월간전기

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 류호정 박사 연구진과 한국전력공사 전력연구원이 공동으로 이산화탄소를 원천적으로 분리할 수 있는 가스 발전기술을 세계 최대 규모로 실증하고, 세계 최초로 전력 생산에 필요한 증기 생산까지 성공했다. 향후 가스발전소, 석탄가스화복합발전, 이산화탄소 포집 설비, 에너지 공급 설비, 전력·스팀 공급 설비 등에 적용 가능할 것으로 기대된다.

상용화된 가스 발전 과정에서 연료가 연소되면 수증기와 함께 대표적인 온실가스인 이산화탄소가 발생한다. 발생 이후에는 공기 중의 질소와 혼합되기 때문에 순수한 이산화탄소를 저장하기 위해서는 이산화탄소만 선택적으로 분리하여 포집하는 시설이 필요한데, 그만큼 발전 비용이 올라간다.

이를 해결하기 위한 친환경 발전기술로 ‘매체순환연소(Chemical Looping Combustion, CLC) 기술’이 주목받고 있다. 연료가 공기와 직접 반응하는 기존 기술과 달리, 매체순환연소 기술은 산소를 주고받을 수 있는 입자를 통해 연료에 순수한 산소만을 공급한다. 산소를 잃은 입자는 이후 공기와 접촉해 산소를 흡수하고 다시 연료에 공급하는 것을 반복한다.

이 원리를 활용하면 연료와 순수한 산소만 만나기 때문에 공기 중의 질소와 반응할 수 없고, 연소 이후에는 순수한 이산화탄소만 남아 별도의 분리 없이도 포집이 가능하다. 특히 연료를 태우는 연소에서는 초미세먼지 생성 물질인 질소산화물이 발생하는 반면, 매체순환연소 기술은 화염이 없는 무염 연소로 진행돼 질소산화물이 거의 발생하지 않는다.

에너지연은 한국전력공사 전력연구원과 공동으로 세계 최고 수준의 매체순환연소 기술을 개발했다. 한국서부발전, 한국전력기술, ㈜리드원엔지니어링, ㈜부흥산업사, 건국대학교, 영남대학교도 참여했다.

지난 2023년, 세계 최대 규모의 3메가와트열(MWth)급 파일럿 플랜트를 구축해 본격적인 실증을 진행했다. 300시간 동안 중단없이 운전한 결과, 이산화탄소 분리배출 성능이 기존 세계 최고 수준인 94%를 뛰어넘은 96% 이상을 기록했다.

실증 성공과 함께 상용화의 가능성도 활짝 열었다. 연구원은 세계 최초로 매체순환연소 기술을 이용해 발전에 필요한 증기를 생산하는 데 성공했다. EU, 중국, 미국 등 선진국에서도 매체순환연소 기술을 실증하고 있으나 아직까지 증기 생산에 성공한 나라는 없었다.

기술의 실증 규모가 작은 경우 효율은 높지만 열 손실이 많아 증기를 만들 수 없고, 규모를 키우는 과정에서 높은 효율을 유지할 수 없는 경우에도 증기가 생산되지 않는다. 반면 연구진은 규모를 키우면서도 열 손실을 줄이고, 높은 효율을 유지할 수 있는 공정 설계·운영 기술과 산소 전달 입자의 대량생산기술 개발을 통해 증기 생산을 가능하게 했다. 미래 유망 기술의 영역에서 상용화의 영역으로 나아가게 된 것이다.

향후 열병합발전, 분산전원, 천연가스 인수기지, 스팀생산 설비 등의 분야에 응용하여 가스발전소, 석탄가스화복합발전, 이산화탄소 포집 설비, 에너지 공급 설비, 전력·스팀 공급 설비 등에 적용 가능할 것으로 기대된다.

매체순환연소 기술의 경제성을 분석한 결과, 기존의 100MWth급 천연가스 발전 대비 연간 운영 이익은 144억 원, 발전효율은 4% 상승할 것으로 예측됐다. 특히 이산화탄소 포집 비용도 기존보다 30% 절감되며 연간 15만톤 이상의 이산화탄소 포집이 가능해 국가 탄소중립 달성에 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

에너지연 연구책임자인 류호정 책임연구원은 “국가 탄소중립 달성을 위해서는 매체순환연소 기술과 같은 신기술을 적용한 가스 발전소의 신설과 운영이 필요하다”며, “우리가 가진 기술을 지속적으로 발전시키고 실증하여 차세대 발전기술의 상용화를 앞당길 수 있도록 노력하겠다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부가 지원하는 한국에너지기술평가원의 가스 발전/스팀생산 설비 연소 중 <CO2 포집·활용 기술개발사업>을 통해 진행되었다. 본 기술은 한국에너지기술평가원에서 선정한 「2019년 에너지 R&D 우수성과 및 2020년 국가연구개발 우수성과 100선」에 선정된 바 있다.