▲ 김종영 전력연구원 전략기술연구소장

우리는 일반적으로 친환경적이고 풍부할 것으로 보이는 풍력, 태양광, 조력 등의 신재생에너지를 통해 쉽게 전기 에너지를 얻으면 될 것이라고 생각한다.

물론 신재생에너지를 활용하고자 하는 노력을 국내외적으로 계속하고 있으며 많은 발전을 가져오고 있는 것이 사실이다.

그러나 절대적인 양에서 부족하며 전력 생산단가 면에서도 10배 이상의 고가로서 아직은 비경제적인 것이 현실이다.

따라서 국민들에게 저렴하고도 안정적으로 전기에너지를 공급하기 위한 최선의 방법은 대규모 친환경 고효율 석탄화력 발전소의 건설이라고 할 수 있다.

석탄 화력의 장점은 무엇인가? 풍부한 석탄의 매장량이다. 전 세계적으로 채탄 가능한 석탄 매장량은 2005년 말 기준 약 9,000억 톤으로 보며 약 150년 이상 이용이 가능한 것으로 보고 있다.

또한 생산지역이 각 대륙별로 고루 분포돼 있으며 생산국들이 비교적 정치, 경제적으로 안정되어 있는 장점이 있다.

국내 자본에 의한 해외 탄광 개발이 활발히 이루어져 왔으며 오랜 기간의 수입에 따라 수송체계가 완비돼 있어 연료가격 및 수급상의 많은 장점이 화력발전에 의한 안정적 전기 에너지의 확보 방법임을 알 수 있다.

석탄 화력발전의 혁신 기술 : USC(Ultra-SuperCritical)

석탄을 연료로 전기를 생산할 때 가장 큰 문제는 환경문제이다.

환경문제는 세계적인 이슈로서 CO2, NOx, SO2, 분진 등에 관한 환경기준이 강화되고 있다.

이러한 환경기준 및 세계적 요구에 충족할 수 있는 청정석탄 화력발전 기술이 다양하게 개발되고 있다.

청정석탄을 이용한 차세대 화력 기술 중에는 가압유동층 발전(PFBC) 및 석탄가스화 복합발전(IGCC)과 초초임계압 발전기술이 있다.

가압유동층 발전과 석탄가스화 복합발전 기술은 청정석탄의 신기술로서 각광을 받고 있지만 아직까지는 설비용량 제한이 있으며 초기의 높은 투자비가 걸림돌이 되고 있어 현재 개발단계에 있다.

따라서 석탄화력 발전시스템의 증기온도와 압력을 획기적으로 올린 차세대 화력발전기술이 초초임계압(USC) 화력 발전기술이다.

초초임계압 화력발전 시스템은 대용량, 고효율, 환경친화형으로 혁신 기술에 꼽히고 있다.

21세기형 발전 산업의 주력기종으로 선진외국에서 기술개발 및 상용화가 진행되고 있다.

국내에서도 향후 안정적인 국내 산업발전에 기여하고 국제 경쟁력을 확보하고자 현재 정부의 기술개발 지원과 함께 산학연이 협동, 개발에 박차를 가하고 있다. 

이번 기고에서는 ‘1000㎿ 급 차세대 화력발전 기술인 초초임계압 발전기술’에 대해 자세히 알아보고자 한다.

국외 관련기술의 개발동향

화력발전소의 증기 온도와 압력은 그림과 같이 1900년부터 2000년에 걸쳐 계속 증가, 발전소 효율이 42% 수준까지 꾸준히 향상됐다.

▲ 그림-1

1960년대부터 1990년대까지 30년 동안 초임계압 증기조건의 발전시기를 거쳐 1990년대부터 초초임계압 화력발전기술이 실용화 단계에 접어들었으며 2020년에는 초초임계압 화력발전기술이 화력발전의 주력 기종으로 자리 잡을 전망이다.

유럽에서는 1950년대부터 초초임계압 발전소를 건설하기 시작, Hattingen 3, 4호기 주증기 온도는 600℃에 도달했다.

미국에서는 1960년대 가동된 초초임계압 발전소 운전실적이 양호하지 못하였지만 독일에서는 화학설비에 증기와 전기를 동시에 공급하는 작은 용량의 발전소로서 양호한 운전실적을 가졌다.

유럽의 초초임계압 화력발전기술 연구는 1983에서 1997년 동안 COST 501 연구 프로그램을 시작으로 화력발전소의 효율향상에 대한 연구가 진행됐다.

COST 501은 터빈 및 보일러 설계 및 제작자, 관련재료 제조업체, 전력회사, 대학 및 연구소 등의 공동참여로 진행됐으며 도달목표는 300bar·600·600℃로 설정됐다.

COST 501 완료 후 1998년부터 2003년간 300bar·620·650℃를 최종목표로 COST 522 연구프로그램이 진행됐다.

또한 유럽에서는 증기조건 300bar·700·720℃, 발전소 효율 55%, 설비용량 400～1000MW 로 2010년 까지 상업운전 개시를 목표로 COST 522 프로그램과 별도의 Thermie 프로그램을 추진하고 있다.

국내개발 현황

국내 발전설비 산업은 1970년대 말부터 시작 초임계압 500MW 표준석탄화력 발전소 건설과 병행, 설계·제작 분야 기술개발이 추진돼 왔다.

초임계압 화력발전소에 대한 기술은 제작 국산화 단계, 기술제휴 및 기술이전 단계를 거쳐 현재 기술독립 단계에 도달한 상태이다.

초초임계압 발전기술은 초임계압 발전기술에 기반을 두고 있기 때문에 이미 상당한 분야기술을 확보하고 있지만 초초임계압 설비의 발전소 종합설계 기술, 터빈 및 보일러 고온·고압부 핵심 요소기술, 재료선정 및 기기신뢰성 검증기술, 계측제어 핵심 요소기술을 확보해야만 기술을 완성할 수 있다.

발전소 종합설계 기술 분야는 한국전력기술(주)에서 미국 Burns & Roe, Parsons,  Bechtel, Black & Veach, Surgen & Lundy, Ebasco사 등과 기술제휴로 기술도입 혹은 공동설계를 수행, 현재는 초임계압 화력발전기술은 확보한 상태이다.

제어계통 설계분야는 분산제어시스템(DCS)을 국산화 개발, 일부 화력발전소에 적용한 실적이 있다.

원자력발전소 디지털제어시스템 또한 국산화, 제어계통 전범위의 제어 및 감시계통 구축이 가능하게 됐으며 원자력 및 화력발전소 시뮬레이터를 개발, 발전소 운전에 크게 기여하고 있다.

보일러, 터빈설계 및 제작기술은 두산중공업(주)에서 터빈분야는 미국 GE사, 미국 보일러분야는 Alstom Power사 및 CE사 에서 기술을 도입, 현재는 초임계압 발전기술에 대해서는 기술 독립단계에 도달했다.

현재 초초임계압 차세대 화력발전 기술개발은 정부과제로 연구가 진행 중에 있으며 연구개발 개요는 다음과 같다.

‘1000MW급 초초임계압 화력발전’ 기술개발 사업 활용

국내 전력산업의 경쟁력 제고와 예상되는 전력수요의 수급 안정성 확보를 위해 21세기 국내 주력기종을 담당할 고효율 대용량 및  환경친화적인 1000MW급 차세대 초초임계압 화력발전소 모델을 개발함으로써 향후 국내 발전사가 차세대 화력발전설비를 도입, 건설 운영 시 기술 자료로 활용될 예정이다.

이 기술이 개발되면 발전효율 향상에 따른 수입석탄 절감, 석탄소비 절감에 따른 온실가스인 이산화탄소 배출량 감소, 발전기술의 국산 자립화로 해외 발전플랜트 시장에 진출할 수 있는 발판이 마련될 것으로 기대된다.