Special And+ 석탄가스화복합발전(IGCC) 미래를 선도할 10대 청정에너지 기술 석탄가스화복합발전(IGCC) 2014년 5월 한 달 간 우리나라에서 석탄을 이용해 생산한 발전량은 약 1만5,748GW에 달한다. 이는 국내 총 발전량 중 38%에 해당하는 양이다. 특히 유연탄의 경우 kwh당 정산단가가 61.6원에 불과해 원자력(55.4원) 다음으로 경제성이 높은 발전원에 속한다. 그러나 석탄화력의 경우 황산화물, 질소산화물 및 먼지와 지구온난화의 주범으로 꼽히는 온실가스를 배출하고 있어 항상 논란의 대상이 된다. 2011년 기준으로 국내 CO2 배출량 의 약 1/3 정도가 전력분야에서 발생했는데, 이 중 대부분은 석탄화력에서 배출됐다. 즉 환경을 생각하면 비중을 줄여 나가야 하는 것이 맞지만, 경제성 및 효율성을 고려하면 반드시 필요한 발전원이 석탄화력인 셈이다. 이에 비단 우리나라뿐만 아니라 전 세계 전력 산업계에서는 석탄화력의 효율은 높이면서, 온실가스 배출은 줄일 수 있는 기술개발에 적극 나서고 있다. 그 기술 중 가장 현실적이면서 대표적으로 떠오른 분야가 바로 석탄가 스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)이다. 우리나라에서도 IGCC에 대한 관심을 지속적으로 기울여 왔고, 그 노력의 결실로 현재 태안에 국내 최초의 IGCC 실증플랜트를 건설 중에 있다. 현재 IGCC 기술개발은 어느 단계까지 와 있는지, 또 국내외 시장은 얼마나 성장될 것으로 예상되는지 자세히 정리해봤다. 2014 August + 29
Special And + 친환경미래석탄발전원 IGCC 석탄은석유, 천연가스에비해이산화탄소, 황산화물등오염물질이상대적으로많아에너지원으로기피대상이돼왔다. 하지만매장량이풍부하고전세계적으로생산량이편중되지않으며, 또저렴한가격과우수한공급안정성때문에발전연료의 97% 를수입에의존하는우리나라입장에서는지속적으로수요가증가할것으로전망된다. 그러나석탄을사용하는데있어당면과제는단연환경문제이다. 따라서석탄사용이증가함에따라당연히청정석탄이용기술에대한관심도높아지고있다. 이러한분위기를반영하듯, 세계적으로석유화학시대에서석탄화학시대로큰변화가일어나고있다. 그러한변화가운데가장큰주목을받는분야가바로석탄가스화복합발전 (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 이다. IGCC 는고온 고압하에서석탄을산소, 수증기와반응시켜합성가스 (CO+H 2 ) 를생산하고, 이를연료로가스터빈과증기터빈을구동하는복합발전시스템이다. IGCC는기존의석탄화력, 화학플랜트, 복합화력이합쳐진신개념발전방식으로, 기존석탄화력에비해효율은높으면서도공해배출은적어친환경청정발전기술로각광받고있다. 특히싼운영비와큰발전규모로각광받던원전의인기가 2011년일본후쿠시마원전사고영향으로추락하면서온실가스감축을위한방안으로 IGCC 기술이재조명을받고있다. 기후변화대응성장잠재력높아 IGCC 는현재순발전효율이약 42% 로기존석탄화력발전효율 (38~40%) 대비높은수준이다. 향후설비 [ 그림 1] IGCC 발전시스템개요 30 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
석탄가스화복합발전 (IGCC) 의대용량화및고성능가스터빈기술개발시 48 50% 에달하는효율도달성이가능하다는분석이다. 석탄가스화발전을세부적으로살펴보면합성가스생산, 오염가스정제, 정제가스연소단계로이뤄지며, 기존발전설비와달리연료를연소하기전에공해물질을쉽게제거할수있어황산화물, 질소산화물, 먼지를청정연료인 LNG 수준까지줄일수있다. 또한, 기존석탄화력대비물사용량도 20~40% 가량줄일수있는장점이있다. 특히 IGCC는이산화탄소포집설비와연계시기존석탄화력에비해저비용으로이산화탄소를제거할수있어약 15% 의발전단가감소가가능하다. 이러한장점은최근각국정부에서 IGCC 투자를이끄는가장중요한원동력으로작용하고있다. 즉지구온난화의주범인이산화탄소제거비용을포함할경우 IGCC의성장잠재력은매우높다고할수있다. 노후석탄화력대체기술로급부상석탄화력발전의환경성문제를개선하기위해개발되고있는청정석탄활용기술중가장상용화에근접한발전형식으로알려진 IGCC 기술은향후석탄화력발전형식의주류로서실용화가가속될전망이다. 2020년기준으로우리나라전체발전기의 38.9% 가 20년이상, 15.7% 가 30년이상경과되는등발전기가빠르게노후화되고있다. 여기에이산화탄소배출규제강화, 아시아지역의경제성장및노후석탄발전설비대체수요를고려할경우, 2020년이후 IGCC 시장은크게성장할것으로예상된다. 노후석탄발전소를 IGCC로대체시온실가스약 10% 를감축할수있기때문이다. 응용분야무궁무진한고부가가치기술 IGCC 기술이각광을받는데는다양한분야로응 용이가능한고부가가치기술이라는점도한몫을담당하고있다. IGCC 기술의핵심인석탄가스화기술은발전시스템에적용하는것뿐만아니라합성가스인대체천연가스 (SNG), 청정연료 (DME), 수소등을생산할수있다. 현재국내에서도포스코가전남광양에연간 50만톤생산규모의 SNG플랜트를건설중에있다. 또한, 암모니아, 메탄올, 요소, 비료등화학원료를생산하는기술로확대되고있는데 ( 중국은석탄화학플랜트약 30여기운영중 ), 전기생산과다양한연료및원료를동시에생산하는병산 (Polygeneration) 시스템을구축할경우비용절감과에너지전환효율을향상시킬수있다. 더나아가석탄액화 (CTL) 플랜트와연계해액체연료를생산할수있어석유대체도가능하다. 아울러합성가스를연료전지에공급해전력을생산하는석탄가스화연료전지 (IGFC) 개발, 이산화탄소의포집및저장기술 (CCS) 개발등다양한연계기술과의접목이가능하다. 국내최초 IGCC 실증플랜트건설중 IGCC 기술은최근들어갑작스럽게제기되고있는기술은아니다. IGCC 기술은 Shell, GE, Uhde, Conoco-Phillips, 미쓰비시중공업등선진국특정업체만이보유한원천기술로이들업체는각국정부주도로이미약 30년전부터수조원의개발비를들여연구개발과정을거쳐현재실증플랜트를상용화했다. 우리나라도정부주도로선진국과의기술격차를줄이고자 1990년대초반부터정부의 G7 프로젝트일환으로 IGCC 상용화를위한연구소중심의기초연구를진행해왔다. 그러던중국내에서 IGCC가본격화된것은 2006 년부터다. 정부는 IGCC 기술의조기정착과설계 운영기술의자립을통한수출상품화육성을목표로 2014 August + 31
Special And + 산업부 ( 에너지기술평가원 ) 총괄주관 ( 한국서부발전 ) 운영위원회 세부 1 과제 세부 2 과제 세부 3 과제 과제명 실증가스화플랜트종합설계, 자립기술개발 IGCC 실증플랜트종합설계 제작, 건설기술개발 IGCC 실증플랜트운영기술개발 연구기관 두산중공업 한국서부발전 현대중공업 참여기관 에기연, 성균관대부산대, 영남대 현대중공업, 고기원, 에기연, 홍익대, 수원대, 아주대 발전 5 사, 서울대한양대, 한밭대, 인하대 연구목표 가스화플랜트설계기술 핵심기자재설계 / 제작 IGCC 설계 / 건설, 실증운전 가스화기 Test-Bed 개발 운전감시시스템개발 연소최적화기술개발 시뮬레이터개발 [ 그림 2] 국내 IGCC 실증사업추진체계 2006년 14차과학기술관계장관회의와제4차국가에너지자문회의에서 한국형 IGCC 실증플랜트기술개발사업 을의결하고같은해 12월부터본격추진하기시작했다. 1단계 (2006~2010 년 ) 에서는기술개발및기본설계를완료했고, 2단계 (2011~2016 년 ) 에서는 300MW 급실증플랜트건설을진행하고있다. 2015년말에태안화력발전소에준공할예정인 IGCC 실증플랜트는국내최초, 세계적으로는 7번째건설되는 300MW급상용화플랜트이다. 태안 IGCC 사업은산업통상자원부의지원하에한국서부발전, 두산중공업, 현대중공업이세부주관기관으로주도하고있으며, 여기에국내 20여개연구기관, 대학, 기업등이참여해범국가적인기술개발을추진하고있다. 태안 IGCC 사업의경우총공사비약 1조4,000 억원, 연인원 29만명이투입되는초대형국책과제로, 올해 5월말기준으로건설공정률 80% 를달성한상태다. 건설을주관하고있는서부발전은올 6월 30일수전 ( 水電 ) 을시작으로 2015년 6월종합시운전, 11 월준공을목표로추진중에있다. 그리고준공후 1 년간의실증운전을통해운전기술을확보하고 한국형 IGCC 표준모델 개발을완성한다는계획이다. 연계기술개발도박차한국형 IGCC 실증사업은고부가가치플랜트시장의핵심기술분야로기술파급효과가크다. 300MW 급한국형 IGCC 설계 제작 운영기술이확보되면최근에너지수요가급격히증가하고있는중국및인도등아시아시장을포함한세계에너지시장에고부가가치플랜트수출은물론, 석탄합성가스를이용한화학플랜트용석탄가스화기및정제설비등관련플랜트수출에도일익을담당할것으로기대된다. 32 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine
석탄가스화복합발전 (IGCC) [ 그림 3] 태안 IGCC 실증플랜트내부모습 차세대친환경고효율발전기술로칭송받는 IGCC 의경우응용분야가다양하기때문에원천기술을확보할경우전기, 기계, 화공, 소재등요소기술뿐만아니라종합엔지니어링플랜트로서수출산업화도가능하다. 이에따라국내최초의 IGCC 실증플랜트를건설 운영하는서부발전은정부의그린에너지로드맵에따라 IGFC, CCS, DME, 핵심부품국산화개발등 Hybrid IGCC 플랜트개발에도박차를가한다는방침이다. 인터뷰한국서부발전태안건설본부김용학 IGCC 건설처장 IGCC는국내최초로시공하는설비이다보니참고자료가부족했습니다. 무엇보다기존의발전소보다기기도많고용어도생소해초기에는어려움이많았습니다. 하지만소통, 협업, 직원과협력사간합의등을이끌어내난관들을모두극복해나가고있습니다. 국내최초의 IGCC 실증플랜트건설을총괄해진두지휘하고있는한국서부발전태안건설본부 IGCC건설처김용학처장. 수십년간발전플랜트의운영과건설을통해많은경험을갖고있는그였지만시행과정에서상당한어려움을겪었다고한다. 사실발전소의경우각설비들을어떻게배치하느냐에따라경제성과운영능력이결정됩니다. IGCC 플랜트의경우최초설비이다보니당연히배치도조차없었습니다. 기존발전설비와부지를고려하고운영능력을최대한살려기기를배치해설치시공을했고, 현재시운전준비까지마친상태입니다. 그과정에서시행착오를최소화하기위해건설참여자들과함께 J FIT* 사업추진전략을만들어낸것이죠. 특히, 김처장은화학과발전의복잡한공정이기에타건설사업과동일한건설계획을갖고는최상의안전과품 질을기한내달성하기어렵다고판단했다고한다. 여기서김처장의건설노하우가빛이났다. 2014 August + 33
Special And + 그동안의노하우를바탕으로우선선순환구조의 JP(Job Process) 를구축하고, FL(Front Loading) 기법으로 2,700여개공정을 176개의공정으로농축해 13개로트레인화했습니다. 즉업무를단순화하고여기에 IO(Image Operation) 기법을통한공정논리를구성 종합화해모든구성원들이공유하도록함으로써물흐르듯담당자들이공정을이해할수있도록한것입니다. 이를통해 FL차트상에서각공정들을 Small Step으로쉽게파악하고단기완성할수있는환경을구성해전체에미치는영향을최소화하는업무시스템을구축했다고한다. 이로서모든문제가사전에노출되도록하고이를미리해결함으로써효과적으로추진할수있었다는것이김처장의설명이다. 특히각공정별로키맨 (Key Man) 을지정, 이들이현장에서직접업무를주관하도록했고 KMD(Key Man Discussion) 기법을통해사전에노출된문제점을현장에서결정토록했습니다. 현장에서의공정과안전상황을 SNS를통해공유하고이를보고로갈음함으로써신속한업무수행이가능하게된것입니다. 즉김처장은업무프로세스를단순화하고, 현장결재체계와온라인업무공유로보고서를대체하는기법을개발해업무다이어트를실현하는등현장중심의경영모델을제시해정착시킴으로써복잡한 IGCC 플랜트건설을계획대로추진할수있었다고강조했다. 아울러최근사회적으로이슈가되고있는안전문제에있어서도현장에서실질적으로작동되는신개념업무시스템을개발해추진하고있다고한다. 안전관리에있어서도관리감독강화보다는적은자원으로업무생산성을혁신적으로향상시킨 B+MAGIC 을기본으로, 그기본에충실한 BASIC 안전관리전략을바탕으로한신개념의안전관리시스템을개발함으로써건설현장참여자스스로만들어가는유기적시스템을정착시켰습니다. BASIC 은 B+MAGIC( 현장실천 ) All in One( 단일조직 ) Sealing( 누설방지 ) Iris( 반드시즉시 ) Centering( 지휘체계 ) 의앞자를딴것으로태안 IGCC 건 설사업의안전관리전략을총괄지칭하는단어이다. 관습에젖은건설현장의인식을새롭게전환하고스스로안전수칙을지켜나갈수있도록시스템을개발해추진전략을수립했고, 또이를현장내에체질화하도록설득과인내로합의를이뤄역동적으로공사를추진하고있습니다. 이를통해건설현장에서갑 을구분없는일체감분위기를조성, 건설을추진하는데있어이시대가요구하는실질적현장리더십을유감없이발휘하고있다는것이김처장의설명이다. 김처장은내년 1월 1일가스터빈병입, 6월 1일 IGCC Start-Up, 11월 1일준공을목표로최선을다하고있다고밝혔다. 물론그과정에서도수많은변수들이발생할것으로김처장은예상하고있다. 하지만지금현장에서추진하고있는독창적신개념시스템들을바탕으로차질없이진행해나갈수있다는점역시김처장이예상하는바다. 최근세계적기업 SHELL사로부터해외사업러브콜을받은상황으로, 이는직원들에게앞으로의새로운비전을제시했다는점에서의의가있다는생각합니다. J- FIT 전략중마지막 TOP Record 기법으로사업진행의전과정을기록해향후해외사업추진시실행경험자료로제시해활용한다는방침입니다. 끝으로김처장은국내최초로시행되는사업인만큼자부심과긍지를갖고, 처음이지만최고가될것이라는 First to the Best 의정신으로명품 IGCC 발전소건설에열정과정성을다하겠다고당찬포부를밝혔다. *J-FIT : Just Fit 은주어진목표를달성하기위해개발된업무추진전략으로 선순화업무시스템인 Job Process 착수전모든과정을담은실행프로세스인 Front Loading 사업추진과정요소를 Image 화하고 Image 대화 (Operation) 를통한사전 Simulation 과정인 Image Operation 사업착수부터모든실행과정기록으로남기는 TOP Record 를합친개념이다. 34 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine