지난해 말, 전 세계가 기후변화에 대응하고자 맺은 파리협약은 화석연료의 종말을 예고하는 신호탄이었다. 그 중에서도 석탄의 경우는 전문가들로부터 ‘온실가스를 줄일 수 있는 가장 현실적인 대안은 석탄 사용을 줄이는 것’이라는 말을 들을 정도로 지구온난화의 주범으로 몰리고 있는 실정이다.

이 같은 상황에서 석탄도 생존을 위해 나름대로의 변신을 꾀하고 있다. 석탄을 마치 천연가스처럼 가스로 만드는 사업인 ‘석탄가스화복합발전(IGCC)’이 바로 그것.

특히 IGCC가 친환경과 경제성이란 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 신기술이라는 사실이 알려지면서 전 세계의 이목이 집중되고 있다. 미국의 에너지 전문 조사기관인 EER은 오는 2030년까지 1200조 원 규모의 시장을 형성할 것으로 추정하고 있다.

석탄을 가스로 만들어 발전 효율 높여

자금까지 전기를 만드는 가장 일반적인 방법은 석탄을 태울 때 발생하는 열로 물을 끓여서 증기를 만들고, 이 증기의 압력으로 스팀터빈을 돌리면서 이와 연결된 발전기를 통해 전기를 얻는 것이었다.

그런데 사용하는 연료가 석탄이 아니라 가스라면 전기를 두 번 만들 수 있다. 1차로 가스를 태울 때 가스터빈을 돌려 전기를 한 번 만들고, 가스터빈에서 나오는 뜨거운 열이 수증기를 만들어 스팀터빈을 돌리면서 또 한 번의 전기를 만들 수 있기 때문이다.

이 같은 두 번의 과정을 거쳐 전기를 생산하는 방법을 ‘복합발전’이라고 한다. 가스를 연료로 사용하는 발전소의 경우, 스팀터빈 1개로만 전기를 만들 경우 발전효율이 40%에 불과한 반면에, 터빈 2개를 모두 사용하게 되면 발전효율이 60%로 높아지게 된다.

하지만 석탄은 고체 연료라 가스터빈을 사용할 수 없다. 이에 과학자들은 석탄을 이용한 복합발전을 고안해 냈는데, 이것이 바로 ‘석탄가스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle)’ 시스템이다.

IGCC 시스템은 우선 석탄을 가스로 바꾸는 과정이 필요하다. 석탄을 인공적으로 가스로 만든 다음, 이 가스를 가스터빈에서 태워 여기서 발생한 열로 다시 스팀터빈을 돌리면서 복합발전을 하는 것이다.

이렇게 하면 석탄을 연료로 사용하는 석탄화력 발전방식에 비해 효율이 현저히 높아진다. 또한 온실가스 배출량을 석탄화력 발전보다 대폭 줄이면서도, 석탄화력 발전이 가진 경제성을 살릴 수 있는는 장점을 가지게 된다.

하지만 단점도 있다. IGCC는 설비가 복잡하여 기존 석탄화력 발전이나 천연가스복합발전에 비해 초기 건설비용이 비싸다. 이 같은 단점을 보완하기 위해 엔지니어링 업계는 건설 비용을 낮추는 노력을 진행하고 있는데, 앞으로 IGCC 시스템의 보급이 활성화되면 건설비가 상당히 낮아질 것으로 전망되고 있다.

국내 최초의 IGCC 발전소는 태안에 위치

IGCC는 국내 환경법에서 신재생에너지 중 하나로 분류되어 있다. 태양광이나 풍력과 같은 신재생에너지에 비해 친환경적인 면은 부족하지만, 나름대로 신재생에너지로 인정을 받는 이유는 공해 유발을 대폭 감소시키는 석탄가스화 기술 때문이다.

탄소 덩어리인 석탄에 산소와 약간의 물을 접촉시킨 다음, 1000℃ 이상의 높은 온도에서 반응시키면 불완전연소가 일어나면서, 잠시 후 일산화탄소(CO)와 수소(H)가 주성분인 합성가스로 바뀌게 된다.

합성가스를 가스터빈에서 태울 때 최적의 조건으로 태우면 산성비를 유발하는 황산화물과 질소산화물을 최소화시킬 수 있다. 또한 먼지 등의 발생도 막을 수 있어 환경적으로 매우 깨끗해진다.

이 때 석탄에 포함된 황(S)도 가스화합물로 함께 바뀌지만, 가스화 공정의 뒷부분에 마련된 가스세정장치를 통해 제거된다. 또 다른 잔류물인 석탄재는 녹아서 덩어리 상태로 변하게 되는데, 이는 건설자재로 사용될 수 있다.

현재 운영 중인 전 세계의 IGCC 발전소는 미국에 3개, 유럽에 3개, 그리고 일본에 1개 등 총 7개가 있고, 건설 중인 IGCC 발전소도 10개 정도가 존재한다. 우리나라의 경우는 한국서부발전이 300메가와트(㎿) 급 규모로 지난 2011년부터 충남 태안에서 사업을 시작했다.

지난해 말 가스화기의 최초 점화를 통해 석탄가스화 운영기술의 첫발을 내디딘 태안 IGCC 발전소는, 앞으로 다양한 시운전을 거친 뒤 오는 3월에 정식으로 준공될 예정이다.

태안 IGCC 발전소의 관계자는 “최신기술이 적용된 국내 최초의 설비다보니 어려움이 많았지만, 핵심설비의 중요 공정이 안전하게 운전 중”이라고 밝히며 “3월 준공 이후 실증운전을 거쳐 11월까지 국내 최초의 IGCC 사업을 성공적으로 완료할 예정"이라고 말했다.

한편 IGCC의 또 다른 장점으로는 발전시스템 뿐만 아니라 합성가스를 이용한 대체천연가스(SNG)나 석탄액화(CTL) 등을 생산하는 기술에도 적용이 가능하다는 점을 들 수 있다. 또한 합성가스와 연료전지를 융합한 석탄가스화연료전지(IGFC)나 이산화탄소의 포집 및 저장기술(CCS) 적용 등의 다양한 연계기술 접목도 가능하다.