천연가스복합화력발전은 CO2 및 미세먼지 저감에 큰 영향
셰일가스 도입은 가스복합화력 활성화에 긍정적 요인
환경문제 등 고려해 가스복합화력 활성화 계획 필요
<그림1> 에서와 같이 2015년 IEA의 세계 발전원 미국의 경우 석탄화력발전의 의전도가 점진적으로 감소하고 있으며, 천연가스 복합화력의 경우 미국의 셰일가스 도입 등의 외부 요인으로 인하여 점유율이 증가하고 있다. 일본은 후쿠시마 사태이후 원자력발전 비율이 급격히 감소하였으며, 부족한 발전량을 천연가스 복합화력으로 대체하고 있다. 하지만 대한민국의 경우 아직까지 석탄화력 및 원자력이 발전원 중 대부분을 차지하고 있다.
국내 발전량 동향에 대하여 상세히 확인해 보면 전력통계속보 제456호에 의하면 2016년 10월 국내 발전량 비율은 아래 <그림2>-(a)와 같이 석탄화력 발전이 전체의 40%를 차지하고 있다. 반면에 설비용량을 나타내는 <그림2>-(b)를 확인하면 복합화력 28%, 석탄화력 29%로 발전설비의 규모는 유사한 것을 확인할 수 있다. 또한 2016년 6월 한국전력공사에서 발표한 2015년 한국전력통계에 따르면 2015년 1년 동안 석탄화력의 경우 70.1%의 부하율, 90.1%의 이용률을 보이는 반면 복합화력의 경우 50.8%의 부하율, 40.3%의 이용률을 나타내고 있다.
즉 석탄화력 및 원자력발전의 경우와는 달리 복합화력의 경우 건설되어 있는 설비 용량에 크게 부족한 양의 발전이 이루어지고 있다는 것을 알 수 있으며, 앞서 이야기한 바와 같이 가스 복합화력에 대한 활성화가 필요한 시점이다. 가스복합화력은 ① 셰일가스 도입, ② CO₂ 저감 대책, ③ 미세먼지 저감 방안 이라는 세 가지 장점이 있으며 각각의 항목에 대하여 조금 더 상세히 살펴보고자 한다.
① 셰일가스 도입
천연가스는 일반적으로 전통가스와 비전통가스로 구분 되는데, 셰일가스는 비전통가스 중 한 종류로 셰일층(진흙이 쌓여 만들어진 퇴적암층) 내에 존재하는 천연가스를 지칭하는 말이다. 미국에너지 관리청(EIA)은 미국의 셰일가스 생산이 2010년 5 Tcf로 총 천연가스 생산분 21 Tcf의 23%를 차지하고 있으나, 2035년에는 13.6 Tcf로 49%까지 증가할 것으로 전망하였다. 셰일가스 생산의 증대로 인해 미국 내 천연가스 가격(2.3$/mmBtu)은 국내 도입가격(15$/mmBtu)의 15% 수준까지 하락하고 있는 상황이다.
한국가스공사 및 발전사들은 이러한 셰일가스의 국내 도입을 전략적으로 시도하고 있으며, 이러한 셰일가스의 도입은 중동지역으로 집중된 국내에너지 수급원에 대한 다변화를 통하여 에너지 안보의 개선에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 미국의 예처럼 셰일가스의 도입은 천연가스의 단가를 하락시키는 요인으로 작용하여, 국내 천연가스 가격에 안정화를 기대할 수 있는 요인으로 작용할 수 있다. 이러한 셰일가스 도입을 통한 천연가스 가격 안정화라는 배경은 가스 복합화력 활성화에 긍정적인 요인으로 기대할 수 있다.
② CO₂ 저감 대책
두 번째로 가스복합화력은 CO₂ 저감 측면에서큰 역할을 할 수 있다. 1970년대부터 과학적 지식축적으로 인하여 인류의 온실가스 배출이 지구온난화를 초래한다는 가설이 확산되었으며, 이러한 과정에서 1979년 제 1차 세계 기후회의가 개최되었다.
세계 기후회의에서는 인간의 활동에 의한 기후변화 가능성과 그에 따른 대책의 필요성이 제기 되었으며, 1994년부터 기후변화 협약이 50개국 이상의 비준을 통하여 발표되었다. 이러한 기후 변화협약은 점차 규제의 강도 및 참여 국가의 수가 증가해 왔으며, 위 <그림3> 에서와 같이 시대의 흐름에 대한 동향을 파악할 수 있다.
특히 2011년 12월 COP17 ‘더반 플랫폼’ 채택으로 2020년 이후 모든 당사국이 온실가스 의무 감축에 반드시 참여하는 제안이 의결되었다. 2014년 12월에는 COP 20 결과 2015년 6월 30일 온실가스를 2030년 온실가스 배출전망치(BAU, Business As Usual) 대비 37% 감축을 목표로UN에 제출하였다. 이러한 감축목표는 2015년 12월 12일 COP21 ‘파리협정’ 채택으로 신기후 체제 합의가 확정되었다.
세부적으로 대한민국은 2030년까지 배출전망(BAU) 기준 37% 까지 감축해야 하는 것으로 결정되었다. 발전산업의 CO₂ 배출량은 단일 업종으로는 가장 많은 전체 CO₂ 발생량 중 40%를 배출하고 있으며, 그 중 80%가 석탄화력 부문에서 발생한다. 즉 향후 CO₂ 배출량 국제 규제를 만족시키기 위해서는 석탄화력발전에서 발생하는 CO₂ 저감이 필수적이며, 그를 위한 대안으로 천연가스 복합화력 활성화가 제시되고 있다.
아래 <표4>에서 확인할 수 있듯이 가스복합화력발전의 CO₂ 배출량은 일반적으로 활용되고 있는 석탄화력발전에 비하여 55% 수준인 것으로 확인되고 있으며, 이는 발전 총량의 40% 가량을 차지하는 석탄화력발전을 가스 복합 화력발전으로 대체할 경우 CO₂ 저감을 기대할 수 있을 것으로 예측된다.
③ 미세먼지 저감 방안
미세먼지 발생의 다양한 원인 중, 석탄화력 발전소에서 사용되는 미분탄에서 배출되는 미세먼지 및 연소 후 생성물로부터 발생하는 미세먼지가 한 가지 원인으로 추측되고 있다. 미세먼지의 입자가 2.5µm 이하인 경우 PM2.5로 명명하며 ‘초미세먼지’ 또는 ‘극미세먼지’라고 명명하는데, 2015년 충남 지역의 PM2.5 평균 농도는 32µg/m³으로 전국에서 가장 높은 수치를 기록했다. 이는 24µg/m³인 서울보다 8µg/m³ 높은 수치다. 오염이 특히 심한 겨울철에는 충남 지역의 PM2.5 농도는 서울보다 13µg/m³ 높은 41µg/m³을 기록했다. PM2.5의 주요 배출 원인으로 지목되는 자동차가 많은 서울보다 충남 지역의 PM2.5가 농도가 높은 이유에 대하여 학계에서는 “석탄화력발전소에서 나오는 가스 배출량 총량 자체가 워낙 많기 때문일 것”이라는 주장이 있다. 이러한 석탄화력발전 과정에서 발생하는 NOx 및 분진은 미세먼지의 발생에 직접적인 영향을 미친다.
상기 <표4>에서 나타난 바와 같이 2012년 IEA의 분석에 따르면 가스복합화력은 석탄화력발전에 비해 NOx 발생량 및 분진 생성량 모두에서 우수한 성능을 보이며, 특히 분진의 경우 기체연료의 특성으로 인하여 거의 발생하지 않는 장점을 보이고 있다. 즉 앞서 CO₂ 배출량 저감에 가스 복합 화력이 크게 기여할 수 있을 것이라 기대한 것과 같이 석탄화력의 발전량을 가스복합화력으로 대체할 경우 미세먼지 저감에도 직접적인 영향이 있을 것으로 기대된다.
요약하면, 현재 국내에는 발전 용량 기준으로 석탄 화력과 유사한 정도의 천연가스 복합화력 설비가 건설되어 있지만. 그에 비해 복합화력의 실제 발전량은 석탄화력에 비해 절반 정도 밖에 되지 않는다. 최근 전 세계적인 문제로 떠오르고 있는 CO₂ 발생량 및 미세먼지 저감이라는 문제에 대한 해결책으로 천연가스 복합화력의 구동율을 높여 석탄화력의 구동율을 낮추는 방법을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
아직 복합 화력의 상대적으로 높은 발전단가가 근본적인 문제로 남아 있지만 셰일가스의 적극적인 도입이 이루어진다면 이 또한 해결 될 수 있을 것으로 기대한다. 따라서 환경적인 문제와 장기적인 세계의 에너지 변동 등을 고려하여 기존의 발전단가가 낮은 발전원 위주의 국가 전력수급 계획에 대한 수정이 필요한 시점이며, 가스복합화력 활성화에 대한 장기적인 계획이 필요한 시점이라 이야기할 수 있다.