CCS 사업용 $CO_2$ 수송배관의 중요성 및 기술개발 현황

박 준 식 국립한밭대학교 신소재공학과 부교수 ㅣ e-mail : [email protected] 김 우 식 한국가스공사 연구개발원 수석연구원 ㅣ e-mail : [email protected]

이 글에서는 이산화탄소 포집 및 저장 기술에 반드시 고려되어야 하는 CO

의 이송에 관계되는 가스배관의 설계기술, 그리고 안전하고 신뢰성 있는 배관설계에 반드시 고려되어야 하는 중요한 인자를 소개하고자 한다.

최근, 화석연료를 사용하면서 발생되는 온실가스인 CO

는 지구온난화의 가장 큰 원인으로 주목되어, CO

를 저감하기 위하여 선진국 중심으로 다양한 노력이 수 행되고 있다. CO

포집 및 저장기술(CCS: Carbon Dioxide Capture and Storage)은 CO

를 화공적인 방법 으로 포집하여 해양 및 육상의 가스층, 등에 안정하게 저장하는 기술을 말한다. CO

저장에서 필요한 기술은 세 가지로 구분되는데, ① 화력발전소나 제철소 등에 서 배출되는 다량의 CO

포집기술, ② 포집된 CO

를 이 송하는 기술, ③ 이송된 CO

를 해양 및 육상에 저장하 는 기술로 나뉠 수 있다. 즉, 아무리 우수한 기술로 CO

를 포집한다고 해도 안전한 CO

이송 없이는 매우 큰 난관에 봉착할 수 있다. 이 글에서는 포집된 CO

를 이 송하는 데 필요한 배관설계의 필요한 요소인자에 대하 여 논의하고자 한다.

미국 등에서는 원유회수증진기술(CO

를 석유매장층

에 주입하여 석유의 회수량을 높이는 기술(EOR:

Enhanced Oil Recovery))에 사용되는 CO

를 이송하기 위하여 이미 약 3,000km의 CO

이송파이프라인을 건설 하여 사용하고 있다. 이러한 CO

는 CCS에서 발생하는 CO

보다 순도가 높고 다양한 불순물을 포함하고 있지 않지만, CCS에서는 상황이 완전히 다르다. CCS에서는 연소전/후 처리 등에서 화공적인 방법으로 CO

를 인공 적(anthropogenic)으로 포집하기 때문에 다양한 불순 물을 포함하고 있다. EOR에 사용되는 CO

는 매우 엄격 한 수준으로 오염도를 제한하고 있다. 여러 가지 불순 물의 상호작용으로 인하여 CO

내에 존재하는 황의 함 량은 EOR에서는 1,500ppm 이하로 제한하지만, CCS에 서는 완벽하게 황의 함량이 없는 가스의 이송을 제안하 고 있다. 얼마만큼의 황을 제어해야 하는지에 대하여 경제적인 측면을 고려해야 하므로 다양한 논의가 이루 어지고 있다.

CO

배관에서 가장 중요한 부식의 요인은 무엇일까?

수분(H

O)은 CO

부식에 매우 큰 영향을 미친다고 보 고되고 있다. 수분의 존재는 배관 안에서 수화물을 형 성하고, 형성된 수화물은 산도가 강한염(pH ~3)을 생성 함으로써 염을 통한 부식을 초래할 수 있다. EOR에 사 용되는 거의 모든 배관은 탄소강으로 이루어져 있고, 순수한 CO

에서는 일반적으로 강은 부식이 되지 않는 다. 하지만, 수분이 존재할 경우 습한 CO

에서 부식속

중요성 및 기술개발 현황

그림 1CO2 포집, 이송, 저장의 기본 개념도

도는 매년 1cm 정도가 된다. 가격적인 측면에서 부득이 수분이 포함된 CO

를 이송해야 할 경우에 비교적 단거 리 이송에서 부식에 강한 스테인리스 강을 사용해야 한 다. 이처럼 CO

안에 수분의 존재는 매우 안 좋은 영향 을 미침으로 물을 600ppm 이하로 조절해야 하며, 황화 물 등의 불순물이 존재할 경우 500ppm으로 제한해야 한다는 보고도 있고, 아직 명확한 데이터가 존재하지 않아 어느 정도까지의 수분이 존재할 경우에 배관이 안 전한가에 대하여 논란이 많다. 이러한 측면에서, CCS의 포집 후 이송 전에 수분건조기를 통과하게 해야 한다는 이론도 있으나, 경제적인 측면에서 또다시 문제를 포함 할 수 있음으로 수분건조기의 필수적인 사용에 대한 의 견은 아직 일치점에 도달하지 못하고 있다.

CO

이송에서 부식 가능성을 논의할 때에 배관을 주 입 CO

오염도와 수분(H

O) 상태에 따라 네 가지 종류 로 구별하는 것은 배관선정에 경제적일 수 있음으로 매 우 효과적이다.

A- 매우 적은 오염도, 극히 적은 물의 농도 B- 적은 오염도, 고용한보다 적은 물의 농도 C- 적은 오염도, 고용한 보다 많은 물의 농도 D- 많은 오염도, 고용도 보다 많은 물의 농도

A 영역은 일반적으로 촉매를 사용하여 추출하고, 다 양한 정화단계를 거치고 물의 농도를 낮추기 위하여 (500ppm) 가스를 조절한다. 실험실적으로도 대략 600ppm의 수분이 거의 부식을 초래하지 않는 임계치

라고 알려져 있다. 하지만, 100ppm의 수분도 심각한 부식을 초래한다는 보고도 있고 CCS용 배관에 대한 검 증은 되어 있지 않음으로 정확한 수준에 대하여 검증되 어야 한다.

B영역은 가스 상태가 배관의 H

O 고용도 안으로 제 한될 때이다. 실험실적으로 연구한 결과를 보면, H

O 수준이 임계치를 초과한 경우에 심각한 부식이 일어날 수 있다. 연구결과에 의하면, 부식속도는 오염도가 증 가할수록 증가하며, 정확한 오염도의 정도는 검증이 필 요하다.

C영역은 가스 조절기가 없을 때에 일어나거나 온도 와 압력의 변화에 의하여 매우 큰 변화가 있을 경우 일 어나며, 추가의 H

O 생성이 있을 때에 일어날 수 있다.

H

O가 특별한 상황에서 고용도를 초과할 경우에 산성 이 강한 수화물이 형성되어 심각한 부식을 초래할 수 있다. 특별히 오염도가 있을 경우 더욱 심각하다.

D 영역은 오염 제거가 불가능하거나 경제적인 이유 에서 불순물을 함유하여 이송할 때에 일어날 수 있다.

이러한 경우의 기록은 아직 없다. 기존 실험결과에 의

현존하는 CO2배관 새로운 CO2배관 EOR (원유회수증진) CCS (CO2포집/저장)

거의 순수한 CO2 불순물함유(포집방법에 따라 가변)

인구산포지역통과 인구밀집지역통과

안정된 수송 가변적수송(주입상황에 따라 가변) 표 1 현존하는 CO2배관과 새로운 CO2배관의 차이 그림 2CO2배관 누출실험

하면, 오염도는 7mm/year라고 보고된 바 있다.

어느 정도의 물이 CO

에 고용될까? 압력이 약 50~60 bar로 증가함에 따라 매우 급격하게 감소하고, 60~80 bar영역에서 빠르게 증가하며 그 이상의 강한 압력에서 는 약한 영향을 받으며, 온도가 감소함에 따라 물의 고 용도는 작아진다. CCS 배관이 고산지대나 한랭지와 같 은 온도가 낮은 지역을 통과할 경우, 물의 고용도가 낮 아져서 CO

는 습한 CO

가 되어 산성이 강한 수화물을 생성시킬 수 있어 배관부식에 치명적일 수 있다. 따라 서 CO

이송에서는 고용도뿐 아니라 온도와 압력을 동 시에 고려해야 한다. 이렇게 온도나 압력의 영향을 받 는 CO

는 어떠한 상태로 이송이 되는 것이 가장 경제적 일까?

CCS에서 포집된 CO

는 저장소까지 이송하기 위하여 당연히 높은 압력으로 이송을 하는 것이 효과적이다, 그 이유는 많은 양의 CO

를 이송할 수 있기 때문이다.

물은 대기 중에 0°C 이하에서는 얼고(얼음), 그 이상의 온도에서는 액상이며(물), 100°C 이상으로 가열하면 기 체(수증기)가 된다. 물과 유사하게 순수한 CO

는 온도 와 압력의 변화에 따라 상이 변화하게 된다. 즉, 상온에 서 압력이 올라 갈수록 가스, 액체, 고체(Dry Ice) 상태 로 상변화를 수반하게 된다. 매우 특이한 점은 31.1°C 온도와 73.9bar 이상 압력에서 초임계유체(Supercritical

fluid)라는 상이 형성된다. 이 초임계상은 물 밀도의 약 50~80%이고, 점도는 액상보다 약 100배 정도 낮다. 경제적인 측면에서, CO

이송은 고밀도상(액상 혹은 초임계상) 상태 로 이송하는 것이 매우 유리하다.

만약 가스상태로 이송한다면 동일 이송속 도를 달성하는 데 매우 큰 배관으로 이송을 해야 하므로 비경제적이다. 상온 저압에서 CO

는 가스상태이고, 고압에서는 기체 혹은 초임계상임으로 초임계상(혹은 액상)이 형 성되므로 초임계상으로 CO

를 이송하는 것 은 매우 효과적이다. CO

이송배관이 고산 지대 등을 통과하거나 지나친 장거리로 이송할 경우 압 력이 저하된다. 압력이 저하되면 액상으로 이송되던 CO

는 가스+액상으로 변화하게 되어 급격한 부피팽창 을 동반하게 됨으로 배관의 파열에 영향을 줄 수 있으 므로, 압력증가시스템(Booster) 등을 사용하여 일정한 압력을 유지하여 하나의 상이 배관 안에 존재하도록 하 는 것이 필요하다. 일반적인 EOR의 CO

이송에서 압력 은 86bar에서 150bar이고 온도는 4~38°C이다. 즉, CO

이송배관은 가스상태에서 CO

를 이송하는 것이 아니라 액체(혹은 초임계유체)를 이송하는 고압배관이다.

고압하에 고밀도의 액상이 운반되므로 CO

배관은 천 연가스(주로 CH

) 배관과는 상황이 완전히 다르다.

CO

배관이 균열이나 파손될 경우, 파손된 부위의 온도 는 급격히 낮아질 것이고, 급격한 부피팽창이 일어남으 로 고밀도 액상 CO

는 거의 폭발적으로 부피가 팽창될 것이다. 따라서 부분 파손이 있을 경우 빠른 속도로 배 관 파단이 일어날 것이다. 배관재료의 파괴제어는 배관 설계에서 매우 중요한 요소이다. 배관에서 파괴제어는

① 파괴초기 제어 ② 파괴전파 제어로 나뉠 수 있다. 파 괴전파는 많은 배관의 손실을 초래할 수 있는 매우 위 험한 현상이다. 하지만, 파괴전파의 제어는 배관 인성 이 전파되는 파단을 멈추게 하도록 충분히 높게 설계하 면 달성할 수 있다. 파괴전파를 제어 시에는 이송되는

그림 3순수한 CO2의 온도와 압력의 관계

가스액상, 2상용액, 고밀도 액상 혹은 액상인지에 대하 여 고려할 필요가 있다.

배관의 파단전파 제어는 CO

배관 설계에서 매우 중 요한 요소 중 하나이다. CO

배관은 천연가스배관보다 장거리 연성파단의 특징이 있을 수 있다. 그러한 파단을 막는 데 필요한 것은 최소 파괴인성(샤르피 V-notch energy)을 규정하거나 혹은 기계적인 크랙 방지기를 설 치하는 것이다. 파단전파의 제어는 CO

배관 설계 시 모 든 인자에 영향을 미치며, 배관지름, 두께, 순도, 샤르피 노치에너지와 같은 인자들을 포함하고 있다. 파괴가 진 행되는 구동력은 내부 압력이다. 크랙 전파를 막는 데 요구되는 인성을 결정하는데 여러 가지 모델이 있지만, 이중에 바텔 이중곡선평가법이 많이 알려져 있다.

바텔 이중곡선평가법은 파괴가 진행하도록 하는 구동

력인‘포화압력’과 파괴를 막는 재료의 필 요 인성인‘파단정지압력’을 얻은 후‘포화 압력’보다‘파단정지압력’을 크도록 배관 재료를 선택하면 균열 전파는 막을 수 있다.

‘포화압력’과‘파단정지압력’은 불순물의 영향을 많이 받음으로 검증되어야 한다.

배관재료의 선택에서도 불순물의 영향을 고려하여 배관을 선정해야 하고 CO

주입 시에 압력변화에 대하여 면밀히 검토하여 야 한다. 주입구에서 압력저하는 가스 상을 생성시킬 수 있고, 압력 변화는 물에 대한 고용도의 변화를 초래 하여 물을 생성시킬 수 있으므로 주입 시에도 많은 주 의를 기울여야 한다. CO

거동예측을 어렵게 하는 것은 불순물이 존재할 경우 임계점의 변화 및 액상선의 변화 등과 같이 CO

상변화에 대한 곡선이 완전히 달라진 다 는 것이다. 불순물을 제어하고 불순물 함량에 대한 상 태도의 검증은 우선적으로 수행되어야 한다.

CCS의 CO

는 불순물이 함유되어 있고, 발전소 종류 나 연소 정도에 따라 불순물 및 수분의 양이 매우 가변 적이고, 이러한 불순물(SOx, NOx, O

, H

S, H

O 등) 농 도차이는 배관재료 선정에 대한 불확실성을 초래하고, 가장 경제적인 방안을 제시하는데 매우 어려운 변수이 므로, 해외에서도 막대한 예산을 투입하여 CCS배관에 대한 연구를 수행하고 있다. 예를 들어, CO

PIPE TRANS이나 MATTRAN 등은 CCS 배관에 대한 연구를 수행하는 대형프로젝트이다.

CCS기술은 기후변화에 대한 대응기술이다. 기술적 측면이 매우 중요하지만, 막대한 예산이 소요되므로 정 부차원 혹은 사회적으로도 일치점을 찾아야 하는 중요 한 사항이다. 아울러 신뢰성 있는 배관의 설계기술은 결코 간과해서는 안 되는 매우 중요한 기술이다. 왜냐 하면, 고압액상 이송배관인 CO

배관이 인구밀집지역을 통과해서 설계되어야 할 것으로 예측되는데, 잘못된 배 관설계는 배관 파열, 곧 막대한 인적, 물적 손상을 초래 할 수 있기 때문이다. CO

배관 설계에 필요한 가장 기

그림 4배관 파괴의 제어 개념도

그림 5주입구에서의 압력변화

본적인 사항은 CO

의 불순물의 영향에 대한 고려와 불 순물이 존재할 경우 CO

의 상태변화에 대한 모델링 및 실험적 검증이 필요하고, 부식에 대응하기 위하여 배관 재료의 성분(최소 Cr 함량 등) 및 적합한 인성을 갖는 올바른 배관재료의 선택이 반드시 연구되어야 한다. 아 울러, CO

배관의 건전성에 대한 주기적인 평가를 위한 검사방안에 대한 규정도 제시되어 안정적인 CO

배관을 설계할 수 있도록 만전을 기해야 한다.

CO2배관 기술검토사항

개념설계 기계적설계, 안정화설계, 방식, 토목시공, 파괴저지 배관노선 기온변화, 한랭지, 지진등 환경영향고려

배관재료 파괴전파(CO2감압특성, 인성), 응력부식 CO2의 물리적 특성 상태방정식, CO2상 특성 모델링, 전이거동

수분기준 부식(불순물영향, 건조기준), 수화물생성 위험도 평가

누설모델링(배관안전) 조성영향, 압력저하 시 가스생성

배관건전성평가 검사방안, 기존인프라 재사용여부, 파손결과 CO2조성기준 기술적, 경제적 및 규격허용범위

(배관설계, 유동, 재료, 저장 등 고려) 표 2CO2배관 기술검토사항

기계용어해설

반콩팥와류(Anti-kidney Vortex)

한 쌍의 와류의 방향으로 인해 주유동이 막냉각 제트 아 래 표면으로 유입되는 kidney vortex의 반대 형태. 주유 동의 유입을 막아 막냉각 효율을 높인다.

볼트 예비하중(Bolt Pretension)

나사에 토크를 작용시켜 나사와 구조물을 체결할 때 구조 물이 압축되며 나사에 부가시키는 인장하중. 이로 인해 나사의 체결 및 밀봉성이 향상됨.

선회감속기(Swing Reduction Gear Box)

굴삭기 상부 선회체의 선회구동을 위하여 선회전동기에 서 발생된 회전력(torque)을 내부 유성기어열의 감속비 만큼 증폭 시켜 선회기어에 전달하는 역할을 함.

소듐-공기 열교환기

소듐냉각고속로(SFR)의 잔열제거계통에 설치되는 열교환 기로 일차측은 소듐-이차측은 공기의 열교환이 이루어지 는 기기

순차적 트리거(Sequential Trigger)

속도측정장치에서 만들어진 신호를 기준으로 계산하여 적정한 트리거신호를 일정 시간차로 발생하는 것.

열동력 파도(Thermopower Wave)

나노구조와 화학연료의 동축 구조를 제작하여 이를 점화 시켰을 때, 축방향으로 매우 빠르게 화학 반응이 전파되 며, 이와 동시에 높은 비출력을 가지는 화학-전기 에너지 를 생성할 수 있으며, 이러한 현상을 열동력 파도라 명명 한다.

앵커볼트(Anchor Bolt)

구조물을 기초 고정체에 정착시키기 위해 기초 속에 미리 나사부 이외의 부분을 매립한 볼트

양극(Cathode)

리튬 이온 전지는 크게 양극, 음극, 전해질의 세 부분으로 나눌 수 있는데, 리튬이온이 방전과정에서 이동해 가는 곳이 양극이다.

열발생률(Hear Release Rate) 연소에 의한 열 방출률

이중분사 막냉각(Double-jet Film Cooling)

원형 홀 두 개에서 분사된 두 개의 제트가 결합하여 형성

된 anti-kidney vortex로 인해 측면 방향으로 높은 막냉각

효율을 얻을 수 있는 막냉각 방식