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수소경제 미래 신기술 ‘IGFC’를 주목하라

충남 태안에 300MW급 태안IGCC 실증 플랜트 한창 가동
IGCC 연계 석탄가스화 연료전지발전 시스템 개발 ‘막바지’
고순도 수소생산 성공…올해 말 PEMFC 설치 및 발전 시험 예정
연료전지 효율 최대 60% 가능…온실가스 감축 기대


[월간수소경제 이종수 기자] 문재인 정부가 출범한 이후 석탄화력발전과 원전을 단계적으로 줄이고 재생에너지 발전 확대 및 수소경제 활성화라는 에너지 전환 정책이 추진되고 있다. 석탄화력은 온실가스인 이산화탄소(CO2)와 미세먼지를 배출해 대기 오염의 주범으로 꼽히고 있다.


신기후체제인 파리기후협약에 따라 세계 각국은 온실가스 감축을 위해 다양한 정책을 펴고 있다. 우리나라 정부는 2030년 국가 온실가스 감축 목표를 2030년 배출전망치(BAU: 8억5,100만톤CO2-e) 대비 37%로 정했다.  

  
이에 따라 전 세계적으로 석탄화력발전의 대안으로 석탄가스화복합발전(이하 ‘IGCC’)가 주목받고 있다. 특히 수소경제에 발맞춰 IGCC 관련 기술인 ‘석탄가스화 연료전지발전(이하 ‘IGFC’)’ 시스템이 최근 급부상하고 있다.    


석탄화력 대안 ‘IGCC’ 주목
국내에서는 한국서부발전이 국내 최초로 충청남도 태안에 300MW급 태안IGCC 실증 플랜트를 지난 2016년 8월 준공해 한창 가동 중이다.


해외에서는 미국, 일본 등 7개국에서만이 IGCC 설비를 운영하고 있다. 일본은 후쿠시마와 히로노에 500MW급 IGCC 2기를 추가 건설 중으로 IGCC에 가장 적극적이다.



서부발전에 따르면 IGCC의 석탄 가스화 기술은 기존 석탄화력이 석탄을 공기와 혼합해 완전 연소시키는 데 반해 석탄에 적은 양의 산소를 공급해 부분 연소시킴으로써 합성가스(주성분: 일산화탄소, 수소)를 만든다. 이렇게 만들어진 합성가스는 고성능 세라믹 필터와 물리화학적 용매를 사용하는 환경설비를 통해 가스터빈에서 사용할 수 있도록 깨끗하게 정제된다.


공해물질 제거 후 정제된 합성가스를 발전 연료로 사용해 일반적인 석탄화력발전소에서 발생하는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 먼지 등을 천연가스 발전소 수준으로 크게 줄일 수 있는 친환경 기술이라는 평가를 받고 있다.


한국서부발전의 관계자는 “향후 이산화탄소 포집 설비 연계 시 기존 석탄화력보다 경제적으로 온실가스 포집이 가능하고, 최신 1,000MW 석탄화력발전의 효율이 42%인 데 반해 IGCC는 설비 대용량화와 고성능 가스터빈의 개발에 따라 효율을 45~48%까지 달성할 수 있는 미래형 고효율 발전기술”라고 설명했다.


이 관계자는 이어 “IGCC의 핵심기술인 석탄 가스화에 의해 생산된 합성가스는 발전시스템에 이용하는 것뿐만 아니라 합성천연가스(SNG), 석탄액화석유(CTL), 수소 및 암모니아, 메탄올, 요소 등 화학 원료 생산이 가능해 병산(Poly-Generation) 시스템을 구축할 경우 투자비 절감과 에너지 효율 향상의 두 마리 토끼를 잡을 수 있다”고 밝혔다. 


대량 수소생산 기대되는 ‘IGFC’
이처럼 IGCC는 석탄 합성가스(석탄가스) 생산으로만 그치지 않는다. 특히 석탄가스로 고순도의 수소를 생산한 후 이 수소를 연료전지의 연료로 재활용해 전기와 열을 생산하는 ‘IGFC’ 시스템이 국내에서 개발 중이어서 관심을 모으고 있다.


IGFC 기술은 석탄 가스화, 가스터빈 복합발전, 고순도 정제, 연료전지발전이 융·복합된 차세대 신기술이다. 최대 60%에 이르는 연료전지의 높은 효율은 물론 석탄에서 배출되는 이산화탄소와 황산화물(NOx) 등 오염물질과 미세먼지 등의 배출이 거의 없는 친환경 고효율 발전기술로, 온실가스 감축과 에너지 효율 향상을 동시에 꾀할 수 있는 미래 유망 기술로 평가되고 있다.


특히 IGFC 기술이 상용화되면 수소의 대량 생산에 활용할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.



한전 전력연구원, 한국서부발전, 고등기술연구원, PTK, 영남대학교는 지난 2016년 12월부터 ‘IGFC 적용을 위한 석탄합성가스 정제 및 전환기술 개발’ 과제를 정부로부터 지원받아 수행 중이다.


이러한 산·학·연 협력을 통해 오는 2020년까지 석탄 합성가스 정제 및 전환기술을 개발, 고순도의 수소를 자체 생산하고 이와 연계해 100kW급 수소연료전지로 발전하는 것을 목표로 하고 있다.


이의 일환으로 한전 전력연구원 등은 IGFC용 고순도 수소생산 시스템을 개발했다. 서부발전 태안발전본부 IGCC 부지 내 IGFC 테스트베드(Test Bed)를 조성해 석탄 합성가스에 포함된 일산화탄소, 황화합물, 미세분진 등을 제거해 99.99% 이상의 고순도 수소를 제조하는 공정을 개발하고, 시간당 160N㎥의 수소를 생산할 수 있는 IGFC용 석탄 합성가스 정제 및 전환 설비를 구축했다.


IGFC 기술의 핵심은 황(S)이나 중금속, 미세분진 등이 포함된 석탄가스를 연료전지의 연료로 사용할 수 있는 고순도의 수소로 전환시키는 것이다. 여기에는 황화합물, 미량의 불순물, 분진 등을 제거하는 기술과 일산화탄소를 수소로 전환시키는 기술(합성가스 전환), 이산화탄소를 분리·제거하기 위한 흡착기술 등이 포함된다.


석탄 합성가스를 정제 과정 없이 연료전지에 직접 사용할 경우 연료전지의 성능이 떨어지는 문제가 있다. 고순도 수소 제조 공정이 개발됨으로써 이러한 문제를 해결할 수 있게 됐다.


인산형연료전지(PAFC)나 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 등 다양한 형태의 연료전지는 석탄합성가스 정제 및 전환 설비를 통해 생산되는 고순도 수소를 이용해 전기와 열을 생산한다.


이렇게 생산된 수소를 연료전지에 사용함으로써 기존의 천연가스를 사용하는 것보다 값싸게 전기를 생산하거나 압축·저장해 수소충전소 등의 수요처에 공급하는 것도 가능하다는 게 서부발전 측의 설명이다.



서부발전은 지난해 11월 연구설비를 활용, IGCC 공정에서 추출한 석탄가스를 정제·전환해 99.99%의 고순도 수소를 최초로 생산하는 데 성공했다. 이 시험을 통해 약 300kg의 수소를 생산했으며, 이는 수소전기차로 3만km의 거리를 이동할 수 있는 수준이다.


IGFC 기술의 또 다른 핵심기술은 고순도 수소를 이용해 연료전지로 발전하는 것이다. 연료전지의 종류에는 인산형(PAFC), 용융탄산염(MCFC), 고체산화물(SOFC), 고분자전해질(PEMFC) 등이 있다. 


서부발전은 고등기술연구원과 함께 지난 5월 국산화 연료전지 기술개발 및 안정적 수급을 위해 국내 기업과 100kW급 PEMFC 형식의 연료전지를 개발하기로 협약한 바 있다.


당초에는 PAFC를 적용하기로 했지만 PEMFC로 변경했다. PEMFC는 석탄가스 내 CO 및 유황에 의한 피독 가능성이 높아 고려 대상이 아니었지만 수소전기차의 연료전지로 사용될 만큼 가동 횟수에 제한이 적고, 대량 생산 가능성이 확대됨에 따라 경제성이 향상되어 최종 선정됐다. 


현재 연료전지를 제작 중에 있으며, 올해 말 현장 설치 및 발전 시험을 통한 장시간의 안정적인 전력생산 가능성을 확인할 계획이다. 발전 시험에 성공하면 오는 2025년까지 10MW까지 확대할 예정이다.



국내의 경우 IGFC에 의해 생산된 전력은 신재생에너지로 분류되고 있다. 신재생에너지공급인증서(REC) 상의 가중치가 연료전지발전과 동일한 2.0으로 매우 높아 국내 발전사들에 있어 RPS 제도에 효과적으로 대응할 수 있는 수단이다. 


서부발전의 관계자는 “IGCC의 운영을 통해 이산화탄소와 각종 유해물질 배출을 천연가스 복합발전 수준으로 획기적으로 줄일 수 있다는 점에 만족하지 않고 이와 연계된 IGFC 개발 연구를 지속 추진해 왔다”고 밝혔다.


이 관계자는 “IGFC 핵심기술 연구가 최종단계에 도달한 상태로, 수소경제로의 에너지 전환을 선도하는 신기술이 곧 탄생할 것”이라며 “이러한 신기술이 국내 전력산업계에 성공적으로 정착되기 위해서는 설비 대용량화와 표준화를 통한 보급 확대로 건설비를 낮추려는 노력과 REC 이행비용 보전, REC 가중치 상향 등의 정책적 지원 역시 필요하다”고 전했다.        
 
일본, IGFC 기술개발 ‘적극적’
IGFC 기술은 세계적으로도 아직 개발 초기 단계에 있다.


미국의 경우 에너지부(DOE) 산하의 NETL이 주관하는 SECA(Solid State Conversion Alliance)를 통해 개발한 SOFC를 IGFC와 천연가스 기반의 연료전지 발전(NGFC)에 연계하는 MW급 실증연구를 오는 2020년에 시작해 2025년부터 상용급 실증연구에 돌입할 계획이다. 





IGFC 공정 개발에 가장 적극적인 일본은 이미 지난 2002년부터 J-Power사가 NEDO의 지원 하에 EAGLE(Coal Energy Application for Gas, Liquid and Electricity) 프로젝트에 착수하면서 연료전지, 가스터빈, 증기터빈이 연계된 종합 발전시스템의 실증을 목표로 한 연구를 수행했으며, 이를 통해 고유의 EAGLE 가스화기를 개발했다.


Chugoku Electric Power사와 J-Power사가 공동 출자해 지난 2009년 설립한 ‘Osaki Coolgen Corporation’사는 IGCC-CCS(Carbon Capture and Sequestration)-IGFC의 실증을 목표로 2010년부터 2022년까지 약 13년간 3단계에 걸쳐 IGCC에 의한 고효율 석탄화력발전 실증, 이산화탄소 분리·회수 설비 가동, 석탄 합성가스를 이용한 이산화탄소 포집형 IGFC 실증설비 구축·운전 등의 중장기 프로젝트를 추진하고 있다.


이처럼 IGFC 기술개발이 초기 단계인 만큼 이 분야의 국·내외 시장 선점 시 고부가가치 산업 육성과 고용증대 효과 등의 파급효과가 클 것으로 예상된다. 국내·외 석탄화력발전소에 대한 개·보수 수요가 많은 상황으로, 이러한 물량을 IGCC로 전환해 IGFC까지 이어지게 하는 기회가 많아질 것으로 전망된다.


태안 IGCC를 통해 확보한 두산중공업의 ‘가스화 하이브리드 청정발전시스템’이 지난 6월 미국 에너지부의 ‘석탄 기반의 미래형 화력플랜트 사업’에 선정된 바 있다. 에너지 선진국인 미국에서 두산중공업의 기술이 인정받은 것이다. 이로써 두산중공업은 오는 2030년까지 미국 에너지부의 예산으로 이 기술에 대한 개념설계와 타당성 조사를 거쳐 실증을 마무리할 계획이다.  


한편 한국서부발전은 합성가스 정제를 통한 연료전지용 고순도 수소생산 기술과 함께 합성가스의 수성가스 변위 반응에 촉매 대신 해양 미생물을 이용하는 바이오 수소생산 기술개발을 추진 중이다.


서부발전은 ㈜경동엔지니어링과 협력해 올해 3월 1톤/일(연간 300톤) 용량의 실증설비 건설에 착공했다. 연간 300톤 생산 시 수소전기차 2,000대(연간 1만2,000km/대 운행 기준) 운영이 가능하다. 실증운전 완료 후 경제성 평가를 거쳐 오는 2025년에는 1,000톤/년 규모로 증설할 계획이다.




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