[특별기획] 태양열화학적 에너지 생산을 위한 융합 공정 개발

현재 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석자 원들이 전세계 에너지 생산과 이용의 대부 분을 차지하고 있다. 그러나 화석자원들의 급격한 고갈에 대한 두려움, 온실가스, 미세 먼지 등의 전지구적 환경 문제 발생으로 인 해서 화석자원 시대에서 벗어나 고효율, 친 환경, 지속가능 에너지 사회로 나아가고 있 다. 새로운 지속가능 사회는 신재생에너지 를 중심으로 환경 영향을 최소화한 형태의 화석자원, 안전성이 강화된 원자력이 1차 에너지원을 이룰 것으로 예상되며, 전기 및 수소가 2차 에너지 및 에너지 저장 매체로 서 이용되는 제로 이산화탄소 에너지 사회가 될 것으로 예상하고 있다.

이에 따라 전 세계의 모든 국가들은 각국의 상황에 맞는 지속가능 에너지원 개발에 나서고 있다. 보다 높은 효 율의 태양전지, 낮은 풍속에서도 작동하는 풍력 터빈, 에너지 밀집도가 대폭 향상된 2차 전지 등의 기술개발에도 불구하고 기후 조건에 의존하는 재생에너지 전환은 현대 사회의 에너지 소비와는 맞지 않는다. 이를 극복하기 위하여 간헐적이며 분산된 재생에너지 전환에 MW급의 2차 전지 또는 수전해를 통한 수소 저장이 제안되어 시 험적으로 적용되고 있으나 서울과 같은 메가시티의 확산은 보다 안정적인 에너지 공급을 요구하고 있어 기존의 화석자원에 대한 의존도를 낮추기는 어려운 상황이다.

따라서 대용량의 에너지를 안정적으로 공급하면서도 환경에 대한 영향을 최소화할 수 있는 새로운 방식의 에 너지 생산 공정이 환경과 에너지와 관련된 난제들을 해결할 수 있는 기회가 될 것이다. 특히 지금까지 인류가 에 너지 또는 전기 생산에 지속적으로 이용해온 화석자원의 열화학적 전환과 재생에너지 저장의 융합은 현실적인 해법이다. 본 특별기획에서는 태양열을 입자에 저장시켜 기존의 열화학적 전환 공정에서 전력을 생산하는 태양 열화학적 전환 공정(Solar thermochemical conversion processes)들에 대해서 살펴보고 지금까지의 개발 현황 및 해결 과제들을 소개하고자 한다.

특 별 기 획

태양열화학적 에너지 생산을 위한 융합 공정 개발

이시훈 전북대학교 [email protected]

그림 1. 태양열화학적 에너지 전환 공정.

특 별 기 획 ( I )

1. 서론

산업구조가 고도화되고 사회가 발달함에 따라 서 세계 각국의 에너지 소비는 지속적으로 증가하 고 있으며, 이러한 에너지 수요를 충족시키기 위하 여 석탄, 석유, 천연가스로 불리는 화석자원들부터 태양광, 풍력과 같은 재생에너지자원들까지 다양한 에너지원들이 사용되고 있다[1]. 매년 발표되는 BP energy outlook[2]을 보면 전 세계의 에너지 시스템은 2가지 도전에 직면하고 있다. 이는 더 많은 에너지 를 요구하면서도 탄소를 더 적게 사용하는 것이다.

현재 전세계 인구의 80%가 100GJ/인의 에너지를 소 비하고 있다. 향후 전세계 인구의 30%만이 100GJ/인 의 에너지를 이용하게 된다면 전세계의 에너지 사용 량은 비약적으로 증가해야 한다. 그러나 이산화탄소 배출량을 2040년까지 45% 저감하려면 휘발유 및 경 유 기반의 자동차 이용 금지와 같은 매우 과격한 정 책이 시행되어야 한다.

증가하는 에너지 소비를 만족시키면서 동시에 이

산화탄소 배출을 저감하기 위해 전력을 생산 및 공 급하는 유틸리티 회사들은 전력 생산 전략을 서서히 변경하고 있다. 가장 널리 알려진 전략은 태양광, 풍 력, 지열, 바이오매스와 같이 탄소 배출이 거의 없는 재생에너지 자원들로부터 전력을 생산하는 적극적 인 전략부터 에너지 생산량당 이산화탄소 배출이 많 은 석탄에서 이산화탄소 배출이 상대적으로 적은 천 연가스의 이용을 확대하는 소극적인 전략까지 매우 다양하다. 이와는 별도로 기존의 발전 플랜트에서의 환경에 대한 영향을 저감시키고 유연성을 향상시켜 화력 발전 플랜트의 수명을 연장시키기 위한 노력도 지속적으로 하고 있다. 초초임계 증기 터빈, 초임계 이산화탄소 터빈, 순산소 연소, 바이오매스 혼합 연 소, 천연가스 혼합 연소와 같은 기술들이 발전 회사 들의 지원을 받고 있다. 발전 회사들이 이 같은 노력 들을 지속하는 이유는 비용효율적이면서 지속가능 하고 신뢰성있는 전력을 생산 및 공급하기 위함이다 [3-6].

태양열 저장 기반의 융합 발전 공정

이시훈

그림 1. 에너지 수요 증가 및 탄소 배출 저감[2].

특 별 기 획 ( I )

인류의 궁극적 자원인 태양광, 풍력 등의 재생에 너지자원들을 통해 얻는 지속가능 전력은 화석자원 들에 비해 비용경제적이지 않다. 또한 기후 조건에 따라 에너지 생산량이 크게 변동한다. 따라서 안정 적인 전력을 요구하는 현대의 전력 공급 및 이용 시 스템에는 적합하지 않다. 이와 같은 이유들로 인해 서 재생에너지 발전 시스템은 대용량의 전력 저장 시스템 개발이 연계되지 않으면 안정적인 전력 공급 을 위해 보조 발전 설비를 요구하고 있다.

전력 회사들이 요구하는 비용-효율적인 유틸리 티 규모의 전력 저장이 실현되지 않으면 재생에너지 자원들을 통해 생산되는 지속가능 전력은 전력망의 높은 가변성을 의미하고 전력 공급의 안정성을 훼손 하는 주원인이 된다. 26 OECD 국가들의 자료 분석 을 통해 10MW의 재생에너지 발전 시스템이 전력망 에 연계되면 대략 8MW의 백업 전력 시스템이 구비 되어야 한다[3]. 따라서 향후 상당기간 동안 화석자 원들은 여전히 전세계의 전력 생산에서 중요한 역 할을 지속할 것이며 신뢰성있는 저비용 전력 생산을 담당할 것이다. 그러나 지구온난화를 위시한 환경

문제들에 대한 사회 구성원들의 관심이 증가하면서 환경 유해 물질 배출을 획기적으로 저감시키는 기술 들이 적용되지 않는다면 화석자원들의 이용은 BP에 서 예측한 바와 같이 지속적으로 감소할 것이다. 이 에 본 고에서는 재생에너지 자원인 태양열을 기존의 화력 발전 공정에 직접적으로 융합하는 새로운 공정 의 개발에 대한 내용을 정리하고자 한다. 특히 발전 플랜트에 설치되는 태양광 패널들과는 다르게 전력 생산을 위해 증기 터빈을 직접적으로 이용함으로써 안정적인 전력 생산을 가능케하는 혁신적인 태양열 화학적 융합 공정에 대해서 소개하고자 한다.

2. 태양열 발전 공정

재생에너지 기술들 중에서 풍력과 태양광 발전은 현재 급진전을 보이고 있다. 태양 에너지의 경우, 태 양의 복사 에너지를 이용하는 다수의 공정이 존재한 다. 가장 일반적인 공정은 태양광발전이며 복사 에 너지를 직접적으로 전기로 전환한다. 다른 형태는 태양열을 이용하는 공정으로 일반적으로 집중 태양 열 발전 방식으로 이용되며 복사에너지로부터 열을 생산한다(그림 2 참조).

CSP 시스템은 일반적으로 태양의 움직임을 자동 적으로 따라가는 다수의 렌즈들 또는 거울들에 의존 한다. 이는 넓은 면적의 태양빛을 작은 면적으로 집 중시키는 광선(Beam)을 통해 열을 생산한다. 모든 형태의 시스템들에서 작동 유체(고온 기름 도는 용 융염들)가 집중된 태양빛에 의해서 가열되고 전통적 인 스팀 터빈/발전 시스템에서 이용되는 스팀의 가 열에 이용된다. 태양에너지 수집 시스템에 추가하여 독립적인 CSP 플랜트는 전통적인 발전 플랜트에 비 해서 보다 많은 부속품들을 요구한다[3, 6].

다수의 태양열 수집 시스템들이 상업적으로 이용 되고 있으며 몇몇의 공정들은 다른 공정들보다 효과 적이다. 단일 지점 집열기(single point receiver)로 태 양빛을 집중시키는 이축 트랙킹을 이용하는 시스템 들은 선형 초점 시스템들보다 효과적이다. 이와 같 은 시스템들은 보다 높은 온도에서 작동하고 더욱

그림 2. 타워 기반의 태양열 발전 플랜트(Foster Wheeler Power Group)[3].

특 별 기 획 ( I )

효과적으로 전력을 생산한다. 태양에너지를 이용하 는 다양한 설비들에 대한 비용을 분석한 자료를 보 면 모든 설비들에서 비용이 감소하고 있으며 2050년 이 되면 100$/MWh 이하가 될 것으로 예상하고 있 다. 이산화탄소 포집 비용($/tCO2)은 160$까지 상승 할 것으로 예상되어 화석연료들과 경쟁할 수 있을 것으로 IEA는 예상하고 있다. IEA는 태양 기반의 시 스템이 2050년에는 가장 큰 에너지 자원이 될 수 있 을 것으로 제안했다[3].

3. 태양열 저장 기반의 융합 발전 공정

전통적인 화력 발전 설비와 태양열 에너지를 융 합하는 개념의 새로운 공정도 다양하게 개발되고 있 다. 새로운 융합 공정은 기존 또는 새로운 화석 연료 기반의 발전 플랜트들로부터 생산되는 저비용의 전 력과 재생에너지를 연결시키는 방법을 제공해준다 (그림 3참조). 적합한 지역에서 태양 복사 에너지는 포집되어 기존의 화력 발전 플랜트들에서 이용되는 증기를 생산하도록 이용된다. 이와 같은 시스템에서 태양열 에너지는 고온 고압의 증기를 생산하기 위하 여 사용된다. 이를 통해서 전력 생산이 대폭 증가하 거나 또는 화석연료의 사용량이 저감된다.

대부분의 태양열 발전 플랜트 설계는 전통적인 화력 발전 플랜트(500℃ 또는 그 이상)에서 사용되는 증기 온도보다 낮은 300-400℃에서 운전된다. 따라 서 태양열이 수집되는 과정에서 얻어지는 증기의 온 도는 증기 터빈에서 운전되기에는 부족하다. 태양열 을 통해서 생산된 증기를 직접적으로 터빈에 공급하 는 것은 플랜트의 총괄효율을 증가시킬 수 있으며, 이 방법은 하나의 해법이 될 수 있다. 그러나 태양열 을 통해서 생산된 증기의 조건들은 석탄 화력 증기 터빈에서의 증기 조건에 부합하지 않기에 이를 해결 하는 것은 하나의 과제가 되었다. 직접적인 증기싸 이클로의 이용 대신에 태양열 에너지는 보일러에 주

그림 3. 태양열 저장이 연계된 융합 공정의 에너지 이용.

표 1. 태양광 및 태양열 전력 생산 비용 비교.

cost(US$/MWh) 2013-15 2020 2030 2040 2050

Utility scale PV

Minimum 119 96 56 45 42

Average 177 133 81 68 54

Maximum 318 250 139 109 97

Rooftop PV

Minimum 135 108 63 51 45

Average 210 157 102 91 78

Maximum 539 422 231 180 159

Solar thermal electricity

Minimum 146 116 86 69 64

Average 168 130 98 77 71

Maximum 213 169 112 101 94

CO2 price(US$/tCO2) 46 115 152 160

특 별 기 획 ( I )

입되는 열을 보조적으로 가열하기 위하여 사용될 수 있다. 태양열이 공급수의 온도를 가열시키면 터빈에 공급되는 열량을 저감시키게 되고 이는 화석연료의 사용량을 저감시키면서 전력 생산을 증가시킨다 (그 림 4 참조).

그림에서 보듯이 태양열로부터 생산된 증기를 전 통적인 화력 발전 플랜트와 연계시키는 방법들은 다

양하다. 사용하는 태양열 집중 시스템의 형태에 따 라서 작동하는 온도 영역이 달라질 수 있으며 이로 인해서 영향을 받을 수 있다. 따라서 태양열 집열기 와 증기를 연결시키는 후보 단위 공정들은 공급수 가열 공정, 저압 재회수 증기 공정, 고압 증기 공정 등이다. 파워 타워 시스템과 트로프 시스템들의 융 합 방안들도 비슷하나 주증기 시스템과 같은 고온

그림 4. 태양열 저장이 연계된 화력 발전 플랜트[3].

그림 5. 고압 증기를 가열하는 태양열 발전 플랜트.

특 별 기 획 ( I )

영역에도 연결이 가능하다. 밀집형 선형 프레스넬 반사기들을 이용하는 시스템들은 공급 수 가열, 저 압 재회수 공정에 적용될 수 있다. 그러나 가장 유력 한 융합 공정은 보일러 공급수의 가열, 예열기 상부 의 공급수 가열, 중압 터빈 또는 고압 터빈 용 증기의 생산이다 (그림 5 참조). 이미 가동되고 있는 화력 발 전 플랜트들 중의 몇몇은 이미 생산 증가 모드(Boost mode)를 채택하고 있어 융합화(Hybridisation)에 적합 하다. 터보 발전기는 용량의 여유가 있기 때문에 효 율의 페널티없이 고압의 증기 추출을 닫는 것이 가 능하다. 현재까지 공급수의 가열은 다수의 프로젝트 들에서 진행되고 있다. 싸이클의 효율을 향상시키기 위하여 화석연료 기반의 발전 플랜트들에서 공급수 는 보일러에 공급되기 전에 예열된다. 고압의 증기 를 이용한 예열 공정을 태양열로 완전 또는 부분 대 체를 함으로써 예열된 물이 유지됨과 동시에 더 많 은 증기가 터빈에 공급됨으로서 터빈의 출력량을 대 폭 증가시킬 수 있다.

발전 회사들이 널리 확산된 태양광 발전보다 태 양열화학적 하이브리드 발전 공정을 더욱 매력적으 로 검토하는 것은 기존의 전력망에 연계된 발전 시 스템과 상당 부분 공유할 수 있어 시스템 개발 또 는 건설비용을 저감시키면서 환경 및 에너지와 관련 된 다양한 문제들을 해결할 수 있는 길을 만들어 주 기 때문이다. 하이브리드 공정의 전력 비용은 독립 적으로 개발되는 집중 태양열 발전 설비의 1/3에서 1/2 사이이다. 또한 태양광 발전 설비에 비해 요구되 는 토지 사용량도 일반적으로 낮다. 태양광 발전은 에어콘과 같은 설비들의 운전에 따른 전력 수요량이 최고가 될 때에 전기를 생산하기 때문에 변동 부하 에 대처할 수 있다. 따라서 최고 부하 상태의 전기 비 용을 저감시켜 줄 수 있다.

융합 발전 공정의 또 다른 장점은 태양광 발전 설 비와 비교하여 전력 생산의 변동을 저감시킬 것이다.

기후 조건들의 변화에서 기인한 급격한 전력 생산 증 가 및 감소를 최소화시키고 단전의 한계를 감소시켜 준다. 많은 열 발전 플랜트들은 증기의 양과 압력에

따라 전력 생산량을 변동시킬 수 있으며 유틸리티의 특수한 수요를 최적화시켜 줄 수 있다. 규제로 인해 온실가스 배출량을 저감시켜야 하는 플랜트에서 융 합화는 탄소 포집 및 저장(Carbon capture and storage, CCS)보다 저렴하게 선택이 될 수 있다. 더불어 다른 종류의 오염물들 배출도 저감시킬 수 있다. 융합 발 전 공정의 장점을 정리하면 다음과 같다.

- 높은 투자 비용은 연료 소비 감소 또는 출력 증가 로 인해서 상쇄된다.

- 2가지 기술들의 융합은 기존의 화력 발전소의 ‘녹 색화’를 가능케 한다.

- 융합화는 항상 기저 부화와 최고 부하에 전력을 제 공하게 해준다. 전통적인 열용량(열저장 기술 사용 과 미사용 모두 해당)에 추가된 집중 태양열은 추 가적인 용량도 가능케 해준다.

- 융합 기술들은 저비용으로 재생에너지 포트폴리 오와 이산화탄소 배출 저감 목표를 달성시키도록 도와준다. 동일 용량인 경우 Capex가 낮다.

- 기존의 화석 연료 플랜트 부지에서 적용된 태양열 기술은 프로젝트 개발 시간을 단축시키고 전력 연 결 비용을 저감시켜 준다.

- 태양열 첨가는 화석연료의 수요를 저감시키고 MWh당 플랜트의 오염물 배출량과 연료 비용을 저감시킨다.

- 태양열 첨가는 전력 수요가 최고인 시기에 플랜트 의 출력을 증가시킬 수 있다. EPRI에서 수행된 연 구 결과에 따르면, 태양 트로프(Solar trough)가 증 기 싸이클에서 필요한 에너지의 20%를 제공할 수 있다.

- 융합화는 발전 플랜트의 회재 처리 용량을 감소시 키고 필터, 밀, 파쇄기와 같은 고체물 처리 부하를 감소시킨다. 또한 필터 및 전기 집진기의 성능 향 상을 회피하게 해준다.

4. 기술개발 동향

태양열 저장이 연계된 융합 발전 공정은 서로다

특 별 기 획 ( I )

른 조건들에 따라서 영향을 받지만 환경에 대한 영 향을 낮추면서 신뢰할 수 있는 저비용 전력을 제공 할 수 있다는 장점으로 인해서 많은 회사들이 개 발을 진행하고 있다. 세계적인 발전 설비 회사인 Alstom power(현재 GE에 소속됨)사는 태양열을 기존 의 화력 발전 플랜트에 연계하기 위하여 기술을 개 발하고 있다. 이 회사는 기존 발전 플랜트의 개조를 제안하였으며 이를 통해 연료를 저감하거나 전력 생 산량을 확대할 수 있다고 하였다. 융합 발전 공정은 장래에 주요 발전 설비로서 시장에 제공될 것으로 예측하고 있다. 태양 에너지 관련 기술들을 개발하 는 독일의 Flagsol사는 200-400MW 규모의 태양열 발 전을 대형 석탄 화력 발전 플랜트가 가능케 할 수 있 다고 믿고 있다. Siemens사는 중동, 북아프리카, 멕 시코, 미국, 중국 등에서 천연가스-집중 태양열 하이 브리드 공정을 검토하고 있다. VTT사는 석탄과 바이 오매스를 이용한 발전 플랜트에 태양열 공정을 결합

하는 가능성을 검토하고 있다. 이외에도 Areva Solar, Mitsubishi-Hitachi Power System 등도 유사한 형태의 태양열 발전 설비를 검토하고 있다[3].

미국의 EPRI(Electric power research institute)는 유 틸리티 규모의 융합 발전 공정을 개발해오고 있다.

세계 최초의 하이브리드 공정으로 알려진 미국 콜로 라도주의 카메오 발전소(Cameo Generating Station) 프로젝트는 파라볼릭 트로프 기술을 사용하여 진행 되고 있다. 2010년에 가동에 들어갔으며 태양열에 의 해서 얻어진 에너지는 49MW의 석탄 화력 설비에 공 급된다. 미국의 EPRI는 융합화가 비용을 절약할 수 있는 잠재력이 있지만 유틸리티 규모의 경제성을 확 보하기 위해서는 태양 강도가 중요한 인자가 될 수 있다고 발표한 바 있다. 호주 퀸스랜드 지역의 Kogan Creek 발전 플랜트는 750MWe의 초임계 석탄 화력 설비에 44MW의 태양열 설비를 연계할 계획을 수립 하였다. 1억1천만불의 투자비가 들어가는 이 프로젝

그림 6. 태양열 저장 매체를 이용한 융합 발전 공정[8].

특 별 기 획 ( II )

트는 세계에서 가장 큰 석탄-태양 하이브리드 발전 프로젝트이다. 270-500℃의 고압 증기 사용에 프레 스넬 기반의 태양열 기술을 이용하였으나 실제 상업 화를 위해서는 넘어야할 과제가 아직 많이 남아 있 다[3].

분명하게 태양에너지 기반의 시스템들은 태양빛 이 충분한 지역들에서 효과적으로 작동할 수 있다.

태양열 저장이 연계된 융합 발전 공정을 위해 추가 로 요구되는 것은 태양열을 수집하는 시스템을 위해 필요한 기존의 발전 플랜트에 인접한 토지이다. 또 한 태양열을 저장하는 매체가 기존에 연구된 증기, 용융염에서 벗어나 고체로 확산되기 위한 적용 연구 도 필요하다. 그러나 많은 유틸리티 회사들이 요구 하는 안정적인 전력 생산을 위해서는 단순히 증기 터빈 싸이클로의 접근이 아니라 대용량 에너지 저장 이라는 관점에서 새롭게 진행되어야 할 것이다. 미 국 NREL에서 제안한 고체 입자를 이용한 태양열저 장을 이용한 발전 공정[8]을 보면 기존의 증기 싸이 클로의 접근이 아니라 대용량 열저장이라는 보다 적 극적인 에너지 저장 개념이 접목되어 있다. 이에 따 라 증기 싸이클 기반의 융합 발전 공정보다 경제성 을 더욱 향상시킬 것으로 예상된다.

참고문헌

1) Gwak et al., Analysis of oxygen combustion characteristics of a low grade coal using IEA-CFBC model, Korean Chem. Eng. Res., 56, 631-640 (2018).

2) BP, BP energy outlook 2019 edition, www.bp.com (2019).

3) Mills, S., Combinging solar power with coal-fired power plants, or cofiring natural gas, IEA Clean Coal Centre, London, United Kingdom (2018).

4) Almendros-Ibaňez, J.A., Fernandez-Torrijos, M., Diaz- Heras, M., Belmonte, J.F., Sobrino, C., “A review of solar thermal energy storage in beds of particles: Packed and fluidized beds”, Solar Energy, https://doi.org/10.1016/

j.solener.2018.05.047

5) Lee, S.H., Lee, J.M., “Introduction and current status of ultra supercritical fliudized bed boiler”, KEPCO J. on electric power and energy, 2, 211-221 (2016).

6) Verdolini, E., Vona, F., Popp, D., Bridging the gap: Do fast reacting fossil technologies facilitate renewable energy diffusion?, National Bureau of Economic Research (NBER) Working Paper No. 22454. USA, Massachusetts (2016).

7) http://www.power-eng.com/articles/2016/08/ (Title:

Study says renewable power still reliant on backup from natural gas).

8) Z. Ma, M. Mehos, G. Glatzmaier, B. B. Sakadjian, Development of a concentrating solar power system using fluidized bed technology for thermal energy conversion and solid particles for thermal energy storage, Energy Procedia, 69, 1349-1359 (2015)

집광형 태양열 발전 시스템용 태양열 입자 흡열기 기술

김성원

[email protected]

1. 서론

산업계에서의 막대한 에너지 사용에 의한 환경적 영향을 줄이기 위해, 기업들은 신재생에너지를 이용 하려는 노력을 지속적으로 기울이고 있다. 다양한 신재생에너지 중에서, 태양 에너지는 공정에 적용

가능한 유망한 에너지로서 가장 주목받고 있다[1].

태 양 광 을 에 너 지 로 변 환 하 는 기 술 은 크 게 PV(Solar photovoltaic energy) 전지에서 직접 전력 으로 변환하는 기술, 집광을 통해 전력을 생산하는 CSP(Concentrating Solar Power) 기술 및 태양열 에너 지를 이용하여 직접 또는 간접적으로 가열 및 냉각

특 별 기 획 ( II )

에 적용하는 SHC(Solar Thermal Collectors for heating and cooling) 기술로 구분된다. 현재까지 화석연료 소 비에 매우 높은 분율을 차지하는 발전 부문에서의 이산화탄소 배출 저감을 위해 PV 기술 및 CSP 기술 위주의 많은 진전이 있어 왔다. 그러나, 최근 1차 및 2차 산업(농업, 화학, 제지 등)은 물론, 석탄 발전 및 정유산업의 기존 시스템에 스팀 또는 연소용 공기의 예열[2]과 같이 250 - 300 도씨 이하의 중·저온 에너 지 생산을 적용하는 하이브리드 시스템에 이르기 까 지, 다양한 방식의 태양열 에너지 이용에 대한 관심 이 집중되고 있다[1,3].

태양열 에너지를 활용하기 위한 SHC 기술은 크게 태양광을 모으는 집광기술(렌즈 영역)과 모아진 태 양광을 전달 매체 (Energy carrier)에 전달하는 태양열 흡수기 시스템 기술로 구분할 수 있다.

집광 기술과 관련하여, 그림 2와 같이 필요한 온도에 따라 고정형/이동형 Parabolic dish 로부터

Fresnel lens 까지 다양한 집광시스템이 가능하며, 열 공급이 가능한 linear fresnel 형은 시장 점유율이 확 대되고 있는 추세이다. 최근에 태양광 발전에 적용 되는 heliostat 방식은 초고온을 얻을 수 있는 첨단기 술로 분류될 수 있다.

집광 시스템을 통한 고온의 태양열을 매체에 전 달하는 방식은 직접 조사 방식과 간접 조사 방식으 로 구분될 수 있고, 현재까지 발전용 전열 방식은 tube를 가열하여 tube 내 염(salt) 또는 수증기를 간접 적으로 가열하거나(열교환기 방식), 태양광이 조사 되는 투명관 내 수증기 또는 기체를 가열하는 방식 이 주로 채택되고 있다. 그러나, 간접 열교환기 방식 은 열전달에 있어 전열 저항의 증가로, 열전달 효율 이 떨어질 수 있다. 수증기 또는 기체에 대한 직접 조 사 방식 또한, 매체의 열 흡수능이 떨어져 조사된 태 양광 에너지가 효율적으로 전달되기 어렵고, 고온에 서 흡열기(reciever)가 녹을 수 있어 흡열기 운전온도 의 한계가 존재한다[4]. 이에 따라, 최근에 상기 단 점을 보완하고, 중·저온은 물론 고온에서의 태양열 흡열을 위한 전열 매체로서 입자를 이용하는 입자 흡열기 (particle receiver) 기술이 제안되고 있다. 본 고에서는 태양광 열에너지를 흡수하기 위한 입자 흡 열기에 대한 기술과 연구 현황을 소개하고자 한다.

그림 1. SHC(Solar Thermal Collectors for heating and cooling) system.

그림 2. Type of solar collector[5].

특 별 기 획 ( II )

2. 태양열 입자 흡수기

지금까지 다양한 형태의 입자 흡수기가 제안되 어 왔고, 이들 중 기술적으로 진보된 입자흡수기는 그림 3과 같이 분류될 수 있다[6]. 하기 분류에 있어, 태양광이 직접적으로 입자에 조사되는 형태를 직접 조사형 흡수기 (directly irradiated receiver)라 하고, 일차적으로 다른 매체에 조사되고, 이 매체로부터 입자에 열이 전달되는 형태는 간접 조사형 흡수기 (indirectly irradiated receiver)로 분류된다.

2.1 직접 조사형 흡수기

2.1.1 자유 낙하 입자 흡수기

자유 낙하 입자 흡수기는 1980년대 개발된 것으 로, 흡수기 상부로부터 자유낙하하는 입자들에 태 양광을 조사하는 형태이다. 개발 초기에 입자의 온

도는 250도씨 정도 였으나, 최근에는 조사되는 태양 광에 노출되는 시간 증가를 통해 650 도씨 이상의 온도를 얻을 수 있다[7]. 최근 미국 Sandia National Laboratory는 자유 낙하 입자 흡수기를 이용한 1MWth 급 태양광 발전 데모플랜트를 건설하여 700 도씨의 흡수기 내 입자온도 도달을 통해 50 – 80%

열효율을 얻을 수 있었다. 추가적인 고온의 열을 얻 기 위해서는 태양열 집광기의 개수와 입자의 태양광 노출 시간의 증가가 필요하여, 이를 위한 추가적인 연구가 필요한 실정이다.

2.1.2 흐름 방해 형 입자 흡수기 (Obstructed particle receiver)

흐름 방해 형 입자 흡수기는 하강하는 입자흐름 에 대해 흐름 방해판을 설치하여, 방향전환 및 충돌 등 속도 감소 유발을 통한 태양광 노출시간을 증대

그림 3. Classification of solid particle receiver

그림 4. 미국 NewMexico 주 Sandia National Laboratories 의 National Solar Thermal Test Facility[7].

특 별 기 획 ( II )

시키는 형태이다. 이러한 형태의 흡수기 설계에 있 어, 다공성 구조물 및 수평관 다발, 회전형 구조물 등 다양한 형태가 제안되어 왔으나, 입자의 마모 또는 흡수기 내 입자 층 내 온도 불균일성 등의 문제가 개 선되어 져야 한다[7].

2.1.3 회전 형 킬른 흡수기 (Rotating kiln receiver) 회전 형 킬른 흡수기는 그림에서와 같이 킬른 내 입자를 원심력에 의해 회전시킴으로써 태양광에 노 출되는 시간을 증대시키는 형태이다. 독일 항공우주 센터에서 기초 설계자료 확보를 위해 다양한 테스트 를 수행하였고, 75%의 효율로 900도씨의 입자 온도 를 얻을 수 있었다[8]. 그러나, 입자 흐름속도의 균질

성 및 흐름량, 과도한 투자비 등은 상업화를 위해 해 결해야 할 문제이다.

2.1.4 유동층 입자 흡수기 (Fluidized particle receiver) 유동층 입자 흡수기는 그림 7과 같이 유동층의 독 특한 성질인 효율적인 고체입자 혼합특성에 의한 높 은 열전달 특성을 이용한 기술로 1980 년대 Flamant 등[9]이 선도적으로 연구를 수행하였고, 실리콘 카바 이드 입자를 이용한 흡수기 실험을 통해 약 1100 도 씨의 고온에 도달하였음을 보고한 바 있다. 그러나, 입자의 유동화라는 특성 상, 입자의 선정이 중요하 며, 흡수된 열의 전달을 위해 입자의 연속적이며 대 량 이송은 해결해야 하는 문제로 판단하였다. 더욱 최근에는 중국 과학원 연구자들이 석영 유리관 내

그림 5. Configuration of obstruction plate in the receiver[7].

그림 6. Principle of Rotating kiln receiver.

그림 7. Principle of fluidized particle receiver.

특 별 기 획 ( II )

실리콘 카바이드 입자를 유동화시켜 광조사를 통해 600 도씨 이상의 온도를 흡수기 내에 10도씨 이내에 서 유지시키는 결과를 발표하였다[10]. 그러나, 유동 층 반응기를 이용한 흡수기는 입자 마모에 의한 미 세입자 발생 등 입자손실과 태양광 조사창에 미세입 자의 정전기적 부착 문제, 고 경도 입자에 의한 조사 창 표면 긁힘 등이 장기적 운전을 위해 추가적으로 해결해야 할 과제이다.

2.2 간접 조사형 흡수기

간접 조사형 흡수기는 크게 열교환기 형 입자흐름 흡수기 (particle flow receiver with heat exchanger)와 유 동층 간접 흡수기 (fluidized indirect receiver) 로 분류 된다. 두 형태 모두, 입자가 흐르는 열교환기의 외벽 이나, 유동층 흡수기의 외벽에 태양광을 조사하여 가 열된 벽면을 통해 입자가 열을 흡수하는 형태이다.

간접 조사형 흡수기는 입자의 선택성에 제한성이 없 고, 입자를 통해 에너지를 받을 경우 입자 사이 공극 을 통한 열흡수도 손실 또는 저하를 방지할 수 있다 는 장점이 있다. 그러나, 가열된 벽면으로부터 입자

로의 충분한 열전달 확보, 국부적 고온화 (hot spot) 및 외부로의 복사열 손실 등의 단점이 존재한다.

3. 흡수기 기술에서 해결해야할 과제 및 전략

태양에너지 입자 흡수기는 기존의 염(salt) 또는 스팀, 기체 등 열흡수 유체에 대한 조사 방식 대비, 열효율 측면에서 충분한 경쟁력을 갖고 있다. 특히, 다양한 형태의 직접 조사 입자 흡수기는 입자에 의 한 직접적인 태양광 에너지 흡수라는 장점과 작동 원리 측면에서 설계 형태 별 고유한 장점을 갖고 있 다. 이러한 장점을 바탕으로, 자유 하강 입자 흡수기 의 경우, 데모 플랜트 수준까지 건설되었으나, 독립 적인 발전시스템으로서 상업화를 위한 최적 효율에 도달하는데 한계를 갖고 있다. 이에 따라, 다음과 같 은 기술개발 및 개발전략이 요구된다.

3.1 시스템 및 입자 설계

서로 다른 원리에 기반한 설계 장점을 갖는 다양 한 형태의 흡수기는 공통적으로 입자의 손실, 마모 및 경도가 높은 입자에 의한 태양광 투과면 손상 및 광전달 손실의 문제를 갖는다. 또한, 태양광의 흡수 기로의 효율적 전달을 위한 투과면의 형태 또한, 설 계에 있어 중요한 과제가 될 것이다[11]. 추가적으로, 독립적 시스템으로서 높은 효율 확보를 위해서는 입 자의 태양광 노출 시간의 확보 및 높고 안정적인 고 체흐름속도 유지 방안 등 시스템 관점의 해결해야할 과제를 갖는다.

상기 상업화를 위한 관점에서 유동층 입자 흡수 기에 관심이 높으나, 실리카 모래나 실리콘 카바이 드 등 기존 상용 입자를 사용할 경우, 입자 물성에 따 라 적용 제한성을 갖는다. 이는 흡수기 기술 개발에 있어, 장치의 디자인 및 운전조건을 고도화하는 것도 중요하나, 흡수기에 적합한 입자의 개발은 매우 중요 함을 의미하며 이를 위한 연구개발도 필요할 것으로 판단된다. 구체적으로, 입자의 높은 고체체류량을 유 지할 수 있는 성질, 높은 열용량 및 기계적 열적 충격

그림 8. heated fluidized particle receiver (사진출처: 한국교통대 연구팀 실험 사진).

특 별 기 획 ( II )

에 대한 저항, 내부식성, 열흡수 및 열방출 능력 등을 갖춘 새로운 입자 개발이 반드시 필요하다[12].

3.2 하이브리드 시스템 적용

전통적인 석탄 화력 발전 설비와 태양에너지를 융합하는 개념의 하이브리드 시스템이 제안되고 있 다[14]. 이 접근은 기존 또는 새로운 화석 연료 기반 의 발전 플랜트들로부터 생산되는 전력과 친환경 신 재생에너지를 융합시키는 방법으로, 태양 복사 에너 지를 포집하여 기존의 석탄 화력 발전 플랜트들에서 이용되는 증기를 생산하도록 함으로써, 전력 생산을 대폭 증가시키거나, 석탄 사용량을 절감할 수 있다.

또한, 기존 플랜트에서 화석연료 사용 비중이 높은 공기 및 기체, 스팀의 예열에 태양열을 이용하는 방 법 또한 제안되고 있다. 이러한 전략은 기존 공정의 에너지 절감은 물론, 탄소 배출 저감에 기여할 수 있 는 발상의 전환으로, 공급의 안정성이 낮은 신재생 에너지와 에너지 안정적 공급을 위한 기존 화석연료 기반 공정의 상생 전략으로 높은 가능성을 보일 것 으로 판단된다[2].

4. 맺음말

지금까지 집광형 태양열 발전 시스템용 태양열 입자 흡열기 기술을 소개하고, 기술 현황 및 기술개 발 과제, 개발전략을 제시하였다. 향후, 탄소 배출 저 감 및 환경 이슈로 인해 국가적 차원에서 기존 화석 연료 기반 산업의 신재생에너지, 특히 태양광 관련 기술 이용 확대를 지속적으로 독려할 것으로 예상된 다. 이에 현재 제기된 신재생에너지 이용의 기술적 한계를 정의하고, 이의 극복 및 기존 산업계와 조화 로운 적용을 위해 원천 기술 및 응용기술에 대한 기 술 개발이 지속적으로 수행되어야 할 것이다.

감사의 글

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (NRF- 2019R1A2C1011671)

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12) C.K. Ho, “A new generation of solid particle and other high-performance receiver designs for concentrating solar thermal (CST) central tower systems”, Advances

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13) S. Mills, “Combining solar power with coal-fired power plants, or cofiring natural gas”, IEA Clean Coal Centre, 2017.

특 별 기 획 ( III )

이중유동층 가스화 공정 기술 및 태양열 가스화 시스템에의 적용

서명원

[email protected]

1. 이중 유동층 가스화 공정(Dual Fluidized Bed) 기술의 개요

일반적으로 가스화기는 가스화제의 종류 (Air- blown, oxygen-blown, stem-blown), 압력 (상압, 가 압), 온도 (slagging, non-slagging), 유체의 흐름 (상향 식, 하향식, 유동층, 분류층), 열공급 방식 (간접, 직 접식) 등에 의해 분류할 수 있다. 열공급 방식에서 직 접식 가스화(autothermal gasification)는 가스화제가 연료를 일부 불연소/완전 연소시키면서 열을 공급하 는 방식으로서 공기를 가스화제로 사용하면 합성가 스의 발열량은 4-7 MJ/Nm³로서 자동차 연료등의 생 산에 적합하지 않으며, 산소를 가스화제로 사용하면 합성 가스의 발열량은 10-12 MJ/Nm³로서 자동차 연 료 생산 등에 적합하나 공기분리장치(ASU)가 필요 하므로 경제성이 약해지는 단점을 갖게 된다. 따라 서 간접식 가스화(allothermal gasification)는 연소영 역과 가스화영역을 분리하여, 가스화 영역에서는 산 소를 사용하지 않고, 수증기를 가스화제로 사용하여 고 열량 합성가스 (12-20 MJ/Nm³)를 얻을 수 있는 기술이다. 연소영역에서는 가스화기에서 필요한 열 을 남은 촤의 연소를 통하여 공급하게 되며, 산화제 로 공기를 사용하게 된다. 일반적으로 간접식 가스 화기는 두 개의 영역, 특히 두 개의 유동층으로 구성 되므로, DFBG(Dual fluidized bed gasifier, 이중 유동 층 가스화기) 라 불리게 된다. 직접식 가압 가스화기 (Auto-thermal pressurised gasifier)와 비교하여, DFBG 기술은 다음과 같은 장점을 가지고 있는 것으로 알 려져 있다[1].

1) 질소의 희석이 없는 합성가스를 얻기 위해 순 산소가 필요하지 않음

2) 낮은 투자 및 설치비

3) 바이오매스의 전처리가 필요 없거나 단순함 4) 낮은 온도에서 조업이 가능

5) 중소형 규모의 자동차 연료 생산용 플랜트에 적합함

과거의 DFBG 기술은 바이오매스의 가스화기술에 만 적용이 되었었지만, 두 개의 독립된 구조와 그 사 이를 순환하는 입자의 특성 등을 이용할 수 있는 특 징으로 인하여, 최근에 다른 기술 (CLC, AER 등)에도 함께 접목되고 있는 추세이며 다음과 같은 목적으로 이용되고 있는 것으로 보고되고 있다[2]. (1) 가스화 에 필요한 열을 공급함 (일반적임), (2) CLC (Chemical Looping Combustion) 공정에서의 산소의 공급, (3) AER (Absorption Enhanced Reforming) 공정에서 CO2

포집. CLC 공정은 산소공여입자를 이용하여 산화환 원 사이클 (redox cycle)이 가능하도록 하며, AER 공 정은 가스화 공정 중에 석회석 (limestone) 입자를 이 용하여 반응기 내 CO2 흡수가 가능하도록 한다. 이러 한 DFBG의 개념도를 [그림 1]에 나타내었다.

DFBG에서의 온도의 균형은 층물질의 순환에 의 해서 조절되며, 특히 가스화기와 연소의 온도 차이 가 중요한 AER과 같은 공정에서 매우 중요하다. [표 1]에는 이제까지 연구한 DFBG시스템을 정리하였다.

DFBG 기술에서 반응기의 조합은 다양할 수 있으 나, 이제 까지 알려진 가장 적합한 방법은 기포유동

특 별 기 획 ( III )

층 반응기 (BFB)에서 바이오매스 가스화가 일어나 고, 순환 유동층 반응기 (CFB)에서 촤의 연소가 일 어나는 것으로서 연료의 전환율과 타르 저감 측면에 서 가장 적합한 것으로 알려져 있다[3]. 이러한 조합 의 예는 Gussing gasifier[4-7]와 MIUN (Mid Sweden University), KAIST[8], KITECH[9] 등에서 찾아볼 수 있다.

MILENA 가스화 공정 (바이오매스로부터 SNG 를 합성하는 공정)에서는 가스화 영역으로 상승관 (riser)를, 연소 영역으로 기포유동층 (BFB)를 이용한 바 있다. 가스화기는 상압이나 가압상태에서 조업될 수 있으며, 가압 상태에서 조업되었을 때에 수증기- 촤 가스화 반응 촉진, 수성변환(WGS) 반응 촉진, 타 르 및 메탄의 리포밍 증가 등의 장점을 갖고 있으나 바이오매스의 투입이 어려워지고, 투자비 및 운영비 의 증가 등의 문제가 매우 크므로 대부분의 DFBG들 은 상압에서 조업되고 있는 것으로 알려져 있다.

2. DFBG 정제 기술

DFBG 기술뿐만 아니라, 향후 합성가스의 용도에 따라 다양한 정제 기술이 접목되어야 하며, 이를 [그 림 2]에 나타내었다[2]. 가스 정제는 전통적인 가스 정제 (conventional gas cleaning)와 건조 고온 가스 정 제 (dry hot gas cleaning)으로 분류될 수 있으며, 추가 적으로 타르 정제가 필요하다. 전통적인 가스 정제 는 cold wet gas cleaning이라고도 불리며, 1) 싸이클론 을 통한 입자 제거, 필터, 스크러버 등을 이용한 알칼 리 입자 및 HCl 제거, 2) 입자, 암모니아, 염화물 등 을 제거하기 위한 산성가스 제거, 3) H2S 및 COS 등 을 제거하기 위한 아민 계열의 장치 혹은 촉매층, 4) 흡수, 흡착, 분리막등을 통한 CO2 제거 등을 포함한 다. 건조 고온 가스 정제기술은 세라믹 캔들 필터 혹 은 메탈 필터를 통한 고체 불순물 제거, 2) 흡착제를 이용한 유체 불순물 제거, 3) 안정층 필터/촉매 층, 흡착 층등을 이용한 미량 제거 등을 포함한다. 또한

그림 1. DFBG의 일반적인 개념도[2].

특 별 기 획 ( III )

Name/location/

operation start

Capacity as fuel input

(MWth)

Feedstock

Design (gasifier/

combustor)

Bed material

Temperature (gasifier/

combustor, ℃)

Syngas composition (vol.%, dry)

Tar content (raw gas, g/

Nm³)

Cleaning process Güssing FICFB/

Austrian Energy, TU

Vienna/

2001

8 Biomass

chips BFB/CFB Olivine 900/1000

CO:20–30 H2:35–45 CO2:15–25

CH4:8–12 N2:3–5

1.5–4.5

Fabric filter and biodiesel scrubber

Milena/ECN Netherlands/

2004 0.03

Beech wood chips

CFB/BFB Sand 850–900/925

Raw gas:

CO:39.3 H₂:21.4 CO₂:13.9 CH₄:12.8 N₂:?

32

OLGA gas cleaning

sector, catalytic reactors

Milena/ECN Netherlands/

2008

0.8 Wood

pellets CFB/BFB Sand 850/925

CO: 37–39 H2: 18–20 CO2: 11–13

CH4:14 N2:?

40 See above

Chalmers/

(GoBiGas) Sweden/

2008

2 Wood

pellets BFB/CFB Sand 812/?

CO:33.1 H2:25.1 CO2:14.8 CH4:11.8 N2:9.3

7.8 ?

MIUN/Mid Sweden University/2007

0.15 Wood

pellets BFB/CFB Sand 800/950

CO:35 H2:46 CO2:10 CH4:11 N2:4

10–65 no

SilvaGas/

Vermont, USA/1998

40 (design basis)

90 (demonstrated

capacity)

? CFB/CFB Sand –

CO:50 H₂:15 CO₂:10 CH₄:15 N₂:?

? ?

CAPE FICFB Gasifier/

University of Canterbury,

New Zealand/2006

0.1

Wood chips/

pellets

BFB/CFB Sand 753/?

CO:28.4 H2:21.7 CO2:17.4 CH4:11.6 N2:16.9

‘Medium’ ?

The JOULE–

MFCF PlantENEA Trisaia, Italy/?

0.5

Almond shells biomass

BFB/CFB Catalytic bed

?

CO:25.1 H2:33.1 CO2:19.3 CH4:10.4 N2:9.6

10.6

Adsorbing reactor and hot gas filter

Blue Tower/

Herten, Germany/2001

15 Wastes – Ceramic

Balls 600/950

CO:20 H2:50 CO2:20

CH4:5 N2:?

Low ?

IHI/Yokohama,

Japan/? 0.02 Coffee

grounds

BFB/CFB Two-stage

DFBG ? 820/?

CO:29.20 H₂:31.23 CO₂:17.28 CH₄:13.68 N₂:?

27 ?

표 1. 이제까지 설치되고 운전된 DFBG 시스템

특 별 기 획 ( III )

타르 제거는 바이오매스 가스화에서 가장 큰 문제중 에 하나이며, 층물질에 촉매를 주입하거나 촉매 고 온 가스 필터 등을 투입하여 타르를 제거하는 1차적 인 방법 (primary method) 및 촉매가 발생한 이후에 촉매를 이용하여 제거하거나 스크러버, 전기집진기 (ESP)등을 이용하여 타르를 제거하는 2차적인 방법 (secondary method)등이 널리 알려진 방법이다. 다만, DFBG에서의 가스 정제 기술은 최종 합성가스의 용 도에 따른 가스 정제 정도와 이에 관련된 경제적인 비용 등을 고려하여 결정되어야 한다.

3. 태양열 저장과의 융합 공정

이러한 DFBG 기술은 태양열 가스화 시스템과 접 목할 때 큰 시너지를 가질 수 있으며, 이는 일반적으 로 유동층 가스화 시스템을 태양열 가스화 시스템에 적용하였을 때 생기는 다음과 같은 단점 등을 극복 할 수 있기 때문이다.

1) 투명한 글래스 튜브나 상부의 창과 관련된 장비들을 통하여 층으로 직접적으로 조사 (irradiation)되는데 튜브나 창의 오염이 발생하 여 효율이 낮아지며,

2) 간접적으로 조사되었을 때에는 낮은 열전달 특 성을 보이고,

3) 단일의 태양열 가스화기의 경우 낮은 태양 조 사량의 시기에도 전체 공정을 유지하기 위해 서 순산소가 필요하며 이는 곧, 공기분리장치 (ASU)를 의미하므로 비용 증가가 예상된다.

4) 일정하지 않은 태양열의 특성상 ASU는 불안정 하게 운전되며 합성가스를 저장해야하므로, 합 성가스 저장 장치 또한 추가적인 비용 증가를 의미한다.

Guo et al.[10]은 DFBG와 CST (concentrated solar thermal) 에너지를 결합하면, 고체 입자가 열저장물 질로서 태양열 흡수기 및 연소공정에서 생성된 열을 가스화 공정에 필요한 열로서 공급할 수 있다고 제 시하였다. 이와 같이 solar hydridized DFB (SDFB) 가 스화 시스템은 태양열 에너지를 추가적인 저장 탱크 에 잠열로서 입자에 저장할 수 있으며 태양의 복사 량 변화에 따라 연소 공정에서 추가적인 연료 투입 량을 조절함으로써 고온 층물질의 온도를 일정하게 유지할 수 있고, 안정된 합성가스를 생성할 수 있게

표 1. 이제까지 설치되고 운전된 DFBG 시스템

Name/location/

operation start

Capacity as fuel input

(MWth)

Feedstock

Design (gasifier/

combustor)

Bed material

Temperature (gasifier/

combustor, ℃)

Syngas composition

(vol.%, dry)

Tar content (raw gas, g/

Nm³)

Cleaning process

?/National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan/?

0.0003 Cedar/

White oak BFB/BFB

Porous g-alumina

particles

800/930

CO:26/29 H2:40/34 CO2:28/23

CH4:9/9 N2:?

? ?

?/ECCMB Dalian University

of Technology,

China/?

0.005 Pine sawdust

Downflow- Moving Bed/CFB

Calcined naturally occurring

olivine

800/900

CO:26–30, H2:40-44 CO2:16–23, CH4: 9–13,

N2:?

2–3 ?

Seo et al. / KAIST, Korea/2010

0.057 Sawdust/

coal BFB/CFB Sand 750-900/800- 1000

CO:23.5-37.9, H₂:28.2-36.4 CO₂:17.6–25.8, CH₄:11.4–14.3

Low -

Kim et al./

KITECH/

Korea/2016

0.32 Wood

pellet BFB/CFB Sand 750-800/800- 900

CO:21.3 H2:35

CO2:19, CH4:10 Low Rectisol process

특 별 기 획 ( III )

한다.

[그림 3]에는 일반적인 DFBG시스템을 도시하였 으며, CST 에너지가 1-4의 위치로 투입될 수 있음을 나타내었다. 위치 1은 DFBG의 연소기에, 위치 2는 연소기를 떠나 가스화기로 순환하는 고온의 입자에, 위치 3은 DFBG의 가스화기에, 위치 4는 가스화기를 떠나 다시 연소기로 향하는 식혀진 층물질과 촤에 CST 에너지가 각각 투입될 수 있음을 나타낸 것이 다. 다만, 기존의 DFBG시스템과 CST를 접목하기 위 해서는 위치 2가 가장 적합할 것으로 판단된다. 이는 연소기를 떠나 가스화기로 순환하는 층물질이 태양 열 타워의 흡수기에서 직접적으로 CST 에너지에 의 해 가열되는 것을 의미하며, 위치 1에서 이미 반응이 끝난 입자를 위치 2에서 가열하는 것이 반응이 직접 일어나는 영역 (위치 1, 3)에 비하여 기술적으로 더 쉽기 때문이기도 하다.

[그림 4]에는 제안된 SDFBG 시스템과 부속 장비 등의 흐름도를 나타내었다. 층물질은 연소기와 태양

열 흡수기에서 열을 가스화기로 전달하기 위하여 사 용되었다. 일반적으로 합성가스에서 낮은 타르 함량 및 WGSR을 촉진시키기 위하여 olivine (감람석)이 사용된다. 태양열 흡수기는 직접 조사되고(directly

그림 2. DFBG에서의 가스 정제 흐름도[2].

그림 3. solar DFBG 시스템 (1-4의 위치를 통하여 CST에너지가 투입될 수 있음)[10].

특 별 기 획 ( III )

irradiated), 타워-고정형(tower-mounted)으로, 떨 어지는 입자의 공간 수용기 (falling particle cavity receiver) 컨셉으로 구성되어 있다. 이러한 공간 수용 기 시스템이 2.5 MWth 규모까지 검증되어, 가장 신뢰 성 있는 것으로 알려져 있다. 안정적인 합성가스 생 산을 위하여, 온도와 가스화기로의 층물질 순환량은 일정하게 유지된다. 태양열의 일시성을 극복하기 위 하여 [그림 4]와 같이 warm/hot bed material 저장장치 와 연소기에서의 추가적인 연료 투입구가 설치되어 있음을 확인할 수 있다.

[그림 5]에는 solar hydridized DFBG (SDFBG) 시스 템이 접목된 SCTL 공정 흐름도를 나타내었으며, 그 림과 같이 SDFBG에서는 연료 (dried coal), 수증기 등 을 이용하여 고 발열량의 합성가스를 생산한다. 타 르 개질기(Tar reformer)가 추가적으로 설치되어 정

제 공정의 부담을 줄여주며, WGSR (Water-Gas Shift Reactor)가 제안되어 FT 반응기(FTR)에서 H2:CO 의 비율을 2.26으로 맞추도록 한다. AGR (Acid gas remover)가 후단에 장착되어 합성가스에 포함된 H2S 및 CO2 등을 제거하며, 가스 터빈 (GT)가 추가적으로 설치되어 FT반응기에서 반응 후 생성된 tail gas를 활 용하여 전기를 생산한다. HRSG (heat-recovery steam generator)는 열을 회수하고 스팀을 생산하여 스팀 터 빈을 통하여 전기를 생산하거나 공정 스팀을 제공하 도록 한다.

4. 향후 전망

DFBG 기술은 태양열 가스화 시스템과 접목하여 DFBG 시스템의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 석탄액화공정(CTL)에도 활용될 수 있음을 확인할 수 있다. DFBG 기술과 관련하여서는 [표 1]에 제시된 바 와 같이 국내에서도 KAIST 및 KITECH(한국생산기 술연구원), KIER(한국에너지기술연구원) 등의 연구 진들이 이미 연구를 수행한 바가 있다. 다만, 아쉽게 도 파일럿 규모까지는 연구가 진행되었지만 Demo 급 까지 TRL을 올려 연구가 진행된 바가 없는 실정이다.

그림 4 태양열 흡수기(Solar receiver)와 현열 저장(Sensible heat storage)이 결합된 SDFBG 시스템[10].

그림 5. 제안된 SDFBG를 이용한 SCTL (Solar hybridized coal- to-liquids) 공정[10].