산업통상자원부는 2014년 산업·발전 부문 426개 관리업체에 대한 온실가스·에너지 감축목표를 설정해 통보했다. 그 중 발전 부문의 예상 배출량은 2억7천5백만톤(CO₂)이고 배출 허용량은 2억6천2백만톤으로, 감축량은 1천2백3십만톤이다.
미래사회는 대체에너지, 친환경에너지 사용 등으로 에너지 사용을 최소화하고, 온실가스를 줄이면서, 지속적인 성장이 중요시되는 ‘제로에너지 지향 사회’가 될 것으로 예측된다.
국제에너지기구 IEA의 2012년 보고서에 의하면, 지구 온도 상승을 2℃ 이내로 낮추는 시나리오인 ‘2DS’ 목표 달성을 위해서는 2050년까지 석탄 수요가 46% 가량 감소해야 한다.
세계적으로 현재 대부분의 석탄발전소는 미분탄발전소이고, 총 1600GW의 설비용량으로 매년 8Gt의 CO₂를 배출하고 있으며, 이는 전 세계 배출량의 1/4에 해당한다. 기후 변화에 대한 우려에도 불구하고 석탄발전은 역사적으로 가장 빠르게 증가하고 있으며, 지난 5년간 350GW의 설비가 증가했다.
이러한 현상에 대해 아무런 조치가 취해지지 않으면, CO₂ 배출 증가는 기후 변화에 심각한 위협을 초래할 것으로 예측된다.
그림 1. 극초임계압 발전시스템 사용 소재 특성. L. Mäenpää et al.
현재 세계적으로 석탄발전소에서는 효율이 낮은 설비가 운전 중이며, 300MW 이하의 25년 이상 노후된 발전소가 전체 설비용량의 50% 이상을 차지하고 있다. 특히 설비의 75% 이상은 아임계압 발전소로 운영되고 있다.
석탄발전소의 효율은 표 1과 같이 증기 조건에 매우 의존적이기 때문에, 지난 30년간 증기 온도를 높이기 위한 노력이 지속됐다. 아임계압에서 극초임계압으로 발전하면서 발전 효율은 상승하고 CO₂ 배출량은 저감되고 있다.
극초임계압 발전소는 증기온도 700℃ 이상, 증기압력 280 bar, 효율 45%(HHV) 범위의 초고효율 발전소를 지칭하며, 초고효율 발전시스템은 발전소에 적용하고 있는 기존 기술 및 시스템을 기반으로 해 극초임계압 조건에 따른 고효율화를 위한 터빈 및 보일러 설계, 새로운 소재 개발로 구성된다.
표 1. 석탄발전소 증기 조건과 효율
극초임계압 발전 기술개발은 유럽에서 AD700 극초임계압 프로그램으로 2014년까지 550MW급(700℃/350bar) 데모플랜트 건설을 당초 목표로 했으나, 부품시험 중 보일러 튜브 소재인 Alloy 617의 기술적 문제점이 발견돼 후속 프로그램으로 17B, 263, 625 등의 재료를 이탈리아 ENEL의 320MW급 플랜트에서 시험 중이다.
미국은 2001년부터 에너지성 주도의 Vision 21과 Power Plant Improvement Initiative 프로그램을 통해, 760℃급 극초임계압을 목표로 석출강화 초내열합금 개발 및 인증에 집중하고 있다. 보일러에서는 과열기와 재열기의 요구조건인 고크리프강도, 상안정성, 저열팽창계수, 화염측 내식성을 위해 IN740, Haynes230, Haynes282 등을 후보합금으로 개발 중이다.
일본은 2008년 정부 주도로 Cool Earth Program을 개시해 2020년까지 700℃급 극초임계압(효율 48%) 데모플랜트 건립을 목표로 하고 있다. 일본 프로그램의 특징은 기존 스테인리스 내열강의 온도범위 확장으로 Ni기 합금 사용의 최소화를 시도하고 있다는 것이다.
우리나라는 2002년부터 2008년까지 6년에 걸쳐 정부 지원 하에 1000MW, 증기온도 610/621℃급 초초임계압 발전 기술개발이 수행됐으며, 그 결과 2016년 신보령 1·2호기가 593℃급 조건으로 건설 중에 있다.
620℃급 초초임계압 기본 설계기술은 확보한 상태이나, 선진국에서 이미 장기프로젝트로 수행해 온 700℃급 극초임계압 발전시스템의 설계 및 상용화를 위한 원천기술 개발은 준비가 전혀 돼 있지 않은 상태이다.
700℃급 극초임계압 발전용 Ni기 초내열합금 단련소재가 중요한 부분을 차지하고 있으며, 발전산업, 가스터빈 엔진 등 추진기관에서 이들 초내열합금에 대한 국내 수요가 점점 증가하고 있다.
한전 전력연구원에서는 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 동향을 분석하고 있다.
향후 고효율 대용량 극초임계압 발전 시스템의 핵심 분야인 700℃급 초내열 소재 설계, 제작 및 평가 기술을 확보하는 기술개발 추진 전략을 수립해 정부과제로 추진할 예정이다.
본 기술 개발이 완료되면 안정적 전력 확보가 가능해지며, 최신 발전설비의 해외 EPCM 사업역량을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 발전설비 운영기술 고도화 및 발전사 운영비 절감에도 크게 기여할 것으로 예상된다.
장중철 선임연구원 _ 전력연구원 발전연구소
