《2016 신년 기획- 기술이 에너지다①》
[한국에너지신문] 세계 경제의 저성장 기조와 글로벌 환율 전쟁 등으로 세계경제 침체가 장기화되면서 많은 기업들은 ‘첨단 기술’로 돌파구를 찾으려는 노력에 박차를 가하고 있다.
두산중공업(대표이사 부회장 박지원)은 최근 에너지 업계의 트랜드인 친환경, 고효율의 차세대 화력발전 기술 ‘초초임계압(USC) 1000MW 화력발전’과 ‘석탄가스화 복합발전(IGCC)’ 을 필두로 시장확대에 나서고 있다.
초초임계압 화력발전으로 고효율 친환경 실현
두산중공업은 지난 2013년 1000MW급 신보령 화력발전 보일러/터빈 등 주기기를 수주한 것을 시작으로 지난 4월 강릉안인화력 보일러/터빈, 11월 신서천화력 터빈, 12월 고성하이화력 보일러/터빈을 잇따라 수주하는 성과를 거두었다. 한편, 지난 11월에는 1000MW급 삼척 석탄화력발전 주기기 보일러/터빈 우선협상대상자로 선정된 바 있다.
1000MW 초초임계압 화력발전소는 동일한 양의 화석연료로 더 많은 전기를 생산하고 이산화탄소와 황산가스, 질산가스 등 유해물질 배출이 적은 고효율, 친환경의 첨단 발전설비다. 석탄화력발전시장이 점차 대형화 고효율화 하는 추세와 더불어 세계 대부분 국가들이 환경 규제를 강화하고 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 노력을 하고 있으며 1000MW 초초임계압 화력발전소는 더욱 각광받을 전망이다.
이 발전플랜트의 이산화탄소 배출량은 기존 780g/㎾h에서 10% 정도 개선된 710g/㎾h으로 감소하며, 이산화황도 기존보다 0.2g/㎾h이 덜 나오는 등 친환경적 가치를 높였다. 또한 두산중공업의 USC가 갖춘 발전효율은 44.4%로 일본 경쟁사 보다 0.2% 정도 높다. 발전 규모를 늘리려면 기존보다 더 고온•고압의 증기를 보일러에서 만들어 터빈으로 보내야 하는데, 이런 고온•고압의 증기를 설비가 견딜 수 있도록 소재를 교체한 것이다.
두산중공업은 지난 2002년부터 ‘초초임계압(USC) 1000MW 석탄화력발전시스템 개발’ 국책과제에 참여해 2008년 국내 독자 모델 개발에 성공했으며, 2010년 한국중부발전과 ‘1000M급 한국형 초초임계압(USC) 화력발전 상용화 기술개발 공동추진 협약’을 맺고 신보령 1,2호기를 건설중이다. 그 동안 미국, 일본 등 선진 업체들만 제작이 가능했으나, 두산중공업이 국산화 실적을 확보함에 따라 국내는 물론 해외 시장 진출도 가능하게 됐다.
국내의 제6차 전력수급기본계획에 의하면 향후 2027년까지 총 29.6GW의 신규 발전설비를 건설할 예정이며 이 중 신규화력 발전설비 규모는 15.3GW로 전체의 절반이 넘는다. 이 중 10GW 이상이 초초임계압(USC)급으로 최소 10기 이상 건설을 계획하고 있어, 시장전망이 밝다.
두산중공업 관계자는 “국내에서 발주되는 초초임계압 발전소를 연속으로 수주한 결실은 지난 10여년간 정부와 함께 추진해 온 1000MW급 대형 화력발전소 국산화 성공과 함께 우리나라 발전산업에 있어서도 의미가 크다” 면서 “향후 동남아 등 해외 시장에 1000MW 모델을 수출할 수 있는 발판을 마련했다”고 밝혔다.
석탄가스화 복합발전으로 석탄화학 시대 선도
두산중공업의 두번째 신성장 동력은 최근 청정석탄 이용기술의 핵심으로 떠오르는 석탄가스화 복합발전(IGCC)이다. 석탄은 석유, 천연가스에 비해 이산화탄소, 황산화물 등 오염물질이 상대적으로 많아 에너지원으로 기피대상이 되어 왔으나 매장량이 풍부하고 전 세계적으로 생산량이 편중되지 않으며 저렴한 가격과 우수한 공급 안정성 때문에, 발전연료의 97%를 수입에 의존하는 우리나라에서는 지속적으로 수요가 증가할 전망이다. 따라서 석탄 사용이 증가함에 따라 청정석탄 이용기술을 개발하기 위해 우리나라도 많은 노력을 하고 있으며 세계적으로 석유화학시대에서 석탄화학시대로 큰 변화가 일어나고 있다.
IGCC는 고온·고압 하에서 석탄을 산소, 수증기와 반응시켜 합성가스(CO+H2)를 생산하고 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 원전 사고의 영향으로 추락하면서 온실가스 감축을 위한 IGCC 기술이 재조명을 받게 된 것이다.
한국형 IGCC 실증플랜트 기술개발은 정부 주도하에 추진되는 신재생에너지기술개발사업으로 한국서부발전, 두산중공업, 현대중공업과 국내 연구기관, 대학 등이 참여하는 국내 최대 규모의 국가 연구사업이다. IGCC 기술은 쉘(Shell), GE, 우데(Uhde), 코노코 필립스(Conoco-Phillips), 미쓰비시중공업 등 선진국 특정업체만이 보유한 원천기술로 이들 업체는 각국 정부주도로 약 30년 이상 수조원의 개발비를 들여 실증플랜트를 현재 상용화 중이다.
한국서부발전이 2011년 시작해 2015년 말에 태안화력발전소에 준공할 예정인 IGCC 실증플랜트는 국내 최초로 건설되는(세계적으로 7번째) 300MW급의 상용화 플랜트이다. 태안 IGCC는 총 공사비 약 1조 3천억 원, 연인원 29만명이 투입되는 대규모 공사로 올해 9월말 기준 건설공정률 98%를 달성하였다. 한국서부발전 관계자는 “2014년 7월 수전(水電), 2015년 6월 종합시운전, 11월 준공을 목표로 추진 중에 있으며 준공 후 1년간의 실증운전을 통해 운전기술 확보하고 ‘한국형 IGCC 표준모델’ 개발을 완성할 계획이다.”라고 밝혔다.
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 이루어지며 기존 발전설비와 달리 연료를 연소하기 전에 공해물질을 쉽게 제거할 수 있어 황산화물, 질소산화물, 먼지를 청정연료인 LNG 수준까지 줄일 수 있다. 기존 석탄화력 대비 물 사용량도 20～40% 가량 줄일 수 있는 장점이 있다.
특히 IGCC는 이산화탄소(CO2) 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.
석탄화력발전의 환경성 문제를 개선하기 위하여 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 CO2 규제 강화, 아시아지역의 경제성장 및 노후 석탄발전설비 대체 수요를 고려할 경우, 2020년 이후로 IGCC 시장이 크게 성장할 것으로 예상된다. 노후 석탄발전소를 IGCC로 대체시 온실가스 약 10%가 감축이 가능하다.
한국형 IGCC 실증사업은 고부가가치 플랜트 시장의 핵심 기술분야로 기술파급 효과가 크다. 300MW급 한국형 IGCC 설계·제작·운영기술이 확보되면 최근 에너지 수요가 급격히 증가하고 있는 중국 및 인도 등 아시아 시장을 포함한 세계 에너지시장에 고부가가치 플랜트의 수출은 물론 석탄합성가스를 이용한 화학플랜트용 석탄가스화기 및 정제설비 등 관련 플랜트 수출에 일익을 담당할 것으로 기대된다.
또한 두산중공업은 전기 생산-운반-소비 과정에 정보통신기술(ICT)을 접목해 전력 이용 효율을 높이는 지능형 전력망 시스템인 스마트그리드 사업에도 진출했다. 두산중공업은 지난 9월 산업통상자원부 산하 한국스마트그리드사업단이 주관하는 ‘2015 스마트그리드(Smart Grid) 보급 지원사업’ 가운데 에너지저장장치(이하 ESS, Energy Storage System) 분야 주관사업자로 선정됐다고 밝힌 바 있다.
초임계 이산화탄소 발전 신기술 상용화 도전
두산중공업은 고온고압의 증기로 발전소 주기기인 터빈을 구동하는 기존의 발전설비와 다르게 이산화탄소를 가열해 터빈을 구동하는 초임계 이산화탄소 발전기술 상용화에도 박차를 가하고 있다. 두산중공업은 세계 최초로 7MW급 초임계 이산화탄소 발전설비 실증시험에 성공한 이 분야에서 선두주자로 꼽히는 미국 에코젠 사와 ‘초임계 이산화탄소 폐열회수 발전설비 기술 협약’을 체결했다.
초임계 이산화탄소 발전기술은 고효율, 발전설비 소형화 등의 장점을 가진 차세대 발전기술로 꼽히고 있으며, 선진국을 중심으로 상용화 경쟁이 치열하게 펼쳐지고 있다.
기존의 발전설비는 고온고압의 증기로 발전소 주기기인 터빈을 구동하는 방식이다. 하지만 초임계 이산화탄소 발전기술은 이산화탄소를 가열해 터빈을 돌리는 방식이다. 이산화탄소는 증기에 비해 낮은 온도와 압력으로도 초임계 상태에 도달하는 특징이 있어 이산화탄소를 사용하게 되면 에너지 효율이 높아진다.
주요 설비의 소형화가 가능해 발전소 건설비용이 적게 들고, 수분으로 인한 터빈 부식이 없어 내구성이 강하다. 두산중공업은 이 기술로 매년 100억원 이상의 매출 달성을 목표로 하고 있다. 초임계 이산화탄소 발전기술은 특히 폐열을 활용할 수 있는 시멘트, 철강 등 산업 플랜트 발전설비용으로 각광받고 있다. 플랜트에서 나오는 폐열은 온도가 높지 않아 버려지지만, 이 기술을 이용하면 발전용으로 활용할 수 있다.
