한국서부발전(사장 김병숙, 이하 서부발전)은 7월 30일(화) 석탄가스화복합발전(이하 IGCC)1)을 통해 만들어진 석탄가스2)로 고순도의 수소를 생산 후, 이 수소를 연료전지의 연료로 재활용하여 전기를 생산하는 『석탄가스화 연료전지발전(이하 IGFC)3)』 시스템을 개발 중에 있다고 밝혔다.

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산·학·연 협력 프로젝트 추진으로 석탄가스화 기술기반 구축

최근 수소의 대량 생산 가능성으로 큰 주목을 받고 있는 IGCC가 서부발전의 사업소 중 하나이자 코어 발전소인 태안발전본부에서 한창 가동 중이다.

서부발전은 이러한 IGCC의 운영을 통해 이산화탄소와 각종 유해물질 배출을 천연가스 복합발전 수준으로 획기적으로 줄일 수 있다는 점에 만족하지 않고, 이와 연계된 IGFC 개발 연구에 박차를 가하고 있다.

한전 전력연구원, 고등기술연구원, PTK, 영남대학교와 공동으로 2016년 12월부터 「IGFC 적용을 위한 석탄합성가스 정제 및 전환기술 개발」 과제를 정부로부터 지원받아 수행 중인 것이다.

서부발전은 이러한 산·학·연 협력을 통해 2020년까지 석탄합성가스 정제 및 전환기술을 개발, 고순도의 수소를 자체 생산하고 이와 연계하여 100kW급 수소연료전지로 발전하는 것을 목표로 하고 있다.

고순도 수소 생산방식 다양화로 수소경제시대 선도

IGFC 기술의 핵심은 황(S)이나 중금속, 미세 분진 등이 포함된 석탄가스를 연료전지의 연료로 사용 가능한 고순도의 수소로 전환시키는 것이다. 이에는 황화합물, 미량의 불순물, 분진 등을 제거하는 기술과 일산화탄소를 수소로 전환시키는 기술(합성가스 전환), 그리고 이산화탄소를 분리·제거하기 위한 흡착기술 등이 포함된다.

지금 현재는 정부과제 참여 기관별로 기술 개발이 한창 진행 중이며, 태안발전본부 IGCC 부지 내 IGFC Test Bed를 구축, 파일럿 플랜트 등 시험설비를 통해 기술개발에 매진하고 있다.

그 결과, 지난해 11월 연구설비를 활용, IGCC 공정에서 추출한 석탄가스를 정제 및 전환하여 99.99%의 고순도 수소를 최초로 생산하는 성과를 거뒀다. 이 시험을 통해 약 300kg의 수소를 생산했으며, 이는 수소 자동차로 30,000km의 거리를 이동할 수 있는 수준이다.

IGFC 개발 성공의 마지막 열쇠, 수소연료전지 개발에 주력

IGFC 기술의 또 다른 한축을 이루는 핵심은 고순도 수소를 이용하여 연료전지로 발전하는 것이다. 연료전지의 종류에는 인산형(PAFC), 용융탄산염(MCFC), 고체산화물(SOFC), 고분자전해질(PEMFC) 등이 있다.

서부발전은 고등기술연구원과 함께 지난 5월 국산화 연료전지 기술 개발 및 안정적 수급을 위해 국내 기업과 100kW급 PEMFC 형식의 연료전지를 개발하기로 협약한 바 있다.

서부발전에 따르면, 개발 초기 PEMFC 연료전지는 석탄가스 내 CO 및 유황에 의한 피독 가능성이 높아 고려 대상이 아니었지만, 자동차의 연료전지로 사용될 만큼 가동 횟수에 제한이 적고, 대량생산 가능성이 확대됨에 따라 경제성이 향상되어 최종 선정되었다고 한다.

현재 서부발전은 연료전지를 제작 중에 있으며 올해 말 현장 설치 및 발전 시험을 통한 장시간의 안정적인 전력생산 가능성을 타진해 볼 계획이다.

IGFC 기술은 석탄가스화, 가스터빈 복합발전, 고순도 정제, 연료전지 발전이 융·복합된 차세대 新기술로서 이 분야의 국·내외 시장 선점시 고부가가치 산업 육성과 고용증대 효과 등 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다.

일반 석탄 화력에 비해 발전효율이 높고 이산화탄소나 유해 물질 배출량이 적어 기존 석탄 화력을 대체할 신개념 발전기술로서 향후 전망도 밝은 편이다.

서부발전 관계자는 “IGFC 핵심기술 연구가 최종단계에 도달한 상태로서, 수소경제로의 에너지 전환을 선도하는 신기술이 곧 탄생할 것”이라고 말하는 한편, “이러한 신기술이 국내 전력산업계에 성공적으로 정착되기 위해서는 설비 대용량화와 표준화를 통한 보급 확대로 건설비를 낮추려는 노력과 REC(신재생에너지 공급인증) 이행비용 보전, REC 가중치 상향 등 정책적 지원 역시 필요하다”고 전했다.

1) 석탄가스화복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)

전 세계적으로 미국, 일본 등 7개국에서만 운용되고 있는 설비로서 국내 최초이자 유일하게 서부발전만이 운용 중임.

2) 석탄가스

석탄에 적은 양의 산소를 공급, 부분 연소시켜 만든 합성가스로서 고성능 세라믹 필터와 물리화학적 용매를 사용하여 가스터빈에서 사용 가능토록 깨끗하게 정제됨.

일반적인 석탄화력에서 발생하는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 먼지 등을 천연가스 발전소 수준으로 저감 가능.

3) 석탄가스화 연료전지발전(IGFC, Integrated Gasification Fuel Cell)

IGCC 공정에서 추출한 수소를 전기를 생산하는 연료로 재활용하는 설비로서, 석탄의 가스화, 합성가스의 정제 및 전환, 연료전지 발전 등의 기술을 통합한 융복합 발전설비임.