력발전과 천연가스복합발전, 태안 IGCC 발전 간 대기오염물질과 미세먼지 발생율

IGCC 발전 설명도

조건에 따라 다양한 IGCC 기술

IGCC는 크게 나눠 석탄가스화의 단계와 합성가스 이용 발전단계의 두 단계 공정이 병합된 기술로, 석탄가스화 단계에서 석탄과 가스화제(산소)의 접촉 방식에 따라 반응기 종류가 다양하며, 석탄의 종류에 따라 운전조건도 달라진다. 이에 따라 에너지 자원의 형태 및 특성에 맞게 여러 형태의 반응기가 개발되고 있다. 또한 최종 합성가스의 용도에 따라 정제설비 및 합성가스 이용 설비 등도 달라진다. 석탄 가스화 공정은 석탄 및 가스화제의 접촉 방식과 반응기 형태에 따라 200여 개 이상의 공정이 개발돼 있다.

IGCC 기술은 기존 미분탄화력 발전방식에 비해 발전효율이 높은 신발전 기술이며 발전효율(40%→42%)이 높아 연료사용이 절감되고 CO2배출이 저감된다. 석탄 사용 시 발생되는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 및 먼지의 제거효율(기존 대비 20% 수준)도 우수하다. 또한 합성가스를 이용해 액체연료, 대체천연가스나 수소 생산이 가능하며 저급석탄을 포함한 다양한 연료를 사용할 수 있다. GCC 기술은 발전시스템 적용뿐만 아니라 합성가스를 이용한 대체천연가스(SNG), 석탄액화(CTL), 수소 생산이 가능하며, 여러 가지 화학원료(암모니아, 메탄올, 요소, 비료 등)를 생산하는 기술로도 확대가 가능하다. 반면 아직 상업화 초기 단계라 건설비가 상당하고 설계와 제어기술 확보가 어렵다는 단점이 있다. 때문에 전 세계에서도 IGCC 발전 실증 및 실용화에 성공한 사례는 극히 몇 곳에 불과하다. 이러한 가운데 한국이 충남 태안에 IGCC 발전소를 성공적으로 개발 성공, 지금까지 성공적으로 운영하고 있어 큰 주목을 받고 있다.

2006년 국가 연구개발과제로 추진된 태안 IGCC는 지난 2011년 착공돼 2016년 8월 상업운전을 시작, 2017년 10월까지 설비 최적화와 가동률을 단계적으로 높여나가는 실증운전을 성공적으로 마무리하고 지금까지 문제없이 운영 중이다.

특히 핵심부품은 한국이 직접 개발해 ‘한국형 IGCC’ 개발에 성공했다. 실제로 합성가스 정제용 내부식성 금속필터를 국산화한 점이 눈에 띈다. 이 부품은 석탄 가스화기(Gasifier)에서 생산된 합성가스(CO, H₂) 중에 포함된 먼지를 제거하는 설비다. 현재 세라믹 필터가 세계적으로 널리 사용중인데, 세라믹 필터는 기계적, 열적으로 취약한 단점을 가지고 있다. 그러나 이를 국산화해 필터의 제작비용 절감은 물론, 필터의 수명연장으로 석탄가스화 시스템의 운전 안정성과 기술력 확보로 수익창출에도 기여했다는 평이다.

에너지경제연구원에 따르면, 한국형 IGCC 사업은 고부가가치 플랜트 시장 핵심 기술분야로 기술파급 효과가 매우 큰 것으로 조사됐다. 300 ㎿급 한국형 IGCC 설계·제작·운영기술이 확보되면 최근 에너지 수요가 급격히 증가하고 있는 중국 및 인도 등 아시아시장을 포함한 세계 에너지시장에 고부가가치 플랜트 수출은 물론, 석탄합성가스를 이용한 화학플랜트용 석탄가스화기 및 정제설비 등 관련플랜트 수출에도 일익을 담당할 것으로 기대된다. 나아가 한국형 IGCC의 개발은 석탄을 청정한 원료로 이용하기 위한 기술로서, 석탄액화(CTL), 석탄으로부터 수소제조 및 이용기술 개발 등 석탄이용 신기술분야의 기술개발·상용화·보급을 촉진시킬 것으로 예상된다.

2015년 9월 태안 IGCC 가스화플랜트 최초의 점화

2016년 6월 태안 IGCC 최초 발전개시 직원 및 연구원들

IGCC 기술력 확보로 시장 확보 성큼

IGCC 발전은 한국을 포함해 전 세계에서도 9개 국가만이 성공한 기술이라 관련 경험이 부족하고 기술력 확보도 여전히 현재진행형이다. 이러한 가운데 서부발전의 태안 IGCC가 지난 4월 연속운전 3000시간 달성에 성공해 IGCC 시장에서 한국 영향력 확대 가능성을 열었다는 평가를 얻고 있다.

사실 서부발전은 2016년 IGCC 상용화 초기 단계에서 설계 및 제작, 운전 경험이 없어 설비 고장 등의 어려움을 겪었었다. 하지만 꾸준한 연구개발과 운전기술 향상을 통해 불과 3년 만에 연속운전 3000시간을 달성하며 안정화단계에 접어들었다. 이는 미국 등 선진국에서도 쉽게 달성하기 어려운 운영실적으로 평가된다. 김병숙 사장은 “8000시간 무고장연속운전은 서부발전과 협력사의 결집된 기술력으로 이루어 낸 공동의 성과”라며 “IGCC는 폐지 예정인 기존 석탄발전소 인프라를 최대한 대체해 활용할 수 있는 만큼, 노후발전소 폐지로 우려되는 지역경제 공동화 해소 및 기후변화협약 등의 환경규제 강화에도 선제적으로 대응할 수 있는 유일한 대안”이라고 밝혔다.

이에 앞서 태안 IGCC는 성능시험을 통해 발전효율 42%를 확인했으며 2017년 말부터 본격적인 가동을 시작해 2018년에는 가동률 86.5%를 기록한 바 있다. 발전효율이란 발전기에 투입하는 열에너지에 대한 발전에너지의 비율로, 원료의 자체 열량이 얼마나 전기에너지로 변환되는가를 의미한다. 기존 석탄화력의 발전효율은 38~40%에 불과하다. 발전효율이 높다는 것은 그만큼 화석연료를 덜 소비하고 동일한 전기에너지를 생산하는 것으로서 IGCC는 향후 설비 대용량화와 고성능 가스터빈 개발 시 효율 46% 이상, 연료전지(IGFC)와 연계시 50% 이상도 가능하다.

합성가스·해양미생물 활용, 연간 330톤 수소 생산

IGCC 발전 장점으로 다양한 에너지원 생산 확대가 가능하다는 점을 들 수 있다. 그중 서부발전은 IGCC 합성가스와 해양미생물을 활용, 미래 에너지원으로 손꼽히는 수소 생산에 힘을 보태고 있다.

지난해 11월 서부발전은 해양 바이오 수소 에너지 기술 실용화 개발 및 실증 관련 10개 기관이 참여한 가운데 ‘IGCC 합성가스와 해양 고세균을 이용한 수소생산 실증플랜트 준공식’을 개최했다. 해당 실증플랜트를 통해 연간 330 톤의 수소를 생산할 수 있으며, 이는 수소차 2,200대(12,000 ㎞/대 주행 시)를 1년 간 운행할 수 있는 양에 해당한다.

해양과학기술원은 2002년 탐사선 온누리호를 통해 파푸아뉴기니 인근 남태평양 1,650 m 심해 열수구에서 ‘써모코쿠스 온누리누스 NA1’이라는 미생물을 채취해 분리, 배양에 성공한 바 있다. 이 미생물은 수소 전환 효소를 많이 가지고 있어 일산화탄소를 먹고 바닷물을 분해하여 수소를 만들어 낸다.

NA1이 수소를 만들어 내기 위해서는 에너지원으로써 반드시 일산화탄소가 포함된 합성가스가 필요하다. 서부발전은 IGCC 설비를 통해 이러한 합성가스를 안정적으로 공급할 수 있는 최적의 조건을 갖추었다. 또한 바이오 수소생산 실증설비의 시운전 과정에서 발생할 수 있는 문제에도 즉각적인 기술지원이 가능함에 따라, 국내 발전사 중 유일하게 수소의 대량생산 기술 실증에 중추적인 역할을 수행할 것으로 기대되며 해양 미생물 이용한 수소생산 기술 완성에 기여할 것으로 예상된다.

서부발전은 ▲합성가스 정제를 통한 연료전지용 고순도 수소생산 ▲합성가스의 수성가스변위 반응에 촉매 대신 해양 미생물을 이용하는 바이오 수소생산 등 투트랙(Two-Track)으로 수소 생산기술 개발을 추진 중에 있다. 합성가스 정제 연료전지용 수소생산 기술은 2018년 6월 순도 99.99%의 수소 생산에 성공한 바 있다.

서부발전이 IGCC 합성가스와 해양미생물을 활용해 수소생산에 나섰다. 사진은 준공식 모습

■ INSHORT

IGCC 세계 시장 전망은?

전문가들은 이산화탄소 규제의 현실화와 IGCC 기술력 확보로 2030년 즈음을 IGCC 시장 확대가 본격화될 것으로 봤다. 차세대 친환경발전기술인만큼 선진국 위주로 관련 정책과 연구지원이 이뤄지고 있다. 미국과 독일, 네덜란드, 일본, 중국 등이 정부의 강력한 지원 하에 실증플랜트 상용화를 위한 검증이 수행 중이다.

중국과 호주는 자국 석탄을 최대한 활용하기 위해 IGCC 개발에 열을 올리고 있으며 IGCC가스화 공정을 향후 다양한 분야로 확장하는 쪽으로도 연구 중이다. 독일도 노후 석탄화력을 IGCC 로 교체하는 것을 고려 중이며 일본은 2013년 나카소(Nakoso) IGCC 상업화 이후, 후쿠시마와 히로노에 500 ㎿급 IGCC 1기씩을 추가 건설 중이다. 미국의 경우 고효율, 저 건설단가 달성을 위해 기술개발에 열을 올렸지만 최근 셰일가스 개발로 가스터빈 발전으로 주력하며 당장은 시장을 관망하고 있다. 하지만 미국 또한 관련 기술 개발의 중요성에 대해서는 이견이 없다고 전문가들은 입을 모은다.