에너지신산업의 토대, 10대 전력기술⑦
[에너지신문] 한전은 에너지신산업의 상용화와 수출사업화를 적극 추진하고 있다. 이를 위해 한전 산하 연구기관인 전력연구원은 에너지신산업에 적용되는 10대 전력기술 개발에 주력하고 있으며, 그 성과물이 속속 모습을 드러내고 있다. 본지는 한전 전력연구원과 공동으로 10주간 10대 전력기술을 소개하는 코너를 마련했다.
①에너지저장기술 ②마이크로그리드기술 ③초전도기술 ④해상풍력기술 ⑤신송전기술(HVDC) ⑥스마트그리드기술 ⑦청정화력기술 ⑧CO2 회수, 이용, 저장(CCUS)기술 ⑨전력신소재기술 ⑩ICT융복합기술
발전 부문의 온실가스 배출은 2030년 기준으로 3억 3310만톤에 달할 것으로 전망되는 등 산업 및 수송부문 등 타 분야의 온실가스 배출에 비해 높은 특징을 가지고 있다. 발전 부문의 온실 가스 저감을 위해서는 발전 시스템의 효율을 향상시키고 청정 연료를 활용할 수 있는 발전 시스템의 개발이 중요하다. 따라서 한전에서는 최근 청정화력 발전기술을 한전 10대 기술로 선정, 연구개발 투자를 확대하고 있다.
한전이 투자하고 있는 대표적인 청정화력 발전기술은 △극초임계압 발전 △초초임계 순환유동층 발전 △청정 가스터빈 발전 △초임계 CO2 발전 등이 있다.
석탄화력발전소의 효율은 증기의 온도와 압력에 크게 좌우된다. 이에 따라 지난 30년간 증기 온도를 높이기 위한 노력이 지속돼왔다.
아임계압에서 극초임계압으로 발전하면서 발전 효율은 상승하고 CO2 배출량은 저감되고 있다. 극초임계압 발전소는 증기온도 700℃ 이상, 증기압력 280 bar, 효율 45%(HHV) 범위의 초고효율 발전소를 지칭한다. 초고효율 발전시스템 개발에는 발전소에 적용하고 있는 기존 기술 및 시스템을 기반으로 극초임계압 조건에 따른 고효율화를 위한 터빈 및 보일러 설계 및 새로운 소재 개발로 구성된다.
순환유동층 발전소는 75μm 크기 이하로 분쇄된 석탄을 연료로 사용하는 기존 석탄화력발전(미분탄 연소)과 달리 10mm 이하로 분쇄된 석탄이나 생활쓰레기를 모래 등과 섞어 천천히 연소하는 방식의 발전소다.
국내산 무연탄 등 저열량 연료와 산업 폐기물 등을 연료로 사용할 수 있고 발전효율이 높은 장점이 있다. 특히 연료가 800~900℃의 낮은 온도에서 연소되어 질소산화물 및 황산화물 등 환경오염물질의 배출이 적은 친환경적 발전방식이다.
석탄화력발전소가 증기의 온도와 압력을 높여 발전 효율을 증가시키는 것처럼 순환 유동층 발전도 미분탄 연소기술과 경쟁하며 대용량 초초임계 기술 개발로 전환 중에 있다.
가스터빈의 개발은 과거 약 60년간 저공해·고효율을 만족시키기 위해 고온, 고압축 실현을 목표로 연구개발이 꾸준히 진행돼 왔다. 현재까지 개발돼온 터빈의 연소온도는 평균적으로 1년에 약 12.5℃씩 상승하고 있으며 향후에도 효율향상을 위해 연소온도와 압축비를 높이는 연구개발이 계속될 전망이다
초임계 CO2 발전기술은 기존의 석탄화력발전의 작동유체가 증기인 것을 이산화탄소로 대체하는 개념을 통해 기존의 석탄화력 발전소대비 발전효율을 향상시키고 터빈의 크기를 소형화할 수 있다. 뿐만 아니라 넓은 온도 범위에서 활용가능하고 화력발전, 신재생에너지, 원자력, 폐열 등과 연계하는 등 다양한 분야에서 응용이 가능한 장점을 가지고 있다.
◆청정화력 기술 추진 현황은?
한전은 고효율 대용량 극초임계압 발전 시스템 개발을 추진하기 위해 국내 발전사의 극초임계압 발전 시스템 개발에 대한 요구사항과 유럽, 미국, 일본의 기술개발 동향을 분석중에 있다.
향후 고효율 대용량 극초임계압 발전 시스템의 가장 핵심분야인 700℃급 초내열 소재 설계, 제작 및 평가 기술을 확보하는 기술개발 추진전략을 수립해 정부과제로 추진할 예정이다.
아울러 남동, 남부, 동서발전 및 두산중공업과 공동으로 2018년까지 500MW급 초초임계 순환유동층 발전소 국산화를 목표로 연구과제를 진행하고 있다. 본 과제를 통해 대용량 초초임계 순환유동층 발전소의 설계·제작·운영 기술을 확보하고 외국 제작사가 독점한 순환유동층 발전소 시장에 진출, 신규 해외발전시장의 개척을 추진할 계획이다.
한전과 두산중공업은 200MW급 발전용 가스터빈의 국산화 연구를 정부과제로 진행 중에 있다. 서부발전과의 협력으로 독자 모델의 현장 실증 후 본격적인 고출력·고효율의 모델 개발을 위한 로드맵을 확보했으며 전력연구원 내에 실증규모 가스터빈 연소시험설비가 구축돼 있다.
또한 한전은 석탄가스화복합발전(IGCC)분야 합성가스 가스터빈 적용성 연구, 합성천연가스 및 디메틸에더(DME)의 발전용 연료로의 적합성 연구를 기반으로 MHPS사와 국제공동연구로 합성가스 연소기 업그레이드 기술개발을 추진 중이다.
이밖에도 현대중공업과 함께 2019년까지 ‘디젤 및 가스엔진 폐열’을 이용, 2MW급 초임계 CO2 발전시스템 개발을 진행중에 있으며, 육상발전 플랜트와 선박엔진의 폐열을 단기 목표 시장으로 겨냥하고 있다.
한전은 향후 열원 및 용량 다변화를 통해 신재생에너지와 분산전원 및 대용량 석탄화력 분야에도 연계해 기술개발을 추진할 계획이다.