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1. 서 론
지구온난화의 해결을 위해 선진국을 중심으로 석 탄화력을 배제하고 태양광, 풍력 등 신재생에너지 를 보급하고 장려하는 정책이 활발히 시행되고 있 다. 하지만, 이러한 노력에도 불구하고 앞으로 증가 하는 전력 수요를 모두 신재생에너지로 대체하기는 어려운 것이 현실이다. EIA1에 따르면 2040년까지 석 탄발전은 CAGR(연평균 성장률) 0.8 %, 가스발전은 CAGR 2.7 %, 원자력 발전은 CAGR 2.4 %가 증가할 것으로 전망하는 등 화석연료를 이용한 발전도 당분 간은 조금씩이나마 증가할 것이다[1].
이에 두산중공업은 풍력 등의 신재생에너지 사 업을 수행하고 있고, 석탄화력 발전의 효율 향상 및 CO2 저감을 위한 기술로써 초초임계압(USC2) 발전기 술을 상용화하였으며, 극초임계압(A-USC3) 발전기 술 개발을 준비하고 있다.
그 밖에 연료 다변화 측면에서 저급석탄과 바이 오매스를 사용한 초임계압 유동층 보일러 기술을 개 발하고 있으며, 천연가스/세일가스 사용 확대에 따 른 가스터빈 시장에 독자기술로써 진입하기 위해 기 술개발을 수행하고 있다[2].
본 고에서는 두산중공업 기술연구원 에너지전
1 EIA : Energy Information Administration 2 USC : Ultra Supercritical, 효율 45% (HHV 기준)
3 A-USC : Advanced Ultra Supercritical, 효율 <50% (HHV 기준)
환시스템연구팀의 신기술로써 화공산업과 연관성 이 높은 청정석탄 발전기술인 석탄가스화 복합발전 (IGCC), 신재생 마이크로그리드의 기반기술인 에너 지저장시스템(ESS), 산업체 배가스(CO2) 및 부산물 을 이용한 광물탄산화 기술에 대한 정의와 기술연구 원의 개발 현황 및 성과를 소개하고자 한다.
2. 본 론
석탄가스화 복합발전 (IGCC)
석탄가스화 복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)은 석탄을 가스화하여 생산한 합성 가스로 1차 가스터빈을 구동하고, 고온의 배기가스 를 회수하여 2차로 증기터빈을 구동하는 복합발전 기술이다. IGCC 가스화기는 운전압력 약 42 bar 및 운전온도 약 1500℃로 가동된다. 석탄가스화 복합발 전의 효과는 다음과 같다.
- 석탄화력 대비 배출되는 석탄회 부피를 50% 이상 감축
- SO2, NOx 및 미세먼지는 천연가스 복합발전과 동 등한 수준으로 배출
- 천연가스용을 개조한 F Class 가스터빈 사용으로 42%의 높은 발전효율(HHV 기준)
- 향후 가스터빈 성능향상에 따라 50 % 이상의 효율 향상이 가능
저탄소 에너지 전환 신기술 개발 현황
New Technology Development Status for Low-Carbon Energy Conversion
유정석*, 김유석 jeongseok.yoo@doosan.com 두산중공업㈜ 기술연구원 에너지전환시스템연구팀
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- 가압된 가스를 이용하므로 향후 CO2 포집을 위한 압축비용 절감 가능
이러한 여러 장점에도 불구하고 실증과정의 높은 초기 투자비로 인해 후속 플랜트 건설계획이 지연되 고 있는 실정이나, 계속해서 차세대 발전과 CCS의 대안 기술로 기대되고 있다.
IGCC 플랜트의 구성은 산소를 공급하는 산소공 급 플랜트, 석탄을 가스화하고 불순물을 정제하는 가스화 플랜트, 생산된 합성가스로 전기를 생산하 는 복합발전 플랜트로 이루어져있다. 이미 GE, Sie- mens, MHPS 의 경우 독자 가스화 기술과 가스터빈 기술을 동시에 보유하고 사업을 수행하고 있다. 그 밖에 가스화 공정기술을 보유한 Shell, KBR, ECUST 등은 다양한 화석연료의 가스화와 석탄화학 시장에 서 영역을 확대하고 있다.
그림 1은 두산중공업이 석탄가스화 플랜트를 EPC4로 수행하여 완공한 세계 9번째 IGCC 플랜트이 다. 가스화 공정은 Shell의 기술을 사용하였고 가스 화 플랜트에 대한 기본·상세설계와 가스화기·합성 가스 냉각기 등 핵심설비의 제작·건설은 당사가 수 행하였다. 2016년 8월 300MW급 IGCC 실증플랜트가
4 EPC : Engineering, Procurement & Construction
상업운전을 개시하기까지 서부발전을 비롯하여 10 년간 정부과제 프로그램을 통한 산·학·연의 노력이 있었다.
기술연구원에서는 기본개념설계 Tool을 개발하여 설계·제작·시운전 과정 중에 필요한 플랜트 및 단 위 설비에 대한 성능예측·진단 솔루션과 운전 가이 드를 제공하였다. 이 솔루션은 운전조건 및 탄종 변 경 시 슬래그 거동 및 가스화기 벽면 열전달과 합성 가스 조성 예측을 통해 발전소 운전자가 가스화기를 안정적으로 운전할 수 있게 한다. 현재는 태안 IGCC 실증 플랜트 신뢰성 및 성능 개선을 위한 개발업무 를 진행하고 있다.
2.2 에너지저장시스템(ESS)
에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)은 발전소에서 생산된 잉여 전력을 저장해 두었다가 일 시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치를 말한다. 태양광과 풍력 등 신재생에너지와 중소규모 발전소에서 생산된 전기를 ESS를 통해서 불규칙한 수요와 공급 조절에 사용한다. 또한, 수시로 변화하 는 주파수를 조정해 전력망의 신뢰도를 향상시킨다.
따라서, 최근 ESS는 신재생에너지를 활용한 스마트 그리드 사업의 핵심 설비로 주목 받고 있다.
ESS는 용도에 따라 주파수 조정, 피크 저감, 신재 생 출력 안정화, 비상용 예비전력 등으로 분류할 수 있으며 적용 대상에 따라 소비자용, 송배전용, 발전 용으로 구분되며 다양한 용도로 활용이 가능하다.
특히, 분산 발전 및 마이크로그리드와 같이 전력 공 급이 불안정한 경우에 효율적 전력 활용을 가능하게 하는 장점이 있다.
두산중공업의 사업 방향성은 배터리나 PCS5 등 하드웨어보다는 ESS 전체 패키지(EPC 사업)와 컨트 롤시스템 관련 사업을 수행하는 것이며, 특히 미국 법인인 Doosan GridTech을 중심으로 북미 시장을 공 략하고 있다.
5 PCS : Power Conditioning System 그림 1. 300MW급 태안 IGCC 플랜트 전경(2017.3).
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기술연구원에서는 배터리 기술에 대한 기준 정립 과 운전알고리즘 및 시스템 통합제어시스템을 개발 하고 있다(그림 2 참조). 배터리 기술에 대한 기준을 정립하고자 리튬계 배터리, 나트륨계 배터리, 흐름 전지 등 다양한 종류의 배터리에 대한 테스트를 통 해 효율 및 용량 등과 같은 거시적 특성을 평가하고 있다. 불규칙한 외부 환경에 따라 배터리 특성에 맞 는 부하를 예측하고 운전하는 운전알고리즘을 자체 개발하였다. 그리고, 배터리와 BMS6·PMS7·EMS8 등으로 구성된 전체 시스템을 통합 제어할 수 있는 자동화 제어시스템을 함께 개발하고 있다. 또한 태 양광이나 풍력, 연료전지 등과 같은 신재생에너지와 의 연계운전 기술뿐 아니라 각 배터리의 단점을 서 로 상호 보완하여 운전할 수 있는 하이브리드 배터 리 기술을 함께 개발하는 등 마이크로그리드 및 분 산발전 시대와 같은 새로운 전력 패러다임으로의 변 화에 대응하고 있다.
2.3 광물탄산화
국내외 CO2 저감 관련 사업들은 CO2 배출량이 많 은 시멘트 공장, 발전소 및 제철소 등을 대상으로 주 로 포집 기술에 집중되어 있다. 대규모의 CO2를 포
6 BMS : Battery Management System 7 PMS : Power Management System 8 EMS : Energy Management System
집 후 지중 저장으로 처리해야 하지만, 적합한 지형 확보에 한계가 존재한다. 그래서 포집기술 외에 CO2
이용 및 자원화에 대한 연구가 진행되고 있다. 그 중 에서 광물탄산화는 산업활동으로부터 발생한 CO2를 Ca, Mg, Fe와 같은 +2 금속을 포함하는 금속산화물 과 반응시킴으로써 불용성 탄산염을 불용성 탄산염 을 생산하는 기술이다. 이렇게 생산된 불용성 탄산 염은 제지, 페이트 플라스틱 등 과의 혼합재료로 사 용이 가능하다.
광물탄산화 기술은 발전소, 제철소에서 배출되 는 CO2와 산업부산물인 발전소 석탄재, 제철 슬래그 를 동시에 처리할 수 있는 장점이 있으며, 기술수준 은 TRL 5~7 단계로 조기 사업화가 가능한 것으로 평 가되고 있다. 특히, 핀란드 국가기술연구센터(VTT) 의 염화암모늄(NH4Cl)을 이용한 제강슬래그 탄산칼 슘 생산 공정분석 결과는 결과는 투자비 회수기간이 4년 이하로 짧아 경제적 창출이 가능한 것으로 보고 하고 있다[3].
두산중공업은 미량의 첨가제를 투입한 수계용매 를 이용하여 산업부산물 내 칼슘을 선택적으로 추 출·탄산화하여 고품위 탄산칼슘을 생성하며, 탄산 화 후 고체·액체 분리를 통해 용매를 재이용할 수 있 는 공정을 개발하였다(그림 3 참조). 개발된 공정은 실험실 규모로 검증하였으며, 현재는 공정 최적화에 대한 연구를 진행하고 있다. 향후 발전소 및 제철소
그림 2. 두산중공업의 ESS 기술개발 현황(System Integration 분야).
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의 부속설비로 확대 개발하여 상용화를 진행할 계획 이다.
III. 결 론
현재까지 전력생산의 핵심역할을 담당해 온 화석 연료는 앞으로의 지속가능성 측면에서 중대한 도전 에 직면에 있기 때문에, 신재생에너지 및 청정발전 기술의 활용과 개발이 필수적이다. 전력산업의 수 많은 기업들은 에너지 효율을 높이고 온실가스 배출 을 최소화 하기 위한 기술개발과 사업 발굴에 모든 역량을 집중하고 있다.
우리 팀에서는 미래 청정발전 기술 중의 하나인 IGCC 가스화플랜트 엔지니어링 기술개발을 2006년 11월부터 정부과제로 추진하여 300MW 태안 IGCC 플랜트의 상업운전 성공에 기여하였고, 후속 플랜트 수주를 위한 사업타당성 평가 및 석탄가스화 적정성 여부에 대한 기술평가 업무를 수행 중이다.
ESS 분야에서는 현 사업의 경쟁력과 시장확대 측 면에서 리튬계 배터리 및 흐름전지 등 다양한 종류 의 배터리를 테스트하여, 배터리 기술에 대한 기준 정립과 운전 알고리즘을 개발하고 있다. 앞으로 시 스템 통합제어 기술까지 확대한 기술역량과 신재생 에너지와의 연계 운전 및 배터리 하이브리드 운영기
술을 확보할 계획이다.
광물탄산화는 회사에서 추진하는 신규사업 분야 로 기술개발 초기 단계에 있다. 본 기술은 산업체에 서 배출하는 CO2의 현실적인 처리에 초점을 맞추어 수계용매 기반의 추출·탄산화 공정을 개발하였고, 현재는 공정 최적화에 대한 연구 진행 및 단계별 기 술검증을 통한 사업화에 노력하고 있다.
그 밖에 새로운 신규 사업으로 하드웨어에서 확 보한 설계·운전 데이터를 분석·가공하여 고객에게 의미 있는 정보를 제공할 수 있도록 소프트웨어 측 면의 기술개발도 진행 중이다. 두산중공업 기술연구 원 연구원들은 고객에게 차별화된 기술과 경험을 제 공하고 세상에 더 나은 가치를 제공하기 위해 오늘 도 기술개발에 매진하고 있다.
REFFERENCES
[1] International Energy Outlook 2016, U.S. Energy Information Administration, 2016
[2] 유석현 외 6인, 고효율 저공해 청정화력 발전동향, KEPCO Journal Vol 2 No 2, 2016
[3] Sebastian Teir 외 3인, Case study for production of calcium carbonate from carbon dioxide in flue gases and steelmaking slag, Journal of CO2 Utilization 14 (2016), pp.37-46
그림 3. 두산중공업의 광물탄산화 기본공정도.
