[특집: 미세먼지 뭣이 중헌디?] 미세먼지와 에너지 정책을 진단하다 ①

[특집: 미세먼지 뭣이 중헌디?] 미세먼지와 에너지 정책을 진단하다 ①: 석탄발전과 미세먼지--- 전병열 교수(서울과기대 에너지환경대학원/NDT실증연구센터); 이주혜 | qmwm1208@naver.com | 입력 2019-04-06 15:17:51

▲ 전병열 교수(서울과기대 에너지환경대학원/NDT실증연구센터)

겨울철 한반도의 기후 특성인 ‘삼한사온’에 빗대 요즘 ‘삼한사미(三寒四微)’라는 유행어가 등장했다. 북풍이 부는 사흘은 춥고, 서풍이 부는 나흘은 중국발(發) 미세먼지로 고통을 겪는다는 의미다. 대부분의 사람들은 이러한 미세먼지가 중국으로부터 날아온 것이라고 하고, 또 일부에서는 우리나라에서 생긴 것도 적지 않다고들 말한다. 미세먼지가 세계적인 문제가 되고 날로 심각해지자 국회는 3월 13일 올해 첫 본회의를 열고 미세먼지를 사회재난으로 규정했으며 이에 따른 ‘미세먼지 8법’을 통과시켰다. 즉 ‘미세먼지로 인한 피해’를 화재, 붕괴, 폭발, 교통사고, 화생방사고, 환경오염사고 등의 ‘사회재난’으로 규정하고 국가 차원에서 관리해야 한다는 것이다. 이렇게 미세먼지가 우리의 건강과 재산에 직접적인 영향을 미치고 있는 상황에서 국내 미세먼지의 주요 원인으로 주목받는 화력발전과 미세먼지에 대하여 살펴본다. <글쓴이 주>

미세먼지, 온실가스 감축하려면
일상생활 속 에너지 절약 실천과,
재생에너지 확대, 에너지 수요관리 강화 등
정부 정책도 차질없이 진행돼야

불의 사용과 미세먼지
선사시대의 인류는 약 170만 년 전에 자연상태의 불을 가져다가 처음 사용했다고 알려져 있다. 이러한 불의 사용은 추위를 막고, 음식을 익혀 먹을 수 있게 됨으로써 인류에게 건강과 장수를 가져다준 인류 역사를 바꾼 획기적인 사건이다.

그러나 인류가 본격적으로 석탄 등의 화석연료를 집중적으로 사용하게 된 것은 18세기 중엽 영국에서 일어난 ‘산업혁명’ 이후부터다. 증기기관의 발명과 급속한 산업화의 진행으로 화석연료의 사용이 급증하면서 인류는 문명의 혜택을 누리게 되었으나 환경오염과 기후변화라는 새로운 문제에 직면하게 된 것이다.

대기오염에 관하여 전 세계적으로 이슈가 된 사건은 1943년도에 발생한 LA 스모그와 1952년도에 발생한 영국의 런던 스모그를 들 수 있다. 1943년부터 발생한 LA 스모그는 수년에 걸친 연구결과 급증한 자동차 배기가스가 스모그의 원인임을 인식하고 1960년대부터 차량 배기가스를 규제하면서 개선되었고, 1952년 발생한 런던 스모그는 산업혁명 이후 증가한 석탄 사용과 연료 중의 유황성분 때문에 발생하였는데, 석탄사용을 줄이고 난방연료를 천연가스 등 청정연료로 대체하면서 개선되었다고 알려져 있다.

지난 2015년 12월, 프랑스 파리에서는 전 세계 195개국이 참석한 가운데 21차 유엔 기후변화협약 당사국총회가 열렸다. 총회에서 회원국들은 온실가스 배출량을 줄여서 21세기 말 지구 평균 온도를 산업화 이전 대비 2℃ 이상 올라가지 않게 한다는 데 합의했다.

특히 가능하면 1.5℃ 이상 상승하지 않도록 노력한다는 데 합의했다. 이른바 '파리기후변화협정'이다. 지속가능한 지구환경 보호를 위하여 세계 각국은 화석연료 사용을 줄이고 온실가스를 발생하지 않는 재생에너지를 확대하는 에너지전환정책을 적극 추진하기로 합의한 것이다.

석탄화력발전은 저렴한 발전원가,
연료수급의 안정성 등으로
과거 30년간 경제발전 견인차 역할
향후 기후변화와 미세먼지 문제 등으로
축소될 수밖에 없어

오일쇼크와 에너지 안보
1960년 이후 우리나라는 경제발전에 필요한 에너지를 대부분 석유로부터 생산‧공급해 왔다. 그러나 중동전쟁으로 인한 오일쇼크를 겪으면서 에너지 안보 차원에서 석유 위주의 에너지 공급원을 다원화해야 할 필요성이 제기되었고, 산업의 동력인 전력을 안정적으로 공급하기 위해 석유, 석탄, 원자력, 가스 등 에너지원별 적정 포트폴리오를 수립하고 적극 추진해 왔다.

우리나라의 국민 1인당 전력 사용량은 2017년 기준 9,869kWh로 1961년 46kWh 대비 약 210배 이상 비약적으로 증가했다. 발전설비 용량도 2017년 말 기준 총 120,848GW로 1961년 426GW 대비 약 280배 이상 증가했다. 이러한 전력생산과 소비의 대폭적인 증가는 궁극적으로 우리의 주변 환경에 영향을 미치게 되는 것이다.

오늘날 미세먼지와 온실가스 감축 대상으로 주목받고 있는 석탄화력발전은 그동안 저렴한 발전원가, 연료수급의 안정성 등의 장점 때문에 주력 발전설비로 자리매김해 왔으며, 발전설비 용량도 2017년 말 기준 36,709GW로 전체 발전설비 용량의 30%를 차지하고 있다.

이렇게 석탄화력발전은 과거 30년 동안 우리나라 경제발전의 견인차 역할을 담당하였으나, 최근 기후변화와 미세먼지 문제 등으로 인하여 점진적으로 그 역할이 축소될 수밖에 없는 상황에 놓여 있다. 2019년 1월 기준 가동중인 국내 석탄화력발전소는 총 60기, 건설중인 발전소는 7기로서, 그중 37기가 수도권 지역의 전력공급을 위하여 서해안에 위치하고 있다.

사업장서 직접 배출되는 1차미세먼지,
황산화물과 질소산화물이 공기중
휘발성유기화합물(VOCs) 및 암모니아 성분 등과
반응해 2차미세먼지 생성
초미세먼지의 약 75%가 2차미세먼지

▲ 영흥화력발전소 전경

석탄화력발전소의 청정화 과제
불과 10여 년 전만 해도 미세먼지는 우리의 주된 관심사항이 아니었다. 그저 봄철에 중국에서 불어오는 황사만 문제된다고 생각했었다. 그러나 지금은 중국뿐만 아니라 우리나라에서 배출되는 미세먼지로 인해 연중 고농도 미세먼지를 걱정해야 하는 시대가 됐다.

물론 국외에서 유입되는 미세먼지만 없어도 현재와 같은 심각한 상황은 발생하지 않을 것이라고 예상되지만 국내에서 배출되는 국내 미세먼지를 줄여야 한다는 문제에 대하여 의문을 제기하는 사람은 그렇게 많지 않을 것이다.

대기중의 미세먼지는 사업장에서 직접 배출되는 먼지 등 1차미세먼지와, 황산화물과 질소산화물이 공기중의 휘발성유기화합물(VOCs) 및 암모니아 성분 등과 반응하여 생성되는 2차미세먼지로 나눌 수 있는데, 2차미세먼지가 초미세먼지(2.5㎛이하)의 약 75%를 차지한다고 알려져 있다.

국내 석탄화력발전소는 대부분 석탄을 곱게 분쇄한 미분탄을 보일러에서 연소시켜 고온고압의 증기를 만들고, 이 고온고압의 증기로 터빈을 회전시켜 전기를 생산한다. 이러한 석탄 연소과정에서 부수적으로 여러 가지 환경오염물질이 발생하게 되고, 발전소에서는 이러한 환경오염물질을 깨끗이 처리하여 환경에 무해한 상태로 배출하려고 노력하고 있다.

석탄화력발전에서 배출하는 환경오염물질은 석탄 연소재(Ash)와 황산화물SOx), 질소산화물(NOx)로 대표된다. 석탄의 연소후 발생하는 연소재는 전기집진장치에서 99.9% 이상 제거되고, 석탄 중의 유황 성분이 연소되면서 생성되는 황산화물은 탈황설비(FGD)를 거치면서 94% 이상, 그리고 석탄 연소과정에서 공기중의 질소성분이 산화되어 생성되는 질소산화물은 탈질촉매장치(SCR)를 거치면서 90% 이상 제거된다.

이러한 환경설비 처리과정을 거치면서 대기환경 배출허용기준 아래로 정화된 석탄 화력발전 연소가스는 높이 200미터 이상의 굴뚝을 통하여 대기중으로 배출되고 있다.(※ FGD(배연탈황설비, Flue Gas Desulfurizer), SCR(배연탈질설비, Selective Catalyst Reduction)

▲ 석탄화력발전소 미세먼지 저감설비 현황

한국남동발전 등 석탄화력발전 5사(社)
2030년까지 11.6조 원 투자해
미세먼지 50% 이상 저감계획에 따라
향후 세계 최고 수준의 환경오염방지설비 갖추게 돼

석탄화력발전소 미세먼지 저감대책
미세먼지 저감을 위한 정부의 종합대책을 살펴보면, 우선, 봄철 노후 석탄화력 10기를 3~6월까지 4개월간 가동 중지하고, 30년 이상 경과된 노후 석탄화력 10기를 2022년 이전에 조기 폐지할 계획인데, 그중 서천1,2호기, 영동1,2호기 등 3기는 2019년 2월 현재 폐지가 기 완료됐다.

또한 건설공정이 10% 이하인 신규 석탄화력발전소의 건설을 중단하고(당진 2개 호기는 천연가스 발전소로 연료 전환 및 타 지역 건설), 추가로 일부 석탄화력발전소도 연료를 천연가스로 전환할 계획이다.

이런 가운데, 한국남동발전(주) 등 화력발전 5사(社)는 기존 석탄화력발전소의 열효율 향상 및 미세먼지 저감을 위하여 2030년까지 11.6조 원을 투자, 미세먼지를 50% 이상 대폭 저감할 계획이다. 아울러 석탄 저탄장의 옥내화 및 회사장 시설개선 등을 통하여 비산먼지도 대폭 개선할 예정이다.

석탄화력발전소에서 배출되는 미세먼지 저감 환경설비가 전면 개선되면, 현재 50~100ppm 수준인 황산화물(SOx) 배출농도는 15ppm 이하로, 50~140ppm 수준인 질소산화물(NOx) 배출농도는 10ppm 이하로, 10~25㎎/S㎥ 수준인 총먼지(TP) 배출농도는 3㎎/S㎥ 이하로 운영하는 것을 목표로 하고 있어, 2015년 대비 미세먼지를 50% 이상 대폭 감축할 수 있을 뿐만 아니라, 세계 최고수준의 환경오염방지설비를 갖추게 된다.

▲ 석탄화력발전소 미세먼지 감축 목표

현재, 국내기업들의 대용량 환경설비기술 미성숙으로
2030년까지 전면 교체되는 대용량 석탄화력 환경설비 대부분
일본 MHPS 등 외국회사가 독식할 가능성 높아

‘소비’ 줄이지 않으면 환경문제 악순환
정부에서는 미세먼지와 온실가스 감축을 위하여 현재 약 7% 수준인 재생에너지 발전비중을 2030년 20%까지 대폭 확대하고, 그 대신 석탄화력발전과 원자력발전 비중을 대폭 축소하는 등 에너지전환정책을 추진하고 있으며, 이는 전 세계적인 에너지전환 추세와도 부합하는 정책이라 생각한다.

한편, 국내 석탄화력발전소 환경설비 고도화를 추진함에 있어, 현재 국내기업들의 대용량 환경설비기술 미성숙으로, 2030년까지 전면 교체되는 대용량 석탄화력 환경설비(SCR, FGD, ESP) 대부분을 일본 MHPS 등 외국회사가 독식할 가능성이 높다. 그러므로, 정부에서는 이들 설비의 국산화 및 트랙 레코드 확보를 위한 초대형 실증연구를 기획하여 2017년부터 지원하고 있으며, 본 연구과제가 완료되는 2022년 이후에는 국내 석탄화력발전소의 초대형 환경설비를 전부 국산화하고, 향후 인도, 동남아 등에 대한 유망 수출산업으로 육성할 수 있을 것으로 판단된다.

전기는 그 사용의 편의성 때문에 일상생활에서 사용하는 에너지의 많은 부분이 전기로 대체되는 추세이므로, 국민 1인당 전력 사용량은 향후에도 더욱 높아질 것으로 예상된다. 그러므로 전력부분의 미세먼지와 온실가스를 감축하기 위해서는 우선 일반 국민들이 일상생활 속의 에너지 절약을 실천하는 것이 매우 중요하다고 하겠다. 다음으로는 재생에너지 확대, 에너지 효율향상 및 수요관리 강화 등의 정책이 차질 없이 진행되어야 미세먼지를 극복하고 친환경에너지전환의 목표를 달성할 수 있을 것으로 본다.