석탄화력발전소에 대한 CO2 규제 추이와 대응 방향
[한국에너지신문] 한국과 같이 에너지 부존자원이 없고 특히 반도 국가로 전기를 외국에서 구입할 입장도 아닌 경우에는 적어도 2030년까지는 석탄이 주된 전기 생산 원료가 될 수밖에 없다. 셰일가스 대량 생산에 힘입어 미국과 캐나다 등 일부 국가에서 천연가스 시대가 열리고 있지만, 국내에 가격 측면에서 영향을 미치기 위해서는 지난한 과정이 기다리고 있다.
올해 발표된 제6차 전력수급기본계획에서 석탄화력발전 비중이 높은데 대해 환경부가 이의를 제기하는 사례와 같이 전 세계적으로 석탄화력에서 CO2 저감은 이미 대세로 굳어지고 있다. 단지 어떤 가격과 어느 시기에 시작될지만 미정인 상태이다.
석탄에서 전기를 생산하는 과정에서 발생하는 CO2를 저감하는 추세는 이미 미국 캘리포니아주와 플로리다주에서 시행되고 있고, 이러한 추세는 미국, 유럽을 시작으로 OECD 국가들은 따라야 하는 국제규범으로 진행되는 현실을 분명해 보인다. 한국은 OECD 국가에 속해 있고 GCF 까지 유치한 입장에서 석탄발전에서 CO2 저감은 필수적인 요소가 될 추세이다.
미국은 셰일가스가 대량으로 싸게 공급되는 등의 요인으로 2011년도에 이전 대비 4% 대의 실질적인 CO2 발생량 감소가 있었다고 보고되고 있다. 미국은 전기 생산의 50%가 석탄에서 이루어지고 석탄화력에서 발생하는 CO2 저감이 현실적으로 가능하지 않아 기후변화협약에 지금까지는 매우 미온적으로 대처해왔지만 셰일가스 생산에 힘입어 전기 생산에 석탄 비중이 작아지게 되고 CO2 저감이 큰 비용을 추가로 들이지 않고도 이룰 수 있다는 자신감만 생기면 미국도 언제 표변할지 모른다. 세계 CO2 배출량 1, 2위인 중국과 미국이 기후변화협약에 지금 미온적이라고 해서 이들 나라들이 준비에 소홀히 하는 게 아님에 유념해야 한다. 자국 기술과 상황이 세계 차원에서 CO2 규제가 되어도 경쟁력이 있다고 판단하는 시점 이후는 지금과는 전혀 다른 파라다임이 전개될 수 있다.
석탄화력발전소에서 발생하는 CO2 양은 500 MW급 1기에서 1년에 대략 300만톤의 CO2가 발생한다. CO2로부터 천연가스, 플라스틱을 만드는 기술이 개발되고 있기는 하지만 실제 사용되는 CO2 양은 많지 않다, 석탄발전에서 발생하는 양을 현재나 적어도 수십년 내 예상되는 기술로는 처리나 변환이 불가능하기 때문에 할 수 없이 지하에 저장하자는 개념이 도입되게 되었다. 그러다가 원유나 천연가스 채굴에 스팀이 사용되는데 이를 CO2로 바꾸어 사용하니 원유나 천연가스의 채굴율이 5-15% 증가함을 발견하고는 EOR (Enhanced Oil Recovery) 사업에서 다량이 CO2가 필요하게 되어 CCS(Carbon Capture & Storage)가 경제성 있는 사업으로 부각되게 되었다.
-석탄화력 발생 CO2 저감 방향과 기술
석탄화력에서 발생하는 CO2를 저감시키는 방향은 크게 2가지다. 우선은 가능한 한 고효율 기슐을 적용함으로써 같은 전기 생산에서 발생하는 CO2의 양을 최소화하고, 나머지 발생 CO2는 CCS를 적용하여 Zero Emission을 달성한다는 개념이다.
고효율 신석탄발전기술은 초초임계(USC: Ultra Supercritical) 발전과 석탄가스화복합발전(IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)이 지난 20여년간 다양한 시행오차를 거쳐서 축약된 2개의 주요 기술 방향이다. 신석탄발전은 기본적으로 같은 전기를 생산하는데 사용되는 석탄의 양을 줄여서 CO2 발생량을 간접적으로 줄이겠다는 방향으로서 발생 CO2의 15-25% 저감이 현실적이다. 나머지 75-85%는 CCS가 현재 가능한 기술적 방향이다.
국제에너지기구(IEA)에서 발표한 석탄화력발전 미래 시나리오를 보면, 다른 조치가 없었을 때 발생할 추정값인 baseline 양을 저감하는 2가지 방향을 설정하고 있다. 우선은 정책과 규제로 효율이 낮은 석탄화력발전소를 폐쇄시켜 이를 통해 6,049 TWh 전기량을 줄이고, 석탄화력을 가스발전이나 재생가능에너지원으로 9,000 TWh 전력양을 대체한다. 나머지 석탄사용 전기 생산에서는 고효율 발전과 CCS기술을 채택토록 한다는 방향이다.
한국의 대부분 석탄화력발전소들은 이미 전세계 기준에서 일본과 독일 외에는 최고 효율의 설비를 운영하고 있고, 천연가스 가격이 비싸고 재생가능에너지원도 충분치 않아 석탄화력을 대체하는데 한계가 있다.
국내에서 석탄하면 연탄을 떠올리는 분들이 많아서 공해와 불편하다는 인식이 퍼져있다. 이는 이미 30년 전의 얘기이고 현재의 석탄이용기술이 신석탄발전(CCT, Clean Coal Technology)으로 발전되어 2000년대 들어 상용 적용이 시작되었다. 한국은 2008년부터 본격 신석탄발전 기술 적용이 초초임계 석탄화력발전소 건설로 시작되었다. 신석탄발전의 핵심은 환경문제를 유발하는 SOx, NOx와 기후변화의 원인물질인 CO2 배출 문제를 해결하는데 있다. 이들 문제를 기술적으로 해결하지 않고는 석탄의 지속 활용은 불가능하고 옳지도 않다. 즉, 석탄을 할 수 없이 사용할 수밖에 없는 현실이라면 공해문제를 혁신적으로 줄이고 장기적으로 CO2 문제도 해결하는 기술을 적용하자는 것이다.
석탄화력발전 기술에 따른 전기 kWh 생산당 발생하는 CO2 양에 대한 IEA 자료를 보면 전 세계 석탄화력 발전효율은 30%로서 이 때 1,116 g-CO2/kWh가 발생한다. 한국은 이미 유럽연합과 마찬가지로 38% 효율대에 있기 때문에 881 g-CO2/kWh에 해당한다. 이를 고효율 신석탄발전 기술을 채용해서 효율을 45, 50%까지 올리면 743와 669 g-CO2/kWh가 발생한다. 신석탄발전 기술의 최고 효율은 초초임계(USC)기술이 2020년까지 개발 예상되는 700oC 스팀발전인 50% 수준으로, 이 수준은 세계평균 석탄화력 단위전기 생산당 CO2 발생량의 40%를 줄이는 간접 효과를 거두게 된다.
IGCC 기술도 고온 가스터빈 사용 추세에 따라 50% 효율이 2020년 이후에 가능할 것으로 예상되고 있다. 더 높은 수준의 CO2 저감은 현재로서는 CCS가 현실적인 대안으로 제시되고 있다.
CO2를 포집 저장(CCS) 기술은 아직 고가(70-100불/톤-CO2)이어서 비용을 줄이기 위한 기술발전이 매우 필요한 분야이다. 2009년에 예상한 CCS 적용 배경은 CO2 규제 법안이 입법화되는 부분이 가장 큰 요소였지만 미국을 비롯한 대부분 나라에서 입법화가 요원하게 되었고, CO2 발생량이 상대적으로 적게 발생되는 셰일가스 발전이 석탄화력발전을 대체함으로써 실용화는 매우 유동적이다. 그렇지만 석탄화력발전소와 같이 대량으로 CO2를 발생시키는 현실에서 발생된 CO2를 달리 이용하거나 처리할 대안이 없기 때문에 CCS는 장기적으로 추진해 갈 수밖에 없는 방향이기도 하다.
현재 전 세계에서 CO2 포집기술을 경쟁적으로 개발하고 있으나, 아직 탄소세가 가시화되지 않은 관계로 기술개발 단계에 머물고 있다. 현재 전 세계에서 CO2 포집저장이 상용화되고 있는 부분은 EOR 원유회수 분야이고, 미국 노스다코타 석탄가스화 플랜트에서 CO2 310만톤/년을 포집해서 캐나다로 이송 원유생산에 사용하는 경우가 유일하다.
-석탄화력 CO2 규제치와 대응 기술
2012년 3월 27일 공시된 미국 EPA가 제안하고 있는 규제기준(EPA-HQ-OAR-2011-0660)은 1,000 lb/MWh (1 lb(454 g)/kWh)이다. 미국 캘리포니어주에서 이미 시행하고 있는 기준인 1,100 lb/MWh보다 강화된 기준이다. 영국은 450 g-CO2/kWh를 신규 석탄화력발전 허가 기준으로 제시하고 있다.
미국 EPA가 제시한 CO2 규제치를 만족시키기 위해서는 석탄화력에서 발생하는 CO2에서 52% 이상을 포집 저감시켜야 한다. 비교치로서 천연가스 사용 발전소 발생 CO2는 770 lb/MWh 수준으로 석탄화력발전에서 CO2 65%를 포집 저감한 경우에 해당된다. IGCC 발전소에 1단계 수첨반응기와 탈황설비를 설치하면 65% CO2 저감이 가능하고 수첨반응기를 2단으로 설치하면(고가를 투자하면) 90%까지 기술적으로는 이미 저감이 가능하다. CO2를 저감했을 때 경제적 이득이나 탄소세와 같은 규제가 아직 없기 때문에 실현을 안 하고 있다.
궁극적으로는 석탄을 가지고 전기 생산을 하면서 공해물질 배출이 거의 없고 (최소한 천연가스 이용 전기생산 수준), 발생되는 CO2는 전량 지하에 저장되는 Zero 배출 석탄발전소가 2030년 이후에 탄소세 등을 통한 경제성이 확보된다면 실현될 것이다. 2020년 전후까지 당분간은 발생 CO2를 50% 정도 저감하는 수준에서 규제가 예상된다.
포집된 CO2를 지하에 저장하기 위해서는 CO2 농도가 97% 이상이 되어야 한다. 지하에 불순물 형태로 주입시킬 수는 없기 때문이다. 따라서 환경규제상 발생 CO2 총량의 50% 이상을 포집하고 그 순도는 97% 이상이 되어야 한다. 경제성을 배제한다면 기술적으로는 발생 CO2를 99% 농도 수준으로 90% 이상 포집이 가능하지만 큰 전기가격 상승이 수반되어야 한다.
결론으로, 신규 석탄화력발전소 인허가 기준으로 1 kWh 전기 생산당 1 lb (454 g) 이하로 배출해야하는 추세는 이미 시작되었고, 기존기술로도 기술적 저감은 가능하나 사회적으로 허용될 수준으로 싸게(20불 이하/ton-CO2) 저감하는 기술은 아직 없다.
석탄화력에 대한 CO2 규제는 시작되었는데 CO2를 싸게 저감시킬 방법은 아직 없고 탄소세 부과는 지지부진한 현실이다. 한국은 차분히 고효율 발전기술 채용을 늘려 최소한 현재 국내의 석탄화력발전에서 발생하는 CO2를 20%는 우선 줄이고 그 다음 수순을 준비해야 한다고 판단된다.
