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[신기술]에너지연 케미컬루핑 연소(CLC) 기술 개발

2020-05-01

에너지연 케미컬루핑 연소(CLC) 기술 개발 연 15만톤 CO₂저감…질소산화물 발생 저감까지 이산화탄소 저감 및 자원화 기술(CCUS)에 관한 연구가 활발하다. 이 분야의 기술은 CCS(Carbon Capture and storage)와 CCU(Carbon Capture and Utilization)로 나뉘어 개발이 이루어져 왔으나 현재 이 둘을 융합한 CCUS 기술의 개발도 다각적으로 이루어지고 있다. 이런 가운데 국내 연구진이 온실가스인 이산화탄소를 분리해 배출하는 가스발전 기술을 개발과 실증에 성공했다. 이 기술은 별도의 분리시설이 없이 이산화탄소 배출이 가능한 기술로 초미세먼지 유발물질인 질소산화물 발생 저감까지 가능하다. 뿐만 아니라, 석탄 화력발전에서 발생하는 대기오염 물질을 줄이는 ‘순산소 순환유동층 연소 기술’의 개발도 성공적으로 이루어지고 있다는 소식도 있다. 정리 김수진 기자 자료제공 한국에너지기술연구원, 환경부 최근 전 세계적으로 온실가스 감축 움직임이 활발하다. 세계 7위의 온실가스 배출국인 우리나라도 예외가 아니다. 당장 올해 안에 기후변화 대응을 위한 파리협정에 따라 우리나라도 ‘2050 장기 저탄소 발전전략’을 수립, 유엔기후변화협약에 제출해야 한다. 이에 따라 지난 2월 각 분야 전문가들의 의견을 담은 저탄소 발전전략과 관련 추진 방향 검토 안이 환경부에 제출됐다. 검토안에 따르면 전력 부문에서 재생에너지 확대 및 화력발전의 탈탄소화를 기반으로 한 전력 패러다임 전환을 핵심과제로 선정하고 이를 달성하기 위한 재생에너지 보급기반 구축과 이산화탄소 포집·활용·저장 보급이 필요한 것으로 나타났다. 이 계획을 실현하기 위해서는 전력생산 과정에서 발생하는 이산화탄소 감축은 필수적이다. 따라서 기존 석탄화력 발전 비중은 점차 낮추되 가스발전 비중을 높이면서 발전소에서 발생하는 이산화탄소를 효율적으로 회수하려는 연구들이 활발히 진행 중이다. 이러한 가운데 국내에서 가스 발전 시 별도 시설 없이도 이산화탄소를 분리배출 할 수 있는 기술이 개발돼 시선을 끈다. 세계 최고 수준을 자랑하는 이 기술은 친환경성과 경제성 두 마리 토끼를 잡으며 국내 저탄소발전 기술 시장의 ‘마중물’ 역할을 톡톡히 해낼 것이라는 평을 받고 있다. 한국에너지기술연구원 류호정 본부장 연구진은 산-학-연 협력으로 별도 분리 설비 없이 이산화탄소를 98% 이상 원천 분리 배출하고 질소산화물 저감도 가능한 ‘케미컬루핑 연소’(Chemical Looping Combustion, 이하 CLC) 기술 개발에 성공했다고 4월 7일에 밝혔다. 케미컬루핑 연소기술 개념도 CLC 기술은 연소 후 배출 단계에서 이산화탄소를 원천적으로 분리하는 방식이다. 산소를 주고받을 수 있는 입자를 이용해 한쪽에서는 공기 중 산소를 흡수하고 다른 쪽에서는 산소를 내어줘 연료와 연소해 공기와 이산화탄소가 혼합되지 않는 미래 발전 기술이다. 특히 별도 포집 설비가 필요 없다는 점에서 경제적이다. 실제로 기존 가스발전 기술은 연료가 공기 중에 포함된 산소와 반응해 이산화탄소와 수증기를 생성한다. 이때 공기 중에 포함된 질소와 혼합 배출되는데 이 과정에서 다량의 질소에 포함된 이산화탄소를 분리하기 위해서는 흡수탑과 재생탑, 송풍기 등 대형설비가 필요해 설치비용 부담뿐만 아니라 설비 운영에 많은 에너지가 소모되는 단점이 있었다. 하지만 CLC 기술은 별도의 처리 설비가 필요 없다는 장점을 가졌다. CLC 기술은 공기와 연료가 직접 반응하는 대신 산소를 전달하는 입자를 사용하는데, 이 연료가 연소하면 이산화탄소와 수증기만 배출된다. 이때 온도를 낮춰 수증기를 물로 바꿔주면 기체 중에는 이산화탄소만 남기 때문에 별도 처리 설비 없이도 이산화탄소 분리가 가능하다. 또한 산소를 주고받는 데 사용한 입자는 두 개의 반응기 사이를 계속 순환하면서 재생해 사용할 수 있으며, 공기와 입자의 반응 또한 화염이 없는 조건에서 일어나기 때문에 2차 미세먼지 유발물질인 질소산화물의 발생량도 낮출 수 있다. 연구진이 개발한 기술은 고압 조건에서 운전되는 0.5 ㎿th급 CLC 플랜트에서 세계 최초로 200시간 이상 장기 연속운전을 실증했다. 이산화탄소가 98% 이상 고농도로 배출되며 총 질소산화물 배출농도도 15 ppm 정도로 세계 최고 수준의 기술력을 자랑한다. 이번 CLC 기술의 핵심 기술은 연구기관 두 곳에서 각각 개발했다. 두 반응기 사이에서 입자를 순환시키면서 공기와 연료가 섞이는 것을 방지할 수 있는 공정기술은 한국에너지기술연구원에서, 두 반응기 사이를 순환하면서 산소를 주고받는 입자기술은 한국전력공사 전력연구원에서 주도적으로 개발했다. 한편 이번 기술 개발의 미래 경제적 가치도 높게 평가된다. 연구진에 따르면 CLC 기술을 이용할 경우 100 ㎿ 천연가스발전 기준 ▲연간 144억 원 운영이익 ▲발전효율 상승 4% ▲이산화탄소 포집 비용 30% 절감 ▲연간 15만 톤 이산화탄소 감축이 가능할 것으로 예상된다. 또한 향후 가스발전소 온실가스 포집을 위한 차세대 기술로 주목받을 것으로 보인다. 연구책임자인 류호정 기후변화연구본부장은 “기존 석탄화력 발전소에는 현재 국내에서 개발한 ‘연소 후 포집기술’의 적용이 필요하지만 새로 건설되는 가스발전소에는 미래 신기술을 접목해 이산화탄소 포집비용을 획기적으로 저감해야 한다”며 “세계 최고 수준의 케미컬루핑 연소기술 적용을 통해 온실가스 원천분리가 가능한 차세대 발전기술을 실증하는데 기여할 계획”이라고 밝혔다. 한편 이번 기술 개발은 산업통상자원부가 지원하는 한국에너지기술평가원 에너지수요관리 핵심기술개발사업 일환으로 진행됐다. 한국에너지기술연구원 주관으로 한국전력공사 전력연구원, 건국대, 충남대, 영남대, 전북대가 참여해 산-학-연 공동으로 이산화탄소와 질소산화물을 원천적으로 분리 및 저감할 수 있는 차세대 가스발전기술 개발을 목표로 하고 있다. 또한 한국에너지기술평가원에서 선정한 2019년 에너지 R&D 우수성과(총 26개 기술) 중 하나로 선정된 바 있다. 한국에너지기술연구원 개발/실증한 0.5 ㎿th급 케미컬루핑 플랜트 경제성·친환경 두 마리 토끼 잡는 미래 기술, CLC 캐미컬루핑 즉 CLC 기술은 이산화탄소 회수비용을 절감하기 위해 개발됐다. 1983년 리히터(H. J. Richter)와 크노키(K. F. Knoche)에 의해 처음으로 제안되고 1994년 이시다(M. Ishida)와 진(H. Jin)이 크게 발전시켰다. 연료를 간접 연소해 발전하는 방식으로 다른 기술에 비해 질소산화물 배출이 낮고 별도의 이산화탄소 분리 공정 없이도 고농도(~98%)의 이산화탄소를 분리할 수 있다는 장점을 갖췄다. 이러한 점 때문에 CLC 기술은 미래 친환경 기술로 주목받고 있다. 전문가들은 CLC 기술을 소형 열병합 발전 시스템뿐만 아니라, 대규모 석탄 화력을 대체할 수 있는 규모까지 확대 적용할 수 있을 것으로 보고 있다. 소형 열병합 발전 시스템은 분산형 전원 기능을 담당할 수 있는데 대형 발전소의 추가 건설 부담을 낮추고 에너지 수급 불안을 완화하며 온실가스 및 대기오염 물질배출 감소를 통한 기후변화 협약 등의 국제 환경규제에 대응할 수 있는 대안 중 하나로 평가되고 있다. 때문에 유럽과 미국을 중심으로 관련 연구개발이 활발히 진행 중이며 우리나라도 관련 기술 강국으로 도약할 수 있는 기회가 많을 것으로 평가되면서 수년째 연구가 활발히 지속하고 있다. 실제로 지난 1월에는 한국전력이 세계 최대 용량인 500 ㎾ 설비의 가압(加壓) 실증을 성공적으로 완료하는 등 시장 우위 선점을 위해 치열하게 연구 중이다. CLC 기술 상용화 전망 친환경 순산소 순환유동층 연소 기술, 화력 온실가스 막는다 한편, 석탄 화력발전에서 발생하는 대기오염 물질의 배출을 막는 연구 또한 활발히 진행 중이다. 지난 2월 한국에너지기술연구원 이재구 단장 연구진이 세계 최고 수준으로 개발한 ‘순산소 순환유동층 연소 기술’이 대표적이다. 순산소 순환유동층 연소기술은 기존 공기 연소 대비 초미세먼지 유발물질 배출을 80% 이상 낮추고 이산화탄소를 90% 이상 포집할 수 있는 기술이다. 순환유동층 연소공정은 950℃ 이하에서 운전되기 때문에 높은 온도가 필요한 다른 화력발전 기술보다 열적 질소산화물이 발생하지 않는다. 또 연소로 내 환원제(요소수 혹은 암모니아수)의 공급을 통해 탈질이 가능하며 석회수 입자를 투입하면 탈황까지 가능해 환경 설비 부담이 적다는 장점을 갖췄다. 기존 화력발전소에 산소 공급과 배기가스 재순환 설비만 추가하면 고농도의 이산화탄소를 포집할 수 있어 설비 구성이 다른 기술에 비해 쉽다. 또 연소 중 발생하는 배기가스 대부분이 연소로에 공급돼 재사용하는데 기존 공기 연소 대비 굴뚝으로 배출되는 배기가스 양이 80% 감소한다. 결과적으로 초미세먼지 유발물질인 대기오염 물질의 배출량도 저감할 수 있다. 특히 이 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 수준을 자랑한다. 특히 60% 이상 고농도 산소 이용으로 연소로와 후단 설비 크기를 줄일 수 있어 건설비와 운영비 절감 효과를 볼 수 있다. 실제로 100 ㎾th급 순산소 순환유동층 연소 시스템에서 산소 농도 60% 이상으로 운전할 경우 200 ㎾th급의 출력이 발생하는 것을 확인했다. 같은 설비 용량 대비 2배의 출력을 낼 수 있어 전체 설비를 줄여도 같은 효율을 나타낼 수 있게 된 것이다. 이 밖에도 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. 순산소 순환유동층 연소 기술 구성 개념도 참고-------------- 이중범, 한국전력연구원, ‘매체순환 가스연소 기술 개발 동향’, 2009 < Energy News >