미래형 청정 화력발전 시스템으로 내일을 열다

인류는 19세기 1차 산업혁명을 시작으로 기계에 의존하여 문명을 다양하게 발전시키면서 삶을 풍요롭게 영위해오고 있다. 지난 2세기 동안 인류는 혁신적인 아이디어로 다양한 장비를 개발하여 편리성을 추구하고 정보전달의 공간적· 시간적 제한을 없앴으며 이제는 수요자와 공급자의 동시적 연결성을 추구하는 거래 시스템을 구축하는 데 이르렀다. 앞으로도 인류는 미래와 소통하고 예측하려는 욕구를 충족시키고자 더욱 발전된 첨단장비를 개발하여 이용하는 데 더욱 노력할 것이다.
이러한 인간의 욕구를 충족시키고, 문명발전을 가능하게 하는 데는 날로 새로워지는 첨단 디지털 장비의 도움이 필수 불가결한 요소임에는 의심할 여지가 없다.
글 서정세 경상대학교 기계공학부 교수 그림 이은호

IT를 중심으로 한 현대의 첨단 디지털화 사회에서 요구하는 전기에너지의 수요는 기하급수적으로 증가하고 있으며, 앞으로도 더욱 가속화할 것이다. 더구나 정보화 사회에서는 전기에너지의 단순한 양적 수요 증대뿐만 아니라, 전기에너지를 사용하는 기기의 정밀성 및 고도화로 인해 고품질의 전기에너지를 요구하고 있다. 그러나 아쉽게도 이러한 전기에너지는 자연적으로 존재하지 않으며, 오로지 자연적으로 존재하는 다른 에너지원으로부터 2차적인 에너지변환 방법을 통해서만 얻을 수 있다. 오늘날 지구촌에서 요구하는 전기에너지의 대부분이 화석연료에 기반을 둔 화력발전과 원자력발전에 의존하여 생산되고 있는 실정이다. 원자력발전은 최근의 후쿠시마 원전사고에서도 보듯이 안전성이 문제가 되고 있어, 전기에너지 수요를 전적으로 감당하기 위해 확장시키는 데는 근본적으로 다소 어려움이 있는 것이 사실이다. 한편, 화력발전은 다른 발전방식에 비해 대량의 전력을 수요 변동에 능동적으로 비교적 빠르게 대응하여 전력망에 공급할 수 있다는 이점에도 불구하고, 화석연료를 연소시켜 전기에너지를 생산하는 과정에서 부수적인 오염물질이 필연적으로 발생하기 때문에 여러 가지 어려운 여건에 있는 것이 사실이다. 최근에는 환경적으로 미세먼지와 이산화탄소의 발생이 특히 문제가 되고 있는 실정이다. 따라서 앞으로 화력발전이 항구적으로 전력망에 전기에너지를 공급하는 중요 발전원이 되기 위해서는 환경적으로 문제가 되는 미세먼지와 이산화탄소의 발생을 줄이는, 가장 확실하고도 신뢰성 있는 방안을 강구하지 않으면 안 된다.

청정 화력발전을 위한 다양한 노력

화력발전에서 미세먼지와 이산화탄소의 발생을 최소화하고자 인류는 꾸준히 노력해왔으며, 기술 선진국을 중심으로 화력발전에 청정기술을 도입하여 이를 개선하려는 노력을 부단히 하고 있다. 현재 청정 화력발전을 위해 개발되는 기술은 크게 3가지 방향으로 이루어지고 있다. 하나는 미세먼지와 이산화탄소의 발생을 원천적으로 줄이기 위해 화력발전설비의 효율을 극대화하여 연료 사용량을 최대한 줄이는 기술이고, 다른 하나는 이산화탄소 발생을 저감하는 기술과 발생된 이산화탄소를 효과적으로 포집하여 저장하는 것이며, 마지막으로 최근에 문제가 되고 있는 미세먼지의발생 저감 기술이 그것이다.
먼저, 화력발전에서 배출되는 오염물질을 원천적으로 줄이기 위해 기술 선진국들이 개발하고 있는 것이 청정석탄기술(CCT, Clean Coal Technology)이다. 일반적으로 발전소의 효율을 1% 향상시켰을 때, 사용하는 연료량을 2% 이상 절감할 수 있으며, 이로부터 곧 이산화탄소, 질소화합물 등 오염물질 배출을 줄이는 효과를 가져오게 된다. 발전설비의 효율에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 터빈 입구로 유입되는 유체의 온도와 압력이며, 현재 미국, 유럽 및 일본을 중심으로 터빈 입구로 유입되는 유체의 온도를 700℃ 이상으로 높여 발전효율을 50% 이상 달성할 수 있는 고등초초임계(A-USC, Advanced Ultra-Supercritical) 시스템을 개발하고 있는 중이다. 또 미국 및 중국 등 저급탄 생산국을 중심으로 다양한 연료를 사용하면서 오염물 배출을 최소화하기 위한 순환유동층 발전 시스템(Circulating Fluidized Bed Plant) 개발에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있으며, 고등초초임계 시스템을 2025년 이전에 상용화하겠다는 목표로 개발하고 있다.
다음으로, 화력발전에서 발생하는 오염물 중에 이산화탄소를 효과적으로 처리하기 위한 이산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS, Carbon Capture and Storage)은 이미 오래전부터 많은 국가에서 꾸준히 개발 및 상용화를 진행해오고 있으며, 최근에 들어 새로운 신기술들이 개발되고 있다. 특히 세라믹막을 이용하여 이산화탄소를 선택적으로 분리함으로써 분리에 소모되는 에너지 소모량을 50% 이상 저감할 수 있는 기술, 보일러 내의 산소를 분리하는 OTM(Oxygen Transport Membranes) 기술에 순산소 분리장치를 장착하여 발전소 효율 감소를 50% 이상 개선할 수 있는 기술, 순산소 분리장치에서 발생하는 질소와 증기를 함께 이용하는 이중 복합사이클 발전 시스템(Dual Cycle Plant) 기술, 연료 연소 중에 금속매개체를 이용하여 질소를 제거함으로써 발생되는 이산화탄소를 원천 분리하여 발전효율을 50% 이상 달성할 수 있는 매체순환식 가스연소(Chemical-Looping Combustion) 기술 등이 최근에 상당한 주목을 받으면서 개발 중이다.
마지막으로 최근에 문제가 되고 있는, 화석연료를 사용하는 발전소에서 에너지변환 과정 중에 발생되는 NOx(질소산화물), SOx(황산화물) 등 대기오염물질과 미세먼지 배출량을 최소화하는 친환경 화력발전 기술 등에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 대기오염물질을 제거하기 위해서는 화력발전 설비에 이미 탈질설비, 탈황설비, 전기집진기 등을 구축하고 있다. 그러나 현재의 화력발전에 구축하고 있는 설비로는 최근에 이슈로 등장한 초미세먼지 등을 효과적으로 제거하기에는 역부족이다. 기술 선진국에서는 2030년까지 NOx와 SOx의 배출농도를 10mg/㎥ 이하로 줄이고, 동시에 미세먼지(PM)의 배출농도도 1mg/㎥ 이하로 줄이겠다는 목표를 잡고 있다. NOx를 저감하기 위해 SCR(Selective Catalytic Reduction)과 SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)을 혼용하는 탈질설비를 개발하고 있으며, SOx를 저감하기 위해 고성능 건식 및 습식 탈황설비(FGD, Flue-Gas Desulfurization)를 개발하고 있다. 미세먼지의 배출 저감을 위해서는 고성능 건식 및 습식 전기집진기(ESP, Electrostatic Precipitator)를 개발하고 있다.

복합 화력발전으로 미래형 청정발전 시스템 구축

현대의 정보화 사회에서 요구하는 고품질의 전기에너지와 기하급수적으로 증대하는 전기에너지의 수요량에 효과적으로 대응하기 위해서는, 전력생산 시스템이 오랜 기간 안정적으로 운영되어 오고, 관련 부품산업이 잘 발달되어 있으며, 효율 면에서 최적화가 비교적 잘되어 있는 화력발전 시스템을 대체할 만한 마땅한 발전원을 새로 개발하기가 어렵다. 특히 국토가 좁은 국내 여건상 면적 대비 전력생산 밀도 면에서 화력발전만큼 높은 발전원을 찾기는 더욱 어렵다.
미국, 독일, 일본 등 해외 선진국도 연료 가격이 비교적 저렴하고 수급이 용이한 원료라는 측면에서 기존의 화력발전 시스템에 첨단 친환경 설비를 구축하여 전력을 생산하는 방향으로 전력 수급 정책을 펴고 있는 상황이며, 국제 에너지 보고서에 따르면 세계 화력발전량이 2030년까지 지금의 1.5배 이상 증대될 것이라고 한다.
석탄뿐만 아니라 LNG, 바이오매스 등 다양한 화석연료를 사용할 수 있는 발전소를 건립하여 고효율 환경설비 적용, 이산화탄소 포집 설비 적용, 에너지 활용·전환 방식 개선 등을 통해 온실가스와 NOx, SOx 등 대기오염물질, 미세먼지 배출량을 최소화하는 친환경 화력발전 시스템을 구축함으로써, 요컨대 화력발전 시스템의 고효율화 및 고청정화, 고부가가치화를 기반으로 한 청정 화력발전 시스템 기술 개발을 통해 우리나라도 미래형 화력발전 시스템을 구축하는 데 심혈을 기울여야 할 것으로 본다.
이러한 청정 화력발전 시스템 기술 개발을 해외 선진국과 공동으로, 또는 국내 기술개발을 통해 친환경 설비의 원천기술을 확보하고 부품소재의 국산화율을 높이게 된다면 발전플랜트 산업의 활성화 및 수출을 통한 수익 창출에도 기여할 수 있을 것으로 보인다. 또 양질의 저렴한 전기에너지를 안정적으로 공급하여 전기요금의 안정화를 도모한다면, 4차 산업혁명의 기반이 되는 IT산업 발전에도 크게 기여할 것으로 본다.

고효율 친환경 화력발전 기대

부존자원이 없어 에너지의 대부분을 수입에 의존하며, 더구나 전기에너지 관점에서는 고립된 섬과 같아 자급자족해야 하는, 그리고 정보화와 제조업이 발달하여 전기에너지 수요가 막대한 국내 현실을 고려하면, 독자적으로 양질의 대용량 전기에너지를 안정적으로 확보하기 위한 방안으로 화력발전을 결코 피할 수 없다. 따라서 해외 선진국의 우수한 기술을 도입 또는 대체기술을 개발하여 고효율 친환경 설비를 화력발전에 적용함으로써, 화력발전을 친환경화해 미세먼지와 이산화탄소 등 오염물질의 발생을 최소화하고, 동시에 양질의 저렴한 전기에너지를 공급함으로써 친환경 화력발전이 더욱 윤택한 국민 삶의 질 향상에 기여하는 계기가 되기를 기대해본다.