석탄에너지이용기술과시장동향 석탄에너지이용기술과시장동향 1. 전세계석탄화력시장전망 이현동한전전력연구원책임연구원 최근중국과인도및동남아시아를비롯한비 OECD 개도국의급격한경제성장으로인한에너지수요는전세계적인에너지수요증가를주도하고있으며, 향후에도지속적인증가가예상된다. 이에따라석유와석탄을비롯한 1차에너지자원의수요가급증하고있는상황이다. 특히 1차에너지자원의거의전량을수입에의존하고있는우리나라의경우지속적인에너지수입비용증가로인한경제적압박이예상된다. 참고로 World Coal Association 의자료에따르면우리나라는 2012년기준으 2014 April + 45
로 125Mt의석탄을수입, 전세계석탄수입국가중 4위를기록하고있다. GAS Coal Renewables Oil Nuclear 500 1000 1500 2000 2500 3000 (Mtoe) 1987-2011 2011-2035 출처 : 2013 World Energy Outlook, IEA [ 그림 1] 총 1차에너지수요현황및전망전세계석탄화력발전용량은 2010년 1,649GW 규모에서 2030년 2,127GW 규모로성장할것으로예상된다. 향후석탄화력발전의견인요인으로는전기수요의증가, 노후발전소의해체, 천연가스가격의변동성, 발전기술의진보, 풍부한석탄매장량, 저렴한가격등이있다. 반면, 저해요인으로는환경보호정책, 대체연료에대한선호도상승, 석탄의가격변동성, 경제위기이후의자금조달의어려움, 환경세및탄소세등의불확실성등을들수있다. 최근미국의셰일가스개발붐에따른미국내석탄수요감소로인해미국산석탄의수출물량이증가하면서국제적으로석탄가격의하락현상이나타나고있다. 하지만석탄은현재에도전세계적으로주요에너지자원중그비중이가장높은대표적인에너지자원이다. 특히, 전력생산분야에있어서는그비중이약 40% 이상유지하고있고, 향후에도지속적으로높은비중을유지해나갈것으로예상되고있다. 2. 국내석탄화력발전전망제6차전력수급기본계획에따르면우리나라의전력소비는계획기간 (2013~2027년) 동안연평균 2.2% 씩증가하여 2027년에 65만5,305GWh 에이를것으로예측되었다. 또신규설비및건설중인확정설비를포함하면 2013~2027년기간동안 5만 923MW( 원전 11기, 석탄 25기, LNG 21기 ) 건설에약 70조원이소요될전망이다. 이중석탄화력발전설비에투자되는투자비는 28 조원가량이며, 신규반영된물량만 12조원규모이다. 또한, 제5~6차전력수급기본계획상발전설비투자계획에따라민간발전사업자들이추진하는프로 (GW) (%) 140 35 120 100 80 60 16.3 21.2 26.2 27.9 25.1 26.9 29.4 29.4 28.3 26.5 24.0 23.3 21.8 21.9 55 19.1 22.1 16.7 30 25 20 15 40 10 20 0 5.5 7.4 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 5 0 출처 : 석탄화력발전시장전망, 한국과학기술정보연구원 [ 그림 2] 제 6 차전력수급기본계획에따른전력수급전망 46 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
석탄에너지이용기술과시장동향 Carbon Capture & Storage Preparation of Ash Free Coal(Ultra Clean Coal, Hyper Coal) Coal Advanced Combustion Technology Coal Gasification & Liquefaction Super/Ultra-Supercritical Power Stations with Capture of CO2 through Oxy-fuel Combustion or Post-Combustion CO2 Capture Advanced Fluidized Bed Technologies that Reduce Emissions More Efficient Use of Lower Grade Coal IGCC including with carbon capture and storage(ccs) Chemical Plants with Pure CO2 for Capture Efficient Use of Lower Grade Coal Upgrading Partial Gasification Drying Demineralization Char Combustion Chemical Plant 출처 : Asia Pacific Partnership, Clean Fossil Energy Working Group(2007) [ 그림 3] 석탄이용기술관련주요 Theme 젝트는 LNG 복합화력 5개, 석탄화력발전 6개로이들 11개프로젝트의총투자예상금액은약 23조원에달하며, 발전프로젝트파이낸싱형태의자금조달은약 16조원에이를것으로예상된다. 3. 석탄화력신기술동향석탄을이용하는전통적인방법은석탄을직접적으로연소시켜이때발생하는화학적인연소열을활용하는기술이었다. 그러나최근에들어와석탄에대한물리화학적인다양한연구결과를기반으로석탄을채광에서부터연소전건조및슬러리화, 가스화, 액화등을통한다양한방식으로의응용을위한연구들이실험실적인기초연구를벗어나실제현장에실증화되는기술로서구현되고있다. 따라서석탄화력발전기술이라함은석탄을연소시켜전력을생산하는전통적인방식의기술에서부터석탄의건조및개질기술, 효율적인석탄연소를 위한연소기개발기술등종합적인기술을아우르는상당히다양하고복잡한복합기술로볼수도있을것이다. 현재의에너지산업, 특히석탄을주연료로사용하는전력산업의핵심적인이슈는고효율친환경 (High-Efficiency, Low-Emissions) 의청정석탄발전기술 (CCT, Clean Coal Technology) 로압축할수있다. 고효율발전기술로는초임계 (SC, Supercritical) 및초초임계압 (USC, Ultra-Supercritical) 기술, 석탄가스화복합발전 (IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle) 기술, 차세대초초임계기술 (A- USC, Advanced-USC), 암모니아및유기랜킨사이클과같은혁신적인고효율기술들이있다. 본고에서는이러한다양한기술중에서현재전세계적으로실증설비를통한기술개발이적용되고있는 IGCC, USC 및순산소연소 (Oxy-PC) 기술분야에대하여간략하게소개하고자한다. 2014 April + 47
diluent nitrogen 5300 TPD saturator H 2 O+CO 2 to acid plant cold box cooling water acid gas removal air dryer coal 2500 TPD product compressors 20MW main air compressor 30MW rod mill oxygen 2100 TPD raw syngas water scrubber flyash and water clean syngas COS H 2 S hydrolysis saturated steam 1600 psig clean stack gas pump air filter combustion turbine generator 190 MW generator 120 MW steam 55 psig water and recycle fines pump slag and water lockhopper economized boiler feed water condensate pump condenser cooling water [ 그림 4] IGCC 공정도 4. IGCC 기술 IGCC는석탄, 중질잔유, 석탄을고온 고압하에서가스화시켜일산화탄소및수소가주성분인가스를제조 정제한후, 이것으로가스터빈을구동하고배가스열을이용하여증기터빈을구동하는고효율발전기술이다. IGCC 시스템은기존의석탄을이용한발전보다효율이높고직접연소발전에비해황산화물 90% 이상, 질소산화물 75% 이상, 이산화탄소 25% 이상 (CO 2 배출량 : 750~780g CO 2 /kwh) 저감할수있고고형폐기물의배출량또한 50% 이하로저감할수있는장점이있어가장환경친화적인석탄발전기술로여겨지고있다. 초기투자비가높고설비구성이복잡한단점이있으나, 발전연료가석탄이라는점에서석유나천연가스보다가격이저렴하고석탄뿐만아니라폐기물, 바 이오매스, 잔사유등의적용이가능한장점이있다. 기후변화협약등선진국의환경규제강화추세와개발도상국들의전력수요급증, 노후화된기존석탄발전설비의대체수요등에따라 IGCC 시장은급격히성장하여 2030년까지전세계적으로 100~ 400GW의거대시장을형성할것으로보인다. IGCC 플랜트는현재전세계적으로 14기 (5기상업운전 ) 가운전중이다. 중국 (GreenGen), 호주 (Zero- Gen) 및미국 (FutureGen) 은정부지원하에 IGCC와 CCS를연계하는프로젝트를진행중이며, 유럽국가들은 IGCC 플랜트건설에집중하는추세이다. 이런가운데우리나라도산업통상자원부와에너지기술평가원이전담하는국책기술개발과제로한국서부발전이총괄주관을맡아, 2016년 7월실증운전을거쳐한국형 IGCC 표준모델을개발하는것을목표로진행되고있다. 범국가적으로추진되고있는이과제에는발전5사, 두산중공업 현대중공업등민간 48 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
석탄에너지이용기술과시장동향 기업, 고등기술연구원, 에너지기술연구원, 국내주요대학등총 20개기관이참여하고있다. IGCC 가스화공정은향후 CCS, 차세대발전 (IGFC 등하이브리드형태의발전기술 ), CTL, 청정합성연료 (DMS, SNG, 수소생산등 ) 및화학연료생산등다양한분야로연계 ( 확장 ) 가능한미래청정석탄이용분야의핵심기술로기계, 화공, 공조, 전기, 소재등산업전반의종합엔지니어링플랜트로서요소기술및플랜트수출산업화가가능할것으로예상된다. 5. USC 기술 USC 기술은고온, 고압증기를사용하여기존석탄화력발전에비해효율향상과용량을증대시킨고효율 / 대용량발전기술을말하며, 일본과유럽의독일등소수의한정된국가만이핵심원천기술을소유하고있는고부가가치기술이다. IGCC와기타신재생에너지등경쟁기술에비해건설비용, 전력생산비용과운영비등경제성과발전효율측면에서충분한경쟁력을확보하고있다. 이에따라에너지가격의급등과온실가스배출규제에당면한화력발전산업에있어향후 20~30년간가장현실적인대안으로판단되고있다. 일본과유럽은정부주도혹은국가연합공동으로 1990 년대후반 RD&D 를통해 600 급 USC 석탄화력발전플랜트를상용화하여상업운전중에있다. 최근해외에서건설중인 USC 발전소는대부분 600 이상, 1,000MW 급으로대용량, 고효율화를추구하고있다. RD&D를통해 600 급 USC 기술의상용화에성공한일본과유럽등발전선진국들은이를확대적용해 CO 2 배출을줄이는고효율친환경기술에국가기술역량을집중하고있으며, 최근에는미국과유럽을중심으로증기온도 7 0 0 이상의 A - USC(Advanced Ultra Super Critical) 개발프로그램들이진행되고있는실정이다. 국내의경우현재가동중인최고효율의발전소는 500MW, 566 /593 급으로 2002년부터 2008년까지 6년에걸쳐정부지원 R&D를통해 610 급 USC 석탄화력발전설계기술을개발완료한상태이며, 정부의지원아래차세대화력발전융 복합기술개발과실증플랜트건설 운영을통해수출전략형 1,000MW USC 석탄화력발전플랜트의상용화개발이진행중에있다. 1,000MW USC 석탄화력발전기술은일본, 유럽등발전선진국의발전기술과비교해도동등수준이상의발전기술로국내석탄화력발전수준을기술종속국에서기술선도국으로위상을제고할수있는기술이다. 특히현재상업운전되고있는외국의 600 급발전플랜트에비해발전효율과용량등발전설비운영의경제성이우수하고, 동시에가격및기술경쟁력을확보할수있을것으로예상된다. 발전소명칭 ( 국가 ) 용량 (MW) [ 표 1] 1,000MW USC 발전효율비교 증기조건 ( 압력 / 주증기 / 재열증기 ) (kg/cm2/ / ) Net Thermal Efficiency(%) Tachibanawan #1, 2( 일본 ) 1,050 256/600/610 42.1 Tanners Creek #4( 미국 ) 580 246/538/552/566 39.8 Niederaussem K( 독일 ) 1,000 278/580/600 42~43 USC 화력발전플랜트 ( 한국 ) 1,000 265/610/621 Min. 44 출처 : Power Clean R.D&D Thematic Network(EU) 2014 April + 49
Power Generation Air N 2 ASU (Air Separation Unit) Air Coal In-furnace denox/desox OFO/ Reburn Steam Steam turbine Generator Filue gas treatment NO need of Flue Gas Treatment System CPU Stack No Stack O 2 Wet FGR Dry FGR CO 2 CO 2 and/or H 2 O Geological Storage Ocean Storage [ 그림 5] IGCC 공정도 6. 순산소연소 (Oxy-PC) 기술순산소연소는공기에서질소를분리해내고순산소를통해연료를연소한뒤이산화탄소와수증기가주성분인배가스에서수증기를분리하여이산화탄소를회수하는기술로, 이산화탄소회수기술의 3가지분류중에서연소중포집기술에해당한다. 순산소연소에의한이산화탄소회수법은기존발전소에적용이가능하며, 2020년까지상업적용을위해기술개발이전세계적으로활발하게이루어지고있다. 순산소연소는질소분리를위한전력소모가많고발전효율을약 10% 내외로저하시키는단점이있는것으로알려져있지만, 저등급의연료를사용할수있고노내 ( 연소실내부 ) 탈황및탈질이가능하여후처리설비를위한비용을줄일수있으며발전소내이산화탄소회수를위해필요한별도의공간이작은장점을가지고있다. 현재실증이진행되고있는가장큰규모의과제는일본과호주가공동으로호주에서진행하고있는 Callide A(30MW) 과제와스웨덴전력회사인 Vattenfall 이독일의 Shwarz-Pumpe 에서진행하고있는과제를들수있다. 이들과제는모두미분탄보일러에적용하는과제이며, CFB 보일러에적용하고자하는과제는현재스페인에서 CIUDEN 프로젝트로계획하여진행하고있다. 국내에서도순산소연소를통한이산화탄소회수기술에대하여 2006년부터연구가수행되었는데, 실증규모의과제가본격적으로시작된것은 2007년으로한국남동발전에서운영하고있는영동화력 1호기 (125MW 급 ) 에순산소연소를적용하기위한연구가한전전력연구원및한국남동발전을중심으로시작되었다. 순산소연소기술은이산화탄소회수에있어핵심적인역할을할기술로전세계적으로실증및상용화에대한검토가진행되고있다. 앞으로이러한추세는계속될것으로보이며 2020년까지상용화가되어이산화탄소의대량감축이이루어지기위해서는이산화탄소의저장소확보, 저렴한산소생산기술및 50 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
석탄에너지이용기술과시장동향 USC 석탄화력발전을포함한고효율발전기술의뒷받침이필요할것으로보인다. 7. 맺음말석탄화력발전기술은기저부하용으로지속적으로수요가증가될것으로전망되며에너지위기관리와환경문제해결을위해고효율, 친환경의경제성을갖춘대용량화의방향으로기술개발이진행될전 망이다. 전세계적인기술개발추세에발맞춰국내에서도활발한연구및실증사업이진행되고있으나더욱심화되는경쟁구도가운데최신기술의개발및특허경쟁력면에서해외선진국에비해다소낮은것이사실이다. 향후보다효율적인기술을통해시장에지속적으로진입하기위해서는정책적인뒷받침과함께관련연구개발이절대적으로필요할것으로판단된다. 참고문헌 1. World Coal Association(http://www.worldcoal.org), 2012 2. 에너지원별전력수요전망및시사점 ( 산업리스크분석보고서, Vol. 2012-P-1), 한국수출입은행, 2012 3. 해외플랜트수주동향과전망 ( 산업동향리포트 ), 한국정책금용공사, 2012 4. 차세대화력발전상용화기술개발 ( 기획보고서 ), 지식경제부, 2008 2014 April + 51