R&D 미래 이끈다 <전력경제신문 창간 16주년 특집>
미세먼지 측정·관리·제어 등 전문 연구 ‘활발’ 
발전 부문 배출 미세먼지 25%까지 감축키로
발전 4사와 입자응집 조대화 기술 개발 속도
확대·적용 땐 연간 약 150톤 이상 저감 전망

전력연구원 연구원이 조대화 실험장치의 성능을 점검하고 있다.

대기 중 미세먼지는 국민의 건강은 물론 사회 전반에 걸쳐 악영향을 끼치는 ‘골치거리’다.
정부가 '대기환경보전법'을 손질해 도서지역 발전소의 대기오염 배출규제를 강화하는 것도 이 때문이다. 
새 정부 110대 국정과제에도 ‘미세먼지 걱정 없는 푸른 하늘’이 등장한다.
그만큼 미세먼지 배출 관리와 저감에 대한 사회적 요구가 커지고 있는 상황을 반영한 것이다. 
특히 발전 부문에서는 대기 중 초미세먼지 농도 저감목표 30%를 달성하기 위해 비상이 걸려 있다.
노후 석탄화력발전소 조기폐지, 사업장 계절관리제 및 대기오염물질 배출사업장 총량 관리제 시행도 이의 일환으로 추진된 조치다. 
하지만 정작 미세먼지(PM 10)와 초미세먼지(PM 2.5)의 실시간 관리가 이뤄지지 않아 이에 대한 관리 및 대응기술이 절실히 필요한 실정이다. 
현재 발전소에서 직접 배출되는 총 먼지 중 미세먼지의 구성 비율은 90% 정도이며, 이 가운데 초미세먼지가 차지하는 비중은 대략 70%에 이른다. 
한 전문가는 “발전소 현장에서는 배출 가스로부터 먼지와 기타 불순물들을 제거하기 위해 전기집진기를 활용하고 있으나, 총 먼지에 비해 미세먼지의 집진율은 낮은 수준이기 때문에 미세먼지에 특화된 저감기술의 확보가 필요하다”고 지적했다.

# 전력연구원은 당면 과제로 떠오른 미세먼지 대응을 위해 여러 방향에서 연구를 진행하고 있다.
대표적으로는 대기 중의 미세먼지를 정확히 측정하고 평가하기 위한 기술, 미세먼지의 거동을 평가하고 관리하는 기술, 미세먼지를 제어하고 저감하기 위한 기술이 꼽힌다.
전력연구원은 오랜 기간 각 분야별로 전문적인 연구를 수행해왔다.
거듭된 연구개발 결과물로 대기 중의 미세먼지를 정확히 측정하는 기술은 이미 보유하고 있다.
국내 최초로 미세먼지를 측정하기 위해 배가스를 채취하는 동안 응축을 방지하고 희석 중 입자손실을 최소화하는 방식의 ‘굴뚝 고정형 미세먼지(PM10, PM2.5) 자동연속측정 기술’ 개발을 완료한 것이다. 
이는 국내 화력발전소의 미세먼지를 관리하는 기반을 마련하는 계기로 작용했다.
‘굴뚝 미세먼지 연속 측정 기술’을 전력산업기술기준에 표준으로 제정, 국내 환경 기술력 제고에도 일조했다.
발전소 굴뚝에서 나오는 대기뿐만 아니라 대기 중에서 광화학반응으로 생성되는 2차 미세먼지의 거동평가에 대한 연구도 활발히 진행 중이다. 
과학적인 근거를 통해 미세먼지 제거 전략수립을 지원한다는 계획이다.

조대화 실험장치 테스트 모습

# 특히 전력연구원은 2020년부터 한국남동발전, 한국중부발전, 한국서부발전, 한국동서발전과  함께 먼지 입자의 크기를 키우는 입자 조대화 기술 개발에 나섰다.
전기집진기의 미세먼지 제거효율을 높이는 한편, 발전부문에서 발생하는 미세먼지를 25%까지 감축하는 것이 목표다. 
발전소에서 운영하는 전기집진기는 방전극, 집진판으로 구성돼 있으며, 코로나 방전을 이용해 기체 속의 분진들이 양전하를 띄도록 하고, 집진판에 음전하를 인가시켜 오염물질이 집진판에 흡착되도록 하는 장치이다. 
이 중 방전극은 코로나 방전에 의해 기체 속의 먼지들에 전하를 주는 전극을 말한다. 
전력연구원이 개발하는 입자응집 조대화 기술은 방전극에 인가되는 직류전원을 교류전원으로 바꿔 전기집진기 일부에 교류전기장이 형성되도록 하고, 교류전기장으로 인해 전류의 방향 변화가 발생하게 되면 이에 따라 입자의 왕복 운동을 통해 충돌을 유도해 입자들끼리 응집을 일으켜 입자의 크기를 크게 키우는 기술이다. 
방전극에 인가된 교류전원은 주파수와 인가전압의 크기에 따라 전하를 띄고 있는 입자(먼지)의 크기에 따라 이동속도를 변화시킨다. 
입자의 크기별로 이동속도가 변하면서 입자 간의 충돌을 유발하고, 충돌 시에 먼지들이 응집되면서 크기가 점점 커진다. 
작은 먼지들은 큰 먼지에 응집돼 제거되고, 크기가 성장된 입자들은 전기집진기 내에서 고효율로 제거되기 때문에 미세먼지의 제거효율을 크게 향상시킬 수 있다.
전력연구원은 교류전원을 이용한 조대화 기술의 주요 설계/운영 인자인 전기장 세기, 주파수, 입자농도, 방전극을 바탕으로 전산모사를 통해 입자 조대화 기구를 해석했다. 
전기장 세기는 입자 운동거리를 조절해 충돌의 유도를 조절할 수 있다.
주파수는 입자 왕복운동의 횟수에 영향을 준다. 
입자농도의 농도에 따라 미세먼지의 응집률이 변화하며, 방전극에 인가하는 전압의 크기에 따라 형성되는 교류 전기장의 파형을 조절해 미세먼지 응집율을 높일 수 있다.
전력연구원은 이같은 연구결과를 토대로 10㎥/min급 실험실 규모 조대화 실험장치를 구축, 최적 설계인자들을 도출했다. 
이후 전기집진기 내부 운전환경을 모사할 수 있는 150㎥/min급 조대화 성능평가 장치를 구축해 조대화 시스템으로 투입되는 조대입자(10㎛ 이상 먼지) 분율 5%가 조대화 시스템을 거치며 최대 40%까지 상승하는 성능효과를 거뒀다. 

조대화 기술을 발전소 전기집진기의 일부에 적용한 격상모사 결과. 초미세먼지(PM2.5)의 제거효율을 기존 75% 수준에서 90%이상으로 끌어 올리는 결과를 도출했다. 
현재 발전사 4개사와 공동으로 전력연구원에서 개발한 입자 응집 조대화 기술은 발전소 실증을 위한 상세 설계와 실증 협의를 진행하고 있다.
이 기술은 향후 발전소 실증을 통해 표준화력 전기집진기의 최적운전 조건을 도출할 계획이다.
이후 기술이전 등을 통해 발전소 확대적용 방안을 모색하기로 했다. 
입자 응집 조대화 기술이 발전소 전기집진기에 확대·적용될 경우 석탄화력발전소에서 배출되는 미세먼지를 연간 약 150톤 이상 저감시킬 수 있을 것으로 예상된다.
이에 따라 발전소 배출 미세먼지에 따른 사회적 비용을 연간 약 80억원 이상 절감효과를 거둘 것으로 기대를 모은다.

# 한국전력은 전력설비 운영 과정에서 발생하는 미세먼지를 줄이기 위해 많은 투자와 노력을 기울여왔다. 
특히 석탄화력발전이 국내 미세먼지의 주요 배출원으로 인식되면서 전력연구원에서는 미세먼지를 정확히 평가하고, 저감하기 위한 신기술 개발에 박차를 가하고 있다. 
또한 미세먼지 측정 및 성능평가 인프라를 구축하고, 국내 최초로 사용 연료 및 가동연수, 배가스 계통별 미세먼지 배출특성 등 미세먼지 관련 데이터베이스를 갖춰 미세먼지 분야의 연구 역량을 강화하고 있다. 
전력연구원은 미세먼지 분야 연구 성과가 향후 국가의 미세먼지 저감 정책 및 관리 계획을 과학적이고 체계적으로 수립하기 위한 중요한 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 
이와 함께 미세먼지를 저감하는 핵심 기술을 확보하고, 확대 보급해 환경시장을 활성화하는 등 국가 경제에도 이바지하겠다는 계획이다.