초초임계압 발전소 확대에 따른 CO2 감축잠재량 연구
Abstract
In this study, the CO2 emission factors of supercritical and ultra-supercritical power plants considering the transmission stage efficiency were calculated. The CO2 reduction potential was calculated for the ultra-supercritical power plant, which was introduced up to 40%. The CO2 emission factor of the supercritical power plant was 1.017 kg CO2/kWh, while the emission factor of the ultra-supercritical power plant was 0.947 kg CO2/kWh. Thus, the emission factor of the ultra-supercritical power plant was estimated to be about 7% lower. By calculating the CO2 emissions according to the supercritical and ultra-supercritical power generation ratio, we found that when the power generation ratio of the ultra-supercritical power generation increased to 40%, the CO2 emissions decreased by 1.74% (4,906,117 tons of CO2).
Keywords:
CO2, Emission Factor, Climate Change, Supercritical, Ultra-Supercritical Power Plants1. 서론
신기후체제 출범 이후 기후변화 전반에 대한 대응 체계 강화가 요구됨에 따라, 2019년 우리나라는 저탄소 녹색성장 기본법(제40조)을 근거로 한 『제 2차 기후변화대응 기본계획』를 발표하였다. 이 계획에서는 2030년 감축 목표를 2017년 온실가스 배출량 대비 24.4% 수준인 총 배출량 574.3백만톤으로 설정하였고, 그 중 에너지 부문 배출량은 505.3백만톤을 목표로 설정하였다.
『국가온실가스인벤토리보고서』에 따르면, 우리나라의 2017년 온실가스 총 배출량은 709.1백만톤이며, 그 중 에너지 부문의 온실가스 배출량은 615.8백만톤(약 87%)으로 가장 많은 배출량을 차지하는 것으로 나타났다. 에너지 부문에서 약 1억톤 이상의 온실가스 배출량을 줄이기 위하여 『제 2차 기후변화대응 기본계획』에서는 국내 석탄 화력발전소 중 초초임계압 발전소(Ultra-Super Critical)를 2030년까지 전체의 40%까지 확대 적용하겠다고 발표하였다.
국내 석탄 화력발전소 대부분을 차지하고 있는 초임계압 발전 방식은 주증기의 온도와 압력을 임계점보다 높은 조건에서 발전하는 방식이며, 주증기의 온도와 압력 조건을 더 향상시킨 초초임계압 발전 방식은 효율이 상승함에 따라 연료절감과 온실가스 배출량을 감축할 수 있다.
2018년 기준, 한국전력의 5개 발전자회사 석탄화력발전소는 12개 발전소, 59개호기이다. 그 중 초초임계압 발전 방식을 도입한 발전소는 3개 발전소 6개호로. 2016년부터 태안, 당진, 신보령 화력발전소에서 초초임계압 화력발전소가 운영되고 있다.
따라서 본 논문에서는 초초임계압과 초임계압 발전소의 송전단 기준 CO2 배출계수를 산정하여 비교하고, 초초임계압 발전소의 도입에 따른 CO2 감축잠재량을 산정하였다.
2. 연구방법
초임계압과 초초임계압 발전소의 송전단 기준 CO2 배출계수를 비교하기 위하여 자료조사와 연료를 분석하였다. 자료조사를 통해 발전소의 효율, 송전량 등을 반영하였고 원소분석, 공업분석을 통해 연료의 인수식 탄소 함량을 구하여 탄소배출계수를 산정하였다. 이 자료들을 주어진 식을 이용하여 초임계압과 초초임계압 발전소의 송전단 기준 CO2 배출계수를 비교하고, 초초임계압 발전소 확대에 따른 감축잠재량을 산정하였다.
2.1 연료 분석 및 CO2 배출계수 산정
원소분석은 시료 중의 탄소(Carbon), 수소(Hydrogen), 질소(Nitrogen), 황(Sulfide), 그리고 산소(Oxygen) 함량을 측정하는 분석방법이다. 본 연구에서는 자동원소분석기 (Thermo Finnigan-Flash EA 1112, USA)를 이용하였다.
공업분석은 중량분석기(TGA-701)을 이용하여 분석하였다. 표준시료로는 0.75% Sulfur in Coal PROX-X IARM No.HC-30075B, 3.00% Sulfur in Coal PROX-X IARM No.HC-30300B, 그리고 5.00% Sulfur in Coal PROX-X IARM No.HC-30500B를 사용하였다.
초임계압과 초초임계압 발전소의 CO2의 배출계수를 산정하기 위해 다음과 같은 식을 이용하였다. 현재 온실가스 인벤토리에서 적용되고 있는 CO2 배출계수는 ‘온실가스·에너지 목표관리 운영 등에 관한 지침 [별표16]’에서 제시한 식으로 산정하고 있다(식 (1), 식 (2) 참조). 본 연구에서는 식 (3)과 같이 송전단 전력량을 기준으로 한 초임계압과 초초임계압 발전소의 CO2 배출계수를 산정하였다. 초임계압과 초초임계압의 송전단 효율은 발전소의 실제 효율을 협조 받아 반영하였다.
| (1) |
| (2) |
| (3) |
여기서, EFkWh,CO2 : 송전량(kWh) 기준 CO2 배출계수(kgCO2/kWh)
E : 송전단 열효율(초임계압: 37.65%, 초초임계압: 40.35%)
EFTJ,CO2 : 열량(TJ) 기준 CO2 배출계수(kgCO2/TJ-연료)
EFi,C : 연료(i)에 대한 탄소(C) 배출계수(kgC/GJ-연료)
3.664 : CO2의 분자량(44.010)/C의 원자량(12.011)
Car,i : 연료(i) 중 탄소의 질량 분율(인수식, 0에서 1사이의 소수)
ECi : 연료(i)의 열량계수(연료 순발열량, MJ/kg-연료)
2.2 감축 잠재량 산정 방법
2030년 석탄화력발전의 송전단 발전량을 예측하여 초임계압과 초임계압발전소의 비율에 따른 CO2 감축잠재량을 산정하였다. 2030년의 송전단 발전량은 『제8차 전력수급기본계획』의 전력수요 전망과 발전량 비중 전망 자료를 이용하여 예측하였다. 2030년의 전력소비량에 송배전손실률(2018년)을 고려하여 2030년 모든 발전원의 송전단 발전량을 예측하였으며, 2030년 기준 시나리오의 석탄 발전량 비중 전망치인 40.5%를 고려하여 석탄화력발전의 예측 발전량(송전단 기준)을 산정하였다. 산정 결과, 2030년 화력발전의 예측 발전량(송전단 기준)은 280,350 GWh로 산정되었다.
Value for estimating power generation
2019년 발표된 『제2차 기후변화대응 기본계획』에서 국내 석탄 화력발전소 중 초초임계압 발전소(Ultra-Super Critical)를 2030년까지 40%까지 확대 적용하겠다고 발표하였다. 이를 바탕으로, 초임계압과 초초임계압의 비율을 설정하고 본 연구에서 개발한 CO2 배출계수를 이용하여 저감잠재량을 산정하였다. 현재의 발전 비율은 전력통계시스템(EPSIS)에 제시된 2018년 실제 발전 비율(A)을 반영하여 초임계압 발전 비율은 85%, 초초임계압 발전 비율은 15%으로 설정하였으며, 2030년의 발전 비율(B)은 초임계압 발전 비율 60%, 초초임계압 발전 비율 40%로 설정하였다(Table 2 참조).
Generation ratio of supercritical and ultra-supercritical power
3. 연구결과 및 고찰
3.1 연료 분석 및 CO2 배출계수 산정 결과
초임계압과 초초임계압 발전소에서 현장 측정 시 사용된 연료(유연탄) 3개를 각각 3회 반복 분석하여 각 평균값으로 Table 3에 나타내었다. 초임계압 발전소에서 사용된 연료의 원소분석 결과는 C(탄소) 71.68%, H(수소) 4.92%, O(산소) 12.79%, N(질소) 1.47%, S(황) 0.46% 로 나타났다. 초초임계압 발전소에서 사용된 연료의 원소분석 결과는 C(탄소) 69.00%, H(수소) 4.78%, O(산소) 15.70%, N(질소) 1.35%, S(황) 0.31%로 나타났다.
Result of elementary analysis(Unit: %)
초임계압과 초초임계압 발전소에서 현장 측정 시 사용된 연료(유연탄) 3개를 각각 3회 반복 분석하여 각 평균값으로 Table 4에 나타내었다. 초임계압 발전소에서 사용된 연료의 공업분석 결과는 고유수분(Inherent Moisture) 9.30%, 휘발분(Volatile Matter) 35.14%, 회분(Ash) 7.96%, 고정탄소(Fixed Carbon) 47.60%으로 나타났다. 초초임계압 발전소에서 사용된 연료의 공업분석 결과는 고유수분(IM) 11.72%, 휘발분(VM) 35.94%, 회분(Ash) 10.31%, 고정탄소(FC) 42.03%로 나타났다.
Result of proximate analysis(Unit: %)
식 (3)을 이용하여 초임계압과 초초임계압 발전소의 송전량 기준(kWh) CO2 배출계수를 산정하고 비교하였다. 초임계압 발전소의 CO2 배출계수는 1.017 kgCO2/kWh으로 산정되었으며, 초초임계압 발전소의 배출계수는 0.947 kgCO2/kWh으로 초초임계압 발전소의 배출계수가 7% 낮게 산정되었다. 열량 기준 CO2 배출계수와 다르게 효율이 더 높은 초초임계압 발전소가 같은 전력량을 생산하는데 CO2가 더 적게 배출되는 것으로 나타났다(Table 5 참조).
Comparison of CO2 emission factors between supercritical power plant and ultra-supercritical power plants
3.2 CO2 감축 잠재량 산정
2030년 화력발전의 예측 발전량은 280,350 GWh로 산정되었다. 이를 기준으로 2018년 초임계압과 초초임계압 발전소의 비율(A)인 85%, 15%를 고려하면 초임계압 발전소의 송전량은 238,297 GWh, 초초임계압 발전소의 송전량은 42,052 GWh로 나타났다. 본 연구에서 가정한 2030년의 초임계압과 초초임계압 발전소 비율(B)인 60%, 40%을 적용한 결과, 초임계압 발전소의 송전량은 168,210 GWh, 초초임계압 발전소의 송전량은 112,140 GWh로 나타났다(Table 6 참조).
Transmission amount considering the generation ratio of supercritical power plants and ultra-supercritical power plants
초임계압과 초초임계압 발전 비율에 따른 CO2 배출량을 산정한 결과, 초초임계압 발전의 발전 비율이 40 %까지 증가할 때, CO2 배출량이 1.74%(4,906,117 tonCO2) 감소하는 것으로 나타났다(Table 7).
Comparison of CO2 emissions considering the generation ratio of supercritical power plants and ultra-supercritical power plants(Unit: tonCO2)
4. 결론
본 연구에서는 송전단 효율을 고려한 초임계압과 초초임계압 발전소의 CO2 배출계수를 산정하고, 산정한 CO2 배출계수를 이용하여 초초임계압 발전소가 40%까지 도입되었을 때의 CO2 저감 잠재량을 산정하였다.
초임계압과 초초임계압 발전소의 송전단 효율을 고려한 CO2 배출계수를 산정한 결과, 초임계압 발전소의 CO2 배출계수는 1.017 kgCO2/kWh, 초초임계압 발전소는 0.947 kgCO2/kWh으로, 초초임계압 발전소의 CO2 배출계수가 7%(0.047 kgCO2/kWh) 낮게 산정되었다.
산정한 배출계수를 이용하여 초초임계압 발전소를 2030년까지 40% 도입 시(제2차 기후변화대응 기본계획), 국내 5개 발전사의 2030년 예측 송전량을 기준으로 CO2 저감 잠재량을 산정하였다. 2030년 화력발전의 예측 발전량은 280,350 GWh로 산정되었으며. 이를 기준으로 초임계압과 초초임계압 발전 비율을 고려하여 CO2 저감잠재량을 산정하였다.
2018년 초임계압과 초초임계압 발전 비율인 85%, 15%를 고려하면 초임계압 발전소의 송전량은 238,297 GWh, 초초임계압 발전소의 송전량은 42,052 GWh로 나타났으며, 2030년 초임계압과 초초임계압 발전소 비율을 60%, 40%으로 적용한 결과, 초임계압 발전소의 송전량은 168,210 GWh, 초초임계압 발전소의 송전량은 112,140 GWh로 나타났다
CO2 배출량을 산정한 결과, 2018년에는 282,171,805 tonCO2, 2030년에는 277,265,688 tonCO2로, 초초임계압 발전소가 40%까지 도입될 시 CO2 저감량이 1.74%(4,906,117 tonCO2) 감소하는 것으로 나타났다. 효율이 높은 초초임계압 발전소가 더 많이 도입될 시 CO2 저감량을 정량적으로 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 2018년 한국전력 5개 발전자회사의 송전량을 기준으로 CO2 저감 잠재량을 산정하였지만, 국내 모든 발전소의 부하율, 이용률, 발전 용량 등이 고려되지 않았기 때문에 보다 정확하고 신뢰성 있는 CO2 저감 잠재량을 산정하기 위해서는 국내 모든 발전소의 발전 용량, 부하율, 이용률 등이 고려되어야 할 것으로 판단된다.
Acknowledgments
본 연구는 환경부 “기후변화특성화대학원사업”의 지원으로 수행되었습니다.
References
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[https://doi.org/10.21513/0207-2564-2019-2-05-13]
