국내 친환경 건식 $CO_2$ 포집 시험설비 실증

기후변화와 CCS

많은 과학자들은 지구온난화는 현실이며 인간들의 활동으로 대기로 배출되는 대량의 온실가스 때문이 라고 한다. 이러한 기후변화의 주원인은 이산화탄소 (CO

)이며, 화석연료를 주로 사용하는 화력발전과 산 업에서 다량의 이산화탄소가 대기로 배출되기 때문 이다.

국제에너지기구(IEA)에 따르면 현재 세계 에너지의 약 80%를 온실가스 배출이 많은 화석연료가 차지하고 있으며, 최근 재생에너지의 빠른 보급 속도에도 불구하 고 온실가스의 배출세기는 20년 전과 별 차이가 없을 뿐 아니라, 향후 20년 이상 화석연료의 사용이 증가될 추세이므로, 온실가스 감축의 중요성이 대두되고 있다.

온실가스 감축 문제를 해결하는 방법으로, 에너지 효율 향상, 재생에너지와 원자력 발전 이용 및 이산화탄소 포집저장 기술 등이 있지만, 이들 기술 중 어느 한 기술 만을 사용하여 발생하는 많은 양의 이산화탄소를 감축 하는 것은 매우 어려운 일이므로 다양한 기술적 접목이 이루어져야 한다.

이산화탄소 포집저장 기술의 기본적인 개념은 화석 연료를 사용함으로써 발생된 CO

를 대기로 방출하기 전에 포집 분리하고, 압축・수송하여 안전하게 저장하 는 기술을 총칭하는 것으로 보통 CCS(Carbon Capture

and Storage)로 명명하고 있다. 이와 같은 CCS 기술은 화력발전 및 철강과 시멘트 산업 등에 적용하여 전세계 이산화탄소 배출량의 약 20%(2050 기준)를 감축할 수 있는 유일한 기술로, 국내・외 온실가스 감축목표 달성 에 크게 기여할 것이다. 또한, 국내의 경우 날로 급증하 는 전력수요로 인해 화력발전 비중이 증가하고 있으며, 제6차 전력수급계획(2013-2027, 산업부)에 따르면 화력 발전 비중이 약 60% 유지되고 있다. 이와 같이 석탄을 사용해야만 하는 현실에서 CCS 기술은 국가의 온실가 스감축 목표 달성은 물론 국가의 에너지안보, 경제발전 과 국민건강에 크게 이바지 할 것이므로 그 중요성이 더욱 커지고 있다.

그러나 막대한 초기 투자비와 운영비로 인해, 많은 사람들이“CCS는 고가이며, 에너지 소모가 많고, 저장 안정성에 대한 불확실성 등이 있다”라는 인식을 가지고 있다. 이와 같은 대중인식을 불식시키기 위해서는, 비 용 효과적인 CCS 기술 보급 및 확산을 위한 상용기술 확보와 CCS 관련 국가 정책 및 제도개선이 우선시 되어 야 한다. 이러한 추세에 의거 우리 정부는 국가 온실가 스 중기(2020) 감축목표를 2020년 BAU(Business As Usual) 대비 30% 감축하는 것으로 최종 확정 후, 산업 통상자원부를 중심으로 여러 부처에서 다양한 CCS 관 련 기술개발과 실증을 추진하고 있다.

류 청 걸 한전 전력연구원 사업화기술개발실 수석연구원 ㅣ e-mail : [email protected] 위 영 호 한전 전력연구원 사업화기술개발실 책임연구원 ㅣ e-mail : [email protected]

이 글에서는‘기술 강국 대한민국’을 이끌 전력・에너지 분야의 주목할 만한 기술로서 제4회 국가녹색기술대상에서 국가 녹색기술 인증과 더불어 최고 영예인 대통령상을 수상한‘친환경 건식 CO

포집기술’을 소개하고자 한다.

시험설비 실증

국내고유의 혁신기술 - 친환경 건식 CO

포집기술

‘친환경 건식 CO

포집기술’은 기존 CO

포집기술 비용을 반으로 저감하는 것을 목표로 개발을 추진 중인 국내 고유의 혁신기술이다. 저가의 고체 CO

흡수제를 순환 유동층 건식 CO

포집공정(circulating fluidized- bed dry CO

capture process)에 적용하여, 발전소나 산 업체의 굴뚝에서 배출되는 이산화탄소를 약 80~90% 포 집하여 분리하는 기술이다. 또한 2020년대 국제 CCS 시 장진입이 가능한 혁신적 저탄소 기술이며, 글로벌 CO

감축 및 녹색성장에 기여할 수 있는 국제선도 기술이라 는 점에서 그 의미가 남다르다.

본 기술을 적용한 건식 CO

포집공정은 유동층 흡수 반응기와 재생반응기로 구성된다. 고체 흡수제는 흡수 반응기에서 선택적으로 CO

를 포집하고, CO

를 흡수 한 흡수제는 재생반응기로 보내져 열에 의해 재생되어 고 농도의 CO

를 분리하고, 재생된 고체흡수제는 다시 흡수반응기로 순환되어 재사용된다. 이러한 순환과정 을 통해 CO

를 빠르게 많이 포집하고(흡수반응), 고농 도로 분리하는(재생반응) 과정을 반복하여 CO

를 저비 용으로 포집-분리하는 것이다.(그림 1)

기술개발 경과

석탄발전 및 천연가스복합발전에 적용되는 CO

포 집 설비는 새로 추가되는 환경설비로서 경제수명주기 가 발전설비와 유사한 약 30년이며, 발전소 탈황설비와 굴뚝 사이에 위치하게 된다. 기존 기술의 설비 투자비 는 500MW 표준 석탄화력발전 기준으로 약 1조 원이 소 요될 것으로 추정되고 있으며, 현재 국제적으로 10~30MW급 파일럿 플랜트가 건설 또는 운영 중에 있 으며, 일부 기술에 대해 100MW 이상의 실증이 추진 중 에 있다. 다만 최근 대규모 CCS 실증이 기대 이하로 서 서히 진행되고 있는 것은 우선 각국의 강력한 온실가스 감축 정책과 제도 미비와 세계경제 침체, 각국의 CCS 실증에 따른 막대한 초기 투자 및 운영비용 때문이다.

궁극적으로 CCS 비용 저감은 기술혁신을 통해서만 가 능하다.

이와 같은 비용저감을 위한‘친환경 건식 CO

포집 기술’은 교육과학부 21C 프론티어사업의 일환인 CDRS(이산화탄소 저감 및 처리기술 개발 사업단) 사업 으로 2002년 10월 개발이 시작되었다. 전력연구원은 흡 수제 조성설계, 성형 및 대량생산 기술 등 고체 CO

흡 수제 개발을, 한국에너지기술연구원은 순환 유동층

그림 1건식 CO2포집기술 개념도 그림 20.5MW 건식 CO2포집 시험설비

CO

포집공정 개발을 통하여 건식 CO

포집기술에 대 한 원천기술을 확보하였다. 이러한 기술력을 바탕으로 2010년 3월에 0.5MW 건식 CO

포집 시험설비(한국에 너지기술연구원 개발, 10tCO

/일 포집규모)를 하동화 력 3호기에 준공하였다 .(그림 2)

이후 본 기술은 2010년 11월 지식경제부 에너지자원 융합원천기술개발사업 지원으로 10MW 건식 CO

포집 기술 개발사업(한전 전력연구원 총괄 주관, 총괄책임자 류청걸 박사, 2010. 11. ~ 2014. 9.)으로 승계되었으며, 현재까지 127개월 동안 정부와 한전 및 발전 5사의 지 원을 포함하여 약 497억 원의 연구개발비가 투자된 중 장기 대형 전략과제로서, R&D 사업에서 정부부처간 대 표적인 모범적 승계사례로 평가받고 있다.

전력연구원에서는 유동층 CO

포집공정에 적용하기 위해 알칼리 금속 탄산염을 활성성분으로 하는 고체 흡 수제를 분무건조법으로 제조한다(그림 3). 제조된 고체 흡수제는 아주 작은(평균 지름 0.1mm) 구형의 입자로 서 기계적 강도가 높아 포집공정에서의 연속 순환운전 에서도 마모손실이 매우 적다.

여러 차례 0.5MW 건식 CO

포집 시험설비 장기 연 속운전을 통해 석탄화력발전에서 배출되는 배가스 중 의 CO

를 80~90%를 제거하는 성능을 입증하여 건식 CO

포집기술에 대한 우수성을 입증하였다. 현재 흡수 제의 성능을 향상시키고 또 CO

포집공정의 에너지 소 비를 최소화할 수 있는 방향, 즉 CO

포집 비용저감을 위해 흡수제 개발 및 대량생산 기술 최적화가 진행 중 에 있다.(그림 4)

CO

공정개발 및 건설과 관련해서는 현재 세계 최초, 최대 규모의 10MW 연소후 건식 CO

포집 파일럿플랜 트(200tCO

/일 포집규모)가 남부발전 하동화력본부 8 호기에 건설 중에 있다(2013. 9. 준공 예정)(그림 5). 이 플랜트 건설을 위한 기술개발에는 정부지원을 포함한 총사업비 440억 원이 책정되었으며, 총괄 주관과 소재 개발은 전력연구원이, 공정개발은 에너지기술연구원 이, 플랜트의 공학설계는 KEPCO E&C가, 흡수제 대량

그림 3고체 흡수제 제조 과정

그림 4고체 CO2흡수제

그림 510MW 연소 후 건식 CO2포집플랜트 조감도

생산은 토다이수가, 플랜트의 EPC는 KC-코트렐이 담당 하고 있으며, 최종 설비의 운영은 남부발전이 할 예정 이다. 이후 300MW 실증(2014~2018)이 삼척 그린파워 단지(남부발전(주))에 계획되어 있다.

기술의 특징

‘친환경 건식 CO

포집기술’의 장점은 3저・3고・3 무 등 세 가지로 요약할 수 있다.

첫째, ‘3低’: 고성능 흡수제를 사용함으로 포집공정 구성이 단순해져 투자비와 소요부지가 적어지며, 흡수 제를 구성하는 활성 물질과 지지체는 저가의 원료를 사 용하므로 흡수제 제조비용이 적게 든다. 둘째, ‘3高’:

고CO

흡수능, 고 내열성과 고 강도 흡수제 사용으로 운영비 절감과 포집공정 부피를 줄일 수 있으며, 포집 공정 온도제어가 용이하여 에너지 소비가 적게 든다.

셋째, ‘3無’: 휘발성이 없는 고체 흡수제 사용으로 2차 오염발생과 폐수발생이 거의 없으며, 공정상의 재료 부 식도 거의 없는 친환경 CO

포집기술이다. 이러한 세 가지 특징은 기존 흡수제를 이용한 포집 기술의 단점을

극복할 수 있으므로, 저비용・친환경 CO

포집에 대한 기술적이 잠재력이 매우 크다. 특히 국내 고유기술인 본 기술은 세계선도 기술로서 미래 CCS 수출시장 선점 이 가능하며, 포집비용을 50% 이상 저감할 수 있어 원 자력 및 신재생에너지에 비해 경쟁력이 있는 혁신기술 로 평가받고 있다.

적용분야 및 기여도

‘친환경 건식 CO

포집기술’은 기존기술 대비 CO

포집비용을 현저히 줄일 수 있어 경제성이 있다. 또한, 화력발전과 산업분야에서 화석연료의 지속적인 사용을 가능케 하여 국가 에너지안보와 온실가스 저감에 크게 기여함으로써 저탄소 녹색성장을 주도할 수 있는 저탄 소・친환경 기술이다. 본 기술을 500MW 석탄화력 발 전소 1기에 적용 시 연간 약 2,700만 톤의 CO

를 저감 할 수 있으며, 국내에 기술을 적용할 경우 500MW당 3,000명을 고용할 수 있는 일자리 창출이 가능하다. 또 한, 본 기술을 2017년까지 발전소 실 규모 실증을 완료 할 경우, 2020년부터 발전소, 철강, 시멘트 등 대규모

예상매출액(조원)

세계시장규모(조원) 감축 잠재량/MtCO2 고용창출인력/천명

그림 6건식 CO2포집기술의 예상 기대효과

CO

배출원에 적용할 포집 기술로서 시장 진출이 가능 할 것으로 전망하고 있으며, 국제 CCS 시장 점유율 2%(2020년경)에서 7%(2030년, 280 GW 시장) 이상을 목표로 하고 있다.(그림 6)

‘친환경 건식 CO

포집기술’은 CO

포집 비용을 줄 일 수 있는 혁신기술로 연소 전・연소 중・연소 후 CO

포집 기술에 모두 적용할 수 있어 미래 CO

포집 기술 로 활용될 가능성이 높은 기술로 인식되고 있다. 최근 선진국과 에너지 소비가 증가하고 있는 중국 등을 중심 으로 이 분야 핵심기술 확보경쟁이 날로 치열해지고 있

다. 또한, 화석연료의 고품위화를 위한 석탄을 활용한 천연가스 생산(SNG: Synthetic Natural Gas)과 수송용 액상 연료(CTL: Coal to Liquid) 및 수소(H

) 등 화학 원 료 생산에 모두 적용 가능하므로 향후 주변 기술에 대 한 파급효과가 크다고 할 수 있다. 마지막으로 화석연 료를 고품위 청정 에너지원으로 변환하여 다양한 기술 에 응용함으로써 온난화로 몸살을 앓는 지구를 살려 미 래 세대에게 쾌적하고 건강한 지구를 물려주는 데 큰 역할을 할 것으로 예상한다.

기계용어해설

플라스마 추진(Plasma Propulsion)

플라스마를 대전압이 걸린 전극간에 방전시켜 에너지를 발생시키고, 동시에 자장을 작용시켜 이를 가속화하여 그 반동으로 추력을 얻는 로켓 엔진.

석고형(Plaster Pattern)

기계로 간단히 제작할 수 없는 곡면의 물건이나 높은 정 밀도를 필요로 하는 물건 등의 경우에 석고를 유입하여 굳혀 만든 모형.

진동전단기(Vibroshear)

폭이 좁은 절단날을 고속으로 진동시켜 판금의 직선 절 단, 원형 절단, 자유 절단 또는 성형가동을 하는 판금가공 용 동력 전단기의 일종.

플레이트 캠(Plate Cam)

캠이 화살 방향으로 회전하여 종동절에 왕복운동을 시키 며 특수한 형상의 테두리를 갖는 판모양의 평면 캠의 일종.

비파괴검사(Non-destructive Inspection)

초음파탐상, 형광탐상 등과 같이 피검사물을 파괴하지 않 고 내부의 성질과 결함을 찾아내는 검사.

정규분포(Normal Distribution)

분할폭을 작게 하고 시료의 수를 한없이 많이 하면, 분포 곡선이 차례로 매끄럽게 되어 평균 m을 중심으로 좌우대 칭으로 되는 것.

노즐 차단조정(Nozzle Cut-out Governing)

다수의 노즐 중 그 일부를 증기가감 밸브로 차단시켜 증 기유량을 가감하여 출력 또는 회전수를 줄이는 증기 터빈 조속법의 일종.

수직자세용접(Ertical Position of Welding)

작업대의 수평면에 수직을 이루는 면, 또는 60°이상의 각

도를 이루는 면의 용접선이 아래쪽에서 위쪽 방향으로 진

행되는 용접법.