열화학적 복합전환 공정
상용화를 위한 단위공정별 이슈
○ 열화학적 전환 공정의 최대 장점은 복합발전 방식을 포함하여 연료전지, 수소 엔진 등을 이용하여 최대 60%까지의 고효율을 달성하는 것이 가능하기 때문에 에너지 문제와 지구온 난화 및 공해문제를 동시에 해결할 수 있음(그림 2참조).
- 전력 생산의 많은 부분을 책임지고 있는 석탄의 미분탄 연소 발전은 최근 부각되고 있는 환경문제와 CO2 문제 등에 효과적으로 대처하기 어려우나 열화학적 전환을 이용한 복합발 전 기술은 기존기술 대비 15-25%의 CO2, SOx를 95% 이상, NOx를 90% 이상 저감할 수 있을 것으로 예상됨. ○ 또한 열화학적 복합 전환 공정의 탄화수소 연료물질 중에서도 바이오매스, 페기물 등의 재생에너지 자원들은 환경 친화성 및 지속 가능성 때문에 더 높은 관심을 얻고 있음. - 전통적인 석유화학공업이 유발하는 환경오염의 문제는 심각한 수준이며 이를 해결하기 위한 책임과 비용 부담이 날로 커지고 있어, 이를 극복하기 위한 대안으로 'Green feedstock' 즉 환경친화적 화학공업 원료인 바이오매스 자원의 개발에 주력하고 있으며 이의 일환으로 열화학적 전환 공정도 널리 개발되고 있음(그림 3). [그림 1] 열화학적 복합 전환 공정
[그림 2] 발전기술별 발전효율과 CO₂저감 효과
자료 출처: 이창근 외, ‘석탄가스화 복합기술’, 한국에너지기술연구원, 2005
[그림 3] 바이오매스 전환공정 개념도
국내외 연구개발 동향
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열화학적 전환 공정의 동향
가. 국내외 연구개발 동향 및 전망
○ 1970년대 두 차례의 석유파동 이후 외국 에너지 자원에 대한 의존 심화, 에너지 개발 과 낮은 수준의 이용 기술로 인한 어려움, 지구온실효과와 오존층 파괴 등의 환경문제들 을 해결하기 위하여 석탄, 폐기물, 바이오매스 등의 탄화수소계 물질들을 가스 자원으로 전환하려는 노력을 지속적으로 진행해 옴. - 1988년부터 한전과 정부 주도로 IGCC 기술개발 사업이 착수되었으며, 대체에너지기술 개발사업(‘92.2 ～’95.8) 및 선도기술개발 1, 2 단계사업(‘94.1～’99.12)을 통하여 IGCC의 기반 기술을 확보한 상태임. - 1990년대 초에 이루어진 가스화 연구는 대부분 실험실 규모에서 시작하여 최근 3-5톤/ 일의 pilot 단계까지 이루어졌으나 아직 실용화를 위한 규모면에서는 선진 회사들에 비 해 열세에 있으나 2000년대에 넘어와서 상용급 가스화 플랜트의 평가 기술 및 일부 설계 기술을 확보한 것으로 알려짐. - 각 요소 공정들에 대한 설계 및 운전분야에서는 국내수준이 선진외국에 비해 열세이나, 공정과 단위장치들의 전산해석 분야에서는 외국수준에 근접한 상태이나 융합 공정의 운 전기술, 연료전지 연계 기술 등의 융합 기술 개발은 일부 연구기관에서만 이루어지고 있 음. ○ 열화학적 복합전환 공정의 핵심인 전환 반응기(가스화기, 열분해기 등등)등의 개발은 20년 이상 지속되어 왔으며, 실험실 규모에서부터 벤치 규모(BSU)까지 이루어진 상태임. - 가장 널리 개발되고 있는 가스화 반응기는 다양한 형태의 가스화기가 개발되어 사용- 일본은 국가적으로 ‘83년부터 수조원을 지원하여 2톤/일급 설비로부터 ’97년에 200톤 /일급 IGCC 시험플랜트에 대한 가동을 마쳤고, 외국기술 도입과 함께 자체기술의 축적을 추진하고 있음. - 중국은 300MW급 석탄 IGCC 플랜트를 계획 중에 있으며, 20여기 이상의 열화학적 복합 전 환 공정 개발 계획을 발표한 상태이며 호주는 ‘99년 10월에 독일 DMT로부터 270만 호주 달러(21.6억원)를 들여 10기압까지 가압된 상태에서 석탄을 가스화 하는 분류층 건식 top-feeding 가스화기를 운영하고 있음
[표 1] 국내 석탄가스화(IGCC 연구)와 해외기술과의 차이점 자료 출처: 한국에너지기술연구원, '석탄가스화 복합기술', 에너지관리공단, 한국 (2005) 핵심기술 국내 기술개발의 독창성 열화학적 전환 시스템 ․연속적인 슬랙깅(slagging) 운전 ․석탄 가스 냉각기 설계 ․ 파 울 링 (fouling) 방 지 설 비 설 계 , 운전 ․기존 외국의 가스화기술과 차별화되는 1단 선회식 가스화기 사용 (특허 등록) ․1300℃정 도의 고온과 25기 압 이상의 고압 상 태 에 서 주 성 분 이 폭 발 성 이 강 한 석탄가스의 냉각 기술 ․석탄가스 내에 소량 포함된 flyslag의 관로 부착 방지 독자기술 개발 (특허 출원) 가스정제 시스템 ․고온 집진설비 설계 및 세라믹 필터 제조 ․고온고압 탈황,세정시스템 운전 ․고온 탈황시스템 설계 및 탈황제 제조 ․400～600℃정도 고온에서의 집진 필터 배치 및 배열 기술 ․국내고유의 고온탈황제 recipe 개발 (특허 출원) 복합발전 시스템
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단위 공정별 기술적 이슈
자료 출처: 한국에너지기술연구원, '석탄가스화 복합기술', 에너지관리공단, 한국 (2005)
○ 석탄을 새로운 열화학적 복합 전환 공정으로 사용하는데 대한 세제지원은 미국이 가장 적 극적으로 2001년 7월에 제정된 'SAFE (Securing America Future Energy) Act of 2001'과 2002년 4월에 제정된 ‘Energy Policy Act of 2002'에 자세한 인센티브 지원방안이 명시 되어 있음(표 3 참조).
- 신석탄 발전기술 (Clean Coal Technology) 도입 활성화를 위한 기술방향과 인센티브 내용 이 명기되었고, 인센티브 금액을 산정하는 방식은 [발전량(kWh)+연료/화학원료로 생산된 양을 3,413 Btu당으로 환산한 양] x $0.001-0.014 x 적용% 임.
◈ Section 3117 (Credit for Investment in Qualifying Advanced CCT)
․ 신석탄발전기술 사용한 설비투자비의 10% 만큼 세금감면 ․ 2002년 1월 1일부터 2011년 12월 31일까지 적용
◈ Section 3118 (Credit for Production from Qualifying Advanced CCT)
․ 석탄이용발전량(kWh)과 생산된 연료/화학원료의 kWh 환산량을 합한 후, 설비 효율에 따라 인센티브 보조
․ 최초운전 시점으로부터 10년간 지원
◈ Section 5000 (Clean Coal Power Initiative Act of 2001)
․ 향후 10년간 매년 2억불을 석탄신발전기술의 실증프로젝트에 투입, 이중 80%를 가스화기반 프로젝트에 사용
복합 발전 분야의 현황 및 기술 과제
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단위 공정별 기술적 이슈
○ 열화학적 복합 전환 공정들 중에서 가장 관심이 집중되고 있는 공정은 석탄을 합성가스로 전환하여 전력과 수소를 동시에 생산하는 공정으로서 미국의 FutureGen 프로젝트를 포함하 여 대형 프로젝트가 앞 다투어 계획 또는 진행되고 있음(참고문헌 6) - 2000년대 들어서면서, 2020년에 상용화를 목적으로한 미래 에너지 플랜트 개발 목표를 나 타내는 Vision 21 프로그램이 미국 DOE에서 제시되었으며 수소 이용과 이산화탄소 처리를 포함하여 새롭게 FutureGen 프로그램으로 전환되어 실시되고 있음. - Futuregen 프로그램은 석탄과 다양한 원료를 동시에 가스화하여 다양한 부가가치 있는 에너 지원(전력, 화학원료 및 수소 등)을 얻는 플랜트 개발을 목표로 함. - Futuregen과 비슷환 기술개발이 일본에서도 정부와 민간 회사들의 연합체를 통해 진행되고 있으며 최근에는 연료전지 시스템과의 연계 프로젝트인 EAGLE 프로젝트가 진행되고 있음. - 미국, 일본과 마찬가지로 유럽도 친환경 발전 기술-네델란드의 부게넘 플랜트, 스페인 Elcogas의 가스화 플랜트 등-에 관심을 기울이고 있음. [그림 6] CO2 회수 공정을 포함한 석탄으로부터 수소 및 전력 병산 시스템의 공정도(FutureGen)용한 전력 생산으로서 GE, 알스톰 등의 대형 회사들이 전세계의 대부분의 플랜트의 발전 블록 시스템을 독점하고 있는 상태임.
참고문헌
1. Randy H. Zwirn, “Gasification: Journey to Commercialize”, 2006 Gasification Technologies Conference , Washington D.C., USA, 2006, pp.1-13
2. 이 창근 외, “석탄가스화 복합기술”, 한국에너지기술연구원, 2005
3. NREL, 'Biorefinery concept', http://www.nrel.gov/biomass/biorefinery.html 4. 이 시훈외, “가스화 복합 발전”, 한국에너지기술연구원, 2006
