한전 전력연구원이 한국중부발전과 공동으로 보령화력본부 8호기에 설치한 국내 최대 규모의 ‘습식 이산화탄소(CO2) 포집플랜트’의 3,000시간 장기연속운전에 성공했다.

전력연구원은 발전소 온실가스 배출을 줄이기 위해 2000년 초반부터 화력발전소, 제철소, 그리고 시멘트산업 등에 적용 가능한 CO2 포집기술을 개발하여, 한국중부발전 보령화력본부와 한국남부발전 하동화력본부에서 국내 최대 규모인 10㎿ 습식 및 건식 CO2 포집 실증플랜트를 공동운영 중으로 전력연구원이 독자개발한 CO2 습식흡수제(KoSol)는 에너지 소비율에서 세계 최고 수준의 성능을 확보하고 있다.

장기연속운전에 성공한 10㎿급 습식 CO2 포집 플랜트는 연간 약 7만 톤 정도의 CO2를 포집할 수 있는 규모로, 화력발전소에 국내 최초로 적용된 실증급 파일럿 설비로서, 이번 시험은 산업통상자원부의 에너지기술개발사업으로 한국전력공사, 한국중부발전 등 발전 5사, 대림산업, 포스코건설, 한국전력기술, 하이테크엔지니어링, 한국특수가스 등이 공동으로 수행한 ‘10㎿급 연소후 습식아민 CO2 포집기술 상용 패키지 개발’ 사업을 통해 달성됐다.

장기연속운전 시험결과 90% 이상의 포집효율과 상용흡수제 대비 에너지 소비량이 35% 저감된 것으로 나타났으며, 일일 180톤 이상의 CO2를 안정적으로 포집하는 세계 최고 수준의 성능을 보임에 따라 독자개발 습식 CO2 포집기술의 안전성과 신뢰성을 확보해 100~500㎿ 규모의 상용설비로의 격상을 위한 기반을 마련했다.

전력연구원은 향후 지속적인 신 흡수제 개발 및 공정 업그레이드를 통해 포집설비 성능을 향상하고, CO2 포집, 활용, 저장 등 전주기에 걸친 연구 및 실증사업을 적극 추진할 예정이며, 이를 바탕으로 국내 탄소 포집, 전환 및 저장(CCUS) 분야에서 선도적 역할을 할 것으로 기대된다.

전력연구원은 이번 화력발전소에 적용한 10㎿급 CO2 포집설비 장기연속운전 성공을 계기로 시멘트, 철강 및 석유화학 등 대량으로 CO2를 배출하는 공장에 확대 적용하여 우리나라의 온실가스 감축목표량 달성에 기여하고 에너지신산업 창출의 계기로 적극 활용해 나갈 계획이다. 또한 포집한 CO2를 활용하여 고부가 화합물로 바꾸는 CO2 자원화 기술개발뿐만 아니라 내년부터는 CO2를 압축, 액화하여 정밀용접, 농작물 재배, 드라이아이스, 탄산음료 제조 등의 다양한 분야에 공급할 예정이다.

ESS는 신재생에너지의 급격한 출력변동을 완화하여 전력품질을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 여름과 겨울철에는 잉여전력을 저장해 두었다가 전력수요가 높을 때 저장된 전원을 활용할 수 있다.

한전 전력연구원은 급격한 출력 변동을 갖는 신재생에너지의 연계 운전을 위한 에너지저장시스템(ESS, Energy Storage System)인 다기능 운영 모의시스템을 개발했다.

이번에 개발한 다기능 ESS 운영 모의시스템은 신재생 연계 운전, 부하관리, 주파수제어 등 다양한 운전 알고리즘을 탑재했으며, 전력시스템의 상황 및 경제성 분석을 통한 ESS의 최적 운영방안 제시도 가능하다.

본 운영 모의시스템은 첨두부하 제어, 주파수 조정, 신재생발전 출력안정화 제어 등 기존 운영시스템에서 개별적으로 운영되는 단점을 개선하여 각각의 기능을 통합함으로써 ESS의 충·방전을 통합 제어하고 감시하여 시스템의 운영효율성을 획기적으로 증대했다.

ESS의 다양한 목적 및 방식 등 적용분야에 맞게 대응할 수 있도록 수십 ms 이내 제어는 물론, 수 분에서 시간 단위의 출력 변동 제한도 가능하다.

또한, 배터리 성능 등을 고려하여 주파수 제어 운전, 풍력출력 증감발 제한운전, 부하이전 운전, 수요관리시장 참여운전, 예비력 지원 운전 등을 수행할 수 있어 ESS의 다양한 운용기술 확보가 가능해졌다.

전력연구원은 작년부터 고창전력시험센터내의 5,000㎡ 부지에 28㎿급 ESS 실증시험장을 구축 중에 있으며, 내년에 시험장 구축이 완료되면 2018년까지 본 운영 모의시스템의 실증시험을 수행할 계획이다.

28㎿급 ESS 실증시험장은 국내 6개의 ESS 제작사(LS산전, LG전자, 인텍FA, 우진산전, EN테크놀로지, 플라스포)가 4㎿급 PCS 7개를 제작하여 PCS(Power Conditioning System, 전력변환장치) 컨테이너에 구축하는 한편 배터리 컨테이너에는 인셀, 탑전지, 세방전지 등에서 개발한 리튬배터리 시스템 총 17MWh가 구축될 예정이다.

전력연구원은 이번에 개발된 ESS 운영 모의시스템을 실증시험장의 제어동에 탑재하여 28㎿ ESS와 연동하여 운영하고, 실증시험을 통해 다양한 시나리오 환경에서의 알고리즘 안정성을 확보하고 ESS의 전력변환장치 및 배터리 연계 실증으로 다양한 사업모델 기반 기술을 확보할 예정이다.

향후 본 ESS 운영시스템은 2.5GW 서남해 해상풍력단지와 연계하여 운영할 예정이며, 이를 통해 서남해 해상풍력의 출력변동에 따른 전력공급 신뢰도 저하를 방지하고 주파수 조정을 통한 예비력 확보에 기여할 것으로 보인다.

자연재해 시 전력설비의 위험도를 평가하고 예방할 수 있는 ‘급경사지 전력설비 안정해석 프로그램’ (사진. 한전 전력연구원)

한전 전력연구원은 집중 호우나 풍수해 등 자연재해 시 산비탈면에 분포된 송전철탑 등 전력설비의 위험도를 평가하고 예방할 수 있는 ‘급경사지 전력설비 안정해석 프로그램’을 개발했다고 밝혔다.

국내 송전철탑 40,000여 기 중 약 30,000여 기가 산악지역에 위치하고 있고, 그 중 일부는 급경사지 또는 계곡부에 위치하여 자연재해 발생 시 지반이 약화되거나 토사 유출에 따른 산사태의 위험에 노출되어 있으며, 비탈면에 설치된 전력설비의 파괴 사례 원인분석에 의하면 강우로 인한 표면 침투와 토석류 하중 때문에 발생하는 것으로 보고되고 있다.

그러나 기존의 상용 해석 프로그램(SLOPE/W, TALREN)은 강우 시 지하수위 상승만 고려하여 안정성 평가를 수행할 수 있고, 급경사지에 위치한 전력설비와 같이 토석류 하중, 표면침투 등을 고려한 기초지반의 안정성을 평가하는 데는 어려움이 있었다. 

이번에 전력연구원에서 개발한 ‘실시간 급경사지 전력설비 안정해석 프로그램’인 KISS(KEPCO Integrated Slope Stability)는 실제 산악지역에 분포하는 급경사지의 전력설비의 특성 분석을 통해 강우 발생 시 표면 침투 영향, 토석류 하중 등의 요소를 고려하여 비탈면의 붕괴 위험도를 판별할 수 있다.

본 프로그램의 특징은 철탑 및 기초의 사면 안정 해석, 토석류 하중으로 인한 기초 및 사면의 안전율 해석, 표면 침투수의 영향 해석 등 토질공학적 측면에서 안정도를 계산하고 해석이 가능하도록 설계됐다.

또한, 현장 실무자들이 쉽게 사용할 수 있도록 ‘Auto finding 기능’을 탑재하여 예상 파괴면을 자동으로 도출할 수 있으며, 지속되는 강우로 1차적인 사면 파괴가 발생한 후에도 추가적인 사면 파괴를 예측할 수 있을뿐만 아니라 최종적으로 사면의 파괴 시점 및 규모를 예측할 수 있도록 ‘Progressive failure 기능’이 탑재됐다.

본 프로그램은 765kV 신안성~신가평 T/L의 붕괴지에서 비교 검증을 통해 정확도 및 성능 검증을 완료했으며, 향후 사업소에 본 프로그램 배포와 담당자 교육을 통해 사업소별 위험 급경사지 관리와 안정해석 등에 활용할 예정이다.

특히, 사업소는 기상예보 강우 데이터를 활용하여 사면 및 철탑의 안정성을 실시간으로 해석하고, 전력설비의 위험지역을 사전에 예측할 수 있어 자연재해 사고 예방 및 피해 규모를 최소화 할 수 있다.

전력연구원 관계자는 KISS 프로그램 개발을 통해 산사태나 사면 붕괴 등의 위험에 노출될 수 있는 기존 송변전 설비의 체계적 유지관리 뿐만 아니라 철탑 시공 전 최적화된 기초 위치 도출을 통해 사면 파괴에 따른 경제적 손실을 줄이고, 재해로부터 국가 주요 인프라 시설을 보호할 수 있도록 본 기술을 유관 건설 산업계와 공유할 것이라고 밝혔다.