IGCC플랜트는 현재 전세계적으로 14기(5기 상업운전)가 운전 중이며 중국, 호주 및 미국은 정부지원하에 IGCC와 CCS를 연계하는 프로젝트를 진행 중이다.
이런 가운데 우리나라도 산업통상자원부(구 지식경제부)와 에너지기술평가원이 전담하는 국책 기술개발 과제로 한국서부발전이 총괄주관을 맡고 발전5사 및 두산중공업 등 민간기업과 고등기술연구원, 에너지기술연구원, 국내 주요대학 등 20개 기관이 참여, 범국가적으로 추진해 2016년 7월 실증운전을 거쳐 한국형 IGCC 표준모델 개발을 목표로 진행하고 있다.
현재 태안 IGCC 실증플랜트 건설 사업이 본격적인 공사가 진행 중인 상황이다. 이에 본지는 IGCC 기술특성, 시장현황, 산업특성 등에 대해 살펴본다. /편집자주
석탄은 석유, 천연가스에 비해 이산화탄소, 황산화물 등 오염물질이 상대적으로 많아 에너지원으로 기피대상이 돼 왔다.
하지만 매장량이 풍부하고 전 세계적으로 생산량이 편중되지 않으며 저렴한 가격과 우수한 공급 안정성 때문에 발전연료의 97%를 수입에 의존하는 우리나라에서는 지속적으로 수요가 증가할 전망이다.
이에 석탄 사용이 증가함에 따라 청정석탄 이용기술을 개발하기 위해 우리나라도 많은 노력을 하고 있으며 세계적으로 석유화학시대에서 석탄화학시대로 큰 변화가 일어나고 있다.
최근 청정석탄 이용기술의 핵심으로 떠오르는 석탄가스화 복합발전(IGCC)이 주목을 받고 있다. 두산중공업에 따르면 IGCC는 고온·고압 하에서 석탄을 산소, 수증기와 반응시켜 합성가스(CO+H₂)를 생산, 이를 연료로 가스터빈과 증기터빈을 구동하는 복합발전시스템으로 기존 석탄화력에 비해 효율이 높고 공해배출이 적은 친환경 청정발전기술이다.
싼 운영비와 큰 발전규모로 각광받던 원전의 인기가 2011년 일본 후쿠시마 원전사고의 영향으로 추락하면서 온실가스 감축을 위한 IGCC기술이 재조명을 받게 된 것이다.
■국내 최초 IGCC 실증플랜트 건설 중
한국서부발전이 지난 2011년 시작해 2015년 말에 태안화력발전소에 준공할 예정인 IGCC 실증플랜트는 국내 최초로 건설되는(세계적으로 7번째) 300MW급의 상용화 플랜트다.
태안 IGCC는 총 공사비 약 1조3,000억원, 연인원 29만명이 투입되는 대규모 공사다.
한국형 IGCC 실증플랜트 기술개발은 정부 주도하에 추진되는 신재생에너지 기술개발사업으로 한국서부발전, 두산중공업, 현대중공업과 국내 연구기관, 대학 등이 참여하는 국내 최대 규모의 국가 연구사업이다.
IGCC기술은 Shell, GE, Uhde, Conoco-Phillips, 미쓰비시중공업 등 선진국 특정업체만이 보유한 원천기술로 이들 업체는 각국 정부주도로 약 30년 이상 수조원의 개발비를 들여 실증플랜트를 현재 상용화 중이다.
우리나라도 정부주도로 선진국과의 기술격차를 줄이기 위해 IGCC플랜트 설계, 제작 및 운영기술을 확보하기 위해 2006년 제14차 과학기술관계 장관회의 및 제4차 국가에너지자문회의에서 의결해 IGCC 실증연구를 국책과제로 추진 중에 있다.
■고효율 저공해 석탄발전기술
IGCC는 현재 순 발전효율이 약 42%로 기존 석탄화력발전 효율 38~40%대비 높은 수준이며 향후 설비의 대용량화 및 고성능 가스터빈 기술개발 시 효율 48∼50% 달성이 가능하다.
석탄가스화 발전을 세부적으로 살펴보면 합성가스 생산, 오염가스 정제, 정제가스 연소단계로 이뤄지며 기존 발전설비와 달리 연료를 연소하기 전에 공해물질을 쉽게 제거할 수 있어 황산화물, 질소산화물, 먼지를 청정연료인 LNG 수준까지 줄일 수 있다.
또한 기존 석탄화력대비 물 사용량도 20~40% 가량 줄일 수 있는 장점이 있다.
특히 IGCC는 이산화탄소 포집설비와 연계시 기존 석탄화력에 비해 저비용으로 이산화탄소를 제거할 수 있어 약 15%의 발전단가 감소가 가능하다. 최근 각국 정부에서 IGCC 투자의 가장 중요한 원동력이 되고 있다.
지구온난화의 주범인 이산화탄소 제거비용을 포함할 경우 IGCC의 성장 잠재력이 매우 높다고 할 수 있다.
■노후석탄화력 대체기술 급부상
석탄화력발전의 환경성 문제를 개선하기 위해 개발되고 있는 청정 석탄활용기술 중 가장 상용화에 근접한 발전형식으로 알려진 IGCC 기술은 고효율 청정발전시스템으로 향후 석탄화력 발전형식의 주류로서 실용화가 가속될 전망이다.
2020년 기준 우리나라 전체 발전기의 38.9%가 20년 이상, 15.7%가 30년 이상을 차지함에 따라 발전기가 빠르게 노후화되고 있으며 CO₂규제 강화, 아시아지역의 경제성장 및 노후 석탄발전설비 대체 수요를 고려할 경우 오는 2020년 이후로 IGCC 시장이 크게 성장할 것으로 예상된다. 노후 석탄발전소를 IGCC로 대체시 온실가스 약 10%가 감축이 가능하다.
■고부가가치 석탄가스화 기술
IGCC 기술의 핵심인 석탄가스화 기술은 발전시스템에 적용하는 것뿐만 아니라 합성가스를 생산, 대체천연가스(SNG), 청정연료(DME), 수소 생산이 가능하며 암모니아, 메탄올, 요소, 비료 등 화학원료를 생산하는 기술로 확대되고 있다.
특히 전기생산과 다양한 연료 및 원료를 동시에 생산하는 병산(Polygeneration) 시스템을 구축할 경우 비용절감과 에너지 전환효율을 향상할 수 있다.
또한 석탄액화(CTL) 플랜트와 연계해 액체연료 생산으로 석유 대체가 가능하며 합성가스를 연료전지에 공급, 전력을 생산하는 효율 55% 이상의 획기적인 발전시스템으로 평가받는 석탄가스화 연료전지(IGFC) 개발, 이산화탄소의 포집 및 저장기술(CCS) 적용 등 다양한 연계기술 접목이 가능하다.
■연계기술 개발 박차
한국형 IGCC 실증사업은 고부가가치 플랜트 시장의 핵심 기술분야로 기술파급 효과가 크다. 300MW급 한국형IGCC 설계·제작·운영기술이 확보되면 최근 에너지 수요가 급격히 증가하고 있는 중국 및 인도 등 아시아시장을 포함한 세계 에너지시장에 고부가가치 플랜트의 수출은 물론 석탄합성가스를 이용한 화학플랜트용 석탄가스화기 및 정제설비 등 관련 플랜트 수출에 일익을 담당할 것으로 기대된다.
서부발전의 관계자는 “차세대 친환경 고효율 발전기술로 칭송받는 IGCC 응용분야가 다양하기 때문에 원천기술을 확보할 경우 전기, 기계, 화공, 소재 등 요소기술뿐만 아니라 종합 엔니지어링 플랜트로서 수출 산업화가 가능하다”라며 “서부발전은 국내 최초의 IGCC 실증플랜트를 건설·운영하는 회사로 정부의 그린에너지 로드맵에 따라 IGFC, CCS, DME, 핵심부품 국산화 개발 등 Hybird IGCC 플랜트 개발에 박차를 가할 것”이라고 밝혔다.
■IGCC시장 및 기술적 장애요인
현재 한국형 IGCC의 성공을 위해 가스화·정제 플랜트 엔지니어링 기술 확보가 중요한 시점이다.
상용급 엔지니어링기술의 자체확보를 위해서는 상당한 기간(20∼30년)과 개발비(1조원 이상)가 소요될 것으로 추정된다.
해결방안으로 지난 2006년 착수된 ‘한국형 300 MW급 IGCC플랜트 실증사업’을 통해 상용급 관련, 상세 설계기술 조기 확보를 추진해야 한다.
이에 가스화 플랜트의 핵심기자재의 자체제작을 위해 국내 중공업업체가 선진사의 Authorized Vendor 자격을 획득하고 동시에 국내 고유모델 개발을 위한 용량격상(Scale up)연구 추진, 단위설비는 전문 Vendor를 이용한 설계 및 제작을 수행하며 해외 Vendor를 활용함과 동시에 핵심 단위설비·공정 국산화를 위한 연구개발 병행 추진이 중요하다.