석탄가스화 복합발전(IGCC : Integrated coal Gasification Combined Cycle)은 신재생에너지의 사각지대에 있는 에너지라고 볼 수 있다. 화석연료를 사용한다는 점에서 녹색에너지라고 보기는 어렵지만 인류가 녹색에너지로 전환하기까지의 대체에너지 개념으로서는 석유를 능가할 중요한 에너지원으로 떠오르고 있다.

선진국과 달리 국내에서는 과소평가되고 있는 석탄가스화 복합발전이 활용가능한 대체에너지로 새롭게 부각하고 있다.

특히 석탄은 국내 매장량이 50년 이상인데다 북한의 매장량까지 포함하면 전세계적으로 2백년 이상 사용이 가능하다는 점에서 부존자원이 없는 우리에게는 매우 유익한 에너지로 떠오르고 있는 것이다. 

이번 시리즈에서 같이 알아보는 지열에너지의 경우는 CO2 배출량이 가장 적은 에너지원이지만 국내에서는 전기로 환원시킬 만한 에너지원으로서 부각되기는 어려운 점이 많은 것이 사실이다. 미국, 필리핀, 일본, 이탈리아, 뉴질랜드처럼 화산 온천지대가 활성화되어 있지 못하기 때문에 투자에 비해 산출되는 에너지의 양이 절대적으로 적어 활용도 면에서는 큰 장점이 없다.

다만 신재생에너지원 중 이산화탄소 저감 및 환경문제 그리고 자원고갈 등에 대비한다는 측면에서 지열에너지에 대한 논의는 더 구체화되어야 할 것이라고 전문가들은 입을 모으고 있다.

■우리나라 지열에너지 활용 어디까지 왔나 

효율 ․ 친환경에너지로서는 가장 효과적

국내에서 지열에너지 하면 대표적인 것이 비닐하우스 난방용 에너지와 공공기관 및 가정의 냉난방시스템 등이다. 지열에너지는 토양, 지하수, 지표수 등이 태양 복사에너지나 지구 내부의 마그마 열에 의해 만들어진 에너지를 활용하는 것이다. 지역냉난방과 지열발전으로 구분할 수 있는데 국내에서는 초기연구단계 수준이라고 볼 수 있다.

지열냉난방시스템 기술은 설비기술과 토목건설기술 및 제어기술이 복합된 분야다. 냉방시에는 건물내의 열을 지중으로 분출하고 난방과 급탕시에는 지중의 열을 실내와 온수에 공급함으로써 냉난방과 온수, 급탕 등의 역할을 한다. 이들 시스템은 공기열원 히트펌프보다 44%, 에어컨과 전열기 대비 72%까지 에너지 소비를 감소시키는 효과를 가져온다.

에너지 효율면에서나 친환경적 에너지로서는 가장 효과적인 수단이다. 우리나라에 지열 히트펌프 시스템이 처음 도입되었을 때에는 설계와 시공기술 등의 문제로 많은 시행착오가 있었다. 그러나 지금은 전문 시공기술과 기준, 기술인력이 확보되면서 경쟁력을 갖게 되었다.

지열발전은 천연보일러를 이용한 기력발전에 해당하며 발전의 원리가 화력발전 방식과 같다. 보일러에 해당하는 것이 지열 저류층이며 지열저류층을 구성하는 열, 물, 저장구조를 지열반전의 3요소라고 부른다. 지열발전은 CO2 배출량이 거의 없는 청정에너지라는데 가장 큰 장점이 있다. 특히 원유도입과 같은 에너지 수입이 필요없으며 반영구적으로 사용 가능하다는 점에서 지속가능한 에너지라고 볼 수 있다.

지열에너지의 활용은 수력과 함께 생애주기 CO2 배출량이 가장 적은 에너지원으로 보고되고 있다. 2007년 기준 전세계 지열발전 설비용량은 약 6천만 세대에 공급가능한 1만MW이며, 2010년에는 1만3,500MW에 이를 것으로 전망된다.

지열발전 상위국가는 미국(2.69GW), 필리핀(1.97GW), 인도네시아(992MW), 멕시코(952MW), 이탈리아(810MW), 일본(535MW), 뉴질랜드(471MW), 아이슬란드(421MW) 순이다. 우리나라의 경우 아직까지 온천으로 이용되는 것 외에는 지열발전을 위한 실증사업이 진행된 바는 없다. 최근 지질자원연구소에서 국내 2곳의 지질타당성을 조사한 바 있다. 백두산과 한라산 지역은 분화기록이 존재하는 휴화산으로 상당한 지열에너지가 존재할 가능성이 있는 것으로 알려져 있으나 구체적인 발전계획은 아직 없는 상태다.

 ■석탄가스화 복합발전(IGCC) 현황 

안정적 에너지 수급 내에서 가장 현실적인 에너지 부각

자원이 부족한 우리나라에서는 에너지의 안정적인 수급을 위해 전세계적으로 매장량이 풍부한 석탄자원의 활용이 절대적으로 필요하다. 또한 지구온난화 문제에 적극 대응하기 위해 가능한 한 발전플랜트의 효율을 높일 필요가 있다.

석탄가스화 복합발전(IGCC : Integrated coal Gasification Combined Cycle)이 떠오르는 이유다. 석탄가스화 복합발전의 원료라 할 수 있는 석탄액화가 세계적으로 관심을 끄는 이유는 매장량과 관련이 깊다. 석유의 경우 40년 정도로 내다보는 반면 석탄은 200년 이상 쓸 수 있다. 열량으로 계산하면 석유의 5배 정도로 추산된다.

석유는 중동지역에 집중적으로 매장되어 있는 반면 석탄은 여러지역에 비교적 고르게 분포되어 있는 것도 장점이다. 안정적인 수급이 가능하다는 뜻이다. 전 세계 석탄 매장량은 1조톤 정도로 추산된다. 아메리카 대륙에 4분의 1 정도가, 아시아에 4분의 1이, 그리고 유럽과 러시아에 4분의 1, 그리고 아프리카와 호주 등에 나머지 4분의 1 정도가 매장되어 있다. 국가별로는 미국이 2466억톤으로 가장 많다.

석탄가스화 복합발전(IGCC)은 석탄을 가스화한 후 이를 이용하여 복합발전소를 운전하는 발전기술을 말한다. 즉, 석탄을 고온-고압으로 응축, 수소와 일산화탄소를 주성분으로 한 합성가스로 전환한 뒤 합성가스 중에 포함 된 분진과 황 화합물 등 유해물질을 제거하고 천연가스와 유사한 수준으로 정제하여 전기를 생산하는 친환경 발전 기술이다.

석탄가스화 복합발전(IGCC)은 석탄으로부터 합성가스를 생성하는 가스화공정, 합성가스에 포함된 입자 및 황 화합물 등을 제거하여 청정한 합성가스로 만드는 정제공정 및 가스 터빈과 스팀 터빈으로 구성된 복합발전 플랜트 등으로 나누어진다. 그 외에 가스화 시 공기 대신 산소를 공급함으로 대형 산소 플랜트가 필요하다.

가스화는 석탄과 산소, 스팀 혹은 물 등을 고온 고압 용기에 투입하여 반응시킴으로써 합성가스의 주성분인 수소와 일산화탄소 등을 생성하는 것이다. 합성가스 정제 설비는 합성가스의 사용 목적에 적합하도록 깨끗이 처리하는 공정이다. 발전 설비에서 합성가스 정제 공정은 주로 가스터빈 등의 구동에 문제가 되지 않도록 입자를 제거하고 부식을 일으키거나 공해물질을 배출할 수 있는 황 화합물을 제거하는 기능을 수행 한다.

고유가에 대응하기 위해서는 석탄을 청정하게 효율적으로 사용하는 기술이 필요한데, 기술적으로 석탄으로부터 원유에서 추출하는 물질의 대부분을 추출할 수 있다. 그렇기 때문에 석탄가스화 복합발전(IGCC)의 발전효율은 산소 제조에 많은 전력이 소비되기는 하지만 45%이상도 가능한 것으로 알려져 좋은 대안으로 기대를 모으고 있다.

또 다른 관심사인 이산화탄소 배출억제에 대해서도 석탄가스화 복합발전(IGCC)은 잠재적 발전 효율 향상으로 이산화탄소 배출을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 합성가스를 연소하기 전에 이산화탄소를 경제적으로 분리할 수 있다. 석탄으로부터 발생한 합성가스의 주성분은 일산화탄소와 수소인데 일산화탄소(CO)는 물(H2O)과 반응하여 이산화탄소와 수소로 전환이 가능하다. 즉 석탄을 가스화 할 경우 이산화탄소와 수소를 생산할 수 있으며, 이산화탄소는 분리하여 지하에 저장하고 수소는 자동차, 연료전지 및 발전 등에 활용할 수 있다.

이러한 것이 미래 수소경제 사회이며 미국은 미래를 대비해 275MW급의 Future Gen 플랜트 건설을 추진 중에 있다. 합성가스로부터 이산화탄소를 분리하는 경제적 기술은 이미 상용화되어 활용되고 있다. 석탄가스화 복합발전(IGCC)은 가스터빈에 합성가스를 연소시키기 전에 일산화탄소를 이산화탄소와 수소로 전환하고 이산화탄소를 분리하는 것이 가능하며, 기존 석탄발전소보다 경제적인 처리가 가능하다.

이산화탄소 배출 규제가 없을 경우, 석탄가스화 복합발전(IGCC)은 천연가스 복합발전보다 단위 전기를 생산하는 비용이 저렴하나 석탄화력보다는 15~20% 정도 높은 것으로 알려져 있다. 그러나 이산화탄소 규제에 따른 제거 설비가 추가될 경우 전기 생산원가가 천연가스 복합발전뿐만 아니라 석탄화력 발전보다도 상대적으로 낮아 경제성이 높은 것으로 보고되고 있다.

석탄가스화 복합발전(IGCC)의 또다른 장점은 가스화에 저급석탄을 사용할 수 있다는 점이다. 전세계 석탄 매장량은 유연탄에 비해 저급탄인 갈탄 및 아역청탄(흑갈탄)이 전체의 50%이상을 차지하고 있는데, 바로 이 점때문에 중국, 인도 등 신흥개발국가들이 많은 관심을 갖고 있다. 현재는 미국이 가장 앞선 기술을 보유하고 있는 상태다. 

석탄가스화 기술은 세계 경제의 지속적 성장과 원유가격의 상승, 이산화탄소 배출 저감, 석유를 대체할 수 있는 에너지원 및 환경물질 배출 저감 등의 측면에서 미국, 일본 및 유럽과 중국, 인도 등에서 보급이 활성화될 것으로 예상된다. 또한 수소에너지로 전환하기 위해서는 현실적으로 수소를 생산할 수 있는 방안이 바로 석탄가스화 복합발전에서 비롯된다는 점에서 석탄의 가스화 및 석탄 가스화 복합발전이 가장 현실적인 에너지라는 이견을 다는 사람은 없다. 전문가들은 미래 전력생산 뿐만 아니라 수소 생산을 위한 현실적 대한으로서 지속적인 기술 발전과 보급이 필요하다고 지적한다. 

우리나라는 1990년대 초반부터 정부의 G7 프로젝트로 석탄가스화 복합발전(IGCC) 상용화를 위한 연구소 중심의 기초연구가 시작돼 현재는 선진국 대비 40~60% 기초기술을 확보한 상태다. 국내 실험용 플랜트는 상용규모의 1/1,000 수준으로 이 기술을 직접 상용급 석탄가스화 복합발전 플랜트에 적용하기에는 기술격차가 있다는 것이 전문가들의 대체적 지적이다.

지식경제부는 석탄가스화 복합발전(IGCC)의 실용화를 위한 기본계획을 수립하고 오는 2014년까지 300MW급 석탄가스화 복합발전 실증플랜트 건설사업을 추진 중에 있다.