1. 연구실 소개
한국생산기술연구원 청정에너지전환연구실은 저탄소 시대를 위한 깨끗한 에너지 생산과 활용을 위해 열화학적 전환(Thermochemical conversion), 유동층 기술(Fluidized bed technology), 수치해석 (Computational fluid dynamics)을 키워드로 하는 연 구를 수행하고 있다. 열화학적 전환은 열분해·가스 화·연소 등을 활용해 바이오매스·폐기물·화석
연료에서 청정에너지를 생산하는 것을 목적으로 하 며 최근 수행중인 주요 연구테마는 차세대 바이오 연료(Advanced bio-fuel), 블루/그린 수소(Blue/Green hydrogen), CCUS 연계를 위한 순산소 연소(Oxy- combustion)를 들 수 있다. 유동층 기술은 고체연료 의 변환에 주로 활용되며 바이오매스 기반 합성가스 및 열분해 오일 생산을 위한 시스템, CCUS를 위한 순산소 유동층 보일러 개발의 핵심기술로 활용되어 왔다. 최근에는 액체금속을 이용한 CO2-free 수소 생
이은도
한국생산기술연구원 청정에너지시스템연구부문 [email protected]
그림 1. FEP 융합연구단 사업 개요 .
연구실 소개
산 및 온실가스·미세먼지 저감에 기체-액체-고체 의 삼상 유동층 기술을 활발히 적용하고 있다. 수치 해석은 유동층 반응기 특성 평가를 위한 CFD를 중 심으로 연구하고 있으며 실험적 접근에 한계가 있는 유동층 시스템의 해석과 설계 검증에 매우 유용하 다. 현재 융합연구단 사업의 일환으로 순산소 순환 유동층 보일러(Circulating fluidized bed)를 대상으로 상용 CFD 프로그램과 함께 1D 수치해석 코드를 자 체 개발하고 있으며 3D CFD와 연계하여 해석 정확 성을 높이고 머신러닝을 통해 해석결과를 폭넓게 활 용할 수 있는 방안을 연구하고 있다.
2. 주요 연구 분야
2.1. 열화학적 전환기술을 이용한 청정에너지 생산:
바이오매스·폐기물 열분해, 가스화, 연소 화석연료는 그동안 발전, 수송 및 산업용 에너지 생산에서 중요한 역할을 담당해 왔지만 기후변화대 응을 위한 저탄소 사회에서는 바이오매스와 같은 탄 소중립 연료의 사용, CCUS 연계 등 온실가스 배출 에 대한 적극적인 대응 없이는 에너지 시장에서 더 이상 선택받을 수 없는 상황이다. 본 연구실에서는
’15년부터 국가과학기술연구회 지원으로 출범한 미 래선도형 융합연구단 사업인 FEP 융합연구단 (FEP CRC: Future Energy Plant Convergence Research Center)에 참여하여 “초청정·고효율 연료다변화형 에너지 생산시스템”연구를 수행 중에 있다. 그림 1 은 FEP 융합연구단 사업의 개요를 나타낸 것으로
CCUS와 연계 가능한 Oxy-CFB 발전 시스템 개발을 중심으로 화력발전 시스템이 당면한 핵심문제를 해 결하기 위한 다양한 융합연구가 진행되고 있으며 생 기원은 CFB 보일러의 수치해석 기술 개발을 담당하 고 있다.
그림 2는 그동안 개발해온 대표적인 바이오매스 기반 열화학적 전환기술을 나타내고 있다. 대부분 의 연구가 고체 및 액체 바이오매스 처리에 많은 장 점을 가지는 유동층 가스화 및 열분해 시스템 개발 에 집중되어 왔으며 여러 불순물, 낮은 에너지 밀도 를 가져 기존 에너지 시스템에 직접 활용하기 어려운 바이오매스를 합성가스 또는 액체연료로 전환하여 발전 및 수송용 연료로 사용 할 수 있다. 기포유동층 (Bubbling fluidized bed) 가스화기의 경우 현재 2MWe 급 전력 생산이 가능한 상용 플랜트 개발이 진행중에 있으며 순환유동층(Circulating fluidized bed) 가스화기 는 산업·발전용 대용량 가스화기 수요에 대응할 수 있도록 3MWth급 실증 플랜트 기술을 확보하고 있다.
이중유동층(Dual fluidized bed) 가스화기는 스팀을 가 스화제(Gasification agent)로 하는 간접 가스화(Indirect gasification) 방식으로 질소 함량을 최소화 하는 동시 에 높은 수소 수율을 얻을 수 있으므로 수소생산 공 정에 이용될 수 있으며 H2·CO를 이용한 FT(Fischer- tropsche) 촉매합성을 통해 신 바이오디젤(Advanced bio-diesel)의 생산이 가능하다. BtL(Biomass to Liquid) 기술로 대변되는 바이오매스 가스화 기반 수송용 연 료 생산은 이론적으로 1톤의 목질계 바이오매스를 활
그림 2. 바이오매스의 열화학적 전환을 통한 청정에너지 생산기술
(왼쪽부터 BFB 바이오매스 가스화 발전 시스템, BtL용 DFB 바이오매스 가스화기, 대용량 CFB 가스화 발전 시스템, 바이오매스 급속 열분해 시스템, 저급오일 가스화 발전 시스템).
용하여 200liter 내외의 디젤을 생산할 수 있으며 최근 수송 분야에도 저탄소 정책이 도입되면서 국내외에 서 다시 높은 관심을 받고 있다.
바이오매스 급속 열분해 시스템은 500도 내외에 서 바이오매스를 빠르게 열분해하여 70wt% 내외의 액상 바이오연료를 생산하는 기술로 에너지 밀도가 낮은 바이오매스를 손쉽게 액상연료화 하는 기술이 다. 여기서 생산된 오일은 최소한의 처리를 통해 선 박 및 보일러에 직접 활용될 수 있으며 기존 정유 설 비에 원유(Crude oil)와 혼합하여 Drop-in fuel1)을 만 들 수 있다. 마지막으로 저급오일 가스화 시스템은 급속 열분해를 통해 생산된 바이오오일, 폐식용유, 폐글리세롤, 폐유지 등을 이용하여 합성가스를 생산 할 수 있는 기술로 고체 바이오매스 대비 매우 컴팩 트한 설비 구성이 가능하여 경제성 있는 중소형 가 스화 분산발전 시스템 구축에 유리하다.
2.2. 유동층 반응기 수치해석: CFB 보일러 다차원 수치해석, 유동층 반응기 설계 및 운전 최적화 SW 개발, 수치해석 기반 머신러닝 기술 유동층 반응기는 앞서 소개된 에너지시스템 뿐
1) 기존 정유 공정에서 원유를 바이오 원료로 대체하여 기존 수송용 연료와 동일한 품질을 가지는 바이오 연료 생산기술
아니라 촉매를 활용하는 정유·석유화학 산업, 탄 소섬유 및 폴리실리콘과 같은 고부가 원료 생산, 철 강·비철금속·세라믹 등 고상·액상 소재 생산, 광 물, 음식물, 제약 등 다양한 산업에 활용되고 있다.
그러나 다양한 종류와 성상을 가지는 수많은 입자, 불투명한 원료(광학적 접근 불가), 다상물질 간의 상 호작용, 고온·고압 조건 등 다상유동 시스템의 복 잡성으로 인해 실험은 물론이고 수치해석 연구에도 많은 한계가 있어왔다. 한 연구 분야의 괄목할만한 진보를 위해서는 연구 방법론의 혁신을 통한 돌파구 가 필요하며 10년 전 CPFD사에서 출시한 유동층 전 용 CFD 툴(Barracuda)은 관련 분야에 신선한 충격을 주었고 유동층 수치해석 연구 활성화에 기여한 바 있다.
본 연구실에서는 이러한 상용 CFD 툴을 이용한 3D 수치해석과 함께 자체 개발한 1D 수치해석 프로 그램을 이용해 예측성능을 매우 향상시킨 다차원 해 석기법을 확립하였다. 그림 3은 융합연구단 사업의 일환으로 수행된 CFD 연구결과로 CFB 보일러를 대 상으로 1D·3D 수치해석을 동시에 수행해 상호 활 용할 경우 문제정의 단계부터 발생될 수 있는 오류 회피, 단순화된 모델의 한계를 보완하는 등 각 수치 해석 기법의 정확성을 크게 높일 수 있다. 한편 개발 된 수치해석 기술의 확산을 위해 사용자가 편리하게
그림 3. 유동층 반응기 수치해석 기술 및 활용(좌: 1D·3D 유동층 수치해석 사례, 우: 수치해석 기반 CFB 보일러 설계 및 운영지원 SW).
연구실 소개
사용할 수 있는 수치해석 기반 CFB 보일러 설계 및 운영 지원 소프트웨어(SW)를 개발 중에 있으며 완료 단계에 있다. 이는 GUI(Graphical user interface) 기반 의 SW로 1D 수치해석 프로그램을 손쉽게 사용할 수 있을 뿐만 아니라 모델 최적화(Model optimization), 매개변수 연구(Parametric study), 빅 데이터(Big data) 생성을 편리하게 구현할 수 있는 기능을 탑재하고 있 으며 여기서 생성된 빅 데이터를 활용한 머신러닝 연 구도 진행 중에 있다.
2.3. 액체금속을 이용한 신에너지 시스템 개발:
CO2-free 수소생산, F-gas 제거, NOx/SOx 제거, Acid 가스 제거, 열저장/열교환 시스템, CO2 전환기술
그림 4는 액체금속을 이용해 수행한 다양한 연구 결과로 액체금속을 이용한 신에너지 생산 시스템은 최근 가장 흥미로운 연구결과를 보여주는 분야이다.
수백도~수천도 사이에서 액상으로 존재하는 액체금 속은 기존 에너지 생산 시스템에서 요구하는 모든 열 화학적 전환 반응에 활용될 수 있다. 낮은 융점을 가
지는 액체금속은 기체·액체, 또는 기체·액체·고 체의 다상유동 시스템을 만들어주는 물리적 유동화 매체 역할을 하는 동시에 화학반응에도 참여하여 다 양한 기능성 물질(Multi-functional material)로의 역할 을 수행한다. 액체금속을 이용한 열분해·가스화 연 구를 시작으로 산성가스 제거, 과불화 화합물 제거, NOx/SOx 초미세먼지 동시제거, 열저장/열교환 시스 템, CO2-free 수소생산, CO2 전환에 이르기 까지 현 시점에서 환경 및 사회적으로 중요한 이슈를 해결할 수 있는 다양한 기초연구가 수행되었으며 대부분 기 대 이상의 효과를 보여주는 놀라운 연구결과를 확인 할 수 있었다. 이러한 연구 중 높은 파급효과가 기대 되는 주제를 중심으로 관련 기업과 공동연구를 추진 하고 있으며 각 연구주제에 관심 있는 기업 및 연구 그룹과의 협업을 항상 환영하고 있다.
3. 연구실 구성원
한국생산기술연구원 청정에너지전환 연구실은 한국생산기술연구원 본원(천안)에 위치하여 2021년
그림 4. 액체금속을 이용한 열화학적 전환기술 개발 사례.
1월 현재 3명의 정규직 연구원을 중심으로, 박사후 연구원 5명, 석사연구원 3명, 석박통합과정생 1명, 학부연구원 6명 등 총 18명으로 구성되어 있다. 기 계, 화공, 환경, 에너지공학, 컴퓨터 등 다양한 전공 자가 모여 융합연구를 진행하고 있으며 한전, 발전 사, 지역난방공사 등 다양한 에너지 공기업, 에너지
관련 중소·중견기업, 석유화학 전문기업, 환경전문 기업, 반도체 제조기업 등과 활발한 공동연구를 수 행하고 있다. 융합연구단 사업 참여를 위해 일부 인 원은 한국에너지기술연구원(대전)에 파견근무를 수 행하고 있으며 연구주제에 관심 있는 인턴, 연수생, 대학원생, 박사후연구원을 상시 모집하고 있다.
그림 5. 좌: 천안팀 연구원, 우: 대전팀 연구원.
