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by 김하종 Mar 09. 2021

이건 몰랐지? 화석연료의 착한 변신

재생에너지 석탄가스화ㆍ석탄액화

대기환경을 망치는 골칫거리, 석탄

석탄, 석유를 비롯한 화석연료는 18세기 영국의 산업혁명 이후 우리 인류의 발전을 견인해왔습니다. 특히, 오늘날의 증기기관 모델을 발명하면서 빠르고 편리한 기술혁명을 이루어 풍족한 삶을 이룰 수 있었습니다. 하지만 이와 동시에 화석연료의 사용은 폭등했고 지금 석탄은 탄소배출로 인한 지구온난화를 일으키고 미세먼지를 유발하는 대기오염의 주된 원인으로 꼽히며 골칫거리로 여겨집니다.

더군다나 우리나라는 OECD 국가 중에서도 이산화탄소를 많이 배출하는 나라로 국제사회로부터 이산화탄소 배출량 감축을 요구받고 있어요. 또한 석탄은 양이 한정된 지하자원이라 고갈이 우려될 뿐만 아니라 세계적으로 안전과 환경을 중시하는 분위기가 고조되고 있는데요. 이른바 미국과 유럽, 특히 독일, 영국, 프랑스 등이 주도하는 ‘탈석탄’ 흐름은 최근 빠른 속도로 확산하고 있지요.

우리나라 정부도 단계적으로 노후한 석탄화력발전소를 조기 폐쇄하는 조치를 시행하고 있는데요. 그린피스와 비영리 환경 연구단체 콜스웜(CoalSwarm)의 세계 석탄‧화력발전소 운영실태 조사 결과에 따르면 2017년 신규로 건설이 완료된 전 세계 석탄발전소는 전년 대비 28% 감소(설비용량 기준)했고, 2년 전과 비교하면 41% 감소한 것으로 나타났습니다. 전 세계적으로 착공된 발전소는 전년 대비 29% 줄었고 지난 2016-2017년, 2년간 73% 감소한 것으로 나타났습니다.

이처럼 노후 발전소의 폐쇄 속도가 빨라지고 신규 발전소 건설이 급격히 줄어드는 것은 세계적인 추세입니다. 이에 앞으로 석탄화력발전소의 미래 모습을 상상하고 기존의 화석연료를 변환시켜 이용해야 할 필요성은 점점 높아지고 있습니다.

석탄의 착한 변신, 석탄 가스화ㆍ석탄액화

우선 석탄은 석유와 비교해 매장량이 풍부하고, 생산량이 어느 한 지역으로 편중되어 있지 않아 장점이 많은 원료입니다. 이 때문에 매우 저렴한 연료 중 하나이기도 하죠. 그렇다면 이러한 석탄을 버리지 않고 공해나 오염 없이 사용할 수 있는 방법이 없을까요? 오늘은 석탄을 쓰면서도 오염물질이 거의 나오지 않는 발전방식인 ‘석탄 가스화’와 ‘석탄 액화’를 소개해보려고 합니다.

‘석탄 가스화’와 ‘석탄 액화’를 쉽게 설명하면 말 그대로 석탄을 가스로 만들고, 액체로 만드는 기술입니다. 먼저 ‘석탄 가스화’란 높은 온도와 기압에서 석탄에 산소와 수소를 반응시켜 합성가스를 얻는 기술인데요. 이렇게 만들어진 가스는 천연가스와 매우 유사한 장점을 가지고 있습니다. 무엇보다 먼지와 황산화물 등의 석탄 공해를 해결할 수 있다고 하는데요. 이 기술을 통해 현재 가장 문제가 되고 있는 질소산화물과 황산화물을 90% 이상 절감할 수 있다고 합니다.

‘석탄 액화’는 석탄을 석유와 비슷한 액체 연료로 제조하는 방법인데요. 석탄에 산소와 증기를 넣고 고온과 고압 상태에서 합성가스를 얻어, 이를 다시 액체화시키는 기술입니다. ‘석탄 액화’는 ‘석탄 가스화’와 마찬가지로 오염 물질을 적게 배출한다고 합니다. 석탄의 액화는 과거 석유에 밀려 실질적으로 사용되지 못하였지만 1973년 석유파동을 계기로 석유보다 자원량이 많은 석탄이 다시금 주목을 받게 되었습니다. 이처럼 ‘석탄 가스화’와 ‘석탄 액화’는 모두 석탄의 단점은 개선하고 장점을 살릴 수 있는 기술인데요. 조금 자세히 들여다볼까요?

발전 효율이 높은 ‘석탄 가스’를 이용한 에너지 생산기술

‘석탄 가스’를 활용해 에너지를 만드는 과정을 흔히 ‘석탄 가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)’라고 부릅니다. ‘석탄 가스화 복합발전(IGCC)’ 기술은 석탄이나 중질잔사유 등 저급원료를 활용한다는 특징이 있는데요. 여기서 중질잔사유란 원유를 증류하는 과정에서 나오는 최종 부산물을 말합니다. 과거에는 쓰레기로 여겨졌던 부산물을 재활용해 에너지를 생산하는 친환경 기술이라고 할 수 있습니다.

발전 효율이 높은 이 기술의 가장 큰 장점은 터빈에서 방출되는 열을 모아 한 번 더 전기를 생산한다는 점인데요. 그래서 ‘석탄 가스화’는 ‘석탄 액화’보다 더 경제적이고 기술적으로도 안정되었다는 평가를 받고 있습니다.

또한 비산 분진으로 인한 공해가 없어 안전하고 친환경적이에요. 기존 화력발전에서 배출되었던 오염물질들을 산업용 유황이나 암모니아로 전환하거나 가스화된 석탄은 수소로 변환하여 연료전지에 사용되거나, 메탄올 요소는 다양한 화학 연료로 생산하는 데 활용할 수 있죠. 이 때문에 ‘석탄 가스’는 차세대 친환경 발전 기술로 주목받고 있어요.

석탄으로 석유를 만들 수 있다?

‘석탄 액화’는 쉽게 말해 석탄으로 대체 석유를 만드는 과정입니다. 특히, 운반과 처리 과정이 어려운 석탄의 단점을 극복하기 위한 기술이지요. 석탄을 석유처럼 액체 상태로 만들어서 통에 담아 운반하기 쉽게 변환할 수 있습니다.

‘석탄 액화’는 보통 2가지 방식을 사용하는데요. 고온ㆍ고압 상태에서 용매(수소)를 사용하여 석탄을 그대로 액체로 전환하는 직접 액화 방식과 ‘석탄 가스화’ 후 촉매를 통해 액체 연료로 전환하여 얻는 간접 액화 방식이 있어요. 이 제조방식은 ‘석탄 가스화’와 매우 유사한데요. 고온ㆍ고압 상태에서 석탄에 산소와 증기를 넣어 합성가스를 얻고, 이를 다시 액화시켜 ‘액체 석탄’을 만드는 방식입니다.

이렇게 만들어진 액체는 석유와 성질이 비슷해서 정제 과정만 거치면 휘발유와 경유를 얻을 수 있어요. 보통 휘발유와 경유는 자동차 연료로 많이 쓰이는데요. 그동안 경제성이 떨어져 많이 활용하지 못했지만, 성분상 유해 물질이 적고, 대기오염물질을 일반 디젤유와 비교해 85%까지 저감 할 수 있는 친환경 연료라는 장점이 있습니다. 게다가 ‘액체 석탄’은 원유가 아니라서 유가 변동에도 영향을 받지 않는다는 것도 큰 장점이죠.

우리나라는 천연자원이 많이 부족하기 때문에 에너지를 비교적 안정적으로 수급할 수 있는 방법에 대한 고민이 필요합니다. 그만큼 발전 효율이 높고 질소산화물과 황산화물의 90% 이상을 저감 하는 환경 친화 기술이라는 점에서 ‘석탄 가스화’와 ‘석탄 액화’와 같이 석탄 이용 기술은 각광받고 있죠. 더군다나 유지보수가 용이하고 무인화가 가능하다는 장점과 화학 플랜트에 활용하는 등 다양한 형태의 고부가가치의 에너지화도 가능하다고 해요.

미래에는 분명히 화석연료를 재생에너지가 대체하게 될 거예요. 하지만 그 시점은 아쉽게도 2030년 이후로 대부분 예상하고 있습니다. 미국은 셰일가스가 많지만 한국은 적어도 2030년부터 2050년까지 전기 생산의 30% 이상을 석탄에 의존해야 할 것으로 예상하고 있지요. 석탄이 발전 원료로서 상당 기간 존재하는 상황에서 우리나라는 어떤 차세대 기술로 대비할 것인가에 대한 선택이 매우 중요합니다. 이에 ‘석탄 가스화 복합발전(IGCC)’ 기술은 중요한 후보 중 하나일 수 있습니다.

하지만 공정을 위해서 넓은 면적과 복잡한 설비가 필요하고 시스템 비용이 고가이기 때문에 아직도 초기 투자비용이 많이 든다는 단점도 있습니다. 하지만 기후변화 대응과 미세먼지 저감에 대한 필요성이 갈수록 제기되고 꾸준하게 재생에너지로의 전환을 요구하고 있어서 앞으로의 성장이 기대되는 분야입니다.

하지만 '석탄 가스화'와 '석탄 액화' 기술도

태양광 에너지나 풍력 에너지처럼 근본적으로 지속가능하지 않습니다.

태양광 에너지나 풍력 에너지도 기존에 화석연료(석탄, 석유 등)를 사용했던 것을 지하광물로 대체한다는 점에서 지구의 유한한 자원을 끊임없이 고갈시키죠. 우리는 근본적으로 에너지 산업을 전환시킬 고민을 해야 합니다. 기후위기 대응에 있어서 2030~2050년까지 전기 생산의 30%이상을 석탄에 의존해야 한다는 것은 대응을 포기한 것이나 마찬가지이기 때문입니다.

2030년까지 탈석탄, 과연 어떻게 가능할까요?

<참고자료>

그린피스 보도자료

https://www.greenpeace.org/korea/press/6054/presslease-coal-power-plant-rapid-decrease/

산업통상자원부, 한국에너지공단 신ㆍ재생에너지센터(2019), “2018 신재생에너지 백서”

이진욱, 윤용승, 이승종(2013), “석탄가스화 기술 소개 및 개발 동향”, 한국에너지기술평가원.

정 헌, 이호태(2013), “석탄액화기술 및 전망”, 한국에너지기술연구원.

한국가스공가 공식블로그 : 석탄도 신재생에너지가 될 수 있다고?! 석탄 액화ㆍ가스화에 대해 알아봅시다.

https://m.post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=17332116&memberNo=6411495

한국동서발전 공식블로그 : 미운 오리새끼, 석탄의 변신은 무죄... 석탄 가스화 – 석탄 액화

https://blog.naver.com/iamewp/222046361283

한국원자력환경공단 공식블로그:석탄도 가스가 될 수 있나요?