일본, 제3세대 화력발전 2025년부터 적용 第3世代の火力発電を2025年に、燃料電池を組み込んでCO2削減へ

연료 전지를 조합하여 CO2 삭감 

제1세대는 2016~17년에도 실용화 

제2세대에 CO2 배출량이 10%~20% 미만 

제3세대에 발전 효율이 60% 이상 

일본 간사이전력 난코화력발전소 전경 출처 오마이뉴스

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일본이 세계를 선도하는 화력발전의 기술개발 로드맵이 결정되었다. LNG 화력과 석탄 화력 각각 제1~제3세대의 발전 기술을 개발한다. 제3세대로는 연료 전지를 조합한 트리플 컴바인드 사이클 발전을 실용화하여 CO2의 배출량을 제1세대와 비교하여 20%~30% 삭감할 계획이라고 한다. 일본 정부는 차세대 화력발전에 관한 기술개발 로드맵의 최초안을 2015년 7월 6일에 공표하였다. 일본의 에너지 핵심을 담당하고 있는 화력발전을 고효율 방식으로 진화시켜 CO2 배출량과 연료비를 동시에 억제하는 것이 목적이라고 한다. 관민 일체로 개발 방침과 목표 시기를 공유하면서 세계에 선행하여 차세대 화력발전 기술을 확립할 것이라고 한다. 로드맵에서는 화력발전의 다단계화 흐름에 따라 주류가 되는 발전 기술을 제1~ 제3세대로 나누어 좁혔다(<그림 1> (상)). 제3세대로는 연료 전지+가스 터빈+증기 터빈의 조합에 의한 `트리플 컴바인드 사이클 방식`으로 발전 효율을 높인다. LNG(액화천연가스) 화력과 석탄 화력으로 2025년을 목표로 트리플 컴바인드 사이클 방식의 발전 기술을 확립하는 것이 새로운 목표가 되었다. 병행하여 CO2를 분리・회수하는 비용 저감에도 임해 환경 부하가 낮은 화력발전으로의 전환을 도모한다. 로드맵에 포함시킨 화력발전에 기존의 방식을 베이스로 한 제1세대로는 연소 기술을 진화시켜 발전 효율을 높인다. LNG 화력으로는 고습・고온의 공기를 연소시키는 `고습분 공기 이용 가스 터빈(A-HAT : Advanced-Humid Air Turbine)`을 주력으로 하는 한편 석탄, 화력으로는 고온・고압의 증기로 터빈을 돌리는 `선진 초임계압(A-USC : Advanced-USC)`에 주력할 방침이라고 한다(<그림 1> (중)). A-HAT는 2017년에 요소 기술을 확립하여 기존 종래의 LNG 화력과 동등한 비용으로 건설할 수 있도록 한다. 석탄 화력의 A-USC는 발전 효율을 높여 CO2의 배출량을 저감하면서 기존과 동일한 낮은 발전 비용을 2016년에 달성하는 것이 목표라고 한다. 발전 효율은 A-HAT가 51% 정도, A-USC가 46% 정도가 되고 기존의 화력발전의 40% 이하에서 큰 폭으로 향상된다. 계속되는 제2세대로는 가스 터빈과 증기 터빈을 조합한 컴바인드 사이클(복합발전) 방식을 LNG 화력과 석탄 화력으로 실용화한다. 이미 LNG 화력으로는 컴바인드 사이클 방식의 발전 설비가 많이 가동하고 있다. 제2세대의 LNG 화력은 연소 온도를 1,700도에서 1,800도 그리고 1,900도로 높여 발전 효율을 끌어올릴 방향이다. 2020년대 처음에는 발전 효율이 57%까지 상승하고 CO2 배출량은 제1세대의 A-HAT와 비교하여 10% 적게 된다(<그림 1> (하)). 석탄 화력의 경우 석탄으로부터 가스를 발생시킨 후 컴바인드 사이클 방식으로 발전한다. `석탄 가스화 복합발전(IGCC : Integrated coal Gasification Combined Cycle)`이라고 부르는 기술로 2020년대 처음으로 발전 효율을 50%까지 높인다. CO2 배출량은 제1세대의 A-USC보다 10% 적고 현재의 석탄 화력으로 최첨단 `초임계압(USC : Ultra Super Critical)`과 비교하면 20% 삭감될 전망이라고 한다. 제2세대의 발전 기술을 개발하는 것과 병행하여 발전 시 배출하는 CO2를 회수하는 기술의 개발도 진행시켜 나갈 예정이라고 한다. 특히 중요한 테마는 배기가스로부터 CO2를 효율적으로 분리하여 회수하는 방법을 확립하는 것이다. 2020년대 네 가지 방법으로 실행하면서 CO2의 분리・회수 비용을 현재의 4분의 1 이하에 저감할 예정이라고 한다(<그림 2> (상)). 2020년대에는 CO2를 회수하는 기술에 이어 CO2를 이용하거나 저장하는 기술을 실용 수준에 접근해 간다. 이용 기술 면에서는 CO2와 태양광을 조합한 바이오 연료나 화학 원료의 제조가 유망하다. CO2를 회수・이용・저장하는 `CCUS(Carbon dioxide Capture, Utilization and Storage)`가 저비용으로 가능하게 되면 화력발전에 수반하는 CO2 배출량의 삭감이 큰 폭으로 증가한다. 로드맵의 최종 목표로 제3세대의 화력발전 기술을 2025년에 확립한다. 일본 정부는 2030년까지 일본 전체의 CO2 배출량을 2013년 대비 26% 삭감하는 것을 국제 공약으로 내걸었다. 이 목표를 달성하기 위해서는 화력발전에 의한 CO2 배출량을 큰 폭으로 줄일 필요가 있다. 2025년을 목표로 발전 효율이 높은 제3세대의 기술을 실용화할 수 없으면 일본 정부의 위신과 관계되는 중요한 문제가 될 수도 있다. 제3세대로는 제2세대의 컴바인드 사이클 방식에 연료 전지를 조합하고 3단계에서 발전하는 트리플 컴바인드 사이클이 주류가 된다. LNG 화력으로는 `가스 터빈 연료 전지 복합발전(GTFC : Gas Turbine Fuel Cell combined cycle)`, 석탄 화력으로는 제2세대의 IGCC에 이어 `석탄 가스화 연료 전지 복합발전(IGFC : Integrated coal Gasification Fuel Cell combined cycle)`이다. 트리플 컴바인드 사이클은 제1단계에서 `고체 산화물형 연료 전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)`를 이용한다(<그림 2> (하)). 천연가스나 석탄 가스를 화학반응으로 개질하여 수소를 취출한 후 산소와 반응시켜 발전하는 구조이다. 제2단계에서는 연료 전지의 배열도 이용하면서 가스 터빈으로 발전한다. 그리고 제3단계에서는 가스 터빈으로부터의 배열로 증기를 발생시키는 것에 의해서 3번째의 발전이 가능하게 된다. 출처 itmedia.co.jp 이 3단계의 발전 프로세스를 조합하면 상업용 수준의 대규모 발전 설비에서도 2020년대에는 60%를 넘는 발전 효율을 달성할 수 있을 전망이다. 트리플 컴바인드 사이클 발전의 실증 프로젝트에 임하고 있는 미츠비시 히타치 파워 시스템즈(Mitsubishi Hitachi(三菱 日立) Power Systems)에 따르면 출력이 40만 kW급 발전 설비에 적용했을 경우 발전 효율은 63%까지 향상될 것으로 예상하고 있다(<그림 3> (상)). 현재 LNG 화력으로 가장 효율이 높은 컴바인드 사이클 방식의 발전 효율은 50%대로 제2세대의 기술개발이 진행되어도 최고 60%대 전반이 한계로 보여지고 있다(<그림 3> (하)). 한편 트리플 컴바인드 사이클 방식은 연료 전지와 컴바인드 사이클 양쪽 모두 기술의 진화에 의해서 2030~40년대에는 70%까지 도달할 가능성이 있다. 일본은 가정용 연료 전지 `에너펌(Ene-Farm)`이나 수소로 운행하는 연료 전지 자동차를 세계에 앞서 제품화하는 등 연료 전지의 기술 레벨로는 타국에 비해 상당히 높다. 그리고 컴바인드 사이클이나 석탄 가스화의 기술개발에서도 선행하고 있기 때문에 차세대 화력발전 기술을 진화시켜 가면 압도적인 경쟁 우위를 쌓아 올릴 수 있는 기대는 크다. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

日本が世界をリードする火力発電の技術開発ロードマップがまとまった。LNG火力と石炭火力それぞれで第1～第3世代の発電技術を開発する。第3世代では燃料電池を組み込んだトリプルコンバインドサイクル発電を実用化して、CO2の排出量を第1世代と比べて2～3割削減する計画だ。

[石田雅也，スマートジャパン]

政府は次世代の火力発電に関する技術開発ロードマップの素案を7月6日に公表した。日本のエネルギーの中核を担う火力発電を高効率な方式に進化させて、CO2排出量と燃料費を同時に抑制する狙いだ。官民一体で開発方針と目標時期を共有しながら、世界に先行して次世代の火力発電技術を確立していく。

　ロードマップでは火力発電の多段階化の流れに沿って、主流になる発電技術を第1～第3世代に分けて絞り込んだ（図1）。第3世代では燃料電池＋ガスタービン＋蒸気タービンの組み合わせによる「トリプルコンバインドサイクル方式」で発電効率を高める。

図1　火力発電の高効率化の流れ（画像をクリックすると拡大）。出典：資源エネルギー庁

　LNG（液化天然ガス）火力と石炭火力の双方で、2025年をめどにトリプルコンバインドサイクル方式の発電技術を確立することが新たな目標になった。並行してCO2を分離・回収するコストの低減にも取り組み、環境負荷の低い火力発電へ転換を図る。

第1世代は2016～17年にも実用化

　ロードマップに盛り込んだ火力発電のうち、既存の方式をベースにした第1世代では燃焼技術を進化させて発電効率を引き上げる。LNG火力では高湿・高温の空気を燃焼させる「高湿分空気利用ガスタービン（A-HAT：Advanced-Humid Air Turbine）」を主力に据える一方、石炭火力では高温・高圧の蒸気でタービンを回す「先進超々臨界圧（A-USC：Advanced-USC）」に注力する方針だ（図2）。

図2　次世代の火力発電の技術開発ロードマップ（画像をクリックすると拡大）。出典：資源エネルギー庁

　A-HATは2017年に要素技術を確立して、従来のLNG火力と同等のコストで建設できるようにする。石炭火力のA-USCは発電効率を高めてCO2の排出量を低減しながら、従来と同様の低い発電コストを2016年に達成することが目標である。発電効率はA-HATが51％程度、A-USCが46％程度になって、旧来型の火力発電の40％以下から大幅に向上する。

 KISTI 

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