미래를 선도할 10대 청정에너지 기술

석탄가스화복합발전(IGCC)

2014 August + 29

석탄가스화복합발전(IGCC)2014년 5월 한 달 간 우리나라에서 석탄을 이용해 생산한 발전량은 약 1만5,748GW에

달한다. 이는 국내 총 발전량 중 38%에 해당하는 양이다. 특히 유연탄의 경우 kWh당

정산단가가 61.6원에 불과해 원자력(55.4원) 다음으로 경제성이 높은 발전원에 속한다.

그러나 석탄화력의 경우 황산화물, 질소산화물 및 먼지와 지구온난화의 주범으로 꼽히는

온실가스를 배출하고 있어 항상 논란의 대상이 된다. 2011년 기준으로 국내 CO2 배출량

의 약 1/3 정도가 전력분야에서 발생했는데, 이 중 대부분은 석탄화력에서 배출됐다. 즉

환경을 생각하면 비중을 줄여 나가야 하는 것이 맞지만, 경제성 및 효율성을 고려하면

반드시 필요한 발전원이 석탄화력인 셈이다. 이에 비단 우리나라뿐만 아니라 전 세계 전력

산업계에서는 석탄화력의 효율은 높이면서, 온실가스 배출은 줄일 수 있는 기술개발에

적극 나서고 있다. 그 기술 중 가장 현실적이면서 대표적으로 떠오른 분야가 바로 석탄가

스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)이다. 우리나라에서도

IGCC에 대한 관심을 지속적으로 기울여 왔고, 그 노력의 결실로 현재 태안에 국내 최초의

IGCC 실증플랜트를 건설 중에 있다. 현재 IGCC 기술개발은 어느 단계까지 와 있는지,

또 국내외 시장은 얼마나 성장될 것으로 예상되는지 자세히 정리해봤다.

Special And+ Special 기획 석탄가스화복합발전(IGCC)

친환경 미래 석탄발전원 ‘IGCC’

석탄은 석유, 천연가스에 비해 이산화탄소, 황산화

물 등 오염물질이 상대적으로 많아 에너지원으로 기

피대상이 돼 왔다. 하지만 매장량이 풍부하고 전 세

계적으로 생산량이 편중되지 않으며, 또 저렴한 가격

과 우수한 공급 안정성 때문에 발전연료의 97%를 수

입에 의존하는 우리나라 입장에서는 지속적으로 수

요가 증가할 것으로 전망된다.

그러나 석탄을 사용하는데 있어 당면과제는 단연

환경 문제이다. 따라서 석탄 사용이 증가함에 따라 당

연히 청정석탄 이용기술에 대한 관심도 높아지고 있

다. 이러한 분위기를 반영하듯, 세계적으로 석유화학

시대에서 석탄화학시대로 큰 변화가 일어나고 있다.

그러한 변화 가운데 가장 큰 주목을 받는 분야가 바

로 석탄가스화복합발전(Integrated Gasification

Combined Cycle, IGCC)이다. IGCC는 고온·고압 하

에서 석탄을 산소, 수증기와 반응시켜 합성가스

(CO+H2)를 생산하고, 이를 연료로 가스터빈과 증기터

빈을 구동하는 복합발전시스템이다. IGCC는 기존의

석탄화력, 화학플랜트, 복합화력이 합쳐진 신개념 발전

방식으로, 기존 석탄화력에 비해 효율은 높으면서도 공

해배출은 적어 친환경 청정발전기술로 각광받고 있다.

특히 싼 운영비와 큰 발전규모로 각광받던 원전의

인기가 2011년 일본 후쿠시마 원전 사고 영향으로

추락하면서 온실가스 감축을 위한 방안으로 IGCC 기

술이 재조명을 받고 있다.

기후변화 대응 성장잠재력 높아

IGCC는 현재 순 발전효율이 약 42%로 기존 석탄화

력발전 효율(38~40%) 대비 높은 수준이다. 향후 설비

[그림 1] IGCC 발전 시스템 개요

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의 대용량화 및 고성능 가스터빈 기술개발 시 48∼

50%에 달하는 효율도 달성이 가능하다는 분석이다.

석탄가스화발전을 세부적으로 살펴보면 합성가스

생산, 오염가스 정제, 정제가스 연소단계로 이뤄지

며, 기존 발전설비와 달리 연료를 연소하기 전에 공

해물질을 쉽게 제거할 수 있어 황산화물, 질소산화

물, 먼지를 청정연료인 LNG 수준까지 줄일 수 있다.

또한, 기존 석탄화력 대비 물 사용량도 20~40% 가

량 줄일 수 있는 장점이 있다.

특히 IGCC는 이산화탄소 포집설비와 연계 시 기

존 석탄화력에 비해 저비용으로 이산화탄소를 제거

할 수 있어 약 15%의 발전단가 감소가 가능하다. 이

러한 장점은 최근 각국 정부에서 IGCC 투자를 이끄

는 가장 중요한 원동력으로 작용하고 있다. 즉 지구

온난화의 주범인 이산화탄소 제거비용을 포함할 경

우 IGCC의 성장 잠재력은 매우 높다고 할 수 있다.

노후 석탄화력 대체기술로 급부상

석탄화력발전의 환경성 문제를 개선하기 위해 개발

되고 있는 청정석탄 활용 기술 중 가장 상용화에 근접

한 발전형식으로 알려진 IGCC 기술은 향후 석탄화력

발전 형식의 주류로서 실용화가 가속될 전망이다.

2020년 기준으로 우리나라 전체 발전기의 38.9%

가 20년 이상, 15.7%가 30년 이상 경과되는 등 발전

기가 빠르게 노후화되고 있다. 여기에 이산화탄소 배

출 규제 강화, 아시아지역의 경제성장 및 노후 석탄

발전설비 대체 수요를 고려할 경우, 2020년 이후

IGCC 시장은 크게 성장할 것으로 예상된다. 노후 석

탄발전소를 IGCC로 대체 시 온실가스 약 10%를 감

축할 수 있기 때문이다.

응용분야 무궁무진한 고부가가치 기술

IGCC 기술이 각광을 받는 데는 다양한 분야로 응

용이 가능한 고부가가치 기술이라는 점도 한 몫을 담

당하고 있다. IGCC 기술의 핵심인 석탄가스화 기술

은 발전 시스템에 적용하는 것뿐만 아니라 합성가스

인 대체천연가스(SNG), 청정연료(DME), 수소 등을

생산할 수 있다. 현재 국내에서도 포스코가 전남 광

양에 연간 50만 톤 생산규모의 SNG플랜트를 건설

중에 있다.

또한, 암모니아, 메탄올, 요소, 비료 등 화학원료

를 생산하는 기술로 확대되고 있는데(중국은 석탄화

학플랜트 약 30여 기 운영 중), 전기 생산과 다양한

연료 및 원료를 동시에 생산하는 병산(Polygenera-

tion) 시스템을 구축할 경우 비용절감과 에너지 전환

효율을 향상시킬 수 있다.

더 나아가 석탄액화(CTL) 플랜트와 연계해 액체연

료를 생산할 수 있어 석유 대체도 가능하다. 아울러

합성가스를 연료전지에 공급해 전력을 생산하는 석

탄가스화연료전지(IGFC) 개발, 이산화탄소의 포집

및 저장기술(CCS) 개발 등 다양한 연계기술과의 접

목이 가능하다.

국내 최초 IGCC 실증플랜트 건설 중

IGCC 기술은 최근 들어 갑작스럽게 제기되고 있

는 기술은 아니다. IGCC 기술은 Shell, GE, Uhde,

Conoco-Phillips, 미쓰비시중공업 등 선진국 특정업

체만이 보유한 원천기술로 이들 업체는 각국 정부 주

도로 이미 약 30년 전부터 수조 원의 개발비를 들여

연구개발 과정을 거쳐 현재 실증플랜트를 상용화했

다. 우리나라도 정부 주도로 선진국과의 기술격차를

줄이고자 1990년대 초반부터 정부의 G7 프로젝트

일환으로 IGCC 상용화를 위한 연구소 중심의 기초연

구를 진행해 왔다.

그러던 중 국내에서 IGCC가 본격화된 것은 2006

년부터다. 정부는 IGCC 기술의 조기 정착과 설계·

운영기술의 자립을 통한 수출상품화 육성을 목표로

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2006년 14차 과학기술관계 장관회의와 제4차 국가

에너지자문회의에서 ‘한국형 IGCC 실증플랜트 기술

개발사업’을 의결하고 같은 해 12월부터 본격 추진하

기 시작했다.

1단계(2006~2010년)에서는 기술개발 및 기본설계

를 완료했고, 2단계(2011~2016년)에서는 300MW급

실증플랜트 건설을 진행하고 있다. 2015년 말에 태

안화력발전소에 준공할 예정인 IGCC 실증플랜트는

국내 최초, 세계적으로는 7번째 건설되는 300MW급

상용화 플랜트이다.

태안 IGCC 사업은 산업통상자원부의 지원 하에

한국서부발전, 두산중공업, 현대중공업이 세부 주관

기관으로 주도하고 있으며, 여기에 국내 20여개 연구

기관, 대학, 기업 등이 참여해 범국가적인 기술개발

을 추진하고 있다.

태안 IGCC 사업의 경우 총 공사비 약 1조4,000억

원, 연인원 29만 명이 투입되는 초대형 국책과제로,

올해 5월말 기준으로 건설공정률 80%를 달성한 상태

다. 건설을 주관하고 있는 서부발전은 올 6월 30일

수전(水電)을 시작으로 2015년 6월 종합시운전, 11

월 준공을 목표로 추진 중에 있다. 그리고 준공 후 1

년간의 실증운전을 통해 운전기술을 확보하고 ‘한국

형 IGCC 표준모델’ 개발을 완성한다는 계획이다.

연계기술 개발도 박차

한국형 IGCC 실증사업은 고부가가치 플랜트 시장

의 핵심 기술분야로 기술파급 효과가 크다. 300MW

급 한국형 IGCC 설계·제작·운영기술이 확보되면

최근 에너지 수요가 급격히 증가하고 있는 중국 및

인도 등 아시아 시장을 포함한 세계 에너지시장에 고

부가가치 플랜트 수출은 물론, 석탄합성가스를 이용

한 화학플랜트용 석탄가스화기 및 정제설비 등 관련

플랜트 수출에도 일익을 담당할 것으로 기대된다.

[그림 2] 국내 IGCC 실증사업 추진 체계

산업부(에너지기술평가원)

총괄주관(한국서부발전)

운영위원회

세부3과제세부2과제세부1과제

현대중공업 한국서부발전두산중공업

IGCC 실증플랜트운영기술개발

IGCC 실증플랜트 종합설계·제작, 건설기술개발

실증 가스화 플랜트종합설계, 자립기술 개발

발전5사, 서울대한양대, 한밭대, 인하대

현대중공업, 고기원, 에기연,홍익대, 수원대, 아주대

에기연, 성균관대부산대, 영남대

•운전감시시스템 개발•연소최적화 기술개발•시뮬레이터 개발

•IGCC 설계/건설, 실증운전•가스화기 Test-Bed 개발

•가스화 플랜트 설계기술•핵심기자재 설계/제작

연구목표

참여기관

연구기관

과 제 명

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Special And+ Special 기획

차세대 친환경 고효율 발전기술로 칭송받는 IGCC

의 경우 응용분야가 다양하기 때문에 원천기술을 확

보할 경우 전기, 기계, 화공, 소재 등 요소기술뿐만

아니라 종합 엔지니어링 플랜트로서 수출 산업화도

가능하다. 이에 따라 국내 최초의 IGCC 실증플랜트

를 건설·운영하는 서부발전은 정부의 그린에너지

로드맵에 따라 IGFC, CCS, DME, 핵심부품 국산화

개발 등 Hybrid IGCC 플랜트 개발에도 박차를 가한

다는 방침이다.

“IGCC는 국내 최초로 시공하는 설비이다 보니 참고자

료가 부족했습니다. 무엇보다 기존의 발전소보다 기기도

많고 용어도 생소해 초기에는 어려움이 많았습니다. 하지

만 소통, 협업, 직원과 협력사간 합의 등을 이끌어 내 난

관들을 모두 극복해 나가고 있습니다.”

국내 최초의 IGCC 실증플랜트 건설을 총괄해 진두지

휘하고 있는 한국서부발전 태안건설본부 IGCC건설처 김

용학 처장. 수십 년간 발전플랜트의 운영과 건설을 통해

많은 경험을 갖고 있는 그였지만 시행과정에서 상당한 어

려움을 겪었다고 한다.

“사실 발전소의 경우 각 설비들을 어떻게 배치하느냐

에 따라 경제성과 운영능력이 결정됩니다. IGCC 플랜트

의 경우 최초 설비이다 보니 당연히 배치도조차 없었습니

다. 기존 발전설비와 부지를 고려하고 운영능력을 최대한

살려 기기를 배치해 설치시공을 했고, 현재 시운전 준비

까지 마친 상태입니다. 그 과정에서 시행착오를 최소화하

기 위해 건설 참여자들과 함께 ‘J–FIT*’ 사업추진전략을

만들어 낸 것이죠.”

특히, 김처장은 화학과 발전의 복잡한 공정이기에 타

건설사업과 동일한 건설 계획을 갖고는 최상의 안전과 품

질을 기한 내 달성하기 어렵다고 판단했다고 한다. 여기

서 김 처장의 건설 노하우가 빛이 났다.

[그림 3] 태안 IGCC 실증플랜트 내부 모습

인 터 뷰 한국서부발전 태안건설본부 김 용 학 IGCC건설처장

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“그동안의 노하우를 바탕으로 우선 선순환구조의

‘JP(Job Process)’를 구축하고, ‘FL(Front Loading)’ 기법

으로 2,700여개 공정을 176개의 공정으로 농축해 13개로

트레인화 했습니다. 즉 업무를 단순화하고 여기에

‘IO(Image Operation)’ 기법을 통한 공정논리를 구성·종

합화해 모든 구성원들이 공유하도록 함으로써 물 흐르듯

담당자들이 공정을 이해할 수 있도록 한 것입니다.”

이를 통해 FL차트 상에서 각 공정들을 Small Step으로

쉽게 파악하고 단기 완성할 수 있는 환경을 구성해 전체

에 미치는 영향을 최소화하는 업무시스템을 구축했다고

한다. 이로서 모든 문제가 사전에 노출되도록 하고 이를

미리 해결함으로써 효과적으로 추진할 수 있었다는 것이

김 처장의 설명이다.

“특히 각 공정별로 키맨(Key Man)을 지정, 이들이 현

장에서 직접 업무를 주관하도록 했고 KMD(Key Man

Discussion)기법을 통해 사전에 노출된 문제점을 현장에

서 결정토록 했습니다. 현장에서의 공정과 안전 상황을

SNS를 통해 공유하고 이를 보고로 갈음함으로써 신속한

업무 수행이 가능하게 된 것입니다.”

즉 김 처장은 업무 프로세스를 단순화하고, 현장결재

체계와 온라인 업무 공유로 보고서를 대체하는 기법을

개발해 업무 다이어트를 실현하는 등 현장중심의 경영

모델을 제시해 정착시킴으로써 복잡한 IGCC 플랜트 건

설을 계획대로 추진할 수 있었다고 강조했다. 아울러 최

근 사회적으로 이슈가 되고 있는 안전 문제에 있어서도

현장에서 실질적으로 작동되는 신개념 업무시스템을 개

발해 추진하고 있다고 한다.

“안전관리에 있어서도 관리감독 강화보다는 적은 자원

으로 업무생산성을 혁신적으로 향상시킨 ‘B+MAGIC’을

기본으로, 그 기본에 충실한 BASIC 안전관리전략을 바탕

으로 한 신개념의 안전관리 시스템을 개발함으로써 건설

현장 참여자 스스로 만들어가는 유기적 시스템을 정착시

켰습니다.”

‘BASIC’은 △B+MAGIC(현장실천) △All in One(단일조

직) △Seal ing(누설방지) △Ir is (반드시 즉시) △

Centering(지휘체계)의 앞 자를 딴 것으로 태안 IGCC 건

설사업의 안전관리전략을 총괄 지칭하는 단어이다.

“관습에 젖은 건설현장의 인식을 새롭게 전환하고 스

스로 안전수칙을 지켜 나갈 수 있도록 시스템을 개발해

추진전략을 수립했고, 또 이를 현장 내에 체질화하도록

설득과 인내로 합의를 이뤄 역동적으로 공사를 추진하고

있습니다.”

이를 통해 건설 현장에서 갑·을 구분 없는 일체감 분

위기를 조성, 건설을 추진하는데 있어 이 시대가 요구하

는 실질적 현장리더십을 유감없이 발휘하고 있다는 것이

김 처장의 설명이다.

김 처장은 내년 1월 1일 가스터빈 병입, 6월 1일 IGCC

Start-Up, 11월 1일 준공을 목표로 최선을 다하고 있다고

밝혔다. 물론 그 과정에서도 수많은 변수들이 발생할 것

으로 김 처장은 예상하고 있다. 하지만 지금 현장에서 추

진하고 있는 독창적 신개념 시스템들을 바탕으로 차질

없이 진행해 나갈 수 있다는 점 역시 김 처장이 예상하는

바다.

“최근 세계적 기업 SHELL사로부터 해외사업 러브콜

을 받은 상황으로, 이는 직원들에게 앞으로의 새로운 비

전을 제시했다는 점에서 의의가 있다는 생각합니다. J-

FIT 전략 중 마지막 ‘TOP Record’ 기법으로 사업진행의

전 과정을 기록해 향후 해외사업 추진 시 실행 경험 자료

로 제시해 활용한다는 방침입니다.”

끝으로 김 처장은 국내 최초로 시행되는 사업인 만큼

자부심과 긍지를 갖고, 처음이지만 최고가 될 것이라는

‘First to the Best’의 정신으로 명품 IGCC 발전소 건설에

열정과 정성을 다 하겠다고 당찬 포부를 밝혔다.

*J-FIT : ‘Just Fit’은 주어진 목표를 달성하기 위해 개발된 업

무추진전략으로 △선순화 업무시스템인 ‘Job Process’ △착

수 전 모든 과정을 담은 실행프로세스인 ‘Front Loading’ △사

업 추진과정 요소를 Image화하고 Image 대화(Operation)를

통한 사전 Simulation 과정인 ‘Image Operation’ △사업 착수

부터 모든 실행과정 기록으로 남기는 ‘TOP Record’를 합친

개념이다.

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