 환경설비 부담 적고, 대기오염을 줄이는 기술
화력발전의 탈탄소화 위해 CCUS 보급 필요
2015년 유엔 기후 변화 회의에서 채택된 파리 협정(Paris Agreement)이 채택되면서 국제사회는 지구 평균온도 상승 폭을 산업화 이전 대비 2℃ 이하로 유지하고, 더 나아가 온도 상승 폭을 1.5℃ 이하로 제한하기 위해 노력하고 있다. 세계 각국이 온실가스를 줄이기 위한 기술개발에 집중하고 있는 가운데, 한국 역시 탄소를 비롯해 미세먼지 등 대기오염물질을 줄이기 위해 노력하고 있다. 이번 호에는 최근 발표된 LNG 화력발전의 ‘매체순환 연소기술’과 친환경 석탄 화력발전 기술인 ‘순산소 순환유동층 연소’기술을 소개하고, 2월 5일 ‘2050 저탄소 사회 비전 포럼’이 환경부에 제출한 ‘2050 장기 저탄소 발전전략’에 대한 검토안의 내용을 살펴보았다.
글 강창대 기자 | 자료제공 한전 전력연구원, 한국에너지기술연구원, 환경부
한국전력은 한국에너지기술연구원과 공동으로 미세먼지와 온실가스를 배출하지 않는 차세대 친환경 발전기술인 ‘매체순환 연소기술’(chemical looping combustion: CLC)을 개발하고, 세계 최대 용량인 500 ㎾ 설비의 가압(加壓) 실증을 성공적으로 완료했다고 지난 1월 30일에 발표했다. 별도의 CO₂포집설비 필요 없는 CLC
기존 LNG 화력발전은 온실가스인 이산화탄소를 포집하기 위해 흡수탑·재생탑·송풍기 등 여러 대형설비가 필요하여 발전소 설치비용 부담 뿐 아니라, 설비를 운영하기 위해 많은 에너지를 소모하는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 한전 전력연구원이 개발한 ‘매체순환 연소기술’은 연소(燃燒)할 때 순도 100%의 수증기와 이산화탄소만을 생성한 후 이산화탄소를 제거하는 기술이여서 별도의 이산화탄소 포집설비가 필요 없다는 특징이 있다.
매체순환 연소기술은 차세대 친환경 발전기술로서 화석연료가 공기 또는 산소와 직접 접촉하는 기존 연소방식과 달리 두 개의 반응기 내에서 산소전달 입자가 순환하면서 연료를 연소하는 기술을 말한다. 천연가스를 연료로 사용하는 매체순환 연소기술은 그동안 200 ㎾ 연속운전이 세계 최대 용량이었으나, 이번 기술개발로 500 ㎾급 가압 실증에 성공했다. 한전은 앞으로 발전사와 협력하여 ㎿급 매체순환 연소기술을 개발하여 실제 발전소 규모에 적용할 수 있는 설계기술을 확보할 예정이라고 밝혔다. 배기가스 재순환 공정 포함된 Oxy-CFBC
한편, 이번 매체순환 연소 기술 개발에 참여한 한국에너지기술연구원은 대기오염 물질 배출이 없는 친환경 석탄 화력발전 기술 연구도 추진해 왔다. 이 연구는 한국에너지기술연구원의 이재구 책임연구원이 이끄는 FEP융합연구단이 수행했다. 한국에너지기술연구원은 2월 13일 연구단이 기존 공기 연소 대비 초미세먼지 유발 물질 배출을 80% 이상 낮추고 연소 중 이산화탄소를 90% 이상 포집할 수 있는 ‘순산소 순환유동층 연소’(Oxy-Circulating Fluidized Bed Combustion: Oxy-CFBC) 기술의 개발에 성공했다고 밝혔다.
순산소 순환유동층 연소 기술은 순산소 연소와 순환유동층 연소 기술이 합쳐져 이산화탄소 저감, 저급 연료의 이용, 탈황, 탈질까지 가능한 미래 발전 기술이다. 순환유동층 연소 공정은 950℃ 이하에서 운전돼 높은 온도를 필요로 하는 다른 화력발전 기술에 비해 열적 질소산화물이 발생하지 않는다. 또 연소로 내 환원제(요소수 혹은 암모니아수)의 공급을 통해 탈질이 가능하며, 석회석 입자를 투입하면 탈황까지 가능해 환경 설비 부담이 적다.
공기 대신 순수한 산소를 이용해 연소하는 순산소 연소 공정은 기존 화력발전소에 산소 공급과 배기가스 재순환 설비만 추가하면 고농도의 이산화탄소를 포집할 수 있어, 다른 이산화탄소 포집 기술에 비해 설비 구성이 쉽다. 또, 연소 중 발생되는 배기가스 대부분은 연소로에 공급돼 재사용함으로써 기존 공기연소 대비 굴뚝으로 배출되는 배기가스의 양이 80% 감소하기 때문에 결과적으로 초미세먼지 유발 물질인 대기 오염물질의 배출량을 공기연소 대비 이산화황 80%, 산화질소 85%, 일산화탄소 76%까지 저감할 수 있다.
연구진이 개발한 기술은 국내 최초로 배기가스 재순환 설비를 적용한 100 ㎾th급 순산소 순환유동층 연소 기술로, 연소 시 사용되는 산소 농도를 60% 이상으로 높여 사용할 수 있는 세계 최고 수준의 기술이다. 순산소 순환유동층 연소에 사용되는 산소 농도는 효율 향상에 중요한 역할을 담당한다. 현재까지 개발된 순산소 순환유동층 연소 기술은 40% 농도 수준의 산소를 사용하고 있으나, 60% 이상 고농도 산소를 이용하게 되면 연소로와 후단 설비의 크기를 줄일 수 있고 이는 건설비와 운영비의 절감으로 이어진다.
연구진은 100 ㎾th급 순산소 순환유동층 연소 시스템에서 산소 농도 60% 이상으로 운전할 경우 200 ㎾th급의 출력이 발생하는 것을 확인했다. 즉, 같은 설비 용량 대비 2배의 출력을 낼 수 있어 전체 설비를 줄여도 동일한 효율을 나타낼 수 있게 된 것이다. 이외에도, 연구진이 개발한 기술을 이용하면 공기 연소와 순산소 연소의 안정적인 전환이 가능해 순산소 연소 중 발생하는 이산화탄소를 세계 최고 수준인 1시간 이내, 90% 이상으로 포집할 수 있으며 공기 연소 시 발생하는 오염 물질 배출도 최소화할 수 있다.
과제 참여자인 FEP융합연구단 문태영 박사는 “온실가스 감축과 초미세먼지 저감을 위해서는 획기적인 기술 개발이 시급하다”며, “순산소 순환유동층 연소 기술에 대한 기본설계, 엔지니어링 및 운영기술들을 순수 국산 기술로 확보함으로써 온실가스 원천 분리가 가능한 신발전 기술을 실증화하는데 기여할 계획”이라고 밝혔다. 
융합형 저탄소기술 연구와 제도적 노력 필요
세계 7위의 온실가스 배출국가인 한국은 2030년까지 전망치 대비 37%의 온실가스 감축을 목표로 온실가스 감축에 동참하고 있다. ‘2050 저탄소 사회 비전 포럼’은 2월 5일 지난 9개월간 논의를 거쳐 2050년 온실가스 감축목표 및 추진과제 등을 담은 검토안을 정부에 제출했다. 향후, 검토안을 토대로 사회적 논의를 거쳐 정부안이 유엔에 제출될 예정이다.
지난해 3월에 출범한 ‘2050 저탄소 사회 비전 포럼’(이하 포럼)은 총괄, 전환, 산업, 수송, 건물, 비에너지(농축수산·폐기물·산림), 청년 등 총 7개 분과에 69명이 참여했다. 포럼 참여자들은 약 9개월간 60여 차례의 논의를 거쳐 이번 검토안을 마련했다. 이번 검토안의 특징은 국내 분야별로 온실가스 전문가가 참여하여 우리나라 저탄소 발전전략 및 이에 따른 기후변화 정책의 장기 추진방향을 정부에 제안했다는 것이다. 정부는 이 검토안을 토대로 폭넓은 사회적 논의를 거쳐 올해 말에 우리나라 의 ‘2050 장기 저탄소 발전전략’(LEDS: Long term low greenhouse gas Emission Development Strategie)을 마련하여 유엔기후변화협약에 제출할 예정이다. 파리협정은 지구 평균온도 상승을 산업화 이전 대비 2℃ 이하로 제한하는 범지구적 목표달성을 위해서 모든 당사국에게 2020년까지 LEDS 수립을 요청한 바 있다.
포럼은 우리나라 기후변화 정책의 장기 비전을 ’저탄소사회 전환과 지속 가능한 탄소중립 국가경제 구현‘으로 제시했다. 이를 위해 ① 기후변화 대응을 위한 국제사회 노력에 적극 동참, ②미래를 대비하기 위한 범국가적인 도전, ③ 지속 가능한 선순환 탄소중립 실현, ④ 국민 모두의 노력을 4대 원칙으로 세웠다.
포럼은 2050년 국가 온실가스 감축목표를 제1안부터 제5안까지 5가지 복수안으로 제시했고, 장기적으로 탄소중립 달성방안도 논의되어야 한다고 덧붙였다. 5가지 복수안은 2017년 우리나라 온실가스 배출량(7억910만 톤)을 기준으로 2050년까지 최대 75%(제1안)에서 최저 40%(제5안)를 줄이는 것이다. 또한 포럼은 탄소중립에 대해서 조속히 달성해야 할 목표로 제시하면서 이를 위해서는 기술, 비용 등에 대한 광범위한 사회적 논의가 지속적으로 이루어져야 한다고 했다. 탄소중립은 대기 중 온실가스 제거량이 나머지 배출원의 온실가스 배출량을 상쇄하여 순배출량이 0(Net-zero)이 되는 경우를 말한다.
포럼 검토안에 제시된 주요 추진과제는 ▲국가 전반의 혁신 틀(프레임) 확립, ▲5대 부문별 저탄소 전환 추진 등이다.
포럼은 기술혁신을 위해 융합형 저탄소 기술에 대한 집중적인 연구, 개발, 실증, 확산 추진이 필요하며 기술 간 융합을 촉진할 수 있는 제도적 시스템 구축이 필요하다고 했다. 산업혁신을 위해서는 재생에너지, 에너지효율 향상, 수소산업 등 저탄소 핵심 선도 분야의 육성을 추진하고 저탄소 설비 투자 확대 지원 등 녹색금융 활성화의 필요성을 제시했다. 정책혁신 과제로는 탄소가격을 반영한 국가 정책 설계 필요성을 강조했으며 화석연료에 대한 과세체계 조정, 배출권거래제 내실화 등 저탄소를 중심에 둔 정책 기반 조성이 필요하다고 했다. 아울러, 저탄소사회로의 전환이 미래 도시 및 지역 발전의 주요한 동력이 될 수 있도록 지역사회의 명확한 역할 정립과 참여 확대 기회 부여 및 중앙·지방정부 간 협치의 필요성을 강조했다.
포럼은 또, 2050년 국가 온실가스 감축목표 달성을 위한 전환, 산업, 건물, 수송, 비에너지(농축수산·폐기물·산림) 등 5대 부문별 추진과제도 제시했다. 전력부문은 재생에너지 확대 및 화력발전의 탈탄소화를 기반으로 한 전력 패러다임 전환을 핵심과제로 선정하고 이를 달성하기 위해 재생에너지 보급기반 구축 및 이산화탄소 포집·활용·저장(CCUS: Carbon Capture, Utilization and Storage) 보급 등이 필요하다고 했다.
산업부문은 산업계 스스로 기술혁신을 통해 산업 환경 변화에 대비할 필요성을 강조했다. 정부도 친환경 수소 확대, 스마트 에너지효율 향상 기술 등의 지속적인 지원이 필요하다고 했다. 건물부문은 정책·기술·국민생활 혁신의 연계 통합을 기본방향으로 건축물의 에너지 소요 줄이기(제로에너지화) 달성과 고효율기기 의무화 확대 등을 핵심과제로 제시했다. 수송부문은 친환경차 보급의 대폭적인 확대와 함께 철도·항공·선박 등 모든 교통수단의 저탄소화 촉진 및 기존 도로 중심에서 철도·해운으로의 물류체계 전환이 필요하다고 했다. 비에너지부문(농축수산·폐기물·산림)은 합리적 토지이용 및 스마트 기술 적용을 통해 지속가능한 농축수산 기반을 구축하고 자원 선순환 경제 구현을 위한 폐기물 감량 및 재활용 확대, 산림부문의 탄소흡수력 증진 강화를 주요과제로 제시했다.
<Energy News>
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