청정 석탄 에너지 기술 및 시장 동향
2020-08-04
org.kosen.entty.User@43bad56a
윤정배(yoonjung)
1. 청정석탄 에너지 기술 개요[1~2]
세계적으로 석탄은 매장량이 풍부하고 가격이 저렴하여 발전용으로 널리 이용되고 있으나, 환경문제에 대한 일반의 관심 증가와 기후변화협약의 진전으로 석탄 활용에 대한 제약이 더욱 강화되고 있다.
전통적인 석탄화력발전은 상압의 보일러에 100μm내로 미분화된(Pulverized) 석탄을 공기와 함께 완전 연소시켜서 발전하는 방식으로, 고온의 보일러에 물을 통과시켜서 고온 고압의 증기를 얻은 후, 이 증기가 터빈을 구동함으로 전력을 발생시킨다.
석탄 활용의 지속을 위해서는 청정석탄기술(CCT, Clean Coal Technology)의 개발 및 상용화가 요구된다. 청정석탄기술은 석탄을 에너지원으로 사용하면서 발생되는 환경부하를 감소시킬 수 있는 모든 기술을 의미한다. 즉 석탄의 채굴 및 회분 제거, 가스화, 연소 중 청정화 그리고 연소 후 CO2 포집저장(CCS, Carbon Capture and Storage) 기술 등이 청정석탄기술에 해당된다.
국내 청정석탄기술은 1990년대까지 발전부문을 중심으로 SOx와 NOx 제거 설비 중심으로 발전하였고, 2000년대 이후 석탄가스화복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)과 초초임계 화력발전(USC, Ultra Super Critical) 위주로 기술 개발 및 상용화가 이루어졌다. 더불어 2000년대 이후 지구 온난화 대응차원에서 석탄 화력발전소에서 발생하는 CO2의 저감전략이 필요하게 되었고, 이에 따라 탄소포집저장 기술이 부각되었다.
청정석탄기술은 4가지 범위로 분류될 수 있다. 전통적 공해발생 물질인 SOx, NOx, 분진 등을 제거하는 기술, 석탄자체에서 불순물(회분, 유황 등)을 제거하여 탄소 위주의 청정한 연료로 제조하는 기술, 고효율 석탄발전(석탄 가스화, 초초임계 보일러, 유동층 연소)으로 발전 효율을 증가시키는 기술 그리고 CO2를 분리 포집해서 지하에 저장하는 기술 등이 대표적이다<표 1.>.
석탄의 연소 시에 발생하는 SOx, NOx, 분진 등 공해불질 제거기술은 이미 상용화되어 널리 적용되고 있는 기술이나, 석탄의 불순물 제거기술은 경제성 문제로 상용화될 가능성은 높지 않은 것으로 평가된다.
고효율화 기술은 설비규모 및 비용 측면에서 가장 활발하게 적용되고 있는 기술로, 특히 초초임계 기술의 적용이 확대되는 추세이다. 반면 가압유동층연소(PFBC, Pressurized Fluidized Bed Combustion)는 설비규모 확대에 제약이 있고, 석탄가스화복합발전은 상대적으로 낮은 경제성 등이 지적되고 있다. 그러나 석탄가스화복합발전은 초초임계나 가압유동층연소에 비해 이산화탄소 포집설비가 간편해질 수 있는 장점이 있어, 2020년 현재 국제적으로 상용규모의 신석탄발전은 석탄가스화복합화력발전과 초초임계화력발전이 주축을 이루고 있다.
탄소포집저장 기술은 경제성 및 환경적 문제로 적용에 제한을 받고 있지만, 향후 온실가스 배출규제가 강화될 경우 그 적용이 크게 확대될 것으로 전망된다.
현재 세계평균 화력발전효율 30%를 38%로 향상시킬 경우 이산화탄소 배출량을 21% 감축할 수 있으며, 발전효율 45%인 최신기술을 적용한다면 이산화탄소 배출량은 33% 감축될 것이다. 증기 온도를 700℃ 이상 높이는 초초임계 기술이 일반화된다면 발전효율이 50%에 달하게 되어 탄소 배출량이 40% 감소될 것이고, 여기에 탄소포집저장 기술을 접목한다면 온실가스 발생의 90%를 감축시킬 수 있을 것으로 전망되고 있다.
본 리포트에서는 청정석탄 기술의 개발 및 이용 현황 검토, 청정석탄의 활용 확대 가능성 판단 그리고 청정석탄 에너지 시장 동향을 소개하고자 하며, 주안점을 통해 정리하고자 한다.
<표 1. 청정석탄기술 분류[2]>
2. 청정석탄 에너지 기술 및 산업 동향[3~5]
2.1. 석탄가스화 기술
미국, 일본 등의 선진국은 석탄가스화복합발전 원천기술을 기반으로 석탄가스화 연료전지 복합발전(IGFC, Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle) 기술을 개발하여 실증사업을 추진하고 있다.
더불어 미국 국가에너지기술연구소(NETL)가 주관하는 SECA(Solid state Energy Conversion Alliance)를 통해 개발한 고체산화물 연료전지를 석탄가스화 연료전지 복합발전과 천연가스 기반의 연료전지 개발과 연계하는 MW급 실증연구를 2020년 시작하여, 2025년 상용화 연구를 추진할 계획이다.
일본 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)와 오사키쿨젠(OSAKI CoolGen)은 석탄가스화 연료전지 복합발전 실증사업을 추진 중이다. 오사키쿨젠 프로젝트 3단계는 2019년에 이산화탄소 분리 회수형 산소공급식 석탄가스화복합발전 실증설비에 연료전지 시스템을 조합하고 그 적용성을 확인하는 동시에 최적의 석탄가스화연료전지복합발전 시스템을 실현하기 위해 2020년까지 실증시험을 수행할 계획이다.
국내에서는 2018년 석탄가스화복합발전용 합성가스와 해양미생물을 활용해 연간 330톤의 수소를 생산할 수 있는 실증 플랜트 준공하였고, 2016년 충청남도 태안에 국내 최초로 300MW급 석탄가스화복합발전 실증플랜트를 준공하고 합성 천연가스 등 화학연료를 생산하였다.
기존 석탄화력은 석탄을 공기와 혼합해 완전 연소시키지만 석탄가스화복합발전의 석탄가스화 기술은 석탄에 적은 양의 산소를 공급해 부분 연소시켜 일산화탄소(CO)와 수소 분자(H₂)를 주성분으로 하는 합성가스 생성이 가능하여, 합성천연가스, 석탄액화석유, 수소암모니아, 메탄올 그리고 요소 등의 화학원료 생산이 가능하다.
서부발전은 합성가스 정제를 통한 연료전지용 고순도 수소생산 그리고 합성가스의 수성가스변위 반응에 촉매 대신 해양 미생물을 이용하는 바이오 수소생산 등 2단계로 수소 생산기술 개발을 추진하여, 2018년 6월 합성가스 정제 연료전지용 순도 99.99%의 수소생산에 성공하였고, 2025년까지 연료전지와 연계하여 10㎿급 석탄가스화연료전지복합발전 실증플랜트를 준공 예정이다.
2.2. 가압유동층연소 기술
순산소 가압유동층 발전 기술은 높은 압력의 유동층에서 공기 대신 산소만을 사용해 연료 연소시켜 CO2만 배출되어 별도의 CO2 분리가 필요 없는 친환경 고효율 발전기술로, 가압순산소연소시스템은 10 ~ 20 bar의 고압에서 가압연소(PC, Pressurized Combustion)나 순환유동층(CFB, Circulating Fluidized Bed)을 이용한 연소시스템으로 상압순산소연소에 비해 대류열전달 효율 향상, CO2 감소, CO2 분리효율 향상 그리고 설비비 감소 등이 가능한 연소시스템이다.
더불어 가압유동층순산소연소시스템은 순환유동층 공정과 기포유동층 공정의 장점을 조합하여 넓은 범위의 유량에 대한 거동 예측 및 균일한 온도 분포 발생이 가능한 시스템이다.
미국 Aerojet Rocketdyne사는 가압유동층순산소연소시스템(Oxy-PFBC, Oxy-fired Pressurized Fluidized Bed Combustion)을 캐나다 CANMET 설비에서 시험 중이며, 파일럿 설비 규모는 1MWth로 2017년 설치 및 운전을 완료하였고, 50MWth 규모의 파일럿 시험 후 2025년까지 상용규모 실증을 마칠 계획이다.
화학회로연소(CLC, Chemical looping combustion) 기술은 산소전달입자라는 고체 입자가 공기로부터 산소를 얻어 연료로 전달하면서 연료를 연소시키는 기술로, 별도의 공기분리기 없이 산소분리가 가능하고 연료연소 중에 CO2가 원천분리되어 CO2 포집설비가 필요없는 기술이다.
EU는 ENCAP, ECLAIR, ACCLAIM 프로젝트를 통해 석탄 케미컬루핑연소를 위해 저가인 철계 천연광물인 ilmenite(iron titanium oxide, FeTiO3/(Fe2TiO5+TiO2))를 산소전달입자로 사용하여 고체연료인 석탄을 직접 연소하는 기술을 개발 중이며, 100kWth 공정을 Chalmers 대학에 설치하여 1MWth 공정 개발과 산소전달 입자 개발에 활용하고 있다.
Alstom사는 미국 에너지부의 지원으로 CaSO4를 산소전달입자로 이용하는 Limestone Chemical Looping Combustion(LCL-CTM) 석탄 연소기술을 개발 중이고, 65kWth급 케미컬루핑연소 공정 개발을 완료하고 현재 1MWe급 설비를 Connecticut에 설치하여 운전 중이며, 외부열원의 추가 공급 없이 연료로 석탄만을 공급한 상태로 40시간 운전에 성공하였고, 최대 CO2 포집율 96%를 달성하였다.
한전 전력연구원은 2016년 케미컬루핑연소를 이용한 CO2 원천분리연소의 핵심물질인 고성능 Ni계와 저가 산소전달입자 개발에 성공하였고, 고성능 Ni계 산소전달입자의 산소전달량은 약 12wt%로서, 기존 유럽연합에서 개발한 세계 최고 성능의 입자인 8wt%에 비해 40% 이상 높으며, 마모손실율 또한 기존 20% 정도에서 10% 이하로 낮춰 충분한 강도를 확보하였다.
두산중공업은 인도네시아 IRT와 자바섬 인근 지역에 1조 6,000억 원 규모의 자와(JAWA) 9, 10호기 화력발전소 건설 EPC 계약을 수주하였고, 2024년까지 완공할 계획이고, 자와 9, 10호기는 인도네시아 수도 자카르타에서 약 120㎞ 떨어진 자바섬 서부의 칠레곤 지역에 건설되며, 세계 환경 기준인 `IFC 가이드라인`에 부합하는 초초임계압 방식으로 1,000MW급 2기를 제작해 공급할 예정이다.
2.3. 탄소 포집저장 기술
미국, EU 그리고 일본 등은 이산화탄소 저감을 위한 탄소포집활용저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage) 기술로드맵을 작성하고 국가 차원의 기술개발을 추진 중이며, 2017 ~ 2019년까지 개발된 탄소포집 기술을 적용한 12MWe 규모의 파일럿 플랜트를 통해 14,000톤 이상의 CO2를 포집하여 30~40% 비용절감 효과를 검증하였다.
EU는 Carbfix 프로젝트를 통해 기존의 탄소포집저장 기술의 한계(CO2 유출)를 극복하기 위하여 CO2를 카보네이트 광물로 전환하는 기술을 개발하였다. Ca, Mg, Fe와 같은 2가 양이온을 함유하는 현무암에 CO2 포화수를 주입하여 화학반응을 통해 CO2가 카보네이트 광물로 전환하는 기술로, 아이슬란드 Hellisheidi 지열 발전소에서 약 12,000톤의 CO2를 주입한 결과, 2년 이내 CO2 95%가 카보네이트로 변환되어 영구 저장이 가능하였다.
일본은 국가 차원의 탄소포집활용저장 기술개발을 적극적으로 추진하여 탄소 포집기술과 탄소를 재활용하는 기술을 개발하고 있으며, 일본 가나자와 대학 연구팀은 32개의 산소 원자를 통해 연결된 12개의 바나듐 (Vanadium)원자로 만들어진 바나데이트(vanadate, 구멍이 있는 구형 바나데이트 클러스터는 대기압에서 질소, 메탄, CO 등의 물질과는 반응하지 않고, 오직 CO2만 흡수) 분자 클러스터를 이용 하여 CO와 CO2를 분리하는 기술을 개발하였다.
한국이산화탄소포집및 처리연구개발센터(Korea CCS R&D Center)는 세계 최고 수준의 MAB (Modulated Amine Blended) 흡수제 기반이산화탄소 포집기술 150 Nm3/hr 실증에 성공하였다. 개발된 포집기술의 경우, 기존의 상용화된 MEA( MonoEthanol Amine) 흡수제 대비 이산화탄소 흡수 용량이 2.5배 이상 크고, 흡수속도가 1.5배 이상 빠르며, 에너지 사용량과 투자비를 각각 40%, 30% 이상 절감이 가능한 기술로, 현재 세계 최고수준으로 평가되고 있는 일본 M사에서 개발한 흡수제 성능 대비 15% 이상 개선된 탁월한 기술로 평가되고 있다.
3. 청정석탄 에너지 시장 동향[6~7]
3.1. 시장동인 및 제한요인
탄소배출에 대한 규제, 원자력 발전에 대한 부정적 시각 그리고 저렴한 석탄 가격 요인으로 인해 청정석탄기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 더불어 일본 후쿠시마 사고 및 국내 원자력 발전소 품질/안전 문제 등으로 최근 원자력 발전에 대한 대중의 반감 및 부정적 인식 증대되고 있다.
또한 한국은 전력의 약 30%를 석탄발전으로 공급하고 있으며, 세계 주요 석탄수입국 중 하나로 안정적이고 저렴한 석탄 가격은 청정석탄화력 시장의 확대에 기여할 것으로 전망되고, 더불어 한국은 온실가스배출 세계 7위국으로써 정부는 2020년까지 BAU 대비 배출량 30% 감축을 위한 탄소배출 규제 정책을 수립하고 있는 등은 시장성장의 동인으로 작용하고 있다.
그러나 석탄화력의 대체 가능 기술인 신재생에너지의 보급 증대, 석탄가스화복합발전의 상용화 지연, 기술적 한계 그리고 경제성 부족 등은 시장성장 저해요인으로 작용하고 있다.
또한 선진초초임계(A-USC, Advanced Ultra SuperCritical) 발전 그리고 탄소포집저장 시스템을 적용한 미분탄 발전 등, 경쟁기술이 석탄가스화복합발전보다 낮은 비용에 동일한 효율을 달성할 가능성이 있어, 시장 성장이 한계적일 것으로 판단된다.
3.2. 시장 동향
국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 2025 ~ 2030년에 전 세계의 화력 발전 분야 투자액이 33% 감소할 것으로 전망하였다. 신재생에너지 발전이 확대됨에 따라 화력발전 분야 투자액은 2018년 기준 1,250억 달러에서 2025년 900억 달러로 감소할 것으로 전망되며, 세계 석탄 생산/공급 능력 확충을 위한 투자는 2012년 최고조에 달한 이후 크게 줄어 2017년 투자규모는 50% 수준으로 위축되었다.
2019년 현재 국내에서 건설 중 또는 건설예정 화력발전소는 총 12기이며, LNG를 활용한 집단에너지발전소는 총 7기로 총 19기의 화력발전소 건설 예정이다. 화력발전소의 경우, 석탄 7기, 유연탄 및 바이오매스 1기 그리고 LNG를 활용하는 복합 발전소는 3기가 건설 중이며, 총 건설비는 19조 5천억 원이 투입될 예정이다<표 2.>.
향후 국내 건설예정인 화력발전소는 심각해지는 미세먼지 등의 영향으로 LNG 중심의 화력플랜트로 계획하여 추진 중이고, 2024년까지 총 9개의 복합발전플랜트가 추진 예정이며, 공사비는 미정인 2개를 제외하고 약 3조 1천억 원의 공사비가 투입될 예정이다<표 3.>.
표 2. 국내 화력발전소 건설 현황[7]
(단위: MW, 억원)
표 3. 국내 건설 예정 화력발전소 현황[7]
(단위: MW, 억원)
4. 주안점
최근 미세먼지 등의 환경적 이슈로 인해서 석탄에 대한 부정적인 인식이 가중되고 있다. 재생에너지가 유력한 대안이지만 아직 미미한 수준의 발전량을 고려할 때 기존의 대표적 에너지원인 석탄 연료를 현실적으로 고려할 수밖에 없고, 친환경 고효율 석탄가스화복합화력 발전의 경우, 석탄을 이용하면서 기존 석탄화력의 환경적 문제를 해결할 수 있는 대안으로 고려되고 있다.
더불어 세계 에너지 수요는 2017 ~ 2040년 기간 중 25% 이상 증가할 것으로 전망되고 있고, 미국, EU, 일본 등의 선진국은 석탄가스화복합발전 원천기술을 기반으로 석탄가스화연료전지복합발전 기술을 개발하여 실증사업을 추진 중에 있으며, 세계 각국의 청정석탄 기술 개발 및 이용 현황을 정리하면 다음과 같다.
미국의 에너지기업들은 에너지부(DOE)의 지원으로 친환경 화력발전 플랜트 건설을 위한 CO2 원천분리 및 배출가스 불순물 제거가 가능한 가압순산소연소시스템을 개발 중에 있다.
유럽과 미국 등은 케미컬루핑연소 기술의 효율성 향상을 위해 고체입자의 산소전달량, 산소전달 반응성능 그리고 순환유동층연소 시스템 효율 향상 등의 연구를 추진 중에 있다.
한국전력연구원은 발전효율 증대 및 이산화탄소 저감 등을 위해 발전 핵심소재인 산소전달입자 개발에 성공하고 순산소가압유동층발전 기술을 개발 중에 있다.
미국, EU, 일본 등은 이산화탄소 저감을 위한 탄소포집활용저장 기술로드맵을 작성하고 국가 차원의 기술개발을 추진 중이며, 한국은 탄소포집저장 사업을 통해 연구개발을 추진 중에 있다.
References
1. Power Generation from Coal; Measuring and Reporting Efficiency Performance and CO2 Emissions. CIAB(Coal Industry Advisory Board, 2010.
2. 청정석탄의 개발 이용 확대방안. 에너지경제연구원, 2012.
3. 국내 화력발전소의 CCS 및 CCU 사업 현황 분석보고서. 한국환경산업기술원, 2018.
4. 친환경 석탄이용을 위한 가스화복합발전(IGCC) 기술. The Korean Institute of Electrical Engineers, 2018.
5. 이산화탄소 저감 및 자원화 기술: 미국의 CCUS 산업 동향 분석. 한국에너지기술평가원, 2015.
6. ’18 ~ ‘19년도 국토교통 분야 표준분류체계 수립 및 동향 기술수준 조사-부록:2019 국토교통R&D 동향조사<플랜트 분야>. 국토교통부, 2019.
7. 발전소 건설사업 추진 현황(2019년도 4분기). 전력거래소, 2019.
세계적으로 석탄은 매장량이 풍부하고 가격이 저렴하여 발전용으로 널리 이용되고 있으나, 환경문제에 대한 일반의 관심 증가와 기후변화협약의 진전으로 석탄 활용에 대한 제약이 더욱 강화되고 있다.
전통적인 석탄화력발전은 상압의 보일러에 100μm내로 미분화된(Pulverized) 석탄을 공기와 함께 완전 연소시켜서 발전하는 방식으로, 고온의 보일러에 물을 통과시켜서 고온 고압의 증기를 얻은 후, 이 증기가 터빈을 구동함으로 전력을 발생시킨다.
석탄 활용의 지속을 위해서는 청정석탄기술(CCT, Clean Coal Technology)의 개발 및 상용화가 요구된다. 청정석탄기술은 석탄을 에너지원으로 사용하면서 발생되는 환경부하를 감소시킬 수 있는 모든 기술을 의미한다. 즉 석탄의 채굴 및 회분 제거, 가스화, 연소 중 청정화 그리고 연소 후 CO2 포집저장(CCS, Carbon Capture and Storage) 기술 등이 청정석탄기술에 해당된다.
국내 청정석탄기술은 1990년대까지 발전부문을 중심으로 SOx와 NOx 제거 설비 중심으로 발전하였고, 2000년대 이후 석탄가스화복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)과 초초임계 화력발전(USC, Ultra Super Critical) 위주로 기술 개발 및 상용화가 이루어졌다. 더불어 2000년대 이후 지구 온난화 대응차원에서 석탄 화력발전소에서 발생하는 CO2의 저감전략이 필요하게 되었고, 이에 따라 탄소포집저장 기술이 부각되었다.
청정석탄기술은 4가지 범위로 분류될 수 있다. 전통적 공해발생 물질인 SOx, NOx, 분진 등을 제거하는 기술, 석탄자체에서 불순물(회분, 유황 등)을 제거하여 탄소 위주의 청정한 연료로 제조하는 기술, 고효율 석탄발전(석탄 가스화, 초초임계 보일러, 유동층 연소)으로 발전 효율을 증가시키는 기술 그리고 CO2를 분리 포집해서 지하에 저장하는 기술 등이 대표적이다<표 1.>.
석탄의 연소 시에 발생하는 SOx, NOx, 분진 등 공해불질 제거기술은 이미 상용화되어 널리 적용되고 있는 기술이나, 석탄의 불순물 제거기술은 경제성 문제로 상용화될 가능성은 높지 않은 것으로 평가된다.
고효율화 기술은 설비규모 및 비용 측면에서 가장 활발하게 적용되고 있는 기술로, 특히 초초임계 기술의 적용이 확대되는 추세이다. 반면 가압유동층연소(PFBC, Pressurized Fluidized Bed Combustion)는 설비규모 확대에 제약이 있고, 석탄가스화복합발전은 상대적으로 낮은 경제성 등이 지적되고 있다. 그러나 석탄가스화복합발전은 초초임계나 가압유동층연소에 비해 이산화탄소 포집설비가 간편해질 수 있는 장점이 있어, 2020년 현재 국제적으로 상용규모의 신석탄발전은 석탄가스화복합화력발전과 초초임계화력발전이 주축을 이루고 있다.
탄소포집저장 기술은 경제성 및 환경적 문제로 적용에 제한을 받고 있지만, 향후 온실가스 배출규제가 강화될 경우 그 적용이 크게 확대될 것으로 전망된다.
현재 세계평균 화력발전효율 30%를 38%로 향상시킬 경우 이산화탄소 배출량을 21% 감축할 수 있으며, 발전효율 45%인 최신기술을 적용한다면 이산화탄소 배출량은 33% 감축될 것이다. 증기 온도를 700℃ 이상 높이는 초초임계 기술이 일반화된다면 발전효율이 50%에 달하게 되어 탄소 배출량이 40% 감소될 것이고, 여기에 탄소포집저장 기술을 접목한다면 온실가스 발생의 90%를 감축시킬 수 있을 것으로 전망되고 있다.
본 리포트에서는 청정석탄 기술의 개발 및 이용 현황 검토, 청정석탄의 활용 확대 가능성 판단 그리고 청정석탄 에너지 시장 동향을 소개하고자 하며, 주안점을 통해 정리하고자 한다.
<표 1. 청정석탄기술 분류[2]>
| 구 분 | 주요 기술 | |
| 공해물질 제거 | 배연탈황 | FGD(Flue Gas Desulfurization) |
| 탈질 | SNCR(Selective Non-catalytic Reduction) | |
| 분진제거 | SCR(Selective Catalytic Reduction) | |
| 석탄불순물 제거 | 무회분 석탄 | |
| 고효율화 | 초초임계(USC, Ultra-SuperCritical) | |
| 석탄가스화복합(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle) | ||
| 가압유동층연소(PFBC, Pressurized Fluidized Bed Combustion) | ||
| CO2 감축 | 탄소 포집저장(CCS, Carbon Capture and Storage) | |
| 바이오매스 혼소 | ||
2. 청정석탄 에너지 기술 및 산업 동향[3~5]
2.1. 석탄가스화 기술
미국, 일본 등의 선진국은 석탄가스화복합발전 원천기술을 기반으로 석탄가스화 연료전지 복합발전(IGFC, Integrated Coal Gasification Fuel Cell Combined Cycle) 기술을 개발하여 실증사업을 추진하고 있다.
더불어 미국 국가에너지기술연구소(NETL)가 주관하는 SECA(Solid state Energy Conversion Alliance)를 통해 개발한 고체산화물 연료전지를 석탄가스화 연료전지 복합발전과 천연가스 기반의 연료전지 개발과 연계하는 MW급 실증연구를 2020년 시작하여, 2025년 상용화 연구를 추진할 계획이다.
일본 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)와 오사키쿨젠(OSAKI CoolGen)은 석탄가스화 연료전지 복합발전 실증사업을 추진 중이다. 오사키쿨젠 프로젝트 3단계는 2019년에 이산화탄소 분리 회수형 산소공급식 석탄가스화복합발전 실증설비에 연료전지 시스템을 조합하고 그 적용성을 확인하는 동시에 최적의 석탄가스화연료전지복합발전 시스템을 실현하기 위해 2020년까지 실증시험을 수행할 계획이다.
국내에서는 2018년 석탄가스화복합발전용 합성가스와 해양미생물을 활용해 연간 330톤의 수소를 생산할 수 있는 실증 플랜트 준공하였고, 2016년 충청남도 태안에 국내 최초로 300MW급 석탄가스화복합발전 실증플랜트를 준공하고 합성 천연가스 등 화학연료를 생산하였다.
기존 석탄화력은 석탄을 공기와 혼합해 완전 연소시키지만 석탄가스화복합발전의 석탄가스화 기술은 석탄에 적은 양의 산소를 공급해 부분 연소시켜 일산화탄소(CO)와 수소 분자(H₂)를 주성분으로 하는 합성가스 생성이 가능하여, 합성천연가스, 석탄액화석유, 수소암모니아, 메탄올 그리고 요소 등의 화학원료 생산이 가능하다.
서부발전은 합성가스 정제를 통한 연료전지용 고순도 수소생산 그리고 합성가스의 수성가스변위 반응에 촉매 대신 해양 미생물을 이용하는 바이오 수소생산 등 2단계로 수소 생산기술 개발을 추진하여, 2018년 6월 합성가스 정제 연료전지용 순도 99.99%의 수소생산에 성공하였고, 2025년까지 연료전지와 연계하여 10㎿급 석탄가스화연료전지복합발전 실증플랜트를 준공 예정이다.
2.2. 가압유동층연소 기술
순산소 가압유동층 발전 기술은 높은 압력의 유동층에서 공기 대신 산소만을 사용해 연료 연소시켜 CO2만 배출되어 별도의 CO2 분리가 필요 없는 친환경 고효율 발전기술로, 가압순산소연소시스템은 10 ~ 20 bar의 고압에서 가압연소(PC, Pressurized Combustion)나 순환유동층(CFB, Circulating Fluidized Bed)을 이용한 연소시스템으로 상압순산소연소에 비해 대류열전달 효율 향상, CO2 감소, CO2 분리효율 향상 그리고 설비비 감소 등이 가능한 연소시스템이다.
더불어 가압유동층순산소연소시스템은 순환유동층 공정과 기포유동층 공정의 장점을 조합하여 넓은 범위의 유량에 대한 거동 예측 및 균일한 온도 분포 발생이 가능한 시스템이다.
미국 Aerojet Rocketdyne사는 가압유동층순산소연소시스템(Oxy-PFBC, Oxy-fired Pressurized Fluidized Bed Combustion)을 캐나다 CANMET 설비에서 시험 중이며, 파일럿 설비 규모는 1MWth로 2017년 설치 및 운전을 완료하였고, 50MWth 규모의 파일럿 시험 후 2025년까지 상용규모 실증을 마칠 계획이다.
화학회로연소(CLC, Chemical looping combustion) 기술은 산소전달입자라는 고체 입자가 공기로부터 산소를 얻어 연료로 전달하면서 연료를 연소시키는 기술로, 별도의 공기분리기 없이 산소분리가 가능하고 연료연소 중에 CO2가 원천분리되어 CO2 포집설비가 필요없는 기술이다.
EU는 ENCAP, ECLAIR, ACCLAIM 프로젝트를 통해 석탄 케미컬루핑연소를 위해 저가인 철계 천연광물인 ilmenite(iron titanium oxide, FeTiO3/(Fe2TiO5+TiO2))를 산소전달입자로 사용하여 고체연료인 석탄을 직접 연소하는 기술을 개발 중이며, 100kWth 공정을 Chalmers 대학에 설치하여 1MWth 공정 개발과 산소전달 입자 개발에 활용하고 있다.
Alstom사는 미국 에너지부의 지원으로 CaSO4를 산소전달입자로 이용하는 Limestone Chemical Looping Combustion(LCL-CTM) 석탄 연소기술을 개발 중이고, 65kWth급 케미컬루핑연소 공정 개발을 완료하고 현재 1MWe급 설비를 Connecticut에 설치하여 운전 중이며, 외부열원의 추가 공급 없이 연료로 석탄만을 공급한 상태로 40시간 운전에 성공하였고, 최대 CO2 포집율 96%를 달성하였다.
한전 전력연구원은 2016년 케미컬루핑연소를 이용한 CO2 원천분리연소의 핵심물질인 고성능 Ni계와 저가 산소전달입자 개발에 성공하였고, 고성능 Ni계 산소전달입자의 산소전달량은 약 12wt%로서, 기존 유럽연합에서 개발한 세계 최고 성능의 입자인 8wt%에 비해 40% 이상 높으며, 마모손실율 또한 기존 20% 정도에서 10% 이하로 낮춰 충분한 강도를 확보하였다.
두산중공업은 인도네시아 IRT와 자바섬 인근 지역에 1조 6,000억 원 규모의 자와(JAWA) 9, 10호기 화력발전소 건설 EPC 계약을 수주하였고, 2024년까지 완공할 계획이고, 자와 9, 10호기는 인도네시아 수도 자카르타에서 약 120㎞ 떨어진 자바섬 서부의 칠레곤 지역에 건설되며, 세계 환경 기준인 `IFC 가이드라인`에 부합하는 초초임계압 방식으로 1,000MW급 2기를 제작해 공급할 예정이다.
2.3. 탄소 포집저장 기술
미국, EU 그리고 일본 등은 이산화탄소 저감을 위한 탄소포집활용저장(CCUS, Carbon Capture, Utilization and Storage) 기술로드맵을 작성하고 국가 차원의 기술개발을 추진 중이며, 2017 ~ 2019년까지 개발된 탄소포집 기술을 적용한 12MWe 규모의 파일럿 플랜트를 통해 14,000톤 이상의 CO2를 포집하여 30~40% 비용절감 효과를 검증하였다.
EU는 Carbfix 프로젝트를 통해 기존의 탄소포집저장 기술의 한계(CO2 유출)를 극복하기 위하여 CO2를 카보네이트 광물로 전환하는 기술을 개발하였다. Ca, Mg, Fe와 같은 2가 양이온을 함유하는 현무암에 CO2 포화수를 주입하여 화학반응을 통해 CO2가 카보네이트 광물로 전환하는 기술로, 아이슬란드 Hellisheidi 지열 발전소에서 약 12,000톤의 CO2를 주입한 결과, 2년 이내 CO2 95%가 카보네이트로 변환되어 영구 저장이 가능하였다.
일본은 국가 차원의 탄소포집활용저장 기술개발을 적극적으로 추진하여 탄소 포집기술과 탄소를 재활용하는 기술을 개발하고 있으며, 일본 가나자와 대학 연구팀은 32개의 산소 원자를 통해 연결된 12개의 바나듐 (Vanadium)원자로 만들어진 바나데이트(vanadate, 구멍이 있는 구형 바나데이트 클러스터는 대기압에서 질소, 메탄, CO 등의 물질과는 반응하지 않고, 오직 CO2만 흡수) 분자 클러스터를 이용 하여 CO와 CO2를 분리하는 기술을 개발하였다.
한국이산화탄소포집및 처리연구개발센터(Korea CCS R&D Center)는 세계 최고 수준의 MAB (Modulated Amine Blended) 흡수제 기반이산화탄소 포집기술 150 Nm3/hr 실증에 성공하였다. 개발된 포집기술의 경우, 기존의 상용화된 MEA( MonoEthanol Amine) 흡수제 대비 이산화탄소 흡수 용량이 2.5배 이상 크고, 흡수속도가 1.5배 이상 빠르며, 에너지 사용량과 투자비를 각각 40%, 30% 이상 절감이 가능한 기술로, 현재 세계 최고수준으로 평가되고 있는 일본 M사에서 개발한 흡수제 성능 대비 15% 이상 개선된 탁월한 기술로 평가되고 있다.
3. 청정석탄 에너지 시장 동향[6~7]
3.1. 시장동인 및 제한요인
탄소배출에 대한 규제, 원자력 발전에 대한 부정적 시각 그리고 저렴한 석탄 가격 요인으로 인해 청정석탄기술에 대한 관심이 증가하고 있다. 더불어 일본 후쿠시마 사고 및 국내 원자력 발전소 품질/안전 문제 등으로 최근 원자력 발전에 대한 대중의 반감 및 부정적 인식 증대되고 있다.
또한 한국은 전력의 약 30%를 석탄발전으로 공급하고 있으며, 세계 주요 석탄수입국 중 하나로 안정적이고 저렴한 석탄 가격은 청정석탄화력 시장의 확대에 기여할 것으로 전망되고, 더불어 한국은 온실가스배출 세계 7위국으로써 정부는 2020년까지 BAU 대비 배출량 30% 감축을 위한 탄소배출 규제 정책을 수립하고 있는 등은 시장성장의 동인으로 작용하고 있다.
그러나 석탄화력의 대체 가능 기술인 신재생에너지의 보급 증대, 석탄가스화복합발전의 상용화 지연, 기술적 한계 그리고 경제성 부족 등은 시장성장 저해요인으로 작용하고 있다.
또한 선진초초임계(A-USC, Advanced Ultra SuperCritical) 발전 그리고 탄소포집저장 시스템을 적용한 미분탄 발전 등, 경쟁기술이 석탄가스화복합발전보다 낮은 비용에 동일한 효율을 달성할 가능성이 있어, 시장 성장이 한계적일 것으로 판단된다.
3.2. 시장 동향
국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 2025 ~ 2030년에 전 세계의 화력 발전 분야 투자액이 33% 감소할 것으로 전망하였다. 신재생에너지 발전이 확대됨에 따라 화력발전 분야 투자액은 2018년 기준 1,250억 달러에서 2025년 900억 달러로 감소할 것으로 전망되며, 세계 석탄 생산/공급 능력 확충을 위한 투자는 2012년 최고조에 달한 이후 크게 줄어 2017년 투자규모는 50% 수준으로 위축되었다.
2019년 현재 국내에서 건설 중 또는 건설예정 화력발전소는 총 12기이며, LNG를 활용한 집단에너지발전소는 총 7기로 총 19기의 화력발전소 건설 예정이다. 화력발전소의 경우, 석탄 7기, 유연탄 및 바이오매스 1기 그리고 LNG를 활용하는 복합 발전소는 3기가 건설 중이며, 총 건설비는 19조 5천억 원이 투입될 예정이다<표 2.>.
향후 국내 건설예정인 화력발전소는 심각해지는 미세먼지 등의 영향으로 LNG 중심의 화력플랜트로 계획하여 추진 중이고, 2024년까지 총 9개의 복합발전플랜트가 추진 예정이며, 공사비는 미정인 2개를 제외하고 약 3조 1천억 원의 공사비가 투입될 예정이다<표 3.>.
표 2. 국내 화력발전소 건설 현황[7]
(단위: MW, 억원)
| 발전소명 | 용량 | 공사비 | 연료 | 완공시기 |
| 신서천화력 | 1,000 | 16,138 | 석탄 | 21.03 |
| 고성하이화력 1,2호기 | 1,040ⅹ2기 | 51,960 | 석탄 | 21.10 |
| 강릉안인화력 1,2호기 | 1,040ⅹ2기 | 56,000 | 석탄 | 23.03 |
| 삼척화력 1,2호기 | 1,050ⅹ2기 | 49,124 | 유연탄 및 바이오매스 | 24.04 |
| 남제주복합 | 173,150 | 3,821 | LNG | 20.06 |
| 여주천연가스발전소 | 1,004 | 9,710 | LNG | 20.06 |
| 안양 열병합 | 481ⅹ2기 | 8,782 | LNG | 21.12 |
표 3. 국내 건설 예정 화력발전소 현황[7]
(단위: MW, 억원)
| 발전소명 | 용량 | 공사비 | 연료 | 완공시기 |
| 통영복합 | 920 | 14,000 | LNG | 24.12 |
| 울산지피에스복합 | 1,122 | 10,522 | LNG, LPG | 24.12 |
| 음성그린에너지 | 1,122 | 12,000 | LNG | 24.12 |
| 신세종복합 | 585+320 Gcal/hr | 5,599 | LNG | 23.11 |
| 내포그린에너지 | 495 | 미정 | LNG | 22.12 |
| 여수그린에너지 | 125ⅹ2기 | 6,000 | 유연탄 및 바이오매스 | 24.02 |
| 양산 집단에너지시설 | 118.9 | 1,558 | LNG | 23.04 |
| 마곡열병합 | 285 | 미정 | LNG | 23.06 |
| 김포열병합 | 510+281Gcal/hr | 6,032 | LNG | 22.12 |
4. 주안점
최근 미세먼지 등의 환경적 이슈로 인해서 석탄에 대한 부정적인 인식이 가중되고 있다. 재생에너지가 유력한 대안이지만 아직 미미한 수준의 발전량을 고려할 때 기존의 대표적 에너지원인 석탄 연료를 현실적으로 고려할 수밖에 없고, 친환경 고효율 석탄가스화복합화력 발전의 경우, 석탄을 이용하면서 기존 석탄화력의 환경적 문제를 해결할 수 있는 대안으로 고려되고 있다.
더불어 세계 에너지 수요는 2017 ~ 2040년 기간 중 25% 이상 증가할 것으로 전망되고 있고, 미국, EU, 일본 등의 선진국은 석탄가스화복합발전 원천기술을 기반으로 석탄가스화연료전지복합발전 기술을 개발하여 실증사업을 추진 중에 있으며, 세계 각국의 청정석탄 기술 개발 및 이용 현황을 정리하면 다음과 같다.
미국의 에너지기업들은 에너지부(DOE)의 지원으로 친환경 화력발전 플랜트 건설을 위한 CO2 원천분리 및 배출가스 불순물 제거가 가능한 가압순산소연소시스템을 개발 중에 있다.
유럽과 미국 등은 케미컬루핑연소 기술의 효율성 향상을 위해 고체입자의 산소전달량, 산소전달 반응성능 그리고 순환유동층연소 시스템 효율 향상 등의 연구를 추진 중에 있다.
한국전력연구원은 발전효율 증대 및 이산화탄소 저감 등을 위해 발전 핵심소재인 산소전달입자 개발에 성공하고 순산소가압유동층발전 기술을 개발 중에 있다.
미국, EU, 일본 등은 이산화탄소 저감을 위한 탄소포집활용저장 기술로드맵을 작성하고 국가 차원의 기술개발을 추진 중이며, 한국은 탄소포집저장 사업을 통해 연구개발을 추진 중에 있다.
References
1. Power Generation from Coal; Measuring and Reporting Efficiency Performance and CO2 Emissions. CIAB(Coal Industry Advisory Board, 2010.
2. 청정석탄의 개발 이용 확대방안. 에너지경제연구원, 2012.
3. 국내 화력발전소의 CCS 및 CCU 사업 현황 분석보고서. 한국환경산업기술원, 2018.
4. 친환경 석탄이용을 위한 가스화복합발전(IGCC) 기술. The Korean Institute of Electrical Engineers, 2018.
5. 이산화탄소 저감 및 자원화 기술: 미국의 CCUS 산업 동향 분석. 한국에너지기술평가원, 2015.
6. ’18 ~ ‘19년도 국토교통 분야 표준분류체계 수립 및 동향 기술수준 조사-부록:2019 국토교통R&D 동향조사<플랜트 분야>. 국토교통부, 2019.
7. 발전소 건설사업 추진 현황(2019년도 4분기). 전력거래소, 2019.