서론
최근 지구온난화가 가속화되면서 여러 자연재해가 잇따르고 있다. 화력발전소에서 배출되는 이산화탄소 는 지구온난화의 주요 원인물질이며 이러한 대규모 이산화탄소 배출 억제에 대한 유일한 대안은 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술이다. 이에 전 세계적으로 CCS 기술의 개발이 가속화되고 있다.
IEA 등 유력 기관의 보고서에서는 최근 10년 동안 본격적 산업적 활용을 현실적 대안으로 제시하고 있다.
CCS 기술 없이는 비용 효과적으로 2DS 시나리오1)를 달성할 수 없다는 판단 때문이다. 다만 현재 높은 수 준에 있는 CCS 비용을 크게 줄일 것을 요구하고 있 는데 CCS에 있어 크게 비용을 줄일 수 있는 분야는 CO2 포집 기술이다. 본 보고서에서는 이와 관련하여 CO2포집기술에 있어 비용을 줄일 수 있는 방안에 대 해 IEA-GHG(국제에너지기구 온실가스분야)에서 제시된 분석 자료를 완역하여 제시하고자 한다.
CO2포집기술의 비용 감축 방안
CO2 포집 플랜트를 설치하게 되면 포집공정에서 흡수탑과 재생탑 및 블로워 등 여러 대형 설비를 갖춰 야 하므로 발전소 설치비용이 크게 증가하게 된다. 특 히 흡수제 재생 공정에서 활용되는 에너지는 발전소
에서 만들어진 많은 에너지(스팀)가 소모된다. 또한 공정에서 분리와 재생 공정을 운용하는 과정에서 흡 수제 등 여러 자재가 필요하고, 폐수와 폐기물 등이 발생되어 처리하여야 한다. 이에 포집 공정의 상업화 단계에서 소요되는 포집 비용은 MWh당 35~46 파 운드로 추정하고 있다. 그러나 관련 기술이 진보되면 서 이 비용은 점차 낮아지고 있는데 앞으로도 계속해 서 비용 저감을 위해 다루어야 할 항목과 내용은 다음 과 같다.
- CO2포집공정 설비비용 - CO2포집공정 운영비용
- CO2포집공정의 에너지 페널티2)
1) CO2포집설비 최적 규모
향후 10년 이내로 예상되는 CCS 기술의 상용화 초 기 개발에서 CCS 기술은 전체 과정에서의 위험요소 를 최소화하기 위해 작은 규모로 추진될 가능성이 높 다. 또한 추가되는 초기에 CCS 설치 발전소(이하 CCS 발전소)의 전력비용은 상당히 높을 것으로 예상 된다. 그러나 CCS 기술들이 확립되고 성숙되어 가면 서 비용은 크게 줄어들 것이다. 이러한 환경을 위해 필요로 하는 CCS의 설치 규모는 현재 전 세계에서 설치되고 있는 발전소 수준에 해당하는 1 GW 정도
CO
2포집기술의 비용저감 방안에 대한 분석
장 경 룡
KEPCO 전력연구원 [email protected]
1. 2050년 까지 지구온도증가를 2℃ 이내로 제한하기 위해 36조달러를 추가적으로 투자해야하며, 이로 인해 100조달러 이상의 화석연료를 감축할수 있다는 시나리오
2. CO
2포집이 없는 발전소 대비 CO
2공정이 추가되어 나타나는 에너지 비용을 기술하기 위해 에너지 페널티란 용어를 사용한다.
에 해당된다. 또한 CCS 비용을 줄이기 위해서 필요한 요소는 다음과 같다.
- 발전소의 효율 상승
- 발전소의 자본 비용과 운영비용 감소 - 포집 설비의 규모의 경제
- 운송과 저장 부문에서 규모의 경제
어느 정도까지는 잠재적인 규모의 경제효과가 상당 할 것으로 간주되기 때문에 포집 설비의 구성요소는 크기가 클수록 더 좋을 것이다. 그러나 단기적으로는 CCS 발전소에서 요구되는 몇몇 핵심 설비와 시스템 에는 대규모 용량이 아직까지는 상업적으로 가능하지 않아 이러한 장점을 흡수하기가 어렵다. CCS 기술이 널리 도입되게 되면 보다 크고, 보다 비용 효과적인 부품개발에 따른 인센티브를 가지게 될 것이다. 규모 의 경제가 상당할 것으로 예상되는 설비의 사례는 공 기분리 장치, 이산화탄소 압축기, 펌프, 열교환기, column류 및 기화장치를 포함한다. 기술별로 최적 규 모가 다를 수 있지만 개별 부품에서의 규모의 이점은 해당 부품 자본비용의 25% 선이다.
규모가 큰 단위 설비 부품들은 일단 상업화가 되면 CCS 발전소의 자본비용을 낮추는 요소가 되겠지만 실패에 대한 리스크는 그만큼 올라갈 가능성이 있다.
그러나 플랜트가 일단 설치되어 가동이 시작되면 온 실가스 저감 효과를 확인하게 되면서 CCS가 보조금 을 받을 수 있는 자료를 확보하게 될 것이다.
2) 초기 플랜트 설계의 최적화 및 과잉 설계 축소 발전소 규모가 증가하는데서 오는 이점 외에, 1차 상업화 단계 프로젝트와 관련된 다른 비용은 기술 진 보가 없어도 2차, 3차 단계 프로젝트에서 줄어들 가능 성이 있다. 또한 프로세스, 설계, 엔지니어링 과잉의 축소 및 최적화는 포집 비용을 상당히 줄일 수 있다.
3) 비상시 소요되는 비용의 감소
CCS 발전소의 1차적 활용으로 운영 경험을 제공하
고 더 큰 규모의 발전소가 개발됨에 따라 발전소 설계 에서 특정 타입의 활용에서 오는 여러 비용을 줄일 수 있다. 최적화된 건설 방법의 정립 등으로 위험성이 줄 어들면 피상적으로 설정된 여러 비용이 줄어들게 된다.
이러한 환경은 경험이 축적되면서 점차 향상될 것이다.
그러나 다른 산업에서의 경험에 따르면 1차 활용 시 기에서 2차 시기로 넘어 갈 때 비용이 실제로 증가했 다가 추가로 활용되면서 다시 감소한다. 비용이 상업 화 활용의 초기 단계에서 기술표준이 지나치게 엄격해 증가하는 경우도 종종 있는 일이다. CCS는 다음 사항 들을 보장함으로써 이 함정을 피할 수 있으며, 2020년 대 초에 저비용을 달성하려면 반드시 피해야 한다.
- 발전소의 이익을 왜곡시키지 않고 CCS 없이 기 저부하 이하로 운전할 수 있도록 허용하는 시장 지원 방안
* 예를 들어 1차년도에 포집률이 79%밖에 관리 안 되는 발전소에 80% 달성 조건을 요구 한다면 시 장상황으로는 영향이 미미하지만 비용을 크게 증 가시킬 수 있다.
- 발전소 이익에 영향을 미치지 않도록 CCS 없이 최소한 일정 시간 발전소 가동을 허용하는 정책
* 초기 가동시 필수 포집률 낮추기
- 발전소 설계마진과 이산화탄소 품질 기준이 건강 과 안전(Health and Safety, H&S)을 보장
비상비용을 줄이는 프로세스가 얼마나 의미가 있을 지는 1차 상업 규모의 CCS 프로젝트 성과, 미래 라이 센싱과 허용 요구조건에 의존하기 때문에 살펴보아야 한다.
4) 포집설비와 발전설비의 효과적인 통합
최적의 엔지니어링을 통해 포집 설비와 발전소간 열적 통합 수준을 개선할 수 있다. 최적 온도 수준(즉 발전소에서 가능한 최저 등급의 열을 사용함으로써) 에서 스팀/열을 활용함으로써 포집시스템과 연관된 에너지 소모를 최소화할 수 있다. 그러나 이것은 아래
와 균형을 맞춰야 한다.
- 통합이 과잉으로 이루어지면 발전소 flexibility/
availability가 줄어들어 미래 시장에서 불리한 요 소가 된다.
- 효과적 통합의 기본적 전제 조건인 신뢰성이 통 합의 진행속도를 떨어뜨릴 수 있다.
초기의 프로젝트들은 유연성과 신뢰성을 유지하면 서 통합 극대화를 목적으로 하지만 최적화 여부는 불 확실하다. 실제로 일부 전문가들은 초기의 발전소 설 계에 있어 지나친 통합을 우려하고 있다. 따라서 발전 소 내 통합이 증가할 가능성이 있지만 그 범위는 2020 년대 초까지는 제한적일 것으로 생각된다.
자본 비용 최적화의 장점은 CCS 설비와 발전소 간 적절한 물리적 통합을 통해 이루어진다. 모든 물리적 요소의 최적 레이아웃을 검토하고 공조 배관작업, 유 틸리티, 파이프, 전선 설치 등과 같은 인터페이스를 최 소화한 CCS를 갖춘 발전소가 그 케이스가 될 것이다.
5) 포집 기술의 진전
일반적으로 기술 발전은 전 세계적으로 얼마나 많 은 발전소들이 설치되느냐의 함수가 될 것이다. 따라 서 더 많은 발전소가 가동되면 진보는 가속화될 것이 다. 반면 2020년 까지 소수의 프로젝트만 진행된다면 기술 발전의 속도는 느려질 것이다. 일반적으로 현재 와 2020년대 초 사이 기존 포집 기술에 상당한 개선이 예상된다. 새로운 발전소가 계속 나옴에 따라 2020년 대에는 모든 기술이 계속 진보해야 하지만 시간이 지 나면서 이러한 현 세대 기술의 비용은 자연적 한계를 맞을 것으로 예상한다.
6) 포집 공정 및 비용 개선
2020년대 초에 CCS 기술에 대한 경험이 쌓임에 따 라 현재의 포집 기술이 조금씩 개선될 가능성은 있다.
이러한 포집 기술은 주로 다음과 같이 정의할 수 있다.
- 연소 후 포집: 가스 또는 석탄 발전소에서 생성되
는 배가스에서 이산화탄소를 흡수하는 기술. 공정 에서는 아민 또는 암모니아 등의 흡수제를 이용함.
- 순산소 연소 포집: 공기 대신 산소를 이용하여 연 료 물질을 연소하여 스스로 이산화탄소가 농축되 는 포집 기술. 산소는 공기를 분리하여 얻음.
- 연소전 포집: 석탄이나 가스를 가스화 시키는 과 정에서 생성된 수성가스가 생성됨. 수성가스 중에 서 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시킨 다음 포 집하는 기술
7) 흡수제(예, 아민) 개선
기술개발자들이 MEA(MonoEthanolAmine) 같은 상용 흡수제를 사용하는데서 벗어나 연소후 포집에 맞춤형 개선 흡수제로 발전시키고자 노력하였으며 지 난 5년간 이미 상당한 성과가 있었다. 많은 기술 개발 자들이 현재까지 크게는 25% 정도의 성능개선을 이 뤄냈다. 추가 개선이 예상되지만 이러한 것들이 특정 공정에 정형화된 맞춤형 흡수제로서 잠재적 에너지 편익에 대해서는 흡수제의 공급 등 다각적인 검토가 필요하다.
- 대체 흡수제(예, 아민 대체재)
- 열 통합 및 전체 프로세스 최적화 같은 흡수 프로 세스 개선
- 연소 전 흡수에서 사용되는 물리적 흡수 프로세 스 개선
- IGCC 프로젝트의 운전 경험을 학습 및 반영 - Column packing, 열교환기와 이산화탄소 응축기
같은 핵심 설비 성과 개선
- 공기 분리 기술의 개선으로 인한 저 에너지 소비
상기 기술 중 어느 것을 사용하든지 이산화탄소를 포집하는 에너지 소비 수준에 있어 이론적인 에너지 하한이 있다는 것을 명심하여야 한다. 어떤 기술은 다 른 기술보다 좀 더 일찍 안정화 될 것이고 현재로서는 어떤 기술이 더 앞서 나갈 수 있을지 불분명하다. 전 문가들은 현재로서는 CCS 기술에 있어 유력한 기술
또는 연료의 종류 등이 확고하지 않으며, 장기적으로 CCS 시장을 개척하는 것이 저비용 등 개선을 추진하 는 최적의 방식이라고 믿는다.
8) 건설 자재 개선
포집 설비에서 사용되는 건설 자재 최적화를 통해 자본 비용을 낮출 수 있다. 2020년대 초까지 잠재적 비용 절감 방안은 다음과 같다.
- 운전경험을 통해 자재의 견고성과 내 부식성을 더 잘 이해함에 따라 저렴한 자재사용 (낮은 강철 의존도 포함).
* 콘크리트(특히, 흡수탑) 자재를 활용하여 30%
이상의 비용 절감, 흡수제 절감
* 저비용 강철 혹은 폴리머 사용
여러 개 단위를 가진 대규모 공장 건설 시 특정 부 품을 현장 외에서 제작 사용하는 것이 더 비용 효과적 일 수 있다.
9) CCS 공급 체계 개발
CCS 부품 공급 체계 개발에 따라 부품 비용을 끌 어 내릴 수 있다. CCS 시장이 형성되면 CCS에 대한 공급 체계가 형성될 것이다. 반면에 CCS 기술이 지나 치게 빨리 도입된다면 기존 공급 망으로는 CCS 프로
젝트 공급자의 부품 비용을 왜곡시켜 증가시킬 수 있 다. 개발된 공급 체계는 다음 요소를 포함하게 된다.
- 모든 설비(예, packings, 열교환기, 응축기 등)와 관련 원자재(예 강철)의 공급이 합리적 시간 내 수요를 만족시킬 수 있다.
- 설비 공급자간 적절한 수준의 경쟁이 효율, 혁신 을 촉진하고 궁극적으로 비용을 낮춘다.
- 표준화와 대량 주문이 가능하도록 제조업자의 증 설을 가능하게 해 최소 단위의 효과적 생산 규모 를 갖출 수 있게 한다.
그러나 초기 프로젝트에 설비 제조업자를 계속 참 여시키기 위해 인센티브를 제공하는 것과 비용을 낮 추기 위해 장기적으로 경쟁을 유도하는 것 사이에는 상호 대립된 관계가 있다. 표준화 역시 잘못된 표준으 로 이끌게 되면 다수의 개발자의 능력을 제한할 수 있 다. 공급체계의 개발로 인해 2020년 대 비용을 낮출 수 있는 수준은 얼마나 신속하게 CCS 공급망이 개발 될 수 있느냐와 규모와 관계가 있다.
10) 차세대 포집 기술
실험실 혹은 벤치 규모로 개발 중인 기술로 기술의 혁신성이 높은 차세대 포집 기술이 있다. 이러한 기술
그림 1. 포집 기술의 개선과 관련한 비용절감의 가능성 메커니즘 (2012년, ￡/MWh) (호스트 발전소 비용과 추가 연료비
용 포함).
들은 포집 비용의 큰 변화를 가능케 할 가능성을 갖고 있지만 현재 포집 기술과는 매우 다른 프로세스에 기 반하고 있다. 이러한 신기술이 개발되기까지의 소요 기간에 대해서는 전문가 간에 의견이 엇갈리지만 일 반적으로 상업화 적용까지 준비를 마치기 전에 최소 한 두 개의 단계를 거쳐야 한다고 보고 있다. 이런 이 유로 이런 기술이 실현되는 시기는 2020년대 후반에 야 가능할 것이다. 이러한 기술로서 논의되고 있는 기 술들은 다음과 같다.
- 배가스 재순환 같은 gas/CCGT 연소 후 포집 기술 - 순산소 포집 기술에서 비용 절감이 큰 새로운 산
소 분리 기술(막 분리) - Chemical looping
- Regenerative Calcium Cycle(RCC)
맺음말
[그림 1]은 개선된 포집 기술성과를 통해 접근 가 능한 비용 절감을 요약하고 있다.
전문가들은 2013년 초기 프로젝트의 발전 및 포집 비용이 MWh당 ￡116(여러 기술을 망라하면 MWh 당 ￡104~125 범위)에서 2020년에는 ￡96(￡
88~106)까지 떨어질 것으로 예상하고 있다. 2020년 대 후반 발전 및 포집 비용은 MWh당 ￡87(￡
82~93)까지 더 떨어 질 수 있다. CO2 포집 기술 비 용 감소는 예측이 어렵다. 또한 다른 부분과 함께 상 당하고도 경쟁적인 CCS 시장에 대한 공급 체계도 예 측이 어렵다. 이것이 비용 절감의 불확실성을 낳지만 많은 전문가들은 다른 기술의 이전 경험에 기초한 절 감액보다 훨씬 큰 절감 가능성이 있다고 생각한다.
참고문헌