복합화력발전

1. 가스터빈 발전이란?
가스터빈발전 [gas turbine power generation] -
가스터빈을 원동기로 사용하여 발전하는 방식 증기터빈 발전*과 같은 출력이 큰 것에는 적당하지 않지만, 출력 10만kW(100MW)까지는 만들 수 있으므로 큰 공장 내의 전원으로 사용되는 예가 많다. 이 정도의 출력에서는 증기터빈 발전보다 구조가 간단하고, 건설비도 적으며, 시동에 소요되는 시간이 짧으므로 비상용 전원으로 적합하다. 가스터빈은 공기를 압축하여 중유·천연가스 등을 연소시킬 때 생기는 열로 가열한 후 팽창시켜 동력을 얻는 것으로, 주축의 회전속도는 매분 수천 회전에 이른다.
- 증기터빈 발전
보일러에서 발생시킨 고온고압의 증기를 노즐 또는 고정된 날개로부터 분출·팽창시켜 나온 고속의 증기류(蒸氣流)를 회전하는 터빈 날개에 부딪쳐서 그 충동작용 또는 반동작용에 의하여 축을 회전시키는 것이다. 따라서 증기터빈은 증기가 가지는 열에너지를 속도에너지로 바꾸기 위한 노즐과 속도에너지를 기계적 일로 바꾸기 위한 터빈 날개를 바탕으로 하여 구성되어 있다.
복합화력발전 복합화력은 천연가스나 경유 등의 연료를 사용, 1차로 가스터빈을 돌려 발전하고 가스터빈에서 나오는 배기가스열을 다시 보일러에 통과시켜 증기를 생산해 2차로 증기터빈을 돌려 발전하는 것이다. 복합화력은 두 차례에 걸쳐 발전을 하기 때문에 장점이 많다. 우선 기존 화력보다 열효율이 10% 정도 높다. 공해가 적고 정지했다가 다시 가동하는 시간이 짧다는 장점도 있다. 또 건설기간이 유연탄화력(50만㎾급 46개월)에 비해 3분의 1 정도 짧은 30개월 정도에 불과해 긴급한 전력 계통을 위해 건설되기도 한다. 국내에는 1992년 11월 준공된 서인천 복합화력과 1993년 9월 완공된 안양 복합화력이 대표적인 복합화력발전소이다.
2. 어떤 장점 - 친환경과 관련해서는?
환경에 도움이 되는 방법은 크게 두 가지가 있다. 첫째, 효율적이거나 둘째, 환경오염 물질을 덜 배출하면 된다. 그렇다면 ‘가스터빈 복합화력발전’은 어떠한가?
가스터빈 복합화력발전의 장점은?
1) 일반화력발전보다 효율이 약 10% 높고
2) 석탄과 비교하여 연소가스의 이산화탄소 배출량이 절반 수준이며, 수은이나 황화합물과 같은 유해물질의 배출량이 적기 때문에 친환경 발전설비로 분류되고 있으며 향후에도 계속 설비가 증대될 것으로 전망되고 있다.
[미국 ATS(Advanced Turbine System) 프로그램의 자료에 의하면 2000~2014년간 전세계의 신규 발전설비 중 가스터빈 복합발전이 차지하는 비율이 80%를 초과할 것으로 예측하고 있다.] 친환경 측면은 어떠한지 살펴보자. 혹시 ‘저 NOx 연소기술’이라는 단어를 들어본 적 있는가? 발전설비들의 대기오염물 배출기준이 점차 강화됨에 따라 가스터빈에서 고온의 연소 중에 발생하는 대기환경오염물, NOx를 저감하는 기술의 확보가 필요하게 되었다. 따라서 이와 관련된 기술개발을 하는데 현재 많은 연구가 진행되고 있다.
-  저 NOx가스터빈 현황
가스터빈의 저 NOx 연소기술 중 현재의 가스터빈에 활용되고 있는 기술은 연소기 물분사 방식과 DLN(Dry Low NOx) 기술이 있다. 물분사 방식은 종래의 확산화염 연소방식에 물을 분사하여 화염의 온도를 낮추어 NOx를 저감하는 방식으로서 우리나라 발전회사에서는 일산, 평택복합 등 1990년 초에 건설된 설비에 채용되었다. 그러나 이 방식은 가스터빈 효율이 상대적으로 낮고, 물분사로 인해 고온부의 수명이 저하되는 문제점이 있으며, 용수(用水)비용이 큰 단점이 있다. 또 다른 NOx 저감기술로써 최신 연소기술인 DLN(Dry Low NOx) 연소방식이 있다. 이 DLN 연소기술의 핵심은 희박예혼합연소(Lean Premixed burn)이다. 재래식 가스터빈이 연료와 연소용 공기를 연소실내로 별도 공급하여 연소시키는 확산연소(Diffusion burn)를 이용한 데 반하여, DLN 가스터빈 연료와 공기를 미리 혼합하여 연소실에 공급하는 연소 방식으로 화염온도가 재래식에 비해 낮아 NOx 발생이 적다. 특히 환경부의 대기환경기준치의 강화로 신규로 건설되는 가스터빈은 모두 이 기술이 채용될 전망이다.
-  저 NOx 연소기술 개발 현황
국내에서는 한전 전력연구원과 일부 대학교에서 이에 대한 연구가 진행 중에 있다. 그러나, 국내에 도입된 가스터빈의 제작처인 GE, Westinghouse 사 등은 가스터빈의 신규 판매보다 판매된 가스터빈 설비의 운용•보수 등 After-market 사업이 더 큰 시장이라 판단하고 가스터빈 연소기술에 대한 기술이전에 소극적이다. 따라서 가스터빈을 운용한지 10여년이 지난 현재에도 이 연소기술을 자립하지 못해 연소기의 유지보수에 상당부분 제작사 기술을 의존하고 있으며 운용상의 문제로 인해 유지보수비용이 줄어들지 않고 있는 실정이다. 따라서 DRN 연소기를 채용한 가스터빈의 연소기술의 기술자립이 시급하다고 할 수 있다.
3. 국내 관련 기업들은?
가스터빈은 초고온•고압의 연소가스에 의해 고속으로 회전, 발전하는 장치로 발전기자재 중 가장 높은 기술력이 요구되기 때문에 가스터빈 시장은 세계적으로 GE, Siemens, Alstom, MHI(Mitsubishi) 등과 같은 선진 발전 기자재업체들의 의해 독점되어 왔다. 국내 관련 기업들은 누가 있는지 알아보자.  국내 기업들의 목표: 국내에서 가동실적을 확보하여 점진적인 국산화를 추진하고, 장기적으로는 해외 복합화력 EPC(일괄공급) 사업에 자체 기자재를 조달 하는 것
크게 가스터빈 생산 부분과 복합화력발전소 건설 부분으로 나누어 보았을 때 두산중공업, STX엔진, 삼성테크윈 / GS EPS, SK건설, STX중공업, 삼성물산 등이 있다.
가스터빈
- 두산중공업: 2007년 MHI(Mitsubishi)와의 기술제휴를 통해 대형 가스터빈(180MW 급) 생산. 생산 능력은 연간 10기 수준이며 지난해 영월복합화력발전소에 가스터빈을 납품하였으며 최근 포천복합화력발전소에 가스터빈 공급 우선협상대상자로 선정됨.
[두산중공업은 삼성테크윈과 STX엔진이 각각 조선용 소형발전엔진과 30~64MW급의 소형엔진 제작을 하고 있는데 반해 150MW급 이상의 대형 가스터빈을 생산하고 있다는 점에서 구별된다고 할 수 있다.]
- STX엔진: 롤스로이스 社와 가스터빈 사업협력을 체결함으로써 롤스로이스 社가 생산하는 5MW급 발전용•비상용 가스터빈 및 최신형 가스엔진 모델의 설비 공급권을 획득.
- 삼성테크윈: 22MW급 중형 가스터빈을 제너럴일렉트릭(GE)과 기술제휴를 통해 조립생산하고 있으며 지금까지는 주로 방산용 동력에 사용되는 가스터빈엔진용으로 납품해왔으나 향후 열병합 등 발전사업으로의 확대를 진행하고 있음.
복합화력발전소
- GS EPS: GS그룹의 발전회사인 GS EPS는 지난 2011년 4월, 400MW급 LNG복합화력발전소 3호기 착공에 들어감. 3호기 발전소에는 국내 최초로 60% 이상의 높은 발전 효율을 갖춘 지멘스(Siemens)의 H-Class 가스터빈이 시공됨.
- 동두천 복합화력발전소: 한국서부발전, 삼성물산, 현대산업개발이 2011년 5월 3일 동두천 복합화력발전소 건설사업을 공동 추진키로 함. 삼성물산과 현대산업개발이 설계와 기자재구매 및 시공을 수행함.
- 문산 LNG 발전소: 한국남동발전(주)와 SK건설이 파주 문산 LNG 복합화력 발전사업 공동개발을 위한 양해각서(MOU)를 체결함.
4. 중요성 - 여러 발전 방식은 스마트그리드 시스템의 전기생산 방식과 직결된 부분으로서 앞으로 더욱 중요한 의미를 가지게 될 것으로 생각된다. 또한 비용적인 측면을 고려하지 않을 수 없다. 국제유가의 폭등으로 인해 유가/천연가스 가격비가 2010년에 들어 18배로 크게 확대됨에 따라 복합화력발전의 경제성이 주목 받고 있다. 또한 현재 가진 기술을 최대한 잘 활용할 수 있다면 많은 비용을 투자해 완전히 새로운 형태의 재생에너지를 개발하는 것보다 오히려 비용적인 측면에서 유리한 방법일 수 있다.
기술적인 측면 - 조사한 자료에 의하면 현재 총 발전설비의 정비비용 중에서 가스터빈 복합발전이 차지하는 비중이 약 50%를 차지해 해외의존도가 가장 높고 그 가운데 고온부품인 터빈블레이드, 연소기 부품 등이 70% 이상을 차지하고 있다고 한다. 가스터빈 저 NOx 연소기술의 확보는 이러한 가스터빈의 유지보수비용을 절감할 뿐만 아니라 연소진단 장비, 연소조정기술 등을 상품화하여 동남아의 가스터빈 발전설비를 대상으로 마케팅을 할 수 있는 고부가 가치의 기술로서 연구개발을 위한 정부의 지속적인 지원이 필요하다고 생각한다.  국내 업체의 입장 - 더불어 이번 일본의 지진으로 인해 후쿠시마 1, 2 원전 등의 가동 중단으로 올해 일본 발전설비량이 약 6150MW 감소될 것으로 추정됨에 따라 우선적으로 기존 화력발전설비 이용률을 높여 발전량 감소 부분을 충당할 가능성을 생각할 수 있다.  일본의 발전 주기기업체인 미츠비시중공업(MHI), 도시바, 히타치제작소 중 ‘히타치제작소’가 이번 지진의 피해를 입은 이바라키현에 입지해있을 뿐 아니라 이들 업체의 생산설비만으로 발전기기의 긴급투입을 위한 생산설비가 충분치 않다는 점을 감안한다면 주기기인 가스터빈을 생산하는 국내 업체가 수혜를 입을 것으로 전망해본다.
참조
“GS EPS, 400MW급 복합화력발전소 착공”, 2011-04-19. 경제전문 뉴스 토마토 “日 원전불안에 복합화력발전, 제 2의 전성기”, 2011-03-21. 머니투데이 <발전용 가스터빈 – 제트성장엔진에 시동을 걸다>, 2010-12-14, 삼성증권 산업분석 자료 <발전용 가스터빈의 저 NOx연소기술>, 앞서가는 사람들(네이버 카페)