석탄에서 LNG로, 한국중부발전의 밑그림

석탄에서 LNG로, 한국중부발전의 밑그림

 

대학생신재생에너지기자단 20기 윤진수, 이주선, 황지영,  21기 김채윤, 오화종

 

눈으로 담은 한국중부발전

 

2022년 11월 15일부터 총 3일에 걸쳐 대학생신재생에너지기자단(이하 대신기)의 단원들이 한국중부발전 서울발전본부 홍보관 KOMIPO ENERGEUM을 방문했다. 홍보관은 1층 에너지 로드, 2층 에너지 랩, 3층 에너지 오션으로 구성되어 있다. 1층에서는 서울발전본부의 역사와 기록을, 2층에서는 본격적인 발전 원리와 관련 지식을 소개하고 있으며, 3층에서는 미디어 갤러리와 VR체험이 가능하다.

한국중부발전 서울발전본부는 대한민국 최초의 화력발전소로 올해 개관 100주년을 맞이했으며 ‘세계 최초의 도심 속 대규모 지하발전소이자 시민 개방형 발전소’라는 소개와 함께 다양한 국내, 해외 사업을 추진하고 있다. 서울발전본부의 주 연료는 LNG로 석탄화력발전소와 달리 먼지와 황산화물의 배출이 적다. 연소 중 생성된 질소산화물을 질소와 수증기로 바꿔주는 최적 방지시설인 배연탈질설비가 설치되어 있어, 우리가 발전소 굴뚝에서 볼 수 있는 연기가 바로 배연탈질설비를 거친 질소와 수증기라고 할 수 있다.

 

[자료1. 한국중부발전 서울발전본부의 전경]

출처: 한국중부발전

중부발전은 또한 ‘비전 2030 경영전략’의 전략목표 중 하나로 친환경 에너지사업을 선도할 것이라고 밝히며, 신재생에너지 발전량 30%, 온실가스 감축률 48%를 목표로 설정하고 있다. 이를 통해 탄소중립 체계 이행을 강화하고, 친환경 중심의 수소 생태계를 구현하며 환경오염 저감 및 친환경연료 확대에 힘쓸 예정이다.

대신기 단원들이 견학을 통해 얻은 지식과 발전소에 대한 관심을 바탕으로, 본 기사에서는 중부발전을 비롯한 한국의 화력발전, LNG복합발전의 원리를 소개하고, 중부발전의 사업 전략과 같이 앞으로 도래하는 친환경 시대에서의 각 발전의 역할과 비전을 제시하려 한다. 

 

화력발전의 원리와 특징

 

한국중부발전의 서울화력발전은 당안리발전소를 시작으로 대한민국 화력발전의 시초라고 해도 과언이 아니다. 그렇다면, 화력발전의 특징과 원리를 간단히 알아보자. 

 

[자료 2. 한국중부발전의 화력발전 원리]

출처: 한국중부발전

대부분의 에너지 발전이 그러하듯이, 화력발전은 열 에너지를 운동 에너지로 바꾸어 발전기를 돌리는 원리를 이용한다.

화력발전소는 석탄, 천연가스, 중유 등의 연료를 태워서 물을 고온 고압의 증기로 만든다. 이 증기로 터빈을 회전시키며, 최종적으로 터빈에 연결된 발전기를 돌려 전기를 생산하는 발전을 취하고 있다. 구성설비로는 연료를 연소시켜 뜨겁고 높은 압력을 지닌 증기로 만드는 보일러와 고온 고압의 증기가 가지고 있는 열 에너지를 회전 에너지로 바꾸는 터빈, 그리고 전기를 발생시키는 발전기로 되어 있다.

 

[자료 3. 화력발전 시설구조]

출처: bRd 3D 유튜브 채널

좀 더 자세히 설비를 중심으로 살펴보면, 먼저 연료를 보일러에서 태운다. 이때 발생하는 열기로 증기를 가열하는데 이 설비를 과열기라고 한다. 이곳을 통과한 증기는 500도가 넘게 과열된다. 이렇게 온도가 높아진 증기는 큰 에너지를 갖게 되는데, 이 증기의 힘으로 터빈을 돌려주는 것이다. 먼저 가열된 증기로 고압터빈을 돌려준다. 고압터빈을 돌린 증기는 재가열해서 다시 사용하는데, 증기를 다시 가열해주는 설비를 재열기라고 한다. 재열기를 통해 다시 가열된 증기는 다시 중압터빈과 저압터빈을 돌려주게 된다. 터빈들이 돌아가면서 같은 축에 맞물린 발전기가 돌아가게 되고 전기가 생산되는 것이다.

흥미로운 점은 화력발전 안에서도 에너지를 재활용, 재사용하는 원리가 있다는 것이다. 앞서 말했듯이, 한번 사용한 증기를 재가열 시키는 재열기가 에너지 재활용에 도움을 준다. 또한 두번 사용되어 저압터빈을 통과한 증기는 물로 복원하는 장치인 복수기를 통해 액화시킨다. 이 액화된 물은 펌프로 다시 보일러로 이동되어 다시 가열하는 과정을 시작한다. 결론적으로 재열기와 복수기와 같은 설비는 에너지 발전의 효율성을 증가시키기 때문에 연료 사용을 감소시키는 효과를 준다.

 

타 발전과 비교했을 때 장점 단점 현황

 

[자료 4. 석탄화력발전소 국내 현황]

출처: http://kfem.or.kr/?p=217393

국내 전기 생산량 중 66%는 화력발전이 차지한다. 한국에서 화력 발전의 비율이 높은 이유 중 하나는 입지조건이 까다롭지 않아 대도시나 산업단지 부근에 건설할 수 있다는 점이다. 위의 사진에서 보면 화력발전소가 전기사용량이 많은 수도권에 집중되어 있는 것을 확인할 수 있다. 한국중부발전의 화력발전소가 수도권에 위치한 이유를 설명할 수 있는 부분이다.

그러나 이에 따라 발전소 인근 지역들의 대기질이 나빠져 주민들이 피해를 호소하는 경우도 있다. 실제로 화력의 연료는 석유 중심이라 발전량이 많아지면 이산화탄소 배출량도 늘어난다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 지난 2017년 한국의 화석연료 온실가스 전체 배출량은 6억 톤으로 세계 7위인데 이중 석탄화력발전소가 뿜어내는 온실가스는 52%로 집계되었다.

화력 발전은 발전소에서 생산된 전력을 사용자에게 보내는 거리가 짧아 전력 송전비가 절감된다는 점과 관련하여 발전원가를 따졌을 때 비용적인 손실을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 따라서 한국에서는 화력발전이 항상 가동되는 ‘기저 전원’으로 사용되어왔다. 그러나 발전 연료인 유연탄의 가격이 작년과 비교하여 87%가 급등하고 올해 초에도 6개월 동안 28%가 올라 불안정하다. 이런 가격 널뛰기는 화력발전의 경제성에 영향을 주며 수익성을 확보하기 어려워 화력발전소들의 신용등급이 강등되는 수난을 겪고 있다.

수치상으로는 석탄화력 발전원가가 가장 저렴하나 이는 정부의 배려 때문이라는 시각이 있다. 기업은 온실가스를 기준치 이상 배출할 경우 탄소배출권을 구입해야 하지만 석탄화력발전소의 경우 정부가 탄소 배출권의 97%를 각 발전소에 무상할당하고 나머지 3%도 한국전력이 비용을 전액 보전하고 있다. 온실가스 배출비용을 포함하면 석탄화력발전기의 원가가 다른 발전원보다 비싸며 이에 따른 경제성 악화로 점차 줄어들 것으로 예상된다.

실제로 미국에서는 LNG발전을 기점으로 석탄화력발전을 퇴출시키고 있다. 과거와 달리 석탄화력 발전이 효율적이지 않으며 저렴하지 않다는 인식의 전환이 생겼기 때문이다. 한국의 경우에도 유사하다. 제 10차 전력수급기본계획 정부안에 따르면 석탄의 비율은 2018년 41.9%, 2030년 19.7%, 2036년 14.4%로 석탄화력발전의 비율을 대폭 줄이고, 국내 58기의 석탄화력 발전소 가운데 28기를 폐지할 예정이다.

 

환경친화기업으로의 도약_LNG 발전

 

[자료 5. 한국중부발전 제주발전본부]

출처: 한국중부발전

한국중부발전은 탄소중립 달성을 목표로, 신재생에너지로의 전환을 위한 여러 친환경 발전방법을 도입하기 위해 노력하고 있다. 이에 발전사 최초 LNG를 직도입하기도 했으며, 현재 제주발전본부 및 세종발전본부에서 LNG 복합발전 설비를 구축하여 환경친화기업으로 선정되기도 했다.

LNG란 액화천연가스로, 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄올을 -162︒C에서 냉각하여 액화시킨 뒤 부피를 1/600으로 압축시킨 천연가스이다. 부피가 작아 저장과 운반에 용이하고 황 함유량이 적어 대기오염의 피해를 줄일 수 있어 우수한 연료로 손꼽히고 있다. 우리나라의 경우 해외 천연가스 산지의 LNG 공장에서 액화시킨 것을 LNG 선으로 도입하고, 이를 다시 LNG 공장에서 기체화한 후에 파이프를 통해 발전소에 공급하고 있다.

무공해 에너지천연가스는 액화과정에서 분진, 황, 질소 등이 제거되어 연소 시 공해물질을 거의 발생하지 않는 무공해 청정연료로서 환경보전에 큰 기여를 하는 최적의 에너지이다. 따라서, LNG를 연료로 발전할 경우 석탄 발전에 비해 배출되는 이산화탄소가 절반 수준에 가까우며 다른 유해물질 역시 10% 수준으로 친환경발전이라고 할 수 있다.  공기보다 가벼워 누출이 돼도 쉽게 날아가며 발화온도가 높아 폭발의 위험이 적다.

그러나 위와 같은 장점에도 불구하고 LNG 발전은 연료비가 상대적으로 비싸 상대적으로 원료비가 저렴한 원자력, 석탄 발전이 우선적으로 가동되고 있다. 따라서 LNG 발전량을 늘리기 위해서는 LNG의 가격 경쟁력을 높여야 한다. 이에 한국중부발전은 2015년 LNG 직수입을 시작하고 싱가포르를 거점으로 LNG 시장을 확대하고 있다. 

 

친환경 시대 속 석탄화력발전과 LNG 발전의 역할

 

올해 8월 공개된 이번 정부의 제10차 전력수급기본계획 실무안에는 석탄화력과 LNG발전의 에너지 믹스에 관한 밑그림이 발표되었다. 간략하게 보자면 석탄화력은 예정대로 퇴출수순을 밟을 것으로 보이고 LNG 발전은 폐지되는 석탄화력(26기)을 LNG로 전환하고 신규 설비가 확충되면서 설비용량이 크게 늘어난다.

석탄화력 발전 부문에서는 국내 기업이 친환경 전력 생산으로 탈바꿈 하는 '수소 혼소 발전' 기술을 확보하는 노력을 하고 있다. 수소 혼소 발전은 가스 터빈에 수소와 천연가스를 함께 태워 전력을 생산하는 방식으로, 이산화탄소 저감 효과 뿐만 아니라 경제성 면에서도 주목받고 있다. 수소 혼소 발전의 경우 LNG 발전소의 노후화된 가스 터빈을 적은 비용으로 개조해 사용할 수 있으며, 저순도 수소를 쓴다는 점에서도 순도가 99.99% 이상인 수소가 들어가는 연료 전지 발전보다 비용이 낮을 수밖에 없다.

해외에서도 석탄화력 발전에 대한 의존을 줄이기 위한 세계적인 흐름 역시 거세다. 2021년 미국 에너지부는 미국 내에 존재하는 252GW 규모의 석탄화력 발전소를 탄소중립에 기여하는 미래형 발전소로 전환하기 위한 정책인 ‘콜 퍼스트(COAL FIRST)’를 발표했다.

 

[자료 6. 쿨 퍼스트 정책에 따른 미래 석탄화력 발전 플랜트의 주요 특징]

출처 : SK에코플랜트 뉴스룸

‘FIRST’라는 단어로 축약되는 핵심적인 내용은 운전의 유연성 향상(Flexible), 40% 이상의 고효율 및 탄소포집과 활용(Innovative), 신재생에너지의 단점 보완을 통한 전력망 안정화(Resilient), 50-350MW 규모의 중소형(Small), 모듈형 표준화 발전(Transformative)이다. 현재 미국 정부는 이와 관련된 4개의 실증 프로젝트들을 위해 8천만 불을 지원하고 있다.

LNG발전 부문에서는 국내 최초로 LNG 복합화력발전소에서 발생하는 온실가스를 줄이기 위한 ‘LNG발전의 연소 후 습식 이산화탄소(CO₂) 포집기술’의 실증연구에 착수했다.

[자료 7. LNG발전소의 연소 후 습식 CO₂ 포집설비 개요도]

출처 : 투데이에너지

 

친환경적인 전력산업을 위해 대부분의 석탄화력을 LNG발전이 대체해 2034년에는 전력설비 용량의 30.6%를 차지할 것으로 전망된다. LNG발전은 다른 화석연료 대비 상대적으로 적은 수준이지만 탄소중립을 실현하기 위해서는 LNG발전소에서도 CO₂ 포집기술이 적용돼야 한다는 필요성이 대두되고 있다.

‘LNG발전의 연소 후 습식 CO₂ 포집기술’은 아민계열의 액체 흡수제를 사용해 LNG 복합화력의 배가스 중 CO₂를 선택적으로 분리‧회수하는 기술이다. 석탄화력 발전소, 제철소 등의 배기가스보다 상대적으로 낮은 CO₂ 농도 조건에서도 포집율을 90% 이상으로 높이고 포집에 필요한 에너지사용량을 최소화하는 것이 핵심이다. 이 CO₂ 포집기술은 대량 온실가스 감축과 동시에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 탄소중립 실현의 핵심기술로 평가받고 있다. 

사실 석탄화력과 LNG발전 모두 무탄소 전원은 아니다. 그렇기에 탄소중립에 긍정적인 영향을 주는 발전원이 되지 못한다. 하지만 LNG발전은 현재 설비량 기준 전체 발전원 중 피크 기여도를 반영한 실효용량이 35.9%로 가장 높다. 전력 피크수요 시간대에 실제 전력을 공급할 수 있는 용량이 높다는 의미다. 이런 장점과 단점이 명확한 것이 LNG발전이다. 탄소중립을 위해 화석연료를 사용하는 발전소를 점차 폐지해 나가야 하는 것은 사실이다. 

그러나 탄소중립을 달성하지 않아도 된다는 인식은 곤란하다. 문제는 탄소중립을 위한 에너지원의 선택 즉, 에너지 믹스를 고려할 때 항상 국내의 정치적인 요소가 들어간다. 그러다보니 에너지 정책의 일관성이 떨어지며 올바른 방향으로 나아가기 힘들다. 친환경 시대를 맞이하며 탄소중립과 에너지원을 적절히 고려하여 가스가격 급등 등의 에너지 안보를 필수적으로 고려하여 정책을 설계했으면 한다.

 

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화력발전에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "석탄화력발전소 가고, LNG 발전소 온다", 18기 서현영, 이유나, https://renewableenergyfollowers.org/3396 

2. "신재생에너지야 빨리 자라렴 복합화력발전소가 버티고 있을게!", 17기 오희린, https://renewableenergyfollowers.org/3011 

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참고문헌

[눈으로 담은 한국중부발전]

1) 한국중부발전 홈페이지, 2030 비전, KOMIPO 경영전략체계, https://www.komipo.co.kr/kor/content/21/main.do?mnCd=FN020501

2) 현지용, “화력에서 신재생으로...에너지 전환 앞장서는 중부발전”, CEO스코어데일리, 2022.03.30, https://www.ceoscoredaily.com/page/view/2022032816300260551

[화력발전의 원리와 특징]

1) bRd 3D, 화력 발전소는 어떻게 작동할까?, 2021.06.06, https://www.youtube.com/watch?v=EfXCVfnWyWk

2) “서울화력발전소”, 한국민족문화대백과사전, 2022.12.02, http://encykorea.aks.ac.kr/Contents/SearchNavi?keyword=%EC%84%9C%EC%9A%B8%ED%99%94%EB%A0%A5%EB%B0%9C%EC%A0%84%EC%86%8C&ridx=0&tot=6964

3) 한국중부발전 홈페이지, “화력발전의 원리”, 2022.12.02, https://www.komipo.co.kr/kor/content/81/main.do?mnCd=FN100404

[타 발전과 비교했을 때 장점 단점 현황]

1) 네이버 지식백과, “ 화력 발전의 입지와 장.단점”, 2010.02.11., https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2441396&cid=51648&categoryId=51648

2)신동윤, “프로젝트 1.5°C : 석탄화력발전소는 비싸다”, 뉴스타파, 2020.10.05., https://www.newstapa.org/article/RQtS1

3)에너지 기후변화 활동소식, 환경운동연합, “석탄화력발전소, 원자력 발전소 국내 현황 지도”, 2021.06.30., http://kfem.or.kr/?p=217393

4) 이윤정, “ 가동도 안 했는데 신용등급 강등… 화력발전소 수난시대”, 조선일보, 2022.06.27., https://biz.chosun.com/industry/company/2022/06/27/R4DQDTFDRNDWHH5LEUWP53R5H4/

5)이재호, “2036년 국내 원자력발전 비중 34.6%”, 내일신문, 2022.11.29., http://www.naeil.com/news_view/?id_art=443333

6) 한국원자력환경공단, 네이버 블로그, “화력발전소 궁금해?”, 2019.07.11., https://blog.naver.com/yeskrmc/221583315179

[환경친화기업으로의 도약_LNG 발전]

1) 한국중부발전, 한국중부발전 공식 블로그, “에코미와 알아보는 친환경 에너지, LNG”, 2018.3.22., https://blog.naver.com/komipo_official/221234823079

2) 한국중부발전, 한국중부발전 공식 블로그, “한국중부발전 발전소 건설의 역사 한눈에 알아보기!”, 2022.11.30., https://blog.naver.com/komipo_official/222924936275

3) 서민준, “한국중부발전, LNG 직수입으로 3년간 연료비 712억 절감”, 서울경제, 2018.02.26., https://www.sedaily.com/NewsView/1RVUS2TJEW

[친환경 시대 속 석탄화력발전과 LNG 발전의 역할]

1) 김진후, “석탄 26기 폐지 후 LNG로 전환 …'에너지 믹스' 구축”, 대한경제, 2022.08.31. https://www.dnews.co.kr/uhtml/view.jsp?idxno=202208301522486740095

2) 김병욱, “전력硏·발전5사, LNG복합 CO₂ 포집기술 실증연구 착수”, 투데이에너지, 2022.01.13. http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=244484

3) 박민규, “석탄 화력 발전소가 친환경으로 탈바꿈…한화, '수소 혼조 발전' 기술 확보”, 이코노믹리뷰, 2021.03.22. https://www.econovill.com/news/articleView.html?idxno=524265

4) SK에코플랜트 뉴스룸, “오래된 화력 발전소에서 찾은 탄소중립의 새로운 방법?”, 2022.07.28. https://news.skecoplant.com/plant-tomorrow/4074/