[기획특집 - 이산화탄소 포집기술] 매체순환 가스연소 기술 개발 동향

기획특집 이산화탄소 포집기술^－

매체순환 가스연소 기술 개발 동향

이 중 범 한전 전력연구원

Status of Development on Chemical Looping Combustion Technology

Lee Joong Beom

Korea Electric Power Research Institute

Abstract: 국제적으로 CO2 회수기술 개발은 회수비용을 저감할 수 있는 기술개발에 집중되고 있다. CO2 회수기술 중 순산소 연소기술 범주에 포함되는 매체순환 가스연소 기술은 가까운 미래에 CO2 회수비용을 크게 절감할 수 있는 대안 기술의 하나로 논의되어 왔다. 매체순환 가스연소(CLC, chemical looping combustion) 기술은 기체연료를 공기와 직접 연소하는 기존의 연소방식에 비해 산소공여 입자(Oxygen Carrier)를 매체로 하는 간접 연소기술로 CO2 원천 분리가 가 능하고 NOx를 저감할 수 있는 등 에너지 효율 및 환경 측면에서 장점을 가지고 있는 기술이다. 현재까지는 매체순환 가스연소 시스템 개발, 산소공여입자 개발과 관련된 연구가 국내외서 활발하게 진행되고 있으며 이 분야의 연구는 점차 확대될 전망이다.

Keywords: oxy-fired, CO2 capture, CLC (chemical looping combustion), oxygen carrier, fluidized-bed

1. 서 론¹⁾

오늘날 에너지 산업은 국제적으로 직면하고 있는 에너지의 안정적 공급과 기후변화 대응 이 주요 화두로 떠오르고 있다. 에너지를 보다 깨끗하고 청정하며, 효율적으로 이용할 수 있 는 기술 개발은 에너지의 해외 의존도가 97%

이상인 국내 현실과 기후변화 대응이라는 두 가지 측면에서 매우 중요하게 고려되고 있다.

기후변화 협약 제3차 당사국총회에서 지정한 6대 온실가스(이산화탄소, 메탄, 아산화질소, 수소화불화탄소, 불화탄소, 불화유황) 중 이산 화탄소(CO2)의 지구온난화지수는 낮지만 배출 량이 많아 온실효과기여도가 약 55%로 가장 높은 것으로 평가되고 있다. 따라서 CO2 배출 을 제어하는 것이 지구온난화 방지를 위한 가 장 시급한 과제라고 할 수 있다[1,2]. CO2 배

저자 (E-mail: [email protected])

출의 주요 원인은 인간이 필요로 하는 에너지 의 약 85%를 화석연료로부터 얻고 있기 때문 이며 향후에도 에너지 소비 증가에 따라 화석 연료 사용량은 2030년대까지 계속 증가할 전 망이다[3,4]. 지구변화의 가장 큰 비중을 차지 하는 CO2는 주로 화석연료의 사용으로부터 발 생되며 그중에서 전력생산 과정에서 생성되는 CO2 비중이 가장 크다. 국제적으로 제시되고 있는 기후변화 대응에 대한 기술적 전략은 1) 수요자 측면의 에너지절약 및 효율향상, 2) 저 탄소 에너지인 재생에너지 이용 확대, 3) 이산 화탄소 회수저장(CCS, carbon dioxide capture and storage)이다. 화석연료의 사용으로 발생 된 CO2를 처리할 수 있는 방법은 현실적으로 CO2 회수기술뿐이며 회수, 수송, 저장의 일련 의 과정에서 회수 부분이 전체 비용의 80%

이상을 차지하므로 저비용이면서 에너지 효율 적인 회수기술 개발이 중요하다. 현재 국내외 CO2 배출량의 약 1/3을 차지하고 있는 석탄

Figure 1. CO2 회수 기술 분류.

화력발전소는 대량의 CO2를 회수할 수 있는 주요 배출원으로 실질적인 CO2 저감 대상으로 지목되고 있다. 따라서 CO2 회수비용을 저감 할 수 있는 기술 개발을 위해 다양한 연구들 이 수행되고 있다. CO2 회수기술은 크게 연소 반응과 연계하여 연소후(post-combustion), 연 소전(pre-combustion), 연소중(순산소 또는 매 체순환 연소) 회수 기술로 구분하며 현 시점 에서 볼 때 각 시스템은 고유의 장, 단점과 기 술의 성숙도를 달리하여 기술 개발이 활발하 게 진행되고 있다[2].

CO2 회수기술 중 순산소연소 기술의 범주에 포함되는 매체순환 가스연소 기술(Chemical Looping Combustion)은 CO2 회수비용을 혁신 적으로 낮출 수 있는 기술적 잠재성이 고려되 어 일본, 유럽, 미국을 중심으로 기술개발 경 쟁을 가속화하고 있다. 이에 따라 본 고에서는 향후 CO2 회수 비용을 현저히 낮출 수 있을

것으로 평가되고 있는 매체순환 가스연소 기 술에 대하여 소개하고자 한다.

2. 매체순환 가스연소 기술 개발의 필요성

화석연료를 공기로 연소하는 기존 발전소의 배가스에는 CO2의 농도가 4 (LNG)~16 (석 탄) vol%로 낮기 때문에 CO2 회수비용은 물 론 에너지 손실도 많은 실정이다. 따라서 CO2

를 비용 효과적이며 에너지 효율적으로 저감 하는 방법으로 순산소를 이용하여 연료가스 기류 중에서 CO2의 농도를 높여 회수분리가 용이하게 하거나(연소전 회수기술: 가스화복 합발전, 가스개질), 연소 중 배가스의 CO2 농도 를 90% 이상 높여 별도의 회수분리 과정 없 이 압축, 수송, 저장 또는 이용할 수 있는 기 술 개발(순산소 연소: 순산소 보일러연소기

술) 필요성이 대두되고 있다.

그러나 순산소에 의한 연소 기술은 별도의 산소분리기술이 필요하다는 단점을 가지고 있 으며 현재까지 산소분리에 소요되는 비용이 고가이며 산소분리 비용을 낮추기 위한 새로 운 분리기술 개발도 현재 진행 중이다. 또 산 소분리설비 없이 순산소연소를 할 수 있는 새 로운 개념 중에서 매체순환 가스연소 기술 (CLC, chemical looping combustion)에 의한 CO2 원천분리 기술이 있다. 이 기술은 2000년 이후 배가스 CO2 회수비용의 한계를 극복하기 위한 새로운 대안 기술로 1983년 Richter와 Knoche에 의해 처음으로 제안되고 1994년 Ishida와 Jin에 의해 기술개발에 큰 진전을 보 이고 있어 기술개발 잠재력이 큰 차세대 연소 및 발전기술로 부상하고 있다[5,6].

3. 매체순환 가스연소 기술 개요

매체순환식 가스연소기술은 산소공여 입자 (oxygen carrier)라고 불리는 금속산화물로 구 성된 입자를 이용하여 연료를 간접연소 시켜 발전하는 방식으로 타 기술에 비해 NOx 배출 이 낮고 별도의 CO2 분리공정 없이 고농도 (~98%)의 CO2를 분리할 수 있는 신개념의 연소발전 기술이다[6-8]. 세계적으로 미국, 일 본, 스웨덴, 노르웨이 등이 기술개발에 박차를 가하고 있으며 국내 연구진들도 공정 및 산소 공여입자에 대한 연구를 진행하고 있다. 매체 순환 가스연소(CLC) 기술은 일반적으로 화학 반응 메커니즘에 관계없이 고체 산소공여입자 에 의한 연료의 완전연소를 의미한다. 연료의 부분연소는 매체순환개질(CLR, chemical loop- ing reforming)이라고 한다. 매체순환식 가스연 소 시스템의 구성은 Figure 2에 보여주는 바 와 같이 금속 연소반응이 일어나는 산화반응 기(oxidizer)와, 연료의 연소반응이 이루어지는 환원반응기(reducer)로 구성되며 두 반응기 사이를 산소공여입자가 반복적으로 순환하게

Figure 2. 매체순환 가스연소 시스템 개략도.

된다. 산화반응기에서는 식 (1)과 같이 금속 입자(M)가 반응기로 공급되는 공기 중에 존재 하는 산소와 반응(산화)하여 금속산화물(MO) 을 형성하고, 이 금속산화물은 연료연소기(환원 반응기)로 순환되어 연료연소기(환원반응기)로 공급되는 연료(CH4, H2, CO 또는 CnH2n+2)와 반응하여 식 (2)와 같이 원소 금속입자를 형성 하게 되며 CO2와 H2O만을 발생시킨다. 환원반 응기에서 환원된 금속입자는 다시 산화반응기 로 순환되며 이 과정은 연속적으로 반복된다.

두 반응기에서 일어나는 화학 반응식은 다 음과 같이 표시할 수 있으며 식 (3)은 총괄 반응식으로 식 (4)인 기존의 직접연소식과 비 교할 경우 전체 공정의 반응식과 열 출입은 같게 된다.

Oxidation :

4M + 2O2 → 4MO (1)

Reduction :

CH4 + 4MO → CO2 + 2H2O + 4M (2)

Overall reaction (Oxidation + Reduction) CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (3)

Direct combustion :

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O (4)

3.1. 기술의 특징

매체순환식 가스연소(CLC, chemical loop- ing combustion)기술의 또 다른 장점은 탄소 질 연료와 산소공여입자 사이의 반응(연료와 산화제의 간접적인 접촉)에 기인한 thermal NOx의 발생이 없어 궁극적으로 낮은 NOx

(<50 ppm) 배출치를 보이며 발전효율이 천연 가스복합발전과 유사하게 높다는 점(45∼52%) 이다. 이런 특성들 때문에 매체순환식 가스연소 을 차세대 저공해-고효율 가스 발전기술로 고려 되고 있다[9]. 기존 기술과 CO2 배출량 및 NOx

배출량을 비교하면 각각 Figures 3, 4와 같다.

3.2. 연구 개발 대상

매체순환식 가스연소 기술의 핵심 기술은 매체순환식 가스연소 시스템 개발과 산소공여 입자 개발로 크게 구분할 수 있다. 주요 연구 분야는 산소공여입자 개발 및 평가기술, 매체 순환 연소 시스템(공정) 개발, 시스템 분석기 술인 공정해석 및 경제성 평가로 세분할 수 있다. 산소공여입자(Oxygen Carrier) 개발은 전체 기술의 성공 여부를 결정짓는 핵심 요소 기술로 인식되고 있다. 산소공여입자로 가능성 있는 금속산화물들은 전형적인 전이금속의 산 화물들로 Fe, Ni, Cu, 그리고 Mn 등이 유망하 게 고려되고 있다. 산소공여 입자의 주요 연구 개발 대상은 산소공여입자의 반응성 개선, 입 자의 재생성 향상, 내마모성 향상, 산소전달능 력 향상 등이다. 현재까지 국내외 연구기관에 서 산소공여입자 개발에 사용된 금속 활성성 분과 지지체인 매트릭스 물질의 종류를 요약 하면 금속 활성성분으로는 Co, Fe, Ni, Cu, Mn 등이, 지지체로는 bentonite, YSZ, Al2O3, MgO, TiO2, NiAl2O4, CoAl2O4 등이 사용되고 있다[10-15].

매체순환식 가스연소 시스템 개발과 관련된 연구대상은 순환유동층 또는 가압순환유동층 공정을 이용한 산소공여입자의 성능평가, 공정 scale-up에 필요한 설계 자료 확보를 통한 공 정 설계 능력 개발, 전체적인 시스템 해석 및

Figure 3. 발전방식에 따른 CO2 배출량 비교.

Figure 4. 발전방식에 따른 NOx 배출량 비교.

[O2/CO2 recycle : 산소부화 배가스 재순환 연소, PF+FGD : 연소배가스 탈황장치가 부착된 미분탄 연 소, IGCC : 석탄가스화복합발전, NGCC : 천연가스복 합발전, CLC : 매체순환식 가스연소]

경제성 분석 등이 연구개발 대상이다. 현재까 지 연구되고 있는 대상으로서는 열중량분석기 를 이용한 반응성 해석부터 소규모 순환유동 층 또는 가압순환유동층을 이용한 산화-환원 연속반응 실증 연구가 진행되고 있다[7-9,16].

3.3. 적용대상

매체순환식 가스연소 기술의 적용은 단기적 으로는 소형 열병합 발전시스템이 될 것이며 2025년 이후 신발전 기술로서 대규모 석탄화

력을 대체할 수 있는 규모까지 확대될 것으로 전망하고 있다. 소형 열병합발전시스템은 분산 형 전원 기능을 담당할 수 있어 대형 발전소 의 추가건설 부담을 경감시키고 에너지수급불 안을 완화시키며 온실가스 및 대기오염물질 배출 감소를 통한 기후변화협약 등의 국제환 경규제에 대응할 수 있는 대안 중 하나로 평 가되고 있다. 2005년까지 우리나라에 설치된 소형 열병합발전은 108개소로 2001년 13개에 비해 8배 이상 증가하고 있으며 매년 설치 대 수가 크게 증가하고 있는 추세이다. 발전기의 경우 2001년 29기에서 2005년 160대로 크게 늘어나고 있으며 이에 따른 발전용량의 증가 는 2001년 67 MW에서 2007년 약 300 MW, 2012년에는 약 2천700 MW까지 증가할 것으 로 전망되고 있어 적용분야는 향후 지속적으 로 증가할 것으로 예측할 수 있다[5,17,18]. 따 라서 관련시장이 성장에 따른 매체순환 가스 연소 기술의 적용 분야는 향후 지속적으로 확 대될 것으로 예상된다.

3.4. CO2 회수 기술의 경제성

CO2 회수기술을 포함하는 발전 기술이 시장 의 요구조건을 수용하기 위한 최종 목표는 발 전원가 상승을 현 수준의 10% 정도로 낮추는 것이다. 이 목표를 달성하기 위해서는 CO2 회 수 비용을 궁극적으로 $10~$20/tC 수준으 로 낮추어야 한다는 것을 의미한다.

2006년 IEA에서 발간한 Energy Technology Perspectives 2006에 따르면 2020년경 CO2 회 수비용이 약 30 US$/tCO2인 기술이 보급될 것으로 전망하고 있다[3,4]. Figure 5는 2005 년 기준 미국 등에서 개발한 CO2 분리회수기 술의 성과를 바탕으로 시스템 경제성 분석 결 과를 CO2 회수에 적용 가능한 기술에 따라 발 전원가 증가율 전망을 도시한 것이다. 이 그림 이 시사하는 바는 단기적으로는 실증단계에 있는 아민과 같은 습식 흡수법이 발전원가 증 가율을 현재 약 45~56%(7.3~7.8 ￠/kWh)에 서 20% 이내로 줄일 수 있는 기술 개발을 통

Figure 5. CO2 회수기술의 경제성 분석.

해 회수비용 30$/tCO2 이내를 달성하고 시장 에 우선 적용될 것이다. 2020년 이후 중장기적 으로는 혁신적 고체 흡수제 개발을 통한 비용 저감, 산소막분리의 기술개발이 완료될 경우 순산소 연소 기술의 경쟁력이 확보(2025년)될 것이며, 특히 외부 공기분리 없이 자체적 산소 (산소공여입자)로 연소하는 매체순환 가스연 소 기술은 2025년 이후 가장 저렴한 회수방법 으로 발전효율감소 없이 비용 효과적이며 에 너지 효율적으로 CO2를 회수할 수 있는 잠재 성이 큰 기술로 고려되며 매체순환 연소기술 은 기존 기술의 단점을 극복할 수 있는 여러 장점이 있어 CO2 회수비용을 대폭 절감하여 세계적으로 설정한 CO2 회수 비용 목표를 달 성할 수 있을 것으로 기대된다.

4. 매체순환 가스연소 기술의 국내외 연구 동향

4.1. 국외기술현황

1) Ulbert 등(1999)은 순환유동층 반응기에 서 산소공여입자로 NiO 산화물을 사용하여 반응기 내에서 산화-환원 반응에 대한 반응속 도가 unreacted-core shrinking model을 따르 는 것으로 가정하여 매체순환식 가스연소 시

스템에서 반응기 모델 연구를 수행하였다[16].

2) 일본 Tokyo Institute of Technology의 Ishida 교수 연구팀은 산소공여입자 개발 및 반 응성 실험에 대한 연구를 수행하고 있으며 다양 한 종류의 금속산화물 활성성분과 지지체 매트 릭스로 구성된 산소공여입자를 개발하고 있다.

3) Ishida 등은 unreacted-core shrinking mo- del을 이용하여 산소공여입자의 산화, 환원 반 응모델 해석 연구를 수행하였으며 Hatanaka 등(1997)은 고정층을 이용한 환원실험 결과에 서 환원반응을 1차 반응을 가정한 반응속도상 수를 결정하였다[9].

4) 미국, 스웨덴, 노르웨이 등에서도 산소공 여입자 개발 및 공정개발에 대한 연구가 수행 중이다.

5) 산소공여입자의 금속산화물 성분으로 NiO 에 대한 연구가 가장 활발하게 진행되었으며 이 외에도 CoO, Fe2O3, CuO 등을 산소공여입 자의 금속산화물로 사용한 연구도 진행되고 있다. 산소공여입자의 지지체로는 점토(clay) 나 bentonite와 같은 물질부터 YSZ (Yttria stabilized zirconia), Al2O3, MgO, TiO2 등과 같은 물질들이 검토되고 있으며 최근에는 스 피넬 구조를 갖는 NiAl2O4, CoAl2O4 등이 지 지체로 사용되고 있다. 또한 금속산화물 성분 으로 단일조성이 아닌 두 가지 이상의 금속산 화물을 함께 사용하는 산소공여입자도 개발되 고 있다[10,15].

6) 산소공여입자개발 연구동향을 요약하면 Co, Fe, Ni, Cu 등을 활성금속으로 사용하고 지지체로는 bentonite, YSZ, Al2O3, MgO, TiO2, NiAl2O4, CoAl2O4 등이 사용되었으며 제 조방법은 담지법(Impregnation), 동결제립법 (Freeze Granulation)을 사용하여 주로 반응성 개선을 위한 연구가 주류를 이루고 있다.

4.2. 국내기술현황

1) 한국에너지기술연구원은 2002년부터 매 체순환식 가스연소기술에 대한 공정개발 및 산소공여입자 개발연구를 외국에 비해 다소

늦게 시작하였으나 외국 연구팀들에 비해 공 정 scale-up 및 공정 용량 면에서 선도적인 연 구 결과를 발표하고 있다.

2) 또한 산소공여입자 개발연구도 수행하여 unreacted-core model에 의한 산소공여입자의 산 화-환원 반응 모델을 제시하기도 했다[12-14].

3) 한국에너지기술연구원과 전력연구원 등 에서는 2006년부터 지식경제부 전력산업연구 개발 사업의 일환으로 매체순환 가스연소 시 스템 장기연속운전 기술개발 및 대형화 설계 기술 개발, 산소공여입자의 반응성, 내마모성, 재생성이 향상된 산소공여입자 대량생산(> 100 kg) 기술 개발을 목표로 매체순환식 가스연소 기 연속운전기술 및 설계기술 개발, 산소공여 입자 대량생산기술 개발, 가스 하이드레이트 이용 CO2 심해저장 메카니즘 해석 및 CO2 고 상화 기술 개발연구를 수행하고 있다. 본 연구 를 통해 단기적으로는 50 kWth 매체순환식 가스연소기 연속운전에 의한 CO2 원천분리 발 전기술 확립 및 CO2 수송⋅저장을 위한 하이 드레이트 기술 개발을 실현하고 중기적으로는 0.1 MW급 매체순환식 가스연소기 연속운전 과 100 MW급 설계기술 확보 및 하이드레이 트 이용 CO2 저장 시스템 개발 연구를 목표로 하고 있다. 국내외 매체순환 가스연소 기술에 대한 대표적인 연구개발 동향을 Table 1에 정 리하였다[5,6].

4.3. 대표적 국제 연구개발 프로그램

매체순환식 가스연소기술은 기술 개발에 대 한 성공 가능성 및 경제적 잠재성이 높아 국 제공동연구로 추진되는 경우가 많다. 대표적인 국제 연구개발 프로그램을 Table 2에 정리하 였다[5,6].

매체순환식 가스연소기술의 주요 연구분야인 공정해석 및 경제성 평가, 산소공여입자 개발 및 반응성 실험, 공정개발 분야에 대한 국내외 연구동향 분석을 통해 산소공여입자 개발 및 반응성 실험에 대한 연구는 일본 Tokyo Institute of Technology의 Ishida 교수 연구팀

Table 1. 국내외 매체순환 가스연소 기술 개발 현황

국가 연구기관 시스템 분석 대표물질 평가 및 공정규모

한국

Korea Institute of Energy Research

Material balance Energy balance

NiO Fe2O3

Co3O4

TGA Fixed bed Batch PFB

CFB PCFB Korea Electric Power Research

Institute -

NiO CoO Fe2O3

TGA Fixed bed

일본

Tokyo Institute of Technology Exergy analysis

CoO Fe2O3

Fe2O4

NiO

TGA Tube reactor

Fixed bed Micro CFB Advanced Industrial Science and

Technology

Hydrodynamics

simulation NiO

TGA Tube reactor

Micro CFB

스웨덴

Chalmers University of

Technology Material balance Fe2O3

Fe2O3

Fixed bed Micro FB

CFB Royal Institute of Technology Exergy analysis - -

Lulea University of Technology ASPEN Plus - -

미국 TDA Research Institute ASPEN Plus Fe- and Cu-

based Oxide Batch PFB 노르웨이 Norwegian University of Science

and Technology Matlab Model Ni/NiAl2O4 Fixed bed Micro FB

이 가장 선도적 역할을 수행하는 것을 알 수 있었으며 시스템 해석과 관련된 공정해석 및 경제성 평가 분야는 일본과 스웨덴, 순환유동 층 공정 개발 및 운전 등 공정개발 분야는 우 리나라의 한국에너지기술연구원이 선도적인 역 할을 담당하는 것으로 나타났다.

4.4. 매체순환 연소기술 특허 분석

매체 순환식 가스연소 기술 분야의 특허 등 록 또는 출원건수는 2005년 기준으로 매우 미 미한 상태이다. 매체 순환식 가스연소 기술 분 야의 특허 출원 또는 등록건은 일본 4건, 미국 3건, 한국 1건 등 총 8건으로 조사되었다 (Table 3 참조).

이중 일본의 특허 출원 활동이 비교적 높은 것으로 나타났다[5]. 지구온난화의 주범인 이 산화탄소의 처리 분야는 전 세계 공통의 당면 문제이며, 해결해야만 하는 과제이다. 특히 저 공해-고효율 발전기술인 매체순환식 가스 연 소시스템을 이용한 CO2 원천분리 기술 분야는 전력수요 증가, 고유가 시대, 기후변화협약 등 에 대응할 수 있는 잠재력 큰 기술 분야이지 만 특허활동이 매우 미미한 상태로 선진국과 의 기술격차가 작아 우리나라가 이 분야의 기 술 강국으로 도약할 수 있는 기회는 많은 것 으로 분석된다. 따라서 매체순환식 가스 연소 기술 분야의 지속적인 연구 개발로 경쟁국에 대한 특허를 선점할 수 있는 전략적 연구개발

Table 2. 대표적인 국제 연구개발 프로그램

국가 연구개발

프로그램 연구기관 주요 연구 내용

미국 DOE TDA research

Institute

산소공여입자 제조기술 개발 공정해석 및 경제성 분석

가압유동층 반응기술

일본

NEDO &

RITE/MEW &

TEPCO/NSF (China) CNKRP

Advanced Industrial Science and Technology/

Tokyo Institute of Technology

산소공여입자 성능개선 (반응성, 내마모성, 재생성)

산소공여입자개발 반응성해석, 공정개발 공정해석, 경제성평가

합성가스연소

스웨덴 SNA Chalmers University

산소공여입자 recipe 개발 산소공여입자 반응성 해석 순환유동층 수력학특성 해석 Royal Institute of Technology 공정해석, 경제성평가

노르웨이 NNRC

Norwegian University of Science and

Technology

산소공여입자 제조기술 개발 반응성해석

국제공동 연구

CCP (EU)

Alstom Power Boiler/

Chalmers University/

Consejo Superier de Investigaciones/

Vienna Univ. of Tech.

경제성 평가 & scale-up 공정개발 및 해석 산소공여입자 개발, 선정

유동화특성 해석 CCP : CO2 capture project (EU) / CNKRP : Chinese National Key Research Project

DOE : U.S. Department of Energy / MEW : Ministry of Education and Welfare in Japan NEDO : New Energy and Industrial Technology Development Organization

NNRC : Norwegian National Research Council / NSF : National Natural Science Foundation in China RITE : Research Institute of Innovative Technology for the Earth in Japan

SNA : Swedish National Administration / TEPCO : Tokyo Electric Power Co. in Japan

이 필요할 것으로 판단된다.

5. 향후 전망 및 기대효과

향후 기후변화에 대처하기 위하여 발전플랜 트에 CO2 분리회수 설비 설치가 필요할 경우 별도의 CO2 분리설비 없이 고농도의 CO2를 원천 분리할 수 있는 매체순환 가스연소 기술 과 같은 신기술의 필요성은 더욱 커질 것으로 전망된다. 특히 신규 소형열병합발전이나 집단 에너지 공급시스템 및 천연가스복합발전을 대 체할 것으로 전망된다. 우리나라도 소형 열병

합발전 기술을 기후변화협약 대응할 수 있는 수단 중 하나로 인식하고 있으며 전력부문에 있어서 계절별 전력수급조절 문제 해결과 계속 적인 발전소 건설에 따른 부지확보, 송변전 시 설 확충 및 막대한 재원 조달문제 등을 감안한 분산형 열병합발전 시대가 예고되고 있다.

일본의 경우, 2003년 정부에서 에너지 마스 터플랜을 정립하여 다양한 분산전원에 대한 계획을 제시하였고 2010년까지 가스엔진발전 10 GW 보급을 목표로 하고 있다.

중국의 경우 석탄을 사용하는 열병합발전이 중국 분산형전원의 근간을 이루고 있으며,

Table 3. 매체 순환식 가스 연소기술 특허 출원/등록 목록

출원/등록 번호 출원/등록일자 발명의 명칭 출원인 국적

5,447,024 1995.09.05 Chemical-looping combustion power gen- eration plant system

Tokyo Electric Power

Co. Inc 일본

6,494,153 2002.12.17 Unmixed combustion of coal with sulfur

recycle General Electric Co. 미국

6,572,761 2003.06.03 Method for efficient and environmentally

clean utilization of solid fuels General Electric Co. 미국 1983-0127819 1983.07.15 Reaction using oxygen carrier JGC corp 일본 1983-0133602 1983.07.23 Oxidative dehydrogenation gas JGC corp 일본

1992-0142363 1992.06.03 Chemical loop combustion type power generating plant system

Tokyo electric power CO.Inc, ISHIDA

MASARU

일본

1999-0148411 1999.05.27 Chemical loop combustion method power

generation plant system Toshiba Corp. 일본

10-2003-0079461 2003.11.11

매체 순환식 연소기를 위한 고온 안정성 및 고 산소 운반용량을 가진 NiO/NiAl2O4

구형 매체 물질 및 그 제조방법

한국에너지기술

연구원 한국

2006년까지 분산형 전원 중 열병합발전의 용 량은 45GW에 이를 것으로 예상되고 있다. 또 독일의 경우, 석탄을 원료로 사용하는 열병합 발전에 대하여 정부가 보조금을 지원한 결과, 열병합발전이 전체 발전에서 약 4%를 점유하 고 있으며 영국의 경우, 분산형 전원의 대부분 이 화석연료를 이용하는 열병합 시스템으로 2010년까지 10 GW 보급을 목표로 하고 있다.

미국의 경우, 산업용 열병합발전이 발전용량 기준 전체 분산형전원의 90% 이상을 점유하 고 있으며 2010년까지 열병합발전을 발전용량 의 20%에 해당하는 92 GW 보급을 목표로 하고 있다. EU의 경우 2001년 기준 소형열병 합 발전이 총 발전용량의 약 9%를 차지하고 있으며 2010년까지 총 발전용량의 18% 까지 확대할 계획이다[17,18].

매체순환식 가스연소 기술은 기존 천연가스 연소-발전 시스템과 달리 NOx 발생이 없으 며, CO2 분리를 위한 설비가 필요 없으므로 신규 천연가스 복합발전 플랜트 대체 플랜트, 소형 열병합 발전 및 집단에너지 공급시스템 으로 적용 및 보급이 예상되며 NOx 저감설비 기술 및 CO2 분리회수기술 분야에 대한 파급

효과가 클 것으로 예상된다. 또 기술 개발 과 정에서 얻어진 산소공여입자 제조기술(최적조 성개발, 대량생산기술, 성능평가기술)은 유사 한 흡수제, 촉매 등에 적용될 수 있으며, 공정 기술과 관련하여 가압순환유동층 설계, 운전 및 제어기술은 가압순환유동층을 이용한 여러 공정(발전, 탈황, 수소제조, CO2 분리회수)에 광범위하게 활용될 수 있을 것이다.

6. 결 론

이상에서 살펴본 바와 같이 매체순환 가스 연소 기술은 현 시점에서 저비용 CO2 회수기 술로 사용하기엔 기술 개발 및 실증 등 해결 해야할 문제들이 남아있지만 향후 기술 개발 을 통해 2025년 이후 기존 발전 방식을 대체 할 수 있는 잠재력 있는 기술로 고려된다. 특 히 국제적으로 외국에 비해 기술 격차가 크지 않아 매체순환 연소 시스템 및 산소공여입자 등 핵심 요소 기술 개발 및 실증을 통하여 국 내 고유 원천 기술 확보는 물론 가까운 미래 에 신규 소형 열병합 발전 시스템에 매체순환 가스연소기술을 우선적으로 적용할 수 있을

것으로 기대된다.

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% 저 자 소 개

이 중 범

경희대학교 화학공학 학사 경희대학교 화학공학 석사 고려대학교 생명화학공학 박사 한전 전력연구원 선임연구원