발전효율은 높이고, 오염물질 배출은 낮추고
미세먼지, 파리기후협약으로 친환경 발전 도입 가속화
올 상반기 계속되는 미세먼지가 국민건강은 물론 발전 산업계에도 영향을 주고 있다.
최근 정부가 발표한 미세먼지 종합대책에는 경유차와 함께 화력발전소 관련 대책도 들어가 있다. △ 30년 이상 노후발전소는 폐기 또는 연료전환 △ 기존 발전소는 탈황, 탈질설비 보강 등의 성능개선 △ 신규 및 건설공정률 10% 미만 발전소는 영흥화력 수준의 배출기준 적용 등이 포함됐다. 친환경 발전에 대한 필요성은 해외에서도 대두됐다. 2015년 말 프랑스 파리에서 개최된 유엔 기후변화협약에서 채택된 최종 합의문에 따라 협약에 참가한 195개 당사국 모두 온실가스 감축 의무를 갖게 됐다.
우리나라는 2030년까지 온실가스 배출전망치(BAU) 대비 37% 감축 방안을 제출했다.
국내외 환경 변화로 인해 정부는 물론 발전플랜트 업계도 친환경 기술 개발 및 적용을 가속화해야 하는 상황에 놓여있다. 두산중공업은 미세먼지를 줄이는 데 기여할 수 있는 독자적인 기술력을 통해 국내는 물론 해외 발전 시장 공략을 강화해 나가고 있다.
효율은 높이고, 오염물질 배출은 낮추는 화력발전소에 주목
- 초초임계압, 석탄가스화, 순환유동층보일러 기술
발전소 효율을 대폭 높인 초초임계압(USC. Ultra Super Critical) 화력발전소가 친환경 발전소로 주목 받고 있다. 초초임계압 화력발전소란 터빈에 유입되는 증기의 압력이 246㎏/㎠ 이상이고, 증기온도가 593도 이상인 발전소를 말한다.
일반적으로 증기의 압력과 온도가 높을수록 동일한 양의 화석연료로 더 많은 전기를 생산하기 때문에 연료소비를 줄일 수 있고, 이산화탄소와 황산가스, 질산가스 등 유해물질 배출도 감소되기 때문에 초초임계압 발전소는 고효율, 친환경 발전소로 평가 받는다.
두산중공업은 지난 2013년 1000MW급 신보령 화력발전 주기기(보일러/터빈)를 수주한 것을 시작으로 2015년 4월 강릉안인화력(보일러/터빈), 11월 신서천화력(터빈), 12월 고성하이화력(보일러/터빈)을 잇따라 수주하는 성과를 거두었다. 한편, 지난 11월에는 1000MW급 삼척 석탄화력발전 주기기(보일러/터빈) 우선협상대상자로 선정된 바 있다.
일반적으로 증기 온도가 10℃ 오르면 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 발전효율은 0.5％가 높아지고, 압력이 10㎏/㎠ 높아지면 효율은 0.2%가 오른다. 결국 발전원가도 하락하는 결과를 낳는다. 또한 1000MW 초초임계압 발전소의 이산화탄소 배출량은 기존 780g/㎾h에서 10% 정도 개선된 710g/㎾h으로 감소하며, 이산화황도 기존보다 0.2g/㎾h이 덜 나오는 등 친환경적 가치를 높였다.
두산중공업의 USC 발전효율은 44.4%로 일본 경쟁사 보다 0.2% 정도 높다. 석탄화력발전시장이 점차 대형화 고효율화 하고 있고, 대부분 국가들이 환경 규제를 강화하고 있어 앞으로 초초임계압 화력발전소는 더욱 각광받을 전망이다.
석탄을 가스로 변환시켜 발전소 연료로 사용하는 석탄가스화복합발전(IGCC. Integrated Gasification Combined Cycle) 기술도 기존 석탄화력발전소에 비해 오염 물질을 크게 줄일 수 있어 눈길을 끈다.
이 기술은 고온·고압 하에서 석탄을 산소, 수증기와 반응시켜 합성가스(CO+H2)를 생산하고 이를 연료로 가스터빈과 증기터빈을 구동하는 복합발전시스템이다. 충남 태안에 두산중공업이 건설 중인 국내최초의 석탄가스화복합발전소가 6월 초 최초 발전개시에 성공하고 올해 준공을 앞두고 있다.
IGCC는 현재 순 발전효율이 약 42%로 기존 석탄화력발전 효율 38～40% 대비 높은 수준이며 향후 설비의 대용량화 및 고성능 가스터빈 기술개발 시 효율 48∼50% 달성이 가능하다. 기존 발전설비와 달리 연료를 연소하기 전에 공해물질을 쉽게 제거할 수 있어 황산화물, 질소산화물, 먼지를 청정연료인 LNG 수준까지 줄일 수 있다. 또한 기존 석탄화력 대비 물 사용량도 20～40% 가량 줄일 수 있는 장점이 있다.
두산중공업이 수주한 여수화력발전 1, 2호기, 새만금집단에너지시설에는 친환경 발전기술로 주목 받고 있는 순환유동층(CFB. Circulating Fluidized-Bed) 보일러가 적용된다. 순환유동층보일러는 공기와 석회를 동시에 주입하고 연료를 입자형태로 순환 연소시킴으로써 질소산화물, 황산화물 등 오염물질 배출을 크게 줄이는 친환경 발전설비이다.
또한 전세계 석탄의 상당수를 차지하는 저품질 석탁을 완전 연소할 수 있기 때문에 연료비 절감은 물론 석탄 부족이 심각한 지역에서도 사용될 수 있다.
순환유동층보일러 원천기술은 포스터 휠러, 알스톰 등 일부 글로벌 선도기업만 보유하고 있다. 두산중공업은 독일 자회사인 두산렌체스를 2011년에 인수하며 원천기술을 확보했고 현재 글로벌 순환유동층보일러 시장을 적극 공략하고 있다.
자연으로부터 얻는 친환경 에너지
- 바이오매스 발전소 연료전환, 풍력
이번에 발표된 미세먼지 종합대책엔 노후발전소 연료전환이 포함됐다. 연료전환은 기존 석탄화력발전소를 바이오매스나 LNG와 같이 오염물질 배출이 적은 연료로 가동할 수 있도록 시설을 변경하는 것을 말한다.
두산중공업은 최근 우리나라와 영국에서 연료전환 사업을 잇따라 수주했다. 두 건 모두 노후 석탄화력발전소를 우드팰릿을 연료로 하는 바이오매스 발전소로 전환하는 프로젝트이다. 우드펠릿은 목재가공 과정에서 버려지는 나무와 톱밥으로 만드는 고체연료이다.
원재료인 나무가 자라는 과정에서 이산화탄소를 흡수하기 때문에 우드팰릿 연소시 발생하는 이산화탄소는 온실가스 배출량에 포함되지 않는다. 또한 버려지는 자원을 재활용한다는 측면에서 신재생에너지로 분류되어 발전사는 신재생에너지 의무할당제(RPS)도 충족할 수 있다. 그 외에도 LNG보다 열량단가가 2.6배 낮고, 황산화물, 질소산화물 등의 대기오염물질 배출량이 석탄대비 65%~75%이상 감소되어 탈황, 탈질설비 건설비와 운영비도 절감할 수 있다.
친환경 에너지의 대표주자격인 풍력 사업도 지속적으로 추진하고 있다. 두산중공업은 지난 3월 한국전력과 ‘해외 풍력발전 사업에 대한 공동 개발, 건설과 운영 등 상호 협력을 위한 업무협약’을 체결했다. 국내 유일의 해외 풍력사업 개발자인 한국전력과의 업무협약을 통해 두산중공업은 해외 풍력발전 시장 진출의 발판을 마련했다.
국내 풍력발전 시장에서 두산중공업은 풍부한 실적을 거두고 있다. 2011년 국내 최초로 3MW급 육·해상풍력시스템인 'WinDS3000TM'을 개발해 국제인증을 받았다. 현재 WinDS3000TM 17기(51MW)를 운전하고 있으며, 52기(156MW)는 건설 중에 있다. 현재까지 국내 최대 실적인 총 69기의 계약을 체결했다. 또한 국내에서 해상풍력 운전 실적과 프로젝트 계약 실적을 확보한 기업은 두산중공업이 유일하다.
오염물질 배출 막는 발전소 최종 수비수
- 환경설비, CCS(이산화탄소 포집 기술)
대부분의 화력발전소는 석탄, 석유 등의 연료를 때워 열을 얻고 연소과정에서 오염물질이 발생하는 것 또한 필연이다. 환경설비는 연료의 연소과정에서 생성된 오염물질을 제거해 대기로 배출되지 않도록 하는 시설이다. 주요 설비로는 탈질설비, 탈황설비, 전기집진기가 있다.
탈질설비(SCR, Selective Catalytic NOx Reduction System)은 질소산화물(NOx)를 제거하는 시설이다. 연소가스에 포함된 질소산화물을 질소와 물로 전환시킨다. 질소산화물은 산성비와 광하학스모그 원인 중 하나일 뿐만 아니라 대기중의 오존층도 파괴하는 환경오염물질이다.
탈질설비는 2014년부터 5년간 연평균 5.9% 성장해 2019년 약 13조원의 시장이 형성될 것으로 전망된다. 탈황설비(FGD, Flue Gas Desulfurization)는 배기가스에 포함된 아황산가스를 제거한다. 아황산가스에 석회석 슬러리를 접촉해 화학반응을 일으켜 아황산가스를 제거하고 부산물로 석고를 생성하여 배출하는 설비이다. 탈황설비는 2014년부터 5년간 연평균 5% 성장해 2019년 약 17조원의 시장이 형성될 것으로 전망된다.
전기집진기(EP, Electrostatic Precipitator)는 연소가스에 함유된 분진, 검댕 등의 입자물질을 입자물질을 정전기력을 이용해 포집, 제거하는 장치이다. 전기집진기는 2014년부터 5년간 연평균 5.8% 성장해 2019년 약 13조원의 시장이 형성될 것으로 전망된다
이산화탄소 배출을 직접적으로 막아주는 기술이 있다. 바로 CCS(Carbon Capture & Storage)기술이다. CCS는 화력발전소 등에서 발생되는 이산화탄소를 포집해 바다 및 땅속에 안전하게 저장하는 기술이다. CCS 기술은 크게 △ 연료의 연소 전 이산화탄소를 분리하는 기술(Pre-Combustion) △ 연소 시 이산화탄소를 분리하는 순산소 연소기술(Oxy-fuel) △ 연소 후 배기가스 중 이산화탄소를 분리 포집하는 PCC기술(Post-Combustion Capture)로 나누어진다.
두산중공업은 2020년 상용화를 목표로 순산소 연소기술과 연소 후 이산화탄소 포집 기술 개발에 매진하고 있다. 영국 자회사인 두산밥콕은 이미 25년째 CCS 기술을 개발 중에 있고, 두산중공업은 PCC 원천기술 보유기업인 캐나다 HTC로부터 기술 라이선스를 확보한 바 있다. 이를 통해 국제에너지기구(IEA) 전망 2050년 연평균 84조원 규모로 형성되는 CCS 시장을 적극 공략할 계획이다.