고유가 시대, 미래의 에너지로 석탄의 ‘재구성’

석탄가스/액화 기술… 석탄 연료화 사업으로 각광

우리는 여전히 고유가 시대에서 어려움을 겪고 있다. 세계적으로 에너지 소비패턴에 변화가 일어나고 있는데 이는 석유와 가스를 대체할 에너지원에 대한 관심을 부추기고 있다.

이러한 가운데 풍부한 매장량, 고른 분포, 비교적 저가로 향후 석유를 대체할 유력한 후보로 `석탄'이 다시 대두되고 있다.

석탄은 매장량이 풍부하지만, 이산화탄소 배출 등의 환경오염과 석탄을 이용한 신기술의 개발이 필요하지만 장기적으로는 석탄의 이용 기술이 개발되어 석탄이 석유를 대체하는 에너지원으로 부상할 전망이다. 즉 석탄은 미래 에너지로 떠오르고 있는 것이다.

천덕꾸러기 석탄의 화려한 변신

석탄에서 가스를 뽑아내 전기를 생산하는 친환경 발전소가 설립되는가 하면 석탄에서 ‘산업비타민’으로 불리는 리튬을 추출하는 기술도 상용화를 앞두고 있다. 정부는 석탄을 활용한 그린에너지 산업을 수출동력으로 키울 계획이다.

지식경제부와 업계에 따르면 최근 석탄의 변신은 석탄에서 가스를 추출하는 ‘석탄 가스화’ 기술이 주도하고 있다. 가스화 설비를 이용해 고온ㆍ고압 상태에서 석탄을 합성가스로 제조하고 이를 이용해 합성석유ㆍ합성천연가스ㆍ화학제품 등을 생산하는 기술이다.

합성가스로 터빈을 구동해 전기를 만들어낼 수도 있는데 이는 IGCC 기술이라 불린다. 한국서부발전은 이날 충남 태안군 원북면 방갈리에서 국내 최초로 300MW급 한국형 ‘IGCC 실증 플랜트’ 착공식을 열었다.

IGCC 기술은 석탄을 가스화시켜 먼지와 황을 제거한 뒤 가스터빈의 연료로 사용한다. 이와 함께 가스화 반응열과 가스터빈 배열에 의해 생산된 증기로는 증기터빈을 구동해 쌍방향으로 전기를 생산한다.

현재 미국ㆍ네덜란드ㆍ스페인ㆍ일본 등 선진국에서 300MW급 총 5기만 운전 중일 정도로 고도의 기술력을 요구한다. 이번에 태안에서 착공된 한국형 IGCC 실증 플랜트는 오는 2015년 준공될 예정이며 2017년 영남, 2019년 군장에 2호기와 3호기 준공도 계획됐다.

이 플랜트가 가동을 시작하면 열효율 42%(기존 석탄발전소 40%) 이상, 황산화물 15ppm 이하, 질소산화물 30ppm 이하인 고효율 청정발전소 기술을 우리도 확보하게 된다.

석탄의 변신은 여기서 그치지 않는다. 화력발전소에서 연소 후 남은 석탄재(석탄회)를 이용해 리튬을 추출하는 기술도 최근 국내에서 개발돼 2013년 상용화될 예정이다.

서부발전과 군산대는 석탄회에서 리튬을 추출하는 기술을 개발해 지난 9월 특허를 출원했다. 리튬은 2차 전지의 필수 소재로 우리나라는 현재 전량 해외에서 수입하고 있어 이 기술이 상용화되면 석탄이 희유금속의 원천으로까지 부각될 것으로 보인다. 서

석탄에서 석유를 뽑아내는 석탄액화 기술은 국가 ‘에너지 안보’ 사업으로 부각되며 세계 각국이 뛰어들고 있다. 석탄을 가스화해 합성가스를 만들어 다시 이를 액체로 만드는 것이다. 남아프리카공화국의 사솔이라는 회사가 주도적으로 사용하면서 관련 기술을 개발해놓고 석탄기름을 활발히 생산 중이다. 우리나라도 관련 기술 개발에 나서고 있지만 아직까지는 성과가 미흡하다.

석탄가스화/액화기술에 주목

특히, 석탄 활용기술 중에서도 최근 가장 주목받고 있는 기술은 석탄가스화/액화기술이다. 석탄가스화 사업은 석탄을 스팀(H2O)과 같이 고온, 고압상태에서 합성가스(CO+H2)를 제조한 후 이를 이용해 석탄액화, 합성천연가스(SNG), 전력(IGCC), 화학제품을 생산하는 청정석탄 연료화 사업이다.

석탄가스화는 정유, 비료, 화학산업 등에서 활용된 지 50년이나 됐으며, 전력을 생산한 것은 35년 이상이 됐다. 제2차 세계대전 독일에서는 석탄을 이용한 합성석유 생산에 성공했으며, 남아공은 인종차별에 따른 석유금수 조치로 합성석유를 생산했다.

그리고 1970~1980년대에는 1, 2차 오일쇼크로 각국에서 석탄 이용 기술이 적극 개발되었으나 대규모 가스전 개발과 유가 하락으로 석탄이용 기술이 쇠락의 길로 접어들었다. 그러나 최근 고유가, 오일피크 논란에 따라 석탄 이용 산업이 재조명받고 있다.

미래 수소 시대의 수소 공급원으로서 석탄 이용 방안이 대두되고 있다. 석탄 이용 기술이 각광을 받는 것은 매장량이 풍부하고 전 세계에 고르게 분포돼 있어 경제적, 안정적으로 조달이 가능하기 때문이다. 가채매장량으로 볼 때 석유, 천연가스 40년에 비해 석탄은 200여 년으로 청정 이용 기술을 활용함으로써, 향후 탄소규제가 강화되면 이산화탄소 처리에 대한 경쟁력 확보가 가능하다는 것이 전문가들의 견해이다.

미국은 2025년까지 중동 원유 수입의 75% 감축을 목표로 대체에너지 개발에 대한 적극적인 지원에 나서 세계 최대 석탄부국으로 각종 프로젝트를 활발히 추진 중이며, 일본도 정부 주도로 자체 기술을 개발하여 2007년부터 IGCC 프로젝트 250M급 실증플랜트를 운전 중이다. 중국은 에너지 수요 증가에 대비해 2020년까지 석유 사용량의 10%를 대체할 목표를 세워두고 있다.

우리나라도 지난해 9월 지식경제부가 `그린에너지사업 발전전략'을 수립, 대통령에게 보고하면서 9대 분야에 석탄가스화 복합발전, 석탄액화를 포함했다. 이와 함께 지난 2006년부터 2014년까지 서부발전이 `300MW급 IGCC 실증 플랜트 운영기술 개발' 국책과제를 추진하고 있어 관련 기술의 국산화와 노후한 화력발전소를 순차적으로 대체할 계획이지만 국가의 한정된 투자로는 전력 생산단가가 높은 신재생에너지의 전력생산 비율을 단기간에 높이기는 힘들고 태양광과 풍력 발전은 고밀도의 전력 생산이 어렵다는 단점이 있다.

따라서 신재생에너지 관련 기술의 획기적인 기술개발이 이루어질 때까지 온실가스 저감 정책의 가장 효과적인 대안은 석탄가스화 복합발전과 같은 석탄 청정 기술이다. 석탄 이용의 미래기술인 석탄가스화/액화 사업의 상용화를 위한 기술개발이 험난해도 청정에너지를 사용할 수 있는 그날까지 지속적인 관심과 투자는 계속되어야 한다고 본다.

발전효율 최대 80% 도심 속 발전소 설치 가능한

친환경 에너지원

연료전지의 가장 큰 특징은 발전효율이 좋고 친환경이라는 점이다. 발전효율이 40~60%에 이르며 열병합발전시 80% 이상 가능하다.

천연가스, 메탄올, 석탄가스 등 다양한 연료사용이 가능하고, 배기가스 중 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량에 있어서도 미분탄 화력발전에 비하여 20~40% 감소된다.

또한 발전시스템에 회전부위가 없어 소음이 없으며, 기존 화력발전과 같은 다량의 냉각수가 불필요하다. 때문에 도심 부근 설치가 가능하여 송배전시의 설비 및 전력 손실 적다. 또한 부하변동에 따라 신속히 반응하며, 설치형태에 따라 현지 설치용 분산 배치용 중앙집중형 등 다양한 용도로 사용이 가능하다.

발전효율 40~60%, 최대 80%까지 가능

좀 더 자세히 살펴보면 기존의 발전 방식은 연료를 투입하여 전기를 얻기까지의 과정에서 열 및 운동에너지를 포함하고 있기 때문에 여러 곳에서 에너지 손실이 발생한다.

하지만 연료전지의 경우 전기발전효율은 운전장치 사용 전력 또는 열 손실 등을 감안하더라도 40~60% 이상이며, 열병합발전까지 고려하면 전체 시스템 효율은 80% 이상이다.

디젤엔진, 가솔린엔진, 가스터빈의 경우 출력 규모가 클수록 발전효율이 높아지는 경향이 있으나 연료전지의 경우 출력 크기에상관없이 일정하게 높은 효율을 얻는 것도 큰 장점이라고 할 수 있다.

연료전지는 기본적으로 수소, 산소의 전기화학 반응으로 전기를 발생하는 발전장치이기 때문에 화력 발전과 같이 연소과정이 없으며 생성물이 전기, 물 그리고 열 뿐이어서 환경오염이 적다. 현재는 천연가스, 석탄 등 화석연료로부터 수소를 얻고 있으나 향후풍력, 태양광 등의 대체에너지를 통한 물 전기분해로 수소를 얻게 되면 이산화탄소, 질소산화물, 황산화물 등의 배출이 없는 무공해 에너지 시스템이 가능해질 것이다.

연료전지는 규모에 따른 에너지 전환 효율 차이가 크지 않아 소형에서도 높은 에너지 전환 효율을 기대할 수 있다. 따라서 연료전지는 용도에 따라 다양한 규모로 제작하여 활용할 수 있으며 소음 및 유해가스 배출 감소 효과가 있고 자연환경에 따른 제약이 크지 않아 도심에서도 유용하게 사용될 수 있다.

고분자전해질・인산형・용융탄산엽 등 6가지로 구분

그렇다면 이런 효율 좋은 연료전지는 어떤 종류가 있을까.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 ‘고분자 전해질 연료전지’(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), ‘인산형 연료전지’(Phophoric Acid Fuel Cell, PAFC), ‘용융탄산염 연료전지’(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), ‘고체 산화물 연료전지’(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), ‘알칼리 연료전지’(Alkaline Fuel Cell, AFC), ‘직접 메탄올 연료전지’(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)등으로 구분된다

또한 연료전지는 작동 가능 온도에 따라 다시 고온형과 저온형으로 나뉜다. 고온형 연료 전지는 600°C 이상의 고온에서 작동하며니켈 등 저렴한 금속촉매를 사용하며 발전효율이 높고 고출력이지만 시동 시간이 길어 발전소나 대형건물 등에 적합하다. 고온형의 대표적인 예로 MCFC, SOFC가 있다.

저온형은 200°C 이하의 저온에서도 구동되며 시동시간이 짧고 부하변동성이 뛰어나지만 고가의 백금 전극이 필요하다. 저온형연료전지에는 PEMFC, PAFC, DMFC가 있다. 1990년대 초반에 제작된 PAFC에 이어 2000년대 초반에 개발된 MCFC는 미국Fuel Cel Energy사 주도로 제작되어 현재 전세계적으로 전기발전용, 산업용, 군수용으로 널리 보 급되고 있으며 국내 연료전지 발전 대부분을 구성하고 있다.

MCFC는 저렴한 촉매를 사용 하고 고온 작동으로 외부 개질기가 필요 없어 가격경쟁력을 개선시킬 수 있으나 내구성이 취약한 단점이 있다. SOFC는 현재 북미업체들 주도로 연구개발 중으로 상용화가 지연됨에 따라 MCFC가 산업용 시장을 주도하고 있다. 

EMFC는 시동시간이 짧고 중량 및 체적이 작아 수송용, 소형 분산발전용 등에 사용된다. 다만 저온에서 백금과 같은 값비싼 촉매를 사용해야 하므로 대체 촉매 개발을 통해 가격경쟁력을 확보해야 하며 주 연료인 수소를 저장할 수 있는 장치 등 보조장치에 대한 개선도 동반되어야 한다. PAFC는 연료전지 1세대에 속하는 것으로 크기, 무게, 가격 등의 측면에서 경쟁력을 상실하면서MCFC에게 주도권을 넘긴 상황이다.

연료전지, 원재료-소재-부품-완제품 밸류체인

연료전지 산업 밸류체인(Value Chain)은 크게 원재료, 소재, 부품, 완제품으로 구분될 수 있으며 가치사슬 상단은 고도의 원천기술이 요구되어 주로 글로벌 메이저 기업들이 포진하고 있고 부품시장의 경우는 기술진입장벽이 높지 않고 큰 자본이 필요하지 않아 중소기업이 주로 진출하고 있다.

국내 연료전지의 경우, 현재는 성장 초기 단계로 각 가치사슬마다 별도의 시장이 구성되어 있다고 판단하기 어렵지만 향후 기술력 및 정책적 지원에 힘입어 수요가 확대됨에 따라 전반적인 연료전지 시장이 성장할 뿐만 아니라 가치사슬 각각의 고유 시장이형성될 것으로 전망된다.

세계 연료전지 시장을 보면 우주선, 잠수함 등 특수 용도에선 상업화 단계에 진입하였으나, 그 외의 응용분야에서는 아직까지 시장 형성이 미숙한 단계다. 발전용 연료전지는 2008년부터 상용화가 시작되어 정부의 제도적 지원 하에 시장이 형성되는 단계이다.

수송용 연료전지는 미국 에너지성(United States Department of Energy, DOE)에서 2005년부터 5년간 3억 6천만 달러 규모의 시범 운행 사업을 추진한 사례가 있고 일본에서는 혼다와 도요타에서 2015년부터 일반을 대상으로 판매 계획을 세우고 있다. 일본,유럽, 국내 자동차회사를 중심으로 2015년부터 시장이 활성화되기 시작하여 2020년에는 연간 50~250만대 정도가 판매될 것으로전망된다.

J-economic Center에 의하면 2020년 연료전지 시장이 금액 기준으로는 PEMFC, 수량 기준으로는 SOFC가 가장 큰 비중을 차지할 것으로 예상되고 있다. 이는 PEMFC의 경우 높은 단가로 주택용 연료전지 보급이 확산될 것이라는 전망이다.

SOFC는 낮은 단가로 발전용 연료전지 시장을 장악할 것이라는 전망에 기인하는 것으로 판단된다. 한편 미국 에너지성(United States Department of Energy, DOE)에서는 2020년경 세계 시장 규모가 400억달러 수준에 이를 것으로 전망된다.

연료전지 시장을 응용분야별로 살펴보면 현재는 발전용 연료전지가 약 64% 수준으로 가장 큰 비중을 차지하고 있으나 중장기적으로 자동차용 연료전지가 대세를 이룰 것으로 전망되고 있다.

전세계적으로 에코카(Eco car) 개발에 대한 관심이 높아지는 가운데 현재 하이브리드카, 전기차(리튬이온전지 사용) 등 친환경 자동차가 개발되고 있으며 궁극적으로는 수소 연료전지 자동차로 진화될 전망이다.

이에 따라 수소연료전지 자동차가 상용화되기까지는 다소 시일이 소요될 것으로 예상된다. 산업용 연료전지 발전은 1세대인PAFC를 거쳐 2세 대 MCFC가 대부분을 시장을 장악하고 있다. 이는 MCFC의 낮은 가격, 높은 효율성 등 기 존 연료전지 발전 대비 우수한 경쟁력을 확보한 것에 기인하고 있다.

가정용의 경우는 주택분야 환경 대책 중 하나로 연료전지가 주목 받으며 주거지의 급탕, 난방에 대해 연료전지를 이용한 열, 전기공급을 추진함에 따라 시장이 확대될 전망이다.

국내에서는 2012년부터 주요 발전사업자를 대상으로 총발전량 중 일정 부분을 신재생에너 지로 생산해야 하는 의무할당제(RPS)가 본격적으로 시행되어 한전 발전자회사 등 발전사들의 연료전지 도입이 증가할 것으로 예상되고 있다.

2013년 우리나라의 연료전지 시장은 약 1억 3천만달러 규모로 예상되는데 응용분야 중 발전용 연료전지가 70% 정도를 차지할 전망이며 현재 발전용 연료전지 시장 대부분을 점유하고 있는 MCFC가 당분간 시장 성장을 견인할 것으로 보이며 그린홈 100만호보급사업 추진으로 건물용 PEMFC도 전체 수요 확대에 기여할 것으로 예상된다.

전세계 연료전지 시장의 경우 우주선, 잠수함 등 특수 용도에선 상업화 단계에 진입하였으나, 그 외의 응용분야 에서는 현재까지미숙한 단계로 파악된다. 다만 2020년경에는 시장규모가 400억달러 수준까지 확대될 전망이다.

연료전지 시장을 응용분야별로 살펴보면 현재 발전용 연료전지가 2008년부터 상용화가 시작되어 정부의 제도적 지원을 받고 있어 약 64% 수준으로 가장 큰 비중을 차지하고 있으나 중장기적으로 자동차용 연료전지가 대세를 이룰 것으로 전망되고 있다.

미국은 에너지성 주도로 수송용 연료전지 시범 운행사업을 추진한 사례가 있다. 일본의 경우 주요 자동차기업이 일반을 대상으로판매 계획을 세우고 있다.

미국의 경우 수소에너지 및 연료전지 기술과 관련된 정책을 포함하여 연구보조금 지원, 인센티브 제공 등 제도적인 지원을 지속하고 있다.

일본은 전기사업자에게 연간 전력판매량의 일정 비율을 신재생에너지로 생산하도록 할당하는 법률을 제정하여 신재생에너지 보급이 확대되도록 지원하고 있다.

연료전지 상용화를 위해 해결되어야 할 몇 가지 과제가 있다.

우선 연료전지 단가가 화석연료 대비 수배에 달하고 있어 가격경쟁력이 미흡한데 이는 고효율에 반드시 수반되는 고가의 촉매 및전해질과 주 연료인 수소를 추출하는데 필요한 LNG 단가가 여타 에너지원보다 높은 것에 주로 기인한다.

다음으로 석유플랜트, 제철소 등에서 대량의 수소를 저장하여 연료전지에 공급하는 인프라 구축이 필요하다. 마지막으로는 기존연료전지의 한계를 극복하거나 새로운 시장을 창출할 수 있는 연료전지 기술이 개발돼야 한다.