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화석연료의 변신, 석탄가스화복합발전(IGCC)

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2014년 08월 25일 09:34 프린트하기

미국 미시시피 켐퍼 카운티에 IGCC를 건설하는 켐퍼 프로젝트(Kemper_Project) 출처 : XTUV0010

연료를 태워서 전기를 만드는 일반적인 방법은 뜨거운 열로 물을 끓여서 증기를 만들고, 이 증기의 압력으로 터빈을 돌리면 스팀터빈과 연결된 발전기가 회전력에 의해 전기를 만드는 것이다. 그러나 연료가 가스 상태라면 가스터빈에서 연료를 연소하면서 가스터빈을 돌려 전기를 한 번 만들고, 가스터빈에서 나온 뜨거운 연소가스로 수증기를 만들어 스팀터빈을 또 돌려서 전기를 두 번 만들 수 있다. 이 방법을 가스터빈과 스팀터빈 두 개가 함께 발전한다고 해서 ‘복합발전’이라고 한다. 천연가스를 연료로 사용하는 발전소의 경우, 스팀터빈 1개로만 발전하면 연료에 포함된 에너지의 약 40%만이 전기로 바뀌는데(발전효율 40%), 터빈 2개로 복합발전을 하면 효율이 60%로 높아진다.

 

석탄가스화복합발전(IGCC)의 탄생

 

석탄은 고체연료라 가스터빈에서 태울 수 없다. 이에 엔지니어들이 석탄을 이용한 복합발전을 고안해 냈는데, 이 방법은 석탄을 먼저 가스로 바꾸고(석탄가스화) 이 가스를 가스터빈에서 태우고 다시 스팀터빈을 돌리는 방법이다. 이를 ‘석탄가스화복합발전(IGCC, Integrated gasification combined cycle)’이라고 부른다.

 

이 방법은 석탄스팀발전 방식에 비해 효율이 높고 석탄발전소지만 천연가스발전소와 거의 같은 환경기준을 맞출 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해 IGCC는 우리나라 법에서 신재생에너지 중 신에너지로 분류돼 있다. 단, IGCC의 단점은 설비가 복잡해 경쟁이 되는 기존 석탄스팀발전이나 천연가스복합발전에 비해 초기 건설비용이 비싸다는 것이다. 이를 보완하기 위해 건설비용을 낮추는 노력이 진행 중인데, 전 세계적으로 많은 수의 IGCC가 설치되면 건설비가 낮아질 것으로 전망하고 있다.

 

현재 운전되고 있는 IGCC발전소는 미국에 3개, 유럽에 3개, 그리고 일본에 1개 등 총 7개이다. 추가로 건설 중인 IGCC 발전소도 10개가 더 있다. 그중 하나가 우리나라 한국전력의 자회사인 서부발전에서 태안에 건설 중인 300MW급 한국형 IGCC 실증용 발전소로, 2015년에 상업운전을 목표로 하고 있다. 또한 포스코는 올해 남해시에 9조 원 이상을 투입해 IGCC발전소 단지 구축을 제안한 상태다.

 

 

[그림 1] 태안에서 시운전 중인 태안 IGCC 조감도. 2015년 상업운전을 시작할 예정이다. 사진 출처 : 서부발전
IGCC가 청정석탄기술로 불리는 이유

 

IGCC발전소 설립에 많은 비용이 들어감에도 불구하고 지속적으로 건설되고 각광받는 이유는 무엇일까? 그 이유는 석탄가스화를 기반으로 하는 기술이 가장 깨끗하게 석탄을 사용할 수 있는 청정석탄기술이기 때문이다. 청정석탄기술로 불리는 이유는 석탄가스화기술을 좀 더 자세히 살펴보면 알 수 있다.

 

우선 탄소덩어리인 석탄을 산소와 약간의 물, 섭씨 1000도(oC) 이상의 높은 온도에서 반응시키면 불완전연소가 일어나서 일산화탄소(CO)와 수소가 주성분인 합성가스로 바뀌게 된다. 이때 석탄에 포함된 불순물인 황성분도 가스화합물로 바뀌지만, 가스화기 뒷부분에 있는 가스세정장치에서 제거된다. 석탄재는 녹아서 덩어리 상태로 변하면 건설자재로 사용된다.

 

깨끗해진 합성가스를 가스터빈에서 조건을 잘 선택한 뒤 태우면 산성비를 유발하는 황산화물과 질소산화물이 최소화된다. 또한 먼지 등의 발생도 막을 수 있어 환경적으로 매우 깨끗해진다. 이 합성가스는 태울 수 있는 열량이 있을 뿐 아니라 촉매반응을 통해 다른 물질로 바꿀 수도 있다.

 

예를 들면 구리 촉매가 채워진 반응기로 적절한 조건에서 합성가스를 보내면 메틸알코올(메탄올)을 만들 수 있고, 니켈 촉매가 채워진 반응기로 보내면 메탄가스로 바뀐다. 철 촉매가 채워진 반응기로 보내면 인조 휘발유 및 디젤유로 전환된다. 메탄올은 추가적인 반응을 통해 플라스틱의 원료인 에틸렌 및 프로필렌으로 바꿀 수도 있어, 이를 ‘석탄화학’이라 부르기도 한다.

 

또한 메탄가스는 천연가스의 주성분이므로 석탄가스화로 제조한 메탄을 합성천연가스(SNG)라 부른다. 석탄으로 합성석유를 만드는 방법은 석탄액화(CTL)라 부르는데, 이 석탄액화유도 우리나라 법에는 신재생에너지로 분류된다.

 

실제로 2차 세계대전 중에 독일에서는 전쟁수행에 필요한 연료의 90%를 석탄에서 제조한 합성석유로 사용한 바 있다. 현재 남아프리카공화국에서는 하루에 16만 배럴의 합성석유를 석탄에서 만들어 사용하고 있다. 중국에서는 최근 석탄에서 발생하는 미세먼지를 억제하는 방안의 하나로 낡은 석탄발전소를 폐지하고 대규모로 석탄을 가스화해서 깨끗하게 전환하는 석탄화학, SNG 및 석탄액화공장의 건설을 장려하고 있다. 우리나라에서도 포스코가 연간 50만 톤의 합성천연가스를 석탄에서 생산하는 SNG 공장을 광양에 완공하고 현재 시운전중이다.

 

 

[그림 2] IGCC발전의 다이어그램 ⓒStan Zurek

청정석탄기술의 미래

 

앞으로 청정석탄기술은 어떻게 될까? 지구온난화의 원인물질로 알려진 이산화탄소(CO2) 발생의 주범으로 인식된 석탄은 국제적으로 환경을 담당하는 정부부처 및 시민단체로부터 사용을 줄이라는 압력을 받고 있다. 그럼에도 불구하고 석탄의 사용량은 늘고 있고, 2035년까지 계속 늘어날 것으로 전망되고 있다.

 

그러나 전 세계적으로 석탄을 더욱 더 깨끗하게 사용하고 CO2의 배출은 최소화하라는 요구를 받고 있다. 이러한 요구에 부응할 수 있는 기술이 석탄가스화를 이용한 IGCC 기술이다. 특히 석탄을 사용할 때 발생되는 CO2를 제거해서 지하에 묻어두는 CCS기술을 사용하려면, 스팀방식의 석탄발전보다 IGCC발전소가 훨씬 유리하다.

 

앞에서 소개한 석탄을 다른 에너지나 화학물질로 바꾸는 기술도 석탄가스화기를 같이 사용하므로, [그림 3]과 같이 전기와 합성석유를 같이 생산하는 발전소가 향후 많이 건설될 것으로 예상된다. 이렇듯 전기와 합성석유를 함께 생산하는 공장을 지으면 각각 생산하는 공장 2개를 짓는 것보다 건설비도 절감되고, 같은 양의 석탄에서 더 많은 전기와 기름을 만들 수 있다.

 

[그림 3] 석탄에서 전기와 합성석유를 동시에 생산하는 IGCC발전소

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

우리나라와 같이 기름이 거의 나지 않는 나라에서, 석탄에서 전기와 합성석유를 같이 생산하는 발전소 2~3개를 건설하면 석탄을 수입하더라도 국가 운영에 필수적인 기름을 국내에서 자체적으로 만들 수 있다. 현재 국내 연구진들은 이에 필요한 기술을 국산화하기 위해 연구를 수행하고 있다.

 

[글쓴이] 정헌 한국에너지기술연구원 책임연구원

 

※출처 : 아톰스토리 '에너지자료'(http://atomstory.or.kr/p/38423/)

아톰스토리(http://atomstory.or.kr/)에서 원자력, 에너지와 관련된 더 많은 자료를 볼 수 있습니다.

 


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