2016년 먹거리 신산업, '청정 전력기술'이 뜬다

2016년을 빛낼 전력기술 11가지 <상>

지구온난화에 따른 '온실가스 감축'은 전 세계적인 숙제가 됐다. 이런 시대적 흐름을 가장 먼저 체감하는 곳은 역시 전기·전력쪽이다. 전기에너지를 생산하기 위해서는 화석연료를 가장 많이 소비하고 이로 인해 온실가스를 가장 많이 배출하고 있기 때문이다.

그래서 전력기술의 대부분은 온실가스 감축이라는 역사적 사명 하에 연구가 이뤄지고 있다고 해도 과언이 아니다. 수요관리를 통해 생산된 전력을 아끼거나 발전소 효율을 극대화하기 위한 노력 등이 모두 에너지신기술과 맞닿아 있는 이유도 그 때문이다. 그리고 이 기술들의 미래의 우리 먹거리 기술로 자리매김 할 전망이다.

한전 전력연구원(원장 김동섭)이 제시한 2016년을 빛낼 11가지 전력기술은 ▲마이크로그리드 및 에너지자립섬 ▲에너지저장장치 ▲전기자동차 및 무선충전 ▲전력수요반응 ▲초전도케이블시스템 ▲HVDC ▲ 저탄소 화력발전기술 ▲CCS와 재활용 기술 ▲발전소 온배수열 활용 ▲스마트시티 ▲전력설비 IoT 등이다.

상·하 두 번에 걸쳐 이 전력기술을 소개한다.

◆마이크로그리드 및 친환경 에너지자립섬 기술

마이크로그리드(MG, Microgrid)는 지역 내에서 풍력, 태양광 발전 등 신재생에너지원과 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System) 등을 에너지 관리시스템(EMS, Energy Management System)으로 제어해 외부의 전력망에 연결해 운전하거나, 독립적으로 운전할 수 있는 배전 선로 규모(수MW 정도)의 계통망을 의미한다.

신재생에너지와 소형 열병합 발전기를 발전원으로 열과 전기를 동시에 수용가에 공급할 수 있고, 에너지저장장치와 함께 온수 탱크에 열을 저장해 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 관리 운영할 수 있는 시스템으로, 전력계통 운영 측면에서는 송배전 손실을 줄일 수 있어 에너지 효율 향상의 장점이 있다.

이에 따라 마이크로그리드는 독립 전력계통 구성을 필요로 하는 도서지역이나 지리적·경제적 여건으로 대규모 전력설비 건설이 어려운 일부 국가에서 새로운 대안으로 각광받고 있다.

한전 전력연구원은 차세대 에너지관리시스템인 마이크로그리드를 개발해 전남 진도군 가사도에 친환경 에너지의 생산·저장·이용이 가능한 에너지 자립섬을 2014년 10월에 준공했다. 가사도 에너지 자립섬에는 전력연구원에서 자체 개발한 독립형 마이크로그리드용 EMS, 400㎾ 풍력발전기(100㎾×4기), 320㎾ 태양광 발전기, 3Mh급 리튬이온 배터리를 설치해 운영하고 있다.

도서지역의 경우 육지의 대용량 전력계통과 연계가 불가능해 전력수요 밀도가 낮은 소규모 독립 전력계통을 운용하고 있으나, 낮은 설비이용율과 고가 연료 사용 등으로 전력공급 원가('07년 도서 지역 발전원가 : 588.56원/kWh)가 높다. 따라서, 아직까지 고가인 신재생에너지의 진입 장벽이 상대적으로 낮기 때문에 독립형 마이크로그리드에 의한 경제적인 전력공급을 통해 발전원가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 신재생에너지의 보급 확대로 온실가스를 감축하는 장점이 있다.

또한, 캐나다 PowerStream사와 협약으로 지난 2015년 8월에는 캐나다에서 '북미 배전급 마이크로그리드 실증사업 기공식'을 개최하고 마이크로그리드 운영시스템의 북미 현지화 작업을 수행 중에 있다. 2015년 11월에는 모잠비크에서 태양광발전설비 50kW, ESS 100kWh, 모터펌프 및 정수설비 등으로 구성된 마이크로그리드를 조성하고 마을의 약 50여 가구 및 학교, 커뮤니티 센터 등에 전기와 물을 공급하는 최초의 해외 전화(電化)사업인 '모잠비크 MG 시범사업'의 준공식을 개최했다.

현재 정부는 독립형 마이크로그리드를 에너지 6대 신산업으로 육성하기 위해 한전이 관리하는 62개 도서지역을 대상으로 친환경 에너지자립섬 조성사업을 추진하고 있다. 한전은 울릉도에 마이크로그리드를 구축할 계획이다. 한전 전력연구원은 에너지자립섬의 성공적인 실증 운전을 통해 Track Record를 확보하는 동시에 2016년 6월 준공 예정인 캐나다 마이크로그리드 사업을 기반으로 북미 지역에 적합한 마이크로그리드 사업 모델을 개발할 계획이다.

이와 함께, 마이크로그리드 보급확대을 위한 사업모델 확보를 위해 서울대 중심가 중심이 된 캠퍼스 마이크로그리드 구축 사업에 참여하고 있다. 캠퍼스 마이크로그리드는 중대규모 계통, 단일 운영 주체, 다양한 부하 형태의 캠퍼스 구내에서 에너지 절감 및 피크저감을 목표로 진행되고 있으며, 이를 통해 마이크로그리드 보급 확대의 계기를 마련할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

더불어 2016년 한전에서는 독자적으로 광주·전남 지역의 대학에 다중 커뮤니티형 마이크로그리드 및 에너지(전기+열) 통합형 마이크로그리드 구축 및 에너지 신산업 실증을 추진 중에 있다.

정부 주도로 진행중인 친환경 에너지 자립섬 사업 활성화를 통해 온실가스 감축과 마이크로그리드 다양한 사업모델을 확보, 중소기업과의 동반성장으로 창조경제의 구현에 기여할 것으로 예상된다.

◆전력효율 증대를 위한 에너지저장장치 기술

에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)는 신재생 보급 확대와 스마트그리드 구축을 위한 핵심 기술이다. 발전소 생산전력을 전력망에 저장한 후, 필요 시 다시 전력망에 공급함으로써 에너지효율을 증대시키고, 전력수급 불일치에 따른 전력 낭비 등의 문제들을 해결한다.

정부는 대규모 에너지저장장치 투자유도를 위한 ESS 초기시장 창출계획을 발표하는 등 대용량 배터리를 이용해 전력계통의 안정화를 도모하고 신재생 출력 개선, 그리고 전력을 저장하였다가 필요한 시기에 재사용 할 수 있는 등의 ESS 기술개발을 적극 지원하고 있다.

에너지저장장치는 전력계통에서 발전, 송변전, 수용가에 설치되어 계통 연계 안정화 및 비상전원 등의 용도로 활용과 운용이 가능하여 글로벌 ESS 시장은 2020년까지 기하급수적으로 증가할 것으로 전망된다. 우리나라의 배터리 제조 기술 분야는 세계적인 수준이지만, 제어시스템, 계통 연계, 알고리즘 등의 핵심 기술은 부족한 상태이다.

한전은 ESS 사업 분야 중 경제성이 우수한 주파수 조정 관련 기술 개발을 조기 추진하고 전력계통 주파수 조정용 통합 ESS 제어 알고리즘, 운전 화면 및 방법, 제어기, 모의 검증 ESS 모델 개발 등 실증시험을 통해 기반 기술 확보에 노력했다.

전력연구원은 2013년 10월 제주시 조천변전소에 4MW급 배터리 에너지저장장치 실증단지를 준공하고, 전력계통의 피크부하 저감, 주파수 조정, 신재생에너지 출력 안정화 용도로 시험을 진행해 알고리즘을 검증하고 2014년 8월 주파수조정용 배터리 에너지저장장치 실증을 완료했다. 또한, 4MW 배터리 에너지저장장치 건설과 운영시스템 개발을 통해 얻은 기술을 기반으로 서안성, 신용인 변전소 28MW 및 24MW 주파수조정용 배터리 에너지저장장치에 개발한 운영시스템을 적용해 상업운전에 성공했다.

한전은 2015년 200MW 주파수조정용 ESS 사업을 기획해 2016년 준공을 목표로 추진하고 있으며 전력연구원의 운영시스템을 탑재할 계획이다. 또한 지속적으로 성장하고 있는 신재생에너지 출력 안정화를 위해 신재생 하이브리드(신재생 + ESS) 기술을 개발하고 있다. 서남해 해상풍력 출력안정화 및 피크저감 등 다목적 ESS 통합운영을 개발 목표로 28MW ESS를 2019년까지 실증할 계획이다.

지속적으로 확대 적용되고 있는 ESS는 배터리 수명이 향후 사업의 성패를 좌우할 수 있으므로 배터리 성능평가, 수명예측 및 수명연장 기술이 ESS 운영기술의 핵심이 될 것으로 전망된다. 따라서 전력연구원은 주파수조정용 ESS사업에 적용되고 있는 리튬이차전지 성능 진단을 통한 수명을 예측하고, FR ESS 최적의 운영전략을 수립하여 배터리의 수명을 연장하는 과제를 2015년 기획하여 추진하고 있다.

또한 ESS의 가치를 제고하기 위해 Black Start용 ESS, 배터리 셀의 능동적 밸런싱 및 스마트 PCS형 ESS 등의 과제를 기획하고 있으며, 향후 다양한 국내 사업모델을 개발하여 해외수출을 목표로 하고 있다.

ESS연구사업단의 개발한 ESS 주파수 제어기술은 주파수 추종 및 자동 발전제어 기술을 융합한 세계 최초의 ESS 제어기술로서 제어기 수입 대체 효과만으로도 50MW 기준으로 17억원이며, 500MW ESS 주파수 조정을 할 경우 연료비 절감액은 연간 3000억원으로 국가 에너지 경제에 크게 기여할 것으로 기대된다. 또한 능동적인 전력에너지 수급 제어로, 계통안정도를 향상시키고 전력의 품질을 개선함으로써 국민의 고품질 전력서비스에 기여할 것으로 확신한다.

◆전기자동차 인프라 확대 및 무선충전 기술

세계적으로 신기후체제 출범에 따라 신재생에너지와 전기차가 중요한 핵심 사업으로 자리잡고 있다. 중국과 EU는 2020년까지 각각 전기차 500만대 및 470만대 보급계획을 가지고 있다. 우리나라 역시 산업통상자원부가 지난 11월에 발표한 2030 에너지 신산업 확산전략에서 산업부는 프로슈머가 전기차를 포함한 태양광, 풍력 등 분산자원을 이용해 생산한 소규모 전력을 팔 수 있는 시장을 2017년 개설할 것이라고 발표했다. 또한 전기차의 보급확대를 위해 2030년까지 전기차 37만대, 급속충전기 4,364기를 보급하고 핵심기술인 고효율 모터기술과 배터리 등을 개발할 계획이다.

이런 전기차 보급계획의 배경에는 신재생에너지원으로 전기차의 운영을 위한 전국 단위의 전기차 양방향 충전인프라 관리시스템과 이를 전력계통과 연동해 부하 조절하는 기술, 그리고 전기차를 이용한 전력거래를 위한 시장운영시스템 등이 기반기술로 위치하고 있다.

전력연구원은 충전부하조절을 위해서 충전기 스스로 저부하시간대를 찾아서 충전하고 고객 입장에서는 충전요금 절약, 그리고 국가적으로는 전력부하관리 효과를 창출하는 국제표준 대응 V2G(Vehicle to Grid)용 단방향 교류충전기를 개발, 보급했다. 이러한 충전인프라의 전국적 연계를 위해 충전소 단위에서는 소내 충전기를 제어, 충전부하를 조절하는 단말기인 충전기관리시스템과 지역의 충전인프라의 운영을 맡게 되는 충전인프라운영시스템 개발을 완료했다.

또한, 플러그를 끼우고 빼는 유선충전 방식의 불편함과 감전의 우려를 해소코자 2015년 무선전력전송기술을 적용한 전기차용 6.6kW급 무선충전시스템 개발에 착수했다. 무선전력충전시스템은 무선전력 송신부와 수신부간 무선으로 전력을 주고받아 전기자동차 내부의 배터리를 충전하는 방식이다.

현재 한전은 전력계통에 피크부하가 발생해 수급이 부족한 경우, 전기차에 기 충전돼 있는 전력을 충전기를 통해서 전력계통에 역송하는 G2V(Grid to Vehicle) 기술인 양방향 전력부하조절기술을 개발하고 있다. 전력연구원은 2017년부터 실증 착수를 목표로 2016년 중 전력부하 분석 및 충전인프라 운영정보 양방향 체계를 구축하고 다수차량(1:N) 동시 충전시스템 및 V2G 운영시스템 개발을 개발할 예정이다. 또한 개발된 운영시스템에 기반한 수요반응(Demand Response) 및 신재생에너지 연계형 사업모델을 개발할 예정이다.

무선전력충전시스템 개발을 위해 2016년 중 고효율 무선전력 공진기 설계 및 전송효율을 세계 최고 수준인 90%까지 개선할 예정이다. 무선전력충전시스템은 기존 EV충전 인프라와 연계해 안정성과 실용성을 실증한 후 국내에서 출시되는 무선전력충전 전기자동차에 맞춰 상용화 할 계획이다. 무선충전방식의 EV는 도요타나 폭스바겐 등 세계적 완성차 업계에서 2018~2019년에 출시할 것으로 발표했으며, 국내에서는 현대기아차의 쏘울 EV등 전기차에 무선충전기술이 탑재될 예정이다.

전기차용 무선전력충전시스템은 전기차 이용자에게 편리한 전기차의 이용경험을 제공함으로써 전기차 보급을 촉진하고 정부의 에너지신산업인 전기차 서비스 및 유료충전사업의 확산에 기여할 것으로 기대된다. 이러한 양방향 전력부하조절기술은 전력산업과 수송산업의 융합을 통해 스마트그리드 정보인프라의 한 축이 될 것으로 예상된다. 더불어, 이 연구개발을 통해 구축되는 무선전력전송 성능 및 안전성 평가시스템은 향후 개발되는 다양한 무선충전 응용시스템의 특성평가에 활용돼 보다 높은 출력과 효율을 갖는 안전한 무선전력전송 시스템 개발에 활용될 예정된다.

◆전력수요반응 및 전력거래 기술

수요반응(Demand Response(DR)) 프로그램은 요금 또는 인센티브를 통해 고객의 전력소비를 변화시키는 것으로 스마트그리드 전력 인프라를 통해 구현 가능한 가장 중요한 비즈니스 모델로 관심을 받고 있다. 수요반응 프로그램은 동하계 피크시간대의 전기사용량을 줄여, 정전 예방 및 최대전력을 줄이는 목적으로 추진되나, 고객들은 수요반응 프로그램에 참여함으로써 전기요금을 절감할 수 있고, 전력회사는 전력구입비 절감을 통해 전기요금 인상요인을 최소화하고, 안정적인 전력수급 확보를 기대할 수 있다. 이외에도 발전량을 줄여 온실가스 배출을 줄일 수 있을 뿐 아니라, 발전소를 새로 건립하는 비용도 줄일 수 있기 때문에 다양한 부가가치 창출이 기대된다. 최근에는 특정 시기에만 시행되는 수요반응 프로그램이 연중 운영하는 상시 수요반응 체계로 확대되고 있으며, 스마트미터, AMI 등 스마트그리드 구축과 함께 상시 수요반응이 가능한 Auto DR(자동 수요반응) 시스템 개발이 선진국을 중심으로 폭 넓게 추진되고 있다.

국내에서는 2014년 11월에 아시아 최초로 도매 수요자원 거래시장이 개설됐으며 2015년 상반기에 1,300여 고객들이 시장에 참여해 LNG 발전기 5기에 해당하는 244만kW 규모로 성장했다. 정부는 그간 정부 재정으로 운영된 전력소비 절감사업을 수요관리 상시화, 수요관리 시장형성 등 시장 중심으로 재편해 기존 지정기간, 주간예고 프로그램 등도 네가와트 시장으로 흡수할 계획이다. 또한 수요자원 거래시장 참여 대상을 일반 국민으로 확대하는 국민 DR 확산 사업을 추진, 모든 국민들의 똑똑한 에너지 소비를 유도함과 동시에 수요자원 시장규모를 2030년까지 최대수요의 5% 수준으로 확대할 중장기 계획을 마련했다.

한전은 전력수급 안정을 위해, 수요자원 거래시장이 도입되기 이전부터 수요관리사업을 주관하면서, 다양한 기술개발과 제도운영을 진행해왔다. 지난 5년간 약 60억원을 투자해 수요예측 기반의 수요반응 통합 포털을 구축했으며 이를 통해 상시 수요반응체계를 확립하고, 고객에 대한 에너지 절감컨설팅 사업에 활용하고 있다. 2015년 6월에는 중소 수요관리사업자(DR Aggregator)를 대상으로 하는 멘토링 시스템을 오픈하고, 전국 단위의 수요자원 변화를 실시간으로 시각화해서 보여주는 수요자원 맵을 선보여 주목 받고 있다.

한전은 스마트미터, AMI 등 스마트그리드 구축과 함께 상시 수요반응이 가능한 Auto DR 시스템 개발을 본격화한다는 방침이다. 개발될 Auto DR 시스템은 각 가정(HEMS), 빌딩(BEMS), 공장(FEMS) 등의 에너지관리시스템(EMS)과 연동, 한전(또는 전력거래소)의 수요반응 시그널에 대해서 각 고객의 EMS가 고객이 사전에 설정한 세팅에 따라 자동으로 전기사용량을 조절하게 되어 전기사용량 변경에 대한 고객의 불편을 최소화함과 동시에 수요반응 효과를 최대화하는 것을 목적으로 한다. 한전은 이를 위해 개별 고객의 전기사용 패턴을 분석해 고객이 활용 가능한 수요반응 방법과 최대 절감량 등을 맞춤형으로 제공하기 위한 에너지 프로파일링 솔루션 개발을 추진하고 있다. 개발 성과물은 정부의 국민 DR 실증을 지원하는데 활용할 계획이다. 이러한 솔루션의 수요반응 예측의 정확성을 높여, 이를 기반으로 전력수급 계획, 발전소 건설 등에 활용할 수 있을 뿐 아니라, 전기자동차, 마이크로그리드, 분산전원 등의 보급 확산을 위한 사업모델 개발, 에너지 종합 컨설팅 서비스 사업 등에도 활용될 것으로 기대된다.

◆초전도케이블시스템

초전도케이블은 영하 180도 부근에서 전기저항이 사라지는 초전도체를 사용해 제작한 케이블로 기존 케이블 대비 손실은 1/2, 송전용량 5배 이상의 능력을 갖는 저손실, 대용량 송전이 가능한 케이블이다. 이 초전도케이블은 현재 포화상태인 도심 지하 전력구의 증설 없이 초전도케이블로 교체하는 것으로 대용량 송전이 가능하며, 변전소등 설비의 추가 건설 없이 낮은 전압으로 대전류를 송전할 수 있는 차세대 케이블로 각광받고 있는 케이블이다.

전력연구원은 2013년 23kV급 초전도케이블 실계통 실증을 성공적으로 완료했고 그 후 직류 초전도케이블 시스템 개발에도 착수해 2014년 제주 초전도센터에서 80kV 500MW급 직류초전도케이블 시스템의 실계통 실증시험을 성공적으로 마쳤다.

2015년에는 세계 최대 용량인 154kV 600MVA 초전도케이블 시스템 개발에 성공해 최첨단의 대용량 초전도 송전기술을 확보했다. 또한, 초전도케이블 냉각시스템의 핵심기술인 극저온 냉동시스템 개발을 위해 영하 196도에서 단일용량 4kW급 스털링 냉동기를 2대를 이용해 8kW급 냉동시스템 개발에 성공, 실계통 실증을 완료했다. 국산화 개발을 위해 영하 200도 이하에서 단일용량 10kW 냉각능력을 갖는 극저온 냉동기 시스템 개발에도 매진해 현재 성능 평가가 진행 중에 있다.

초전도 기술을 근간으로 친환경 에너지 보급 및 온실가스 감축 등 미래 전력산업 환경변화에 대응해 국가전력망의 지속적 성장을 가능하게 하는 사회적 수용성이 높은 친환경 고효율 시스템으로 2030년 세계 시장 선도를 목표로 기술개발과 신산업이 추진 중에 있다.

현재 선진국에서는 기술 개발 단계를 지나, 실증 시범사업이 진행되고 있으며, 실증사업의 가속화를 통한 국내 기업 경쟁력 확보에 매진해 향후 주요기간망의 초전도 사업 확장에 대비하고 있다.

2016년에는 세계 최고 용량 AC 154kV 600MVA 초전도케이블 실계통 실증시험을 통한 실적 확보, 극저온 냉각시스템 국산화 개발, 장거리 초전도케이블 시스템 기술개발 등 초전도케이블 상용화를 위한 연구 개발을 계속 추진할 예정이다. 또한 현재 한전은 기 개발된 23kV급 초전도케이블 시스템의 국내계통 적용을 위한 시범사업 후보지를 확정하고, 2017년 실계통 사업을 목표로 추진하고 있다.

현재 우리나라는 세계 최고 용량의 초전도 케이블 기술을 보유하고 있다. 이 기술력을 바탕으로 국내 관련 기업과 협력해 전 세계적으로 급성장중인 세계 초전도 전력산업을 주도하고 친환경 대용량 전력전송기술을 확대 적용 가능하게 될 것이다.

◆HVDC(직류전송) 및 차세대 대용량전력전송 기술

AC송전기술은 변압기를 이용해 다양한 레벨로 전압변환이 가능해 오랫동안 전력망을 구성하는 기반이 돼왔다. 하지만, AC계통의 규모가 증가함에 따라 전력계통 운용의 안전성 및 효율성을 확보하기 위해 AC송전이 가지는 한계를 극복할 수 있는 대안으로 HVDC 송전에 대한 관심이 증가되고 있으며, 고장전류 저감을 위한 계통분리, 장거리 대용량 전력전송, 비동기 전력계통 연계, 해상풍력 연계 등의 프로젝트에 그 적용이 확대되고 있다.

우리나라에서도 제주와 육지를 연계하는 2개의 전류형 HVDC시스템이 해외에서 도입돼 운영중에 있다. 현재 700MW의 HVDC 설비용량이 2030년에는 10GW 이상으로 증가할 것으로 예상됨에 따라 HVDC 시스템에 대한 기술개발이 계통운영자인 한전과 HVDC시스템 제작사를 중심으로 활발하게 이뤄지고 있다.

전력연구원은 전류형 HVDC 시스템을 개발해 제주시 한림읍에 80kV 60MW급의 DC송전이 가능한 HVDC 실증단지를 2014년 준공했다. 이를 위해 시스템 설계 및 주요 변환설비인 변환용변압기, 사이리스터 밸브, 제어 및 보호시스템을 국산화해 제작했고 시험설비를 구축해 개발품의 성능시험 완료 후, 현장에 설치했다. 제주 154kV 전력계통에 연계해 실계통 실증시험을 완료했다. 향후 500kV급 전류형 HVDC시스템에 대한 기술개발을 통해 국내·외 HVDC사업에 대한 역량을 강화할 계획이다.

현재 정부는 HVDC를 13대 산업엔진 프로젝트로 육성하기 위해 전압형 HVDC의 실증단지 구축 및 실계통 연계시험을 통해 국산화를 추진하고 있다. 한전은 실증운전에 적합한 부지를 선정해 전압형 HVDC 실증단지를 구축할 계획이다. 전력연구원은 전압형 HVDC의 성공적인 실증 운전으로 Track Record를 확보하는 동시에 전력계통 송전망의 확보를 통해 전력의 안정적인 수급과 운영신뢰도 향상을 위한 연구과제를 기획하고 있다.

한전은 수도권 전력수급 문제해결을 위해 북당진-고덕 HVDC 사업을 2017년 준공 목표로 추진하고 있으며, 전력연구원에서는 HVDC 시스템의 운영전략 수립, 설비 기술규격 개발 및 기자재검수 등을 통해 사업의 성공적인 추진 및 전력계통의 안정적 운영을 목표로 하고 있다.

전압형 HVDC는 전세계적으로 성장하고 있는 기술이며, 송전과 동시에 무효전력의 독립제어를 통한 AC전압 유지가 가능하고, 멀티터미널의 적용을 통해 DC전력망을 구축해 전력계통의 안정적인 운영을 지원, HVDC 기술의 핵심이 될 것으로 전망된다. 따라서, 전력연구원에서는 국내최초의 전압형 HVDC 시스템 개발, 실증단지 구축 및 실계통 연계시험을 통해 국내 계통 적용을 통한 전력공급 안정화를 목표로 과제를 기획하고 있다.

◆저탄소 청정화력발전 기술

국내 온실가스 감축 목표를 달성하기 위해서는 40%이상의 온실가스를 방출하고 있는 화력발전으로부터 이산화탄소를 줄이는 것이 가장 큰 현안사항이다.

저탄소발전분야는 기존에 운영중인 발전소와 신규 발전소의 이산화탄소를 감소시키기 위한 저탄소형 석탄화력과 가스터빈 기술개발이 진행중이다. 기존 석탄화력에서 발생하는 이산화탄소를 저감하기 위한 방안으로 작동유체인 증기를 고온고압화해 효율을 대폭 높일 수 있는 초초임계압 화력발전기술과 가스터빈의 입구온도를 높임으로서 복합화력발전의 효율을 높일 수 있는 고효율 가스터빈 기술이 저탄소기술로 각광받고 있다.

전력연구원은 두산중공업과 공동으로 2002년부터 초초임계압 화력발전기술 개발을 착수, 2008년에 세계 최고성능을 갖는 효율 44%의 초초임계압 화력발전 기술을 확보했고 2016년 준공을 목표로 한국중부발전 신보령 1호기에 실증설비를 건설하고 있다.

2010년 부터는 지능형 핵심설비 감시진단 시스템과 제어시뮬레이터를 개발해 국내 최초로 개발한 고성능 화력발전소를 조기에 안정화하고 상품의 가치를 높이기 위한 노력에 앞장서고 있다. 이 기술은 국내에 22기 이상 설치되어 있는 기존 석탄화력 대비 4% 이상의 효율을 향상시킬 수 있는 기술로 연간 85만톤의 이산화탄소를 저감할 수 있을 것으로 기대된다.

또 전력연구원 발전연구소는 석탄화력의 효율을 50% 이상으로 대폭 향상시킬 수 있는 극초임계압 석탄화력발전기술 개발을 위해 2022년부터 500MW급 이상의 화력발전소에 이 기술을 적용하기 위한 기술개발 전략을 수립하고, 관련 기술개발을 위한 연구를 2016년부터 시작할 계획이다.

아울러 최근 국내 전력수급 불안정에 능동적으로 대처하기 위해 급속기동이 가능하고 친환경, 고효율인 한국형 표준 복합화력 모델로 250MW 출력, 효율 40%의 대형가스터빈 개발이 진행 중이다. 두산중공업이 설계, 제작, 고온부품 개발을, 전력연구원은 가스터빈 최적운전 및 핵심부품 시험평가를 수행하고 있다.

2016년에는 가스터빈 기반 복합발전 운전 시뮬레이터와 고온부품 최적운전주기 평가기술 개발을 수행하고 있다. 이번 기술개발을 통해 가스터빈 제어로직을 체계적으로 검증, 복합화력 발전소 건설 후 시운전 기간을 단축시킬 수 있으며, 상업운전을 조기에 달성하고 운전 신뢰도를 증대시킬 수 있다. 또한, 가스터빈 고온부품 사용재 및 신재에 대한 제작사별/사용조건별 물성 자료 데이터베이스를 구축해 고온부품 수명 및 잔여수명평가를 수행할 계획이다. 이를 통한 고온부품의 고주기 및 저주기 신뢰성평가를 수행하고, 해석적 평가결과와 비교해 파괴수명 및 부품에 대한 건전성평가가 가능하다.

이 같은 연구개발이 성공할 경우 우리나라는 세계 최고 성능의 화력발전기술을 보유하게 된다. 이 기술력을 바탕으로 국내 관련 기업과 협력해 전 세계적으로 급성장중인 세계 화력발전산업을 주도하고 국내 온실가스 저감목표를 무난하게 달성할 수 있을 것으로 기대된다. <자료제공=한전 전력연구원>

양세훈 한경닷컴 QOMPASS뉴스 기자 twonews@asiaee.net