앞으로의 세상은 4차 산업혁명을 누가 주도하느냐 따라 기업뿐만 아니라 국가의 미래가 달라질 것이다. 특히 에너지산업 시장은 기후변화에 빠르게 대응하고 에너지 신산업 기술을 누가 선점하느냐에 따라 새롭게 재편될 것으로 예상된다.

전력연구원 전경이다.

최근 국내 에너지산업의 현안 중에서 가장 큰 관심을 받는 이슈는 온실가스감축이다. 2015년 12월, 프랑스 파리에서는 ‘제 21차 기후변화협약 당사국 총회’(COP21)가 개최됐고 195개국이 참가해 2020년 만료예정인 교토의정서 이후의 새 기후변화체제 수립을 위한 파리협약이 타결됐다.

파리기후협약의 주요 내용은 지구평균기온 상승을 온실가스 배출전인 산업화 이전에 비해 2℃ 이내보다 낮은 수준으로 유지하고, 온도상승을 1.5℃이하로 제한하기 위한 노력을 추구한다는 것으로 우리나라는 2030년 배출전망치(BAU) 대비 37% 온실가스감축 목표를 수립했다.

특히, 발전 부문의 온실가스 배출은 2030년 기준으로 333.1 백만톤이 될 것으로 전망되며, 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.

또한, 4차 에너지 산업혁명을 선도하기 위해서는 차세대 에너지 전략기술과 ICT 융복합기술을 기반으로 에너지 신산업관련 기술개발의 선점이 필요하다. 차세대 전략기술로 송전선로 감시를 위한 생체모방 드론과 복잡하고 세밀한 제어가 가능한 배전용 활선로봇 개발 등 생체모방형 로봇 기술 등이 있다. 또한 ICT융복합기술 분야로는 전력 Big Data 플랫폼 및 다차원 분석 시스템, IoT 기술을 적용한 인공지능형 상황인식 및 예지형 서비스, 전력설비 3D 증강현실의 운영관리기술 등이 있다.

이처럼 빠르게 변화하는 환경 속에서 한전 전력연구원은 전력에너지 분야 대표연구기관으로서 신(新)기후체제에 선제적으로 대응하고 에너지신산업 기술개발에 역량을 강화하고 있다. 특히 업의변화를 기반으로 디지털 유틸리티(Digital Utility)로 진화 할 수 있는 기술과 기후변화에 대응할 수 있는 기술을 선도적으로 개발하여 전력산업시장을 주도해 나아가고자 끊임없는 도전과 혁신을 이어가고 있다.

또한 극초임계압 발전, 초초임계 순환유동층 발전, 청정 가스터빈 발전, 초임계 CO2 발전을 비롯한 청정화력 및 이산화탄소 활용·자원화 기술, 미세먼지 관리·제어 기술 개발의 투자를 확대해 국내 전력수급 안정화에 기여하고 국내 발전산업의 활성화를 통한 산업생태계를 선순환시키며, 해외 발전시장 개척을 추진하고 있다.

전력연구원에서 중점적으로 추진하고 있는 온실가스 감축 및 에너지신산업 시장을 선점하고자 중점개발하고 있는 핵심기술을 세부적으로 살펴보자. 

기후변화시대 핵심 전력기술
□ 기후변화 대응기술,
▲극초임계 발전기술 ▲초초임계 순환유동층 발전기술 ▲청정 가스터빈 발전기술 ▲초임계 CO2 발전기술 ▲이산화탄소 활용·자원화 기술 ▲미세먼지 관리 및 제어 기술

□ 에너지신산업 관련 개발기술
▲전력 IoT 기반기술 ▲3D 및 AR 기반 송배전설비 운영관리기술 ▲드론운용 플랫폼 개발 ▲AMI 계량 빅데이터 통합관리기술 ▲ESS ▲HVDC ▲마이크로그리드 ▲전기차 충전기술

◇극초임계압 발전기술
석탄화력발전소의 효율은 증기의 온도와 압력에 크게 좌우되는데, 지난 30년간 증기 온도를 높이기 위한 노력이 지속됐다. 아임계압에서 극초임계압으로 발전하면서 발전 효율은 상승하고 CO₂배출량은 저감되고 있다.

극초임계압 발전소는 증기온도 700℃이상, 증기압력 280 bar, 효율 48%(HHV) 범위의 초고효율 발전소를 지칭한다. 초고효율 발전시스템 개발에는 발전소에 적용하고 있는 기존 기술 및 시스템을 기반으로 해 극초임계압 조건에 따른 고효율화를 위한 터빈 및 보일러 설계 및 새로운 소재 개발로 구성된다.

전력연구원은 고효율 대용량 극초임계압 발전 시스템 개발을 추진하기 위해, 국내 발전사의 고효율 대용량 극초임계압 발전 시스템 개발에 대한 요구사항과 유럽, 미국, 일본의 고효율 대용량 극초임계압 발전 기술개발 동향 분석 중에 있다.

향후 고효율 대용량 극초임계압 발전 시스템의 가장 핵심분야인 700℃급 초내열 소재 설계, 제작 및 평가 기술을 확보하는 기술개발 추진전략을 수립해 정부과제로 추진할 계획이다. 기술 개발을 완료하면 안정적 전력 확보가 가능해지며 최신 발전설비의 해외 EPCM 사업역량의 확보가 기대된다. 발전설비 운영기술 고도화 및 부품 국산화에 의해 발전사 운영비 절감에도 크게 기여할 것으로 예상된다. 

< 극초임계압 발전시스템 개략도 >

◇초초임계 순환유동층 발전기술
순환유동층 발전소는 75㎛ 크기 이하로 분쇄된 석탄을 연료로 사용하는 기존 석탄화력발전(미분탄 연소)과 달리 10mm 이하로 분쇄된 석탄이나 생활쓰레기를 모래 등과 섞어 천천히 연소하는 방식의 발전소다.

< 순환유동층 보일러 개략도 >

국내산 무연탄 등 저열량 연료와 산업 폐기물 등을 연료로 사용할 수 있고, 발전효율이 높은 장점이 있으며, 연료가 800~900℃의 낮은 온도에서 연소돼  질소산화물 및 황산화물 등 환경오염물질의 배출이 적은 친환경적 발전방식이다.

석탄화력발전소가 증기의 온도와 압력을 증가시키며, 발전 효율을 증가시키는 것처럼 순환 유동층 발전도 미분탄 연소기술과 경쟁하며, 대용량 초초임계 기술 개발로 전환 중에 있다.

전력연구원은 남동발전·남부발전·동서발전, 두산중공업과 공동으로 2018년까지 500MW급 초초임계 순환유동층 발전소 국산화를 목표로 연구과제를 진행하고 있다. 이 과제 수행을 통해 대용량 초초임계 순환유동층 발전소의 설계·제작·운영 기술을 확보하고 외국 제작사가 독점한 순환유동층 발전소 시장에 진출해 신규 해외발전시장의 개척을 추진할 계획이다.

< 1000MW 초초임계압 화력발전플랜트 (신보령) >

◇청정 가스터빈 발전 기술
가스터빈의 개발은 과거 약 60년간 저공해, 고효율을 만족시키기 위해 고온, 고압축을 실현하는 연구개발이 꾸준히 진행돼 왔으며 많은 발전을 실현해왔다. 현재까지 개발돼온 터빈의 연소온도는 평균적으로 1년에 약 12.5℃씩 상승되는 추세다. 향후에도 효율향상을 위해 연소온도와 압축비를 높이는 연구개발이 계속될 전망이다.

전력연구원과 두산중공업은 200MW급 발전용 가스터빈의 국산화 연구를 정부과제로 진행 중에 있고, 서부발전과 협력해 독자 모델의 현장 실증 후 본격적인 고출력/고효율의 모델 개발을 위한 로드맵을 확보한 상태다. 전력연구원에는 실증규모 가스터빈 연소시험설비가 구축돼 있다. 뿐만 아니라, 한전은 석탄가스화복합발전(IGCC)분야 합성가스 가스터빈 적용성 연구, 합성천연가스 및 디메틸에더(DME)의 발전용 연료로의 적합성 연구를 기반으로 MHPS사와 합성가스 연소기 업그레이드 기술개발을 추진 중이다.

◇초임계 CO2 발전기술
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 연계하여 다양한 분야에서 응용이 가능한 장점을 가지고 있다.

전력연구원은 현대중공업과 함께 2019년까지 ‘디젤 및 가스엔진 폐열’을 이용해 2MW급 초임계 CO₂발전 시스템 개발을  진행 중에 있다. 육상발전 플랜트와 선박엔진의 폐열을 단기 목표 시장으로 겨냥하고 있다. 향후 열원 및 용량 다변화를 통해 신재생에너지와 분산전원 및 대용량 석탄화력 분야에도 연계해 기술개발을 추진할 계획이다.
 

< 초임계 CO2 발전의 응용 범위 >

◇이산화탄소 활용·자원화 기술
이산화탄소 활용기술(CCU, Carbon Capture & Utilization)은 화력발전소, 시멘트 및 석유화학공장 등과 같은 대규모 배출원에서 발생되는 온실가스를 산업적인 용도로 직접 이용하거나 고부가가치 제품으로 전환하여 활용하는 기술이다.

이 기술은 기존의 이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS, CO₂ Capture & Storage)과 비교해 처리 할 수 있는 이산화탄소의 양은 적지만 이산화탄소 활용에 따른 경제적 이익창출과 온실가스 감축의 두 가지 목표 달성이 가능한 장점으로 최근 에너지 신산업 측면에서 많은 주목을 받고 있다.

현재 한전등 전력그룹사는 이산화탄소를 활용한 탄소 자원화기술에 대한 중요성이 증대됨에 따라 2013년 이후 관련 기술개발을 위해 많은 투자를 하고 있다. 이중 전력연구원이 진행 중인 이산화탄소 활용기술로는 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 활용한 고부가화합물 생산기술과 산업체에서 발생하는 부산물과 이산화탄소를 활용한 탄산칼슘 제조기술 등을 들 수 있다.

이중 이산화탄소를 활용한 고부가화합물 생산기술은 이산화탄소 탄산화 공정과 염수 전기분해 공정을 결합해 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 별도의 포집설비 없이 바로 중탄산소다 등의 화합물로 전환시키는 기술이다. 이를 위해 전력연구원은 자체 개발한 고효율 이산화탄소 탄산화공정 및 저에너지형 염수 전기분해 기술을 바탕으로 하루 10kg의 이산화탄소를 포집, 20kg의 중탄산소다를 생산할 수 있는 공정에 대한 성능시험을 완료했다. 

이러한 성과를 바탕으로 2016년 8월, 하루 200kg의 이산화탄소 처리를 통해 연간 약 150톤 규모의 중탄산소다를 생산할 수 있는 이산화탄소 활용 고부가화합물 생산기술 개발에 착수했다.

< 이산화탄소 고부가화 기술 개념도 >

◇ 미세먼지 관리 및 제어 기술
전력연구원은 국내 최초로 충남 소재 3개의 화력발전소를 대상으로 발전소 배가스 계통과 발전소 주변 환경에서의 미세먼지 농도 및 거동 특성을 평가하고 정량적인 DB를 2016년에 구축했다. 국내 대규모 화력발전소인 보령화력·태안화력·당진화력의 총 6개 호기와 각 발전소 주변 반경 1, 5, 10, 20km 지점에서 채취된 미세먼지 시료를 대상으로 총먼지(TP), 미세먼지(PM10), 초미세먼지(PM2.5)의 농도 및 거동 특성을 정량적으로 분석했다.

국내 주요 화력발전소를 대상으로 탈질설비·열교환기·전기집진기·탈황 설비 등 주요 공정의 후단에서 배가스 시료를 채취, 공정시험법에 의거해 미세먼지의 농도·화학성분·형상 등을 분석함으로써 각 계통에서의 미세먼지의 거동 특성을 파악했다.

환경대기 중 미세먼지 측정 장치

또한 발전소 계통뿐만 아니라 실제로 발전소가 주변 환경에서의 미세먼지 확산에 미치는 영향을 평가하기 위해 발전소 주변 환경에서 대기 시료를 채취, 미세먼지 농도·형상·화학성분 등 제반 특성을 분석해 발전소와의 연관 관계를 규명했다.

이를 바탕으로 국내 석탄화력발전소를 대상으로 구축된 미세먼지 배출 및 거동자료를 활용해 청정발전 운영기반을 구축할 수 있을 것으로 기대된다. 연구결과를 통해 축적된 화력발전설비의 미세먼지 관리 노하우는 신기후변화 대응기술의 하나로서 전세계 환경기술 시장을 개척하는 데에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.