일본의 에너지 기술 주요 기술과제 로드맵(3)

  • <번역/정리 : 박한돌 기자>
  • 2016-10-18 오후 12:05:31

일본은 대지진과 원자력 발전소 사고 이후 원자력 발전소 가동을 잇달아 중단한 가운데 석유, 천연 가스 등의 화석 연료에 대한 의존도가 증가하고 에너지 자급률 악화, 에너지 비용 상승, 이산화탄소 배출량의 증가 등 다양한 문제에 직면하였다. 본 제4차 기본 계획은 일본이 이러한 문제에 어떻게 적절하게 대응하면서 중장기적으로 에너지 수급 구조의 취약점을 해결해나가고자 하는지, 현실적이고 실현 가능한 에너지 정책의 방향성을 종합적, 거시적으로 보여주고 있다. 본 기본 계획에는 초기 선샤인계획 등 역사적인 에너지기술 개발 계획이 소개되어 있지만, 여기서는 우리나라의 에너지기술 개발계획에 참고가 될 수 있는 부분으로서, 제3장 「기술개발 로드맵」의 내용을 번역하여 6회에 걸쳐 게재한다.
 
9. 고효율 석탄화력발전

가. 해당기술을 필요로 하는 배경
 
석탄화력발전은 공급의 안전성과 경제성이 좋지만 온실가스 배출량이 많은 것이 과제이다. 일본의 경우 석탄화력발전 효율은 세계적으로도 최고 수준이며, 또한 SOx, NOx 배출량이 다른 나라에 비해 현저히 낮아 세계적으로 주목받고 있다.
향후 신흥국을 중심으로 석탄화력발전 이용이 확대될 것으로 전망되는 가운데 일본은 고효율 석탄화력발전 기술개발을 더욱 강화하고 이를 해외로 확산해 나갈 계획이다.

나. 해당 기술의 개요와 기술개발 동향

고효율 석탄화력발전 기술로는 연구단계의 것도 포함하면, 미분탄 석탄화력발전의 증기조건이 고온 고압인 초초임계압발전(USC), 선진적인 초초임계압발전(A-USC), IGCC에 연료전지를 조합한 석탄가스화 연료전지 복합발전(IGFC)이라 하는 기술이 있다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제

민간기업이 고효율 석탄화력 발전에 원활하게 투자할 수 있는 환경을 조성해야 한다. 예를 들면, 환경평가를 명확히 그리고 신속하게 할 수 있는 기반을 조성해야 한다. 또한 석탄화력의 환경부하를 더욱 저감하기 위한 기술개발이 진행되고 있다.

라. 미국과 중국 등의 동향

일본의 석탄화력 발전 기술은 기존 USC기술에서도 발전효율 40% 정도로 세계 최고수준을 달성하였으며, SOx, NOx 배출량도 다른 나라에 비해 매우 낮은 등 환경부하가 낮은 기술이다. 세계 석탄화력발전소의 대부분은 미국과 중국, 인도에 집중되어 있고, 그 대부분은 발전효율이 35%이하로 낮다. 중국에서도 USC 레벨 도입이, 또 인도에서는 SC 레벨 도입이 서서히 진행되고 있지만 기존 석탄화력발전소의 대부분은 효율이 낮은 구형이다. 이미 상용화되어 있는 석탄화력발전기술을 미국, 중국, 인도 등 해외 석탄화력 발전에 활용할 경우 에너지에 기인하는 CO2를 15억톤 절감할 수 있는 것으로 추산된다.
  

10. 고효율 천연가스 화력발전

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경

LNG는 열원으로서 효율성이 높고 지정학적 리스크도 상대적으로 낮으며 화석연료 중에서 온실가스 배출도 가장 적기 때문에 고효율 천연가스 화력발전의 기술개발은 지속적으로 진행할 필요가 있다.또한 국제적으로도 천연가스의 수요가 증가할 것으로 전망되는 가운데 선진국 간 기술개발경쟁에서 우위에 서서 기술을 확산해나가면 국제적인 수급이나 환경문제에도 공헌할 수 있다.

나. 해당 기술의 수요 및 기술개발 동향

고효율 천연가스 화력발전으로서는 가스터빈 및 증기터빈에 의한 복합발전(Combined Cycle Generation) 기술과 중소용량용으로 개발 중인 고습분 공기이용 가스터빈 기술(AHAT)이 있다.

가스터빈 개발에서는 지금까지도 재료, 공기력, 연소 등의 기술향상을 추구해왔는데 1700℃급의 개발에서는 초고내열 합금을 비롯한 고온내열성 터빈이나, 연소기에서 초고온에서의 안정 연소기술 개발이 필요하다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제

민간기업이 고효율 LNG화력발전에 원활하게 투자할 수 있는 환경 정비(환경영향평가의 명확화, 신속화)가 필요하며, 전력 시스템 개혁에 의한 자유화의 진전이나, 해외 확산을 위한 저비용화도 검토되어야 한다.

라. 미국과 유럽의 동향

미국 에너지성(DOE)의 국가 프로젝트에서는 가스터빈 제조사나 대학에 2003년부터 2015년까지 약 100억달러를 투자하여 고효율화를 추진하고 있다.

유럽에서는 CAME-GT라 하는 이니셔티브 중에서 고효율 가스터빈 개발이 추진되고, 현재는 제 7차 FP7 중에서 개별 기술요소의 개량을 위한 연구개발이 이루어지고 있다.
 
 

11. 이산화탄소 회수 및 저장(CCS)

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경

이 기술은 대규모로 CO2를 감축할 수 있는 기술이고 특히 개발도상국을 중심으로 향후 이용이 확대될 것으로 전망되는 석탄 등 화석연료에서 발생되는 CO2 배출을 감축하는데 효과적이다.

또 제철 공정에서 원료로 사용되는 석탄은 대체가 곤란하므로, 제조 공정에서 발생하는 CO2를 줄이는 수단으로 효과적이다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향

CCS는 대규모 배출원인 배기가스 등에서 CO2를 분리 및 회수하여 지하에 저장함으로써 CO2 배출을 감축할 수 있는 기술로서, 실용화를 위한 비용 절감에 효과적인 CO2 분리 회수기술과, 안전성 향상에 효과적인 지하에 저장된 CO2를 모니터링하는 기술에 대한 연구개발이 진행되고 있다.

다. 도입시 제도적 제약 등 사회적 과제

CO2를 안전하게 지하에 저장하기에 적합한 지역 선정 및 평가가 필요하며, CCS 도입에 관한 규정 정비 및 국제적인 안전·관리기준 정비가 이루어져야 한다.

라. EU와 미국의 동향

CCS 프로젝트는 노르웨이 등에서 여러 건이 실시되고 있고, CO2 주입에 의한 석유회수증진법(EOR, Enhanced Oil Recovery)은 현재 미국을 중심으로 10건 정도가 진행되고 있다.



12. 코제너레이션 시스템

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경

후쿠시마 지진재해 이후 에너지절약에 더해서 전력수급 피크 완화, 재해 시 에너지원의 확보라는 BCP(Business Continuity Planning)의 관점에서도 코제너레이션이 주목받고 있다. 한편 향후 에너지자원 고갈로 연료가격이 급등하게 되면 도입과 관련된 경제성이 저하된다. 향후 기술개발에 의한 경제성 향상이 기대되고 있다.

나.해당 기술의 개용와 기술개발 동향

코제너레이션은 발전 시에 발생하는 열을 급탕용이나 냉난방용 등으로 이용함으로써 에너지를 최대한 효율적으로 활용할 수 있는 방법의 하나이다. 향후 기술개발 방향은 ①발전효율 향상, ②비용저감, ③열 이용기술의 고도화, ④제어기술의 고도화 등의 방향으로 진행될 것이다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제

도입 시 경제적인 이점을 높이기 위해 저렴한 천연가스등 연료공급 체제를 구축할 필요가 있다.

라. 코제너레이션에서 일본의 위상

일본의 가스엔진 코제너레이션은 세계에서도 최상의 발전효율기술이다. 또 일본에서 공급하고 있는 가스터빈은 총합효율이 85.5%(발전효율 30.0%, 열회수율 55.5%, LHV기준), 가스엔진은 총합효율 85.5%(발전효율 48.8%, 열회수율 36.7%, LHV기준)를 달성하는 등 높은 경쟁력을 유지하고 있다.
 

13. 재생가능 에너지 열 이용

가. 해당 기술을 필요롤 하는 배경

본의 경우 에너지 소비에서 냉난방, 급탕 등 열수요가 차지하는 비율은 업무부문이 43%, 가정부문이 57%로 높다. 재생가능 에너지 열은 재생가능 에너지 전기와 더불어 지역성이 높은 에너지이다. 따라서 수요와 연결시킴으로써 경제성도 고려하여 효과적으로 활용하는 것이 중요하다.
그러나 열 이용 설비는 초기 비용과 운영비용이 높으므로 저비용화, 고효율화를 위한 기술개발이 필요하다.

나. 해당 기술의 개요와 기술개발 동향

지중 열 이용은 지역에 따라 지반에 적합한 굴삭기법과 기술, 열교환기 등을 개발함으로써 도입 비용을 절감하고, 또 구성요소를 통합한 시스템 최적화설계기술개발로 운영비용을 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 설빙열(雪氷熱) 이용은, 단열·채열 등의 요소기술 및 도시 제배설 이용기술(除排雪利用技術) 등을 개발하여 비용 절감을 목표로 하고 있다. 태양열 이용은, 태양열 냉난방 시스템에 대해서는 기술적으로는 거의 확립되고 있지만 이에 더해 비용 저감을 위한 고효율화가 필요하다.

다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제

열에너지는 송전 가능한 전기와 달리 수요와 공급이 지리적으로 근접해 있어야 한다. 또 열 이용 시스템의 표준화나 시스템 통합을 담당할 인재 육성도 추진하여야 한다. 열계량방법의 확립과, 환경가치를 경제가치로써 거래할 수 있는 클린 열증서제도 보급을 추진하고 보급을 위한 인지도도 높여야 한다.

라. 유럽과 미국의 동향

지중열 히트펌프는 열 수요가 윤택한 북유럽을 중심으로 가정용 및 업무용 난방시장에서 일정 점유율을 갖는다. 유럽과 미국의 지반은 굴삭이 비교적 용이하여 지중 열 시스템 도입 비용이 상대적으로 적게 들 수 있다.




14. 자원개발기술

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경

석유회수증진법(EOR, Enhanced Oil Recovery)은 줄어들고 있는 유전 생산량 증가를 가능하게 하는 기술이다.
해당 기술은 일본이 권익연장을 추진하고 있는 산유국에서 수요가 높다. 세일가스, 오일 생산에 있어서는 효율성 향상이 과제이고, 지하 물성파악기술이나 코어분석 기술 등에 대해 산유국이나 가스 생산국에서 기대가 높다.
석탄에 대해서는 미이용 자원의 활용에 의한 조달처의 다각화, 조달비용 저감을 위해 저품위탄의 이용을 위한 기술개발이 필요하다.

나. 해당 기술의 개요와 기술개발 동향

석유회수증진법(EOR, Enhanced Oil Recovery)은 생산 중인 유전의 유층 내에 잔존하고 있는 원유에 대해 열이나 CO2 등을 사용하여 원유의 회수율을 높이는 기술이다.

일본 석유천연가스 금속광물자원기구(JOGMEC)가 아부다비 토호국의 하부 자쿰유전에 적용하기 위해 가장 효과적인 EOR 기술을 시뮬레이션 등을 통해 개발하고 실제로 하부 자쿰유전에서 이 기술의 실증시험을 진행하고 있다. 또 CCS EOR에의 CO2 공급도 고려하여 석탄화력발전으로부터 CO2 분리 및 회수기술 개발도 실시하고 있다.

셰일가스, 오일은 셰일에 대해 JOGMEC가 효율적으로 생산하기 위해 지하물성 파악 기술이나 코어분석기술 수압 파쇄의 최적위치 선정법 개발 등을 실시하고 있다. 저품위탄 이용기술에 대해서는 가스화기술이나 슬러리화 기술, 개질기술 등이 개발되고 있다.

다. 도입시 제도적 제약 등 사회적 과제

저품위탄의 가스화, 개질 등의 공정에 대해 현지에서 환경부하 저감을 위한 검토가 필요하다.

라. 유럽과 미국의 동향

EOR 기술은 이미 감산에 들어간 유전(북해유전 등)에서 적용되고 있는 외에도 일본 기업이 미국에서 기존 석탄화력발전소에서 유래하는 CO2 를 활용한 EOR 사업에 착수하였다. 갈탄은 수송 시 발화 리스크 등의 문제가 있어 산탄국의 광산소재지 발전에서 이용되는 수준에 머무르고 있다.

 

15. 메탄하이드레이트

가. 해당 기술을 필요로 하는 배경

일본은 에너지원의 중심인 화석연료자원이 부족하여 그 대부분을 수입에 의존하는 근본적인 취약성을 가지고 있다.

반면에 일본 주변 해역에는 상당량의 메탄하이드레이트의 존재가 추정되고 있어 큰 기대를 가지고 있다. 이를 위해 메탄하이드레이트의 상업화를 실현하는데 필요한 기술을 정비한다는 것은 유력한 천연가스 공급원을 갖게 되는 것은 물론, 해외에서 천연가스 조달 시 교섭력 강화에도 큰 도움이 될 수 있다.

나. 해당 기술의 개요 및 기술개발 동향

사층형(砂層型) 메탄하이드레이트의 경우 지난 2013년 3월에 해역으로서는 최초로 감압법을 사용한 가스생산실증을 실시하였다. 향후 생산기술에 관한 기술과제(장기생산이나 생산량 증가를 위한 기술 과제), 경제성에 관한 기술과제(생산비용을 비약적으로 절감하는 기술개발 등)에 대한 대응이 필요하다.

표층형(表層型) 메탄하이드레이트에 대해서는 먼저 자원량 등을 파악하여야 한다. 현재 광역조사나 굴삭조사에 의한 지질 샘플 확보 등이 진행되고 있다. 자원회수 기술개발이나 기술개발 방식에 대한 검토도 필요하다.




다. 도입 시 제도적 제약 등 사회적 과제

자원량 조사결과를 토대로 개발 방향을 구체화하고 환경에 미치는 영향도 평가하여야 한다.

라. 인도의 동향

인도는 일본에 메탄하이드레이트 개발 협력 제안을 하는 등 높은 관심을 가지고 있다. 
   

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