화석연료를 연소시켜 전기를 만드는 방식은 기력발전, 가스 발전, Simple Cycle 발전, 복합발전 등으로 대별될 수 있다. 기력발전은 보일러 내에서 석탄이나 중유를 연소시켜 그 열로 물을 데워 증기를 만든 후 발전기와 연결된 증기터빈을 회전시켜 전기를 생산한다. 가스 발전은 항공기에서 사용되는 가스터빈 기술을 전력 생산에 채용한 방식이다. 즉 천연가스 자체나 중유를 가스화하여 연소시킨 고온고압의 가스를 터빈 블레이드에 분사하여 그 회전력으로 전기를 생산하는 방식이다. Simple Cycle 발전은 가스 터빈을 통과한 고온의 기체를 대기로 방출하는 단순 사이클 발전이다. 그런데 에너지 효율을 최대화하기 위하여 Simple Cycle 가스터빈 후단에 배열회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator)를 설치하고, 여기서 발생된 증기로 증기터빈을 회전시켜 2단으로 발전하게 되면 복합발전이 된다.
발전소는 가동에 들어간 지 30여 년 전후가 되면 설비 노후화로 발전 효율이 떨어지고 발전량도 당초 설계된 정격 출력량에 이르지 못하게 된다. 물론 설비 감가상각을 반영하므로 kWh 당 투입되는 총비용에는 크게 영향을 미치지 않을 수도 있지만, 효율 감소에 따른 연료량의 증가와 이로 인한 대기 환경 오염 문제는 큰 이슈가 될 수 있다. 이에 따라 석탄이나 중유를 연소시켜 증기를 만들어 전기를 생산하는 ‘기력발전소’는 적정 시점이 지나면 설비개선이나 교체가 필요해진다.즉, 설비 신예화를 통해 유지 보수 비용과 연료비 상승을 억제하고 더욱 엄격해지는 환경오염 배출기준에 부응할 수 있게 된다.
발전소 운영자로서는 노후 발전소를 폐쇄하는 대신에 재활용하여 발전용량과 효율을 증대시키면 여러 이점을 가질 수 있다. 즉, 기존의 부지와 송전설비를 활용할 수 있게 됨으로써,신규 대체 건설 시에 필요한 관련 투자비를 줄일 수 있고 공기도 단축할 수 있게 된다. 그리고 이미 발전소가 운영되고 있었으므로 인근 주민들에 대한 사회적 수용성이 용이하고 인허가 기간의 최소화도 도모할 수 있다. 노후 발전소의 발전용량과 효율을 증대시키는 신예화 방법을 통칭하여 Repowering이라 하는데, 세부적으로는 Rehabilitation/Revamping, Add-on, Hot Wind Box, Hybrid Repowering, Full Repowering 등으로 구분할 수 있다. 물론 최적의 신예화 방안은 대상 노후 발전소에 대해 설비의 성능 진단과 분석을 통하여 찾게 된다.
Rehabilitation은 최소비용으로 발전소를 당초 설계된 정격출력과 효율로 복구시키는 방식이다. 즉, 개선이 가능한 설비는 수리하여 재사용하고 그렇지 못한 설비만 교체한다. 주로 이전의 아날로그 제어 패널 대신에 디지털 제어 계통을 도입하고, 보일러 급수 계통과 증기 계통에서 필요한 부분을 Upgrade 하게 된다. 그런데 도입된 지 오래된 화력발전소는 당초 출력 규모가 작아서 Rehabilitation을 하더라도 현대의 대형 발전소에 대응할 정도의 규모의 경제를 가지기는 불가능한 단점이 있다.
이에 대해 기존의 기력발전이나 Simple Cycle 가스터빈 발전을 복합발전 형태로 변경하면 발전 효율과 출력의 대폭적인 증대가 가능하다. 복합발전화 방법으로 기존의 가스터빈 Simple Cycle 발전을 기반으로 하게 되면 Add-on이 되고, 기력 발전을 기반으로 하게 되면 Repowering이 된다. Simple Cycle 발전은 구조가 간단하고 냉각 방식에서 상대적으로 자유로우므로, 낮은 초기 투자비와 짧은 건설 공기로 급증하는 전력수요에 빠르게 대응 가능한 장점이 있다. 그러나 가스 터빈에서 배출되는 고온의 배가스를 그대로 대기 중에 방출하므로 발전 효율이 낮은 것이 단점이다. 따라서 24시간 발전하는 기저부하용 대신에 첨두부하에 대응하는 Peak 발전소 용도로 주로 건설된다.그리고 연료비 비중이 높으므로 천연가스 혹은 원유가 생산되어 유가가 저렴한 지역에 설치된다. Simple Cycle 발전소는 초기 긴급 전력수요에 대응하다가, 전력 수요가 증가되고 추가 투자 재원을 확보하게 되면 복합발전소로 개조하게 된다. 즉, Add-on 방식으로 개조되어 기존 가스터빈 Simple Cycle 발전소에 증기터빈 발전계통을 추가하여 효율과 출력을 증대 시킨다. 이를 위해 기존 가스터빈 사이클에 배열회수보일러와 기력발전계통의 증기터빈, 복수기 및 발전기가 도입된다. 가스터빈 발전에 더하여 배열회수 보일러에 의한 증기터빈 구동으로 통상 30% 내외의 추가 발전용량 증대가 가능하고, 발전 효율도 30% 중반 수준에서 50% 이상으로 증가시킬 수 있다.
Repowering은 기력발전소를 Hot Wind Box, Hybrid Repowering, Full Repowering 등 방식으로 복합발전화한다. Hot Wind Box 방식은 배열회수보일러를 설치하지 않고 가스 터빈에서 배출되는 고온의 배가스를 기존 기력발전소의 보일러에서 활용하는 방식이다. 즉, 신설하는 가스 터빈의 배가스를 기존의 보일러에 분사하는 방식이다. 이에 따라 보일러에서 소요되는 화석연료의 사용량을 줄여 효율 증대를 꾀할 수 있다. 그러나 기력발전소의 보일러 설비를 일부 개조하여 사용하므로 상대적으로 투입 비용은 낮출 수는 있으나, 출력이나 효율 증대가 매우 제한적이고 안정적인 운전도 쉽지 않다는 단점이 있다.
Hybrid Repowering은 기존 기력발전소의 보일러와 터빈 발전기를 그대로 사용하면서 전단에 가스터빈 사이클과 배열회수보일러를 같이 도입하는 방식이다. 따라서 가스터빈 사이클에서 1차 발전에 사용된 고온의 배가스를 배열회수보일러에 분사하여 증기를 만들고, 이를 기존 기력발전소의 보일러에서 생성된 증기와 더하여 증기터빈에 공급하게 된다. 이렇게 하면 기존 보일러는 Full Power 운전 대신에 Partial Power로 운전됨으로 사용되는 연료 양을 줄여 연료비 절감을 가져오게 된다. 통상 기존 기력발전소의 30% 초중반 수준에 대비하여 40% 중반 수준으로 발전효율 상승이 가능하고, 전단에 설치하는 가스 터빈의 규모에 따라 최소 100% 이상의 추가 출력 증대도 가능하게 된다.
Full Repowering은 기존 기력발전의 증기터빈 용량을 신규 설치되는 가스 터빈의 배가스 에너지가 100% 담당하는 방식이다. 즉, 기존 기력발전소의 보일러를 제거하고 신규로 설치되는 가스 터빈과 배열회수 보일러가 기존 증기터빈 사이클의 증기공급을 전담하는 방식이다. 이는 기존 기력 발전을 명실 공히 복합발전 형태로 바꾸는 방식이라 할 수 있다. 이에 따라 효율을 50% 수준으로 올릴 수 있고 발전 출력도 기존 기력발전 대비 추가로 200% 이상 증대 시킬 수 있다. 즉 발전 출력과 효율을 복합발전에 버금가는 수준으로 개선할 수 있는 방식이라 할 수 있다. 경제성 측면에서는 신규 발전소 건설에 대비하여 80% 수준의 LCOE(Levelized Cost of Electrity, 균등화발전비용)을 추정할 수 있으나, 기존 설비의 상태와 지역 및 연료비 수준 등에 따른 개별 변수가 많다.
미세먼지 이슈 등으로 우리나라의 경우에 노후 석탄 화력발전소가 휴지 혹은 폐쇄 방향으로 접근되고 있다. 오래전에 건설된 발전소의 경우에는 출력 규모가 작아서 신예화하기에는 경제성이 맞지 않을 수도 있다. 그러나 대형 발전소의 경우에는 Rehabilitation이나 필요한 경우 Repowering 등의 과정으로 개조하여 필요시 가동할 수 있는 자원으로 활용하는 것도 생각해 볼 수 있겠다. 중동이나 동남아시아에는 중유나 천연가스로 발전되는 노후 기력 발전소가 많다. 따라서 이들 시장을 대상으로 우리 고유의 경제성 있는 Repowering 사업 모델을 개발하여 대응할 필요가 있을 것으로 생각된다.먼저 국내 발전사에서는 해외 노후 발전소의 신예화 및 유지, 보수, 운영 분야 사업화를 적극적으로 추진할 수 있을 것이다. 그리고 해외 발전사업 수주에 어려움을 겪고 있는 국내 건설사 입장에서는 경제성 있는 Repowering 설계와 EPC 사업 모델을 개발하여 신수종 사업으로 진출을 도모함도 필요할 것으로 생각된다. 2018. 4. 10. 12:03
Comments