❶ 온실가스의 감축 필요성
전력설비 즉, 배전용 개폐기, 송변전 GIS, 변압기 등의 절연가스로 이용되고 있는 SF6 가스는 한국전력이 현재 6,110톤 정도를 사용하고 있으며 이 양은 국내 사용량의 80% 이상에 해당되는 양이다. SF6 가스는 반응성이 거의 없고 아크 등의 자극을 받은 후에도 복귀 능력이 있으며 전기음성도가 크고 밀도도 높은 특징으로 절연가스로 최적이다. 그러나 이 SF6 가스는 지구온난화지수가 온실가스 중에서 제일 큰 가스인데 표 1과 같이 CO2 의 2만 3,900배에 달한다.
1997년 교토의정서는 기후변화에 대응하기 위해 표 1과 같이 온실가스를 지정하고 저감 노력을 국가 간에 이행하도록 하는 국가 간 협약이다. 이 협약에서는 37개 선진국이 의무 감축을 이행하는 대상이었으나 2015년에 파리협정의 신기후협약체제가 돌입하면서 우리나라를 포함한 169개 선진국 및 개도국도 온실가스 저감 의무를 지게 됐다. 이 신기후협약체제에서는 2021년부터 각 국가는 그 나라에 맞게 온실가스 저감 목표를 제시해 저감노력을 시행하는 것으로 되어 있으며 우리나라는 2030년까지 배출전망치 대비 37%의 감축을 하는 것으로 되어 있다.
❷ 심냉식 SF6 정제장치 개발
국제 정세에 발맞춰 다량의 SF6 가스를 사용하고 있는 한전은 SF6 감축기술개발을 2016년부터 전력연구원에서 수행하고 있으며 제일 먼저 개발한 기술이 SF6 정제기술이다. 과거에는 배전용 개폐기 중 SF6 가스는 연간 10~15톤 정도가 개폐기 폐기와 함께 대기 배출되는 실정이었다. 환경부에서는 각 기업들에 온실가스 저감 할당량을 부여하고 있는데 한전은 과거에 대기 배출하던 배전용 SF6를 회수해 봄베(연료탱크)에 보관하게 되었다. SF6 정제장치를 개발함에 따라 회수한 가스를 정제해 재사용이 가능하게 됐고 이런 회수및 정제 노력이 한전의 온실가스 저감 할당량을 만족할 수 있는 계기가 되고 있다.
SF6 정제장치는 크게 3가지 종류가 있다. 첫 번째는 아주 순도 높은 정제를 할 수 있는 심냉식 증류방식이다. 이것은 액체 질소와 액체 산소를 분리하는 증류공정을 이용하는 것이다. 증류공정은 상압에서 SF6는 –51℃에서 끓고 O2는 –183℃, N2는 –196℃에서 끓는점을 이용한다. 증류탑의 온도 영역별로 분리되는 가스가 달라 온도에 따라 분리하면 초고순도 가스로 정제할 수 있어 이 공정은 초고순도(ppm정도 순도) SF6 가스를 필요로 하는 반도체 식각용으로 사용된다.
두 번째 정제장치는 압축식 정제장치다. 전 세계적으로 제일 많이 사용되고 있다. 이 장치는 정제 전 가스를 압축기를 통해 분리탱크로 이송하는데 미량불순물은 분리탱크 전단의 흡착탑에서 제거할 수 있다. 분리탱크에 SF6는 액체상태로 불순물의 대부분인 공기는 기체로 있어 상부 공기층을 냉각하면서 배출 밸브를 열어 공기층의 불순물을 대기 배출하는 방식으로 정제한다. 불순물을 배출할 때 액화되어 있던 SF6가 일부 기화되어 같이 배출되므로 SF6 회수율이 90% 이하다.
세 번째는 한전에서 개발한 심냉식 SF6 정제장치다. 이 정제 기술의 원리는 그림 1과 같이 표현할 수 있다. 심냉식 SF6 정제장치는 압축기로 정제 전 가스를 분리탱크로 이송할 때 흡착필터를 먼저 거치면서 산가스, 수분, 오일, 파편 등을 제거한 후 SF6와 대부분 불순물인 공기를 분리탱크에서 분리한다. 이 분리탱크에는 그림 1의 오른쪽 상단에 보이는 냉각용 배관이 들어가 있고 이 배관으로 –196℃ 이하의 액체 질소가 흐르면서 분리탱크를 냉각시킨다. 분리탱크를 –100℃로 설정하면 냉각용 액체 질소의 양으로 온도를 조절할 수 있으며 정제 전 가스는 분리탱크에서 냉각이 된다.
SF6는 –64℃가 응고점이어서 액체질소가 흐르는 냉각용 배관주위에 얼어붙게 된다. 그리고 공기는 끓는점 이상에 있으므로 기체 상태를 유지한다. 분리탱크의 온도가 –60℃가 되면 분리탱크의 상부에 있는 밸브가 열리게 하여 기체로 있는 공기를 배출시킴으로써 분리탱크에 SF6만 남게 할 수 있다. 얼어붙어 고화되어 있는 SF6는 분리탱크를 가열해 액체로 만든 후 하부탱크로 받고 봄베에 담으면 정제작업이 완료된다.
❸ 심냉식 SF6 정제장치 실증운전
전력연구원에서는 심냉식 SF6 정제장치를 2017년 11월 개발 및 시운전을 완료했다. 대용량 정제 실증을 위해 지난해 8월 한전 내 남부건설본부의 송변전용 SF6 가스 5,377kg을 정제했다. 이 정제작업을 통해 장치의 성능 및 장기운전 안정성을 검증할 수 있었으며 운전비용도 계산해볼 수 있었다.
송변전용 SF6 가스 5,377kg의 순도는 약 95.85%(vol)이었으며 SF6 재사용기준인 99.7%(vol)에 만족하지 못해 정제한 후 재사용하게 됐다. 정제한 후 SF6는 순도 99.9% 이상 확보됐고 진공배기한 봄베에 다시 채워 5,188.6kg의 정제된 SF6를 얻었다. 정제 전 가스 무게 5,377kg에서 SF6순도 95.85%(vol)를 감안해 SF6의 순수 무게를 계산하면 5,328.4kg이 된다. 그러므로 실제 정제 전 가스 중 SF6 무게 대비 정제 후 충전한 무게의 비는 5,188.6/5,328.4=0.974로 정제 회수율 97.4%가 된다.
또한 운전비용의 대부분은 인건비고 불순물과 SF6를 분리하기 위해 사용한 액체질소와 전력사용량을 표 2에 비용으로 환산한 것을 표 3에 나타냈다. 인건비는 남부건설본부의 송변전용 SF6 가스를 600L 봄베 10개와 47L 봄베 7개에 담아 전력연구원에 이송하고 정제한 후 다시 남부건설본부로 운송한 비용과 정제작업에 동원된 인력의 인건비의 합산이다. 여기에는 장치비용을 감가상각한 비용은 포함하지 않았다.
이 장치를 한 여름인 8월에 운전했는데 장치를 끄지 않고 야간과 주말에도 탱크의 온도를 일정하게 유지함으로써 SF6의 기화로 인한 탱크 압력상승이 일어나지 않게 일정량의 액체질소가 계속 장치에 흐르게 함으로써 액체 질소 비용과 전기비용이 한 달 내내 소요됐다. 그 비용으로 계산하면 SF6 5,188.6kg을 정제하는데 6,868원/kgSF6이 소요됐다.
올해의 경우 SF6 구입비가 50kg 한 봄베에 75만 원으로 1만 5,000원/kgSF6인데 구입비용보다 반 값 이상으로 싸게 정제할 수 있음을 알 수 있다. 지난해 11~12월에는 배전용 SF6 2.5톤을 정제했다. 앞에서도 언급했듯이 배전용 SF6 가스는 전력설비 폐기와 함께 배출되는 것으로 인식되어 배전용 SF6 가스는 한전의 온실가스 저감의 대상이 됐다. 이 양을 정제해 재사용하게 되면서
한전의 온실가스 저감 활동으로 인정이 되고 있다.
지난 4월에는 한전 내 경기건설본부의 송변전용 SF6 2.5톤을 정제했고 이런 실증을 통해 연구개발품으로 제작된 장치이다. 추가 장치 보완 없이도 계속 현장에서 사용이 가능해 한전 사내 송․배전용 SF6 정제작업에 확대 적용할 수 있게 됐다.
❹ 향후 계획
한전은 지구의 기후변화를 최소화하고자 하는 국제협약에 발맞추어 지속적으로 SF6 감축 기술개발을 하고 있다. 그 중 다른 하나는 전력설비에 온난화지수가 제일 큰 SF6 대신 온난화지수가 500이하인 가스로 대체하는 연구를 진행하고 있다. 배전용 설비에는 건조 공기나 진공, 에폭시 등으로 절연체를 바꾸고 있으며 이들 대체 가스로 전력설비를 대체 적용하는 시점은 약 2022년이 될 것으로 예상된다.
그렇게 되면 전력설비에서 폐기되는 SF6의 양이 지속적으로 늘게 되고 이들 가스를 분해 처리하는 기술 개발이 필요하게된다. 해당 연구개발도 향후 진행함으로써 SF6 감축기술을 지속적으로 개발해나갈 예정이다.
