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  • 기사등록 2018-05-16 16:22:10
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독자적 기술 확보 선행 必


■ 국내 동향


1) 시장규모 및 전망


2015년 한국전력통계에 따르면 `14년 기준으로 국내 원별 발전설비 규모는 LNG(28.7%), 석탄(28.2%), 원자력(22.2%) 순이고, 발전량은 석탄이 39.1%로 가장 높은 비중을 차지하고 있다. 이 같은 발전원별 전원 구성비는 산업통상자원부의 7차 전력수급기본계획에서도 전망한 바와 같이 ’29년에도 비슷하게 유지될 것으로 보이며, 석탄화력이 발전설비 용량 기준 가장 큰 점유율을 차지할 것으로 예상된다.


우리나라는 석탄 최대 수입국 중의 하나로서 저급탄을 활용한 고효율, 청정발전을 목표로 하고 있으며, 신규 발전 설비뿐만 아니라 현재 국내에서 가동 중인 발전설비의 절반 정도가 20년 이상 운용 중이기 때문에 설비의 노후화 진행에 따라 지속적으로 retrofit 시장이 증가할 것으로 예상된다. 정부는 제7차 전력수급기본계획에 따라 2015~2029년 기간 동안 신규 설비 및 건설 중인 확정 설비를 포함해 46,487MW 규모의 발전설비를 확충할 계획이며, 발전설비 건설에 총 60조원이 소요될 전망이다. 이 중 석탄화력 20기의 설비 투자비는 약 18조원 규모이다.11) 아울러 1993년 이후에 건설된 국내 20개 호기의 표준 500MW 석탄화력 발전소가 운전연수 20년을 초과함에 따라 설비 노후화에 따른 출력증강 및 성능향상 사업의 필요성이 높아지고 있으며, 기 당 약 2,000억 원의 retrofit 비용을 고려하면 전체 20개 호기의 retrofit 시장은 약 4조 원대로 예상된다.


2) 기업 현황


화력 발전플랜트는 보일러, 터빈, 발전기 등의 주기기와 펌프, 팬, 환경설비, 전기/계장설비, 주요배관, 튜브 등의 보조기기로 구성되어 있다. 신규설비 및 기존설비 개선을 위한 산업분야에 있어서는 발전플랜트의 핵심이 되는 주기기 제작 및 공급업체에서 관련 기자재 납품 기업과 컨소시엄을 통한 설비공급이 이루어지고 있으며, 따라서 주기기를 납품하는 주요기업과 통합된 밸류체인이 형성되고 있다. 대형 화력 발전플랜트 주기기 공급 능력을 갖춘 기업은 GE, Hitachi, Alstom 등이 있으며, 국내에는 두산중공업이 유일한 기업이라 할 수 있다.


■ 해외 동향


1) 시장규모 및 전망


가. 석탄화력 발전플랜트 시장


전 세계 전력 생산량은 2011년 22,113TWh 규모에서 2035년에는 450 시나리오 가정(가장 소극적인 석탄화력 전력 생산) 하에도 32,295 TWh 규모로 증가할 것으로 예상된다.


원자력 정책에 대한 재검토 및 탄소세 부과로 특히 전 세계적으로 신재생 에너지 발전이 확대될 것으로 예상된다. 다만 중국 및 인도를 포함한 아시아 국가들의 급속한 경제 성장 및 이의 기반이 되는 전력 소모에 대응하기 위해 지속적인 발전플랜트 건설이 이루어질 것으로 판단되기 때문에 화력발전은 여전히 세계 주 발전원의 위치를 유지할 것으로 전망된다. 또한 아시아 개도국들은 대부분 풍부한 자체 석탄 매장량을 갖고 있으며 이에 따라 2030년까지 화력발전에의 의존도가 22.2%(2010년)에서 31.8%(2030년)로 꾸준히 증가할 것으로 예측되고 있다.


2023년 고효율 발전설비 신규시장 규모는 기존설비 개선(연간 28GW)을 포함하면 연간 1,000억 달러 규모로 화력 발전은 상당기간 발전설비 분야에서 점유율이 높을 것으로 기대된다. 전 세계 각 나라별 화력발전 설비 용량 및 전망은 <그림 3-4-1-16>과 같으며, 2030년에는 중국이 전 세계 화력발전 설비 용량의 절반 가까이를 차지할 것으로 예상된다.


전 세계 증기터빈 시장은 2013년 약 145억 달러 규모에서 2020년 174억 달러 규모로 증가가 예상되며 연평균 성장률(CAGR)은 2.6%로 전망되고 있다(그림 3-4-1-17).


증기터빈 시장은 (a)가스터빈과 증기터빈으로 운용되는 복합화력 발전의 성장, (b)원자력 발전의 성장, (c)노후된 석탄화력 발전의 retrofit을 통한 차세대 화력발전(USC, A-USC)으로의 업그레이드 시장 등에 의해 견인되고 있으며, 특히 중국과 인도의 신흥 시장에 의해 지속적인 성장이 예상된다.
아시아는 2013년 기준 전 세계 증기터빈 시장의 33.3%를 차지하는 중국과 인도(17.1%)를 포함해 약 68%의 가장 넓은 시장이 형성되고 있다. 이 같은 이유로 전 세계 증기터빈 시장은 기술적으로 가장 앞선 것으로 보이는 Siemens, Alstom, MHI, Toshiba 보다 중국의 발전 3사인 Harbin, Dongfang, Shanghai 등 중국 기업의 점유율이 절반 가까이(전 세계 증기터빈 시장의 약 47% 이상)를 차지하고 있다(그림 3-4-1-18). 중국의 대형 발전설비 제작업체들이 현재 급격한 경제 성장으로 인한 신규 발전소 건설과 비효율적인 기존 발전소를 업그레이드 하는 분야에 좀 더 초점을 맞추고 있으나, 중국 내의 건설 물량이 어느 정도 정리되면 세계시장에 진출할 가능성이 높아 보인다. 이 경우 중국 업체의 낮은 기술력에도 불구하고 상대적인 저비용 공급구조 때문에 세계 화력발전 설비공급 시장에 큰 변화가 발생할 수 있으며, 향후 5년 후에는 화력 발전플랜트 성능개선 시장에서 위협적인 존재가 될 수 있을 것으로 예상된다.


선진국 막대한 연구비 사용, 20년 이상 장기 연구
국가 산업발전 일조·온실가스 감축목표 달성 기여


나. 내열소재 시장


전 세계 High Performance Alloys(HPAs) 시장은 2014년 기준으로 약 70억 달러 규모로써 2020년에는 약 90억 달러 규모에 이를 것으로 예상되며 CAGR은 약 3.5% 정도를 보일 것으로 예상된다.


백금족 합금, Refractory 합금, 비철합금, 초내열합금 등 HPAs 구성 합금 중 차세대 석탄화력 발전에 사용이 예상되는 Ni-기 및 Ni-Fe-기 초내열합금은 <그림 3-4-1-19>에서 볼 수 있듯이 전체 HPAs 생산의 약 33%를 차지하고 있으며, HPAs의 평균 성장률보다 높은 약 9%의 CAGR(2015~2019년 기준)로 성장할 전망이다.


초내열합금의 주요 수요처는 항공우주, 자동차 및 산업용 부품으로써 특히 항공우주 부문이 초내열합금 시장 점유율의 55%로 가장 높은 분율을 차지하고 있다. 2015년 이후 초내열합금의 세계시장 규모 및 향후 시장 전망을 <표 3-4-1-8>에 나타내었다.


2) 기업 현황


화력 발전플랜트 주기기인 증기터빈 분야는 앞서 보인 것과 같이 중국의 발전 3사인 Harbin, Dongfang, Shanghai 등이 전체 시장의 47%를 차지하고 있다. 전 세계 보일러 시장 점유율 또한 Harbin(23%), Shanghai(22%), Dongfang(20%)의 순서로 중국 기업의 세계 시장 점유율이 65%를 넘어서고 있다.


중국은 미국, 일본, EU에 비해 다소 늦은 2010년부터 A-USC 발전 연구가 시작되었지만 상당한 연구 진전이 이루어진 것으로 판단되며, 중국의 A-USC 연구에서도 중국 발전 3사가 중요한 역할을 담당하고 있는 것으로 보인다. 중국은 대부분의 실험실 규모 시험들이 지난 2014~2015년 대부분 끝난 상태이고, 2012년에는 보일러 핵심 부품에 사용할 후보합금(일부는 중국 자체 개발합금) 선정이 완료된 상태이다.2) 중국 발전 3社 외에 화력 발전플랜트 시장에서 주목할 만한 기업으로는 BHEL(인도), Alstom, MHI 및 Siemens 등이 있다.


■ 미래의 연구방향


1) 차세대 발전플랜트용 초내열합금 소재기술


증기온도 700℃ 이상급 차세대 A-USC 발전에는 니켈기 초내열합금의 적용이 불가피하다. 따라서 고효율 A-USC 발전으로 석탄화력 발전 시장의 이동이 분명한 현 시점에서 700℃ 이상급 A-USC 발전을 위한 초내열합금 소재기술 개발은 필수적이라 할 수 있다. 초내열합금 소재기술 관련하여 향후 필요한 연구 분야는 △700℃ 이상급 고용강화형/석출강화형 초내열합금 합금 개발 △물리적 특성 기반 합금설계 기술 △경제성, 고온강도, 용접성, 증기산화 저항성, 고온부식 저항성 고려 △초내열합금 고청정 원소재 제조기술 개발 △미량 불순물원소 제어 진공유도용해 기술 △ESR 및 VAR등 잉고트 제조 기술이다.


2) 차세대 발전플랜트용 철강소개 개발


A-USC 발전플랜트의 상대적으로 저온 영역에서는 고가의 니켈합금 대신 경제성을 이유로 철강소재가 사용된다. 철강소재 개발에 있어서는 기존 철강소재의 성능을 개선시키는 방향으로 연구가 진행되어야 할 것으로 보이며, 향상된 특성의 철강소재 개발은 향후 A-USC 발전뿐만 아니라 현재의 USC 발전플랜트에 바로 적용이 가능하기 때문에 더욱 중요한 분야라 할 수 있다. 철강 소재기술 관련하여 향후 필요한 연구 분야는 △700℃급 오스테나이트계 내열강 개발 △증기산화, 크립 특성 고려 합금설계 기술 △합금원소 편석 및 게재물 제어를 위한 제강·주조기술 △미세조직 제어를 위한 성형·열처리 공정 기술 △650℃급 페라이트계 내열강 개발 △기존 페라이트계 합금의 성능개선을 위한 합금설계 및 공정기술이다.


3) 대형 부품 제조기술 개발 및 특성 평가


실험실 규모에서 성능 검증이 완료된 석탄화력 발전플랜트용 소재는 반드시 실물 크기의 부품을 제작해 장기간 부품의 실증 시험을 통한 검증이 요구된다. 따라서 석탄화력 발전플랜트 소재기술 분야에서 소재개발과 함께 반드시 필요한 분야가 대형 부품의 주조, 단조, 압출 등의 성형기술과 용접, 굽힘 등의 제작기술, 그리고 소재 및 부품의 특성평가 기술 개발이다. 이와 관련해 향후 필요한 연구 분야는 △초내열합금의 대형 단조 및 단조공정 해석 기술 △후육/박육 부품의 이종/동종 용접 기술 개발 △철강-니켈합금의 이종 용접기술 △니켈합금-니켈합금의 동종 용접기술 △초내열합금 대형 밸브 주조를 위한 산화제어 대기주조 기술 △초내열합금 무계목 파이프 압출 기술 △ESR 및 VAR 공정 해석 기술 △장시간 고온 기계적 특성평가 및 소재 데이터베이스 확보 △최소 30,000 시간 이상의 크립 특성 평가 △원소재 및 용접부 특성 평가 및 데이터베이스화이다.


■ 정책 제언


석탄화력 발전플랜트에 사용을 위한 내열소재는 짧게는 10,000시간에서 길게는 100,000시간(11.4년) 이상의 고온 특성 데이터 및 신뢰성 검증을 필요로 한다. 이는 미국, 일본, EU 등이 막대한 연구비를 사용하며 20년 이상의 장기간 소재기술 연구 프로젝트를 진행하는 이유이기도 하다. 고효율 A-USC 발전 기술 개발은 국가의 관련 산업발전에 일조하는 역할 뿐만 아니라 신기후체제 대응을 위한 우리나라의 온실가스 자발적 감축목표 달성에 기여할 것으로 예상된다.


A-USC 발전기술 상용화는 플랜트 설계에서부터 고온 소재개발, 부품 제조기술 개발, 장시간에 걸친 개발 소재 및 부품의 신뢰성 검증, 실물 크기 부품의 실증 시험 등이 모두 이루어져야 가능하다. 그만큼 경제적 부담이 크고 기술적 난이도가 높을 뿐만 아니라 오랜 기술개발 기간이 필요하다. 하지만, 현재 우리나라 R&D 정책은 이에 부정적인 면이 적지 않다. 정부에서 추진 중인 대형 R&D 사업들은 대부분 조기에 성과를 낼 수 있는 분야에만 집중되고 있으며, 민간 기업은 자사의 매출과 수익만을 우선적으로 고려하고 있다. 또한 연구비를 확보해야 살 수 있는 경쟁적인 국가 시스템에서 연구소와 대학은 큰 그림을 보지 못하고 당장의 연구비 확보에만 치중하는 경향이 있다.


국내 석탄화력 발전 시장에서는 이미 USC 발전소 실증이 늦어 신규 USC 발전소 건설을 일본 업체가 수주하게 됨에 따라 관련 산업 군에 큰 타격을 준 사례가 있다. 또한 국내 전력생산의 한 축을 담당하는 복합화력 발전플랜트용 가스터빈은 전량 수입에 의존하고 있으며, 발전플랜트 건설과 운용 중인 가스터빈 부품의 유지/보수를 위해 수입되는 금액만 해도 연간 수천억 원에 이른다. 최근에서야 우리나라는 대형 가스터빈 국산화 개발이 진행 중이다.


A-USC 발전 시장을 선점하려는 각국의 노력은 이미 시작되었고, 우리나라는 미국, EU, 일본 등에 비해 10년 이상 늦은 상태이다. 하지만, 늦은 만큼 이들 선진국의 정책, 연구개발 방향, 문제점 및 개선 상황 등을 충분히 벤치마킹 할 수 있는 긍정적인 면이 존재한다. 이러한 현실에서 기술개발의 컨트롤 타워로서 정부의 역할이 매우 중요해 보인다. 정부는 장기적인 비전과 철학을 가지고 체계적인 R&D를 주도할 필요가 있다. 또한 이에 참여하는 각 기관에 속해 있는 전문가 그룹은 자신이 속한 기관의 이해관계를 떠나 국가적 차원에서 기술개발 전략을 수립하고 연구에 임해야 할 것이다. 특히 차세대 석탄화력 발전플랜트 소재기술은 고효율 A-USC 발전의 성공을 결정짓는 핵심 기술인만큼 선진국으로부터의 기술 종속을 탈피하여 독자적인 발전기술을 확보할 수 있도록 체계적인 기술 확보가 선행되어야 할 것으로 판단된다.



▲ <그림 3-4-1-15>국내 발전원별 전원 구성비 전망


▲ <그림 3-4-1-16>각 나라별 화력발전 설비 용량 및 전망


▲ <그림 3-4-1-17>증기터빈 시장 예측


▲ <그림 3-4-1-18>전 세계 각 기업의 증기터빈 시장 점유율, 2013년 기준


▲ <그림 3-4-1-19>전 세계 High Performance Alloys 생산, 2012년 기준


▲ <표 3-4-1-8>Ni-, Ni-Fe-기 초내열합금 세계시장 규모 및 전망(단위 : 백만 달러)


▲ <표 3-4-1-9>화력 발전플랜트 기술 - 국내 시장 선도기업


▲ <표 3-4-1-10>화력 발전플랜트 기술 - 해외 시장 선도기업


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