KIC News, Volume 12, No. 1, 2009 43 기획특집 - 이산화탄소포집기술 순산소연소기술에의한 CO 2 회수기술 엄희문 김성철 한전전력연구원 Oxy-Combustion Technology for CO 2 Capture Hee-Moon Eum and Sung-Chul Kim Korea Electric Power Research Insititute, Daejeon 305-380, Korea Abstract: CO 2 회수기술은크게연소후포집 (Post-Combustion Capture), 연소중포집기술인순산소연소 (Oxy-Fuel Combustion) 및연소전탈탄소화 (Pre-Combustion Decarbonization) 로구분될수있으며, 순산소연소기술은대부분의화력발전에적용이가능한기술이다. 현기술로서석탄화력발전에 CO 2 를회수할경우약 10% 이상의발전효율손실이발생할것으로예측되며이러한손실을감소시키기위해서는저렴한산소생산기술개발및 CO 2 회수비용을최소화하기위한기술개발이 CO 2 회수기술의관건이다. Keywords: CCS (CO 2 capture & storage), oxy-fuel combustion, ASU (air separation unit) 1. 서론 1) 기후변화현상이 20 세기중반이후전세계적으로확산되고있다. 지구의평균온도가 1900 년이후 60 년간은 0.14 상승하는데그쳤으나, 1960 년이후 45 년간은 0.6 나상승하였다. 이로인해현재지구촌곳곳에서다양한기상이변이발생하고있으며지난 50 년간전세계에서삶의터전을잃은환경난민도 1 억명을상회하고있다. 한국도 1980 년대후반이후태풍, 집중호우등의빈도가증가하면서기후변화가 발등에불 이되었다. 기상재해에따른경제적피해규모만보더라도 1960 년대의연평균 1 천억원대에서 1990 년대에는 6 천억원대, 2000 년이후 2 조 7 천억원으로급증하였으며, 이러한기후변화의주원인은바로온실가스의증가때문이다. 1992 년 6 월브라질의리우환경회의에서지구온난화에따른이상기후현상예방을목적으로유엔기후변화협약 주저자 (E-mail: sckim@kepri.re.kr) 이채택되어국제적인공동대응이시작되었고, 1997 년 12 월제 3 차당사국총회에서교토의정서가채택됨으로써 1 차이행기간인 2008 년부터 2012 년까지 1990 년대비평균 5.2% 의온실가스를감축하기로결의한바있다. 우리나라는이산화탄소의무감축당사국으로지정되지않아 1 차공약기간동안은개도국의지위를유지할것으로예상되나, 2 차공약기간이시작하는 2013 년에는 OECD 회원국이면서이산화탄소배출량이세계 9 위인우리나라는온실가스배출의무부담국으로의지정이예견되고있다. 지난 2007 년 12 월인도네시아발리에서개최된 13 차당사국총회에서는구체적인이산화탄소저감수치설정은없었지만, 상당한감축 목표에는합의하였고, 여기에는기존에빠져있던미국과개도국모두가포함된바있다. 그리고구체적인감축목표는 2009 년덴마크코펜하겐에서개최될 15 차당사국총회때결정하기로정한바있다. 이러한세계적인흐름에발맞추어, 국내이산화탄소총배출중
44 공업화학전망, 제 12 권제 1 호, 2009 약 24% 가석탄화력발전에서기인하고있어, 발전분야에서의이산화탄소배출저감은국가적인차원에서초점이맞추어질것으로전망된다. 온실가스의배출을저감하기위한기본방향은 IPCC Working Group 3 에서다루고있다. Working Group 3 은 2007 년 5 월 SPM (Summary for Policymakers) 를발표한바가있다. 핵심적인내용은기후변화에의한중대한위험을피하기위해서는대기의온실가스농도를 445 650 ppm 사이에서안정화시킬필요가있으며, 개발도상국의경제개발에의한압력으로안정화하고자하는온실가스의저위농도한계는올라갈것이라는점이다. 또한대기중온실가스의농도를 445 535 ppm 사이에안정화시키기위해서는전세계 GDP 의약 3% 의비용이소요될것으로예측하고있다 [1]. 대용량의 CO 2 배출원에적용하기유리한 CO 2 의회수, 저장 (CO 2 Capture and Storage, CCS) 은 CCS 의비용에대한부담이걸림돌로작용하고있다. 그럼에도불구하고비교적짧은기간에대용량의 CO 2 배출을저감하기위해서는에너지산업분야와같은대규모 CO 2 배출원에대한 CCS 의적용이시급한과제로인식되고있다. 구체적이고, 효과적인온실가스배출을저감하기위해서는온실가스의배출량을먼저검토해볼필요가있다. Figure 1 은범지구적온실가스배출량의구성을보여주고있다. 온실가스별로는 CO 2 (72%), CH 4 (18%) 및 N 2 O (9%) 의구성을보여주고있으며 ( 모두 CO 2 상당량으로전환되었음 ), 각온실가스의산업별배출량구성을보여주고있다. 현재전세계적으로는약 260 억톤의온실가스가배출되고있으며, 약 110 억톤정도만이자연적으로재순환될수있어서배출되는온실가스의 50% 이상이대기에축적되고있다 [2]. 1.1. 전력분야의 CO 2 배출저감방안전력부문은온실가스인 CO 2 의최대배출원이며, 우리나라에서는 2004 년기준으로연간 Figure 1. 온실가스의지구적배출량구성. 5.9 억톤에상당하는온실가스를배출하였으며, 이가운데 5.1 억톤가량이 CO 2 로배출되었다. 전력분야에서배출되는 CO 2 는연간 1.5 억톤수준으로석탄, 경유 ( 또는 BC 유 ) 및천연가스를연료로사용하는화력발전소에서배출되고있다. 연료별 CO 2 배출량은석탄화력이절대적으로우세하여한국전력산하전체발전회사들의 CO 2 배출량의약 78% 를차지하는 1.15 억톤이약 40 여기의석탄발전소에서배출되고있는실정이다. 전력분야의 CO 2 회수기술은 Figure 2 와같이크게연소후포집 (Post-Combustion Capture), 연소중포집기술인순산소연소 (Oxy- Fuel Combustion) 및연소전탈탄소화 (Pre- Combustion Decarbonization) 로구분될수있으며, 순산소연소기술은대부분의화력발전에적용이가능한기술이다 [3]. 여기에서는먼저 2020 년경상용화의가능성이높은 1 세대석탄화력 CO 2 회수기술을소개하고자한다. 1 세대기술은대체로 10 12% 의발전효율의감소를초래할수있는것으로알려져있다 [4,5]. 1 세대 CO 2 회수기술중연소중 CO 2 회수기술인순산소연소기술에관한기술특성및기술개발현황및차세대 CO 2 회수기술을본고에서소개하고자한다.
KIC News, Volume 12, No. 1, 2009 45 Figure 2. 발전및산업분야에서의 CO 2 회수기술개념. 2. 순산소연소기술원리 공기중의질소및다른성분을제거하지않고연소실에주입하는기존의공기연소방식에서공기중에약 79% 를점하는질소분을제거한순산소를기존의연소용공기대신주입하여연소시킨후 CO 2 의포집을쉽게하는기술이순산소연소기술이다. 순산소연소기술이석탄화력발전에적용되는개념은 Figure 3 에제시되어있다 [6]. 순산소연소를채택하여 CO 2 를회수하는기술에서는먼저석탄화력발전설비에서산화제를공기대신에순도 95% 이상의고농도산소를이용하여미분탄을연소시켜열을발생시킨다. 순산소연소를통해서발생하는배가스의대부분은 CO 2 와수증기로구성되어있으며, 발생된배가스의약 70 80% 를다시연소실로재순환시켜발전설비의열적특성에적절한연소가가능하도록통합시킴과동시에배가스의 CO 2 농도를 80% 이상으로농축시킨다. 배출되는배가스의주성분가운데수증기를응축시킬경우, 거의전량의 CO 2 를회수할 수있으며, 회수된 CO 2 를저장시켜서 CO 2 와대기오염물질의무배출을구현하는기술이다. 3. 순산소연소기술개발동향 3.1. 국외기술개발동향석탄화력발전에대한 CCS 기술개발은유럽과일본을중심으로이루어지고있다. 이들나라를중심으로현재까지알려진국외의순산소연소석탄화력발전기술과관련된연구개발및실증동향이연도별, 용량별로 Figure 4 에요약하였다. 순산소연소기술의연구는 1980 년대말미국의 Argonne National Laboratories 에서최초로이루어졌으며, 1990 년대에들어서유럽의 IFRF (International Flame Research Foundation) 와 MBEL 이주축이된 EU 콘소시엄, 캐나다의 CANMET 및 NEDO 의지원을받은일본의 J-Power, IHI 콘소시엄이연구개발을수행한바가있다. 주로 0.3 MW 에서 3 MW 규모의석탄보일러에서순산소연소에의한화염및보일러의열적, 환경적
46 공업화학전망, 제 12 권제 1 호, 2009 Figure 3. 순산소연소기술에기반한 CO 2 회수기술의개념도. Figure 4. 순산소연소석탄화력발전기술의개발동향. 특성등에대한연구가수행되었다. 2000 년대들어서면서순산소연소석탄화력발전기술은연구개발의수준을넘어서 30 MW 급파일롯규모의실증사업이착수되기시작하였고, 가장대표적인파일롯규모실증사업이독일의 Vattenfall 에서추진하는 30 MW th 규모실증사업과일본 - 호주공동의 30 MW e 규모실증사업이다. 일본의 J-Power, IHI 와호주의 CS-Energy 로구성된일본 - 호주콘소시엄은호주 Queensland 에위치한 CS-Energy 사의 Callide A, 4 호기를순산소연소보일러로개조 (Retrofit) 하고있다. 반면독일의 Vattenfall 사는 Retrofit 이상대적으로효율이낮을뿐만아니라, 설
KIC News, Volume 12, No. 1, 2009 47 Table 1. 진행중인순산소연소 CO 2 회수기술실증사업 Project ( 국가 )/Site 주관전력사 / 설비사규모 / 시기비고 Vattenfall ( 스웨덴, 독일 )/ Schwarze-Pumpe ( 독일 ) Vattenfall/Alstom 30 MW th : 2008 300 MW th : 2015 1000 MW th : 2020 신규건설 CS-Energy-IHI ( 호주, 일본 )/ Callide-A ( 호주 ) CS-Energy ( 호 )/ J-Power ( 일 ), IHI ( 일 ) 30 MW e : 2008 개조 Sask Power ( 캐나다 )/ Shand ( 캐나다 ) Jupiter Oxygen ( 미국 )/ Orrville Utility ( 미국 ) SaskPower/B&W 300 MW e : 2011 Orrville Utility/ Doosan-Babcock EOR (Enhanced Oil Recovery) 25 MW e : 2008 개조 비개조에소요되는비용이비싸므로, 신규발전설비를대상으로순산소연소기술을도입하려는상반된접근방법을시도하고있다. 독일의 Vattenfall 사는 2020 년상용화를목표로순산소연소석탄화력발전기술을실증할목표를세우고있다. 2006 년독일의메르켈수상이참석한가운데착공한 30 MW th 급의파일롯규모의설비가 2008 년 9 월부터시운전을시작하였으며관련된연구가 2011 년에종료되면 2015 년까지 300 600 MW th 급의실증플랜트를건설할예정이다. 이와같은 2 단계의실증사업을통해서 2020 년 1000 MW th 급의순산소연소석탄화력발전소를건설하여 CCS 기술의상용화에진입하는것을목표로하고있다. Table 1 은국외에서진행중인대표적인순산소연소기술실증사업현황이다. 3.2. 국내기술개발현황순산소연소기술은가열로등산업용연소로분야에적용될수있는고전적인고온순산소연소기술과이산화탄소회수를목적으로하는석탄화력발전에적용될수있는배가스재순환순산소연소기술로크게구분될수있다. 가열로를포함한산업용연소로에적용하여에너지이용효율과생산성을높이기위해서수행되는고온순산소연소기술의연구개발은 크게두개의연구체계를중심으로연구개발이진행되고있다. 먼저한국과학재단의 ERC 프로그램에의해서지원되고있는 CERC ( 연소공학연구센터 ) 에서산소부화연소기술에대한연구를 2001 년부터수행해오고있다. 그러나 ERC 프로그램이기초연구에국한된연구를수행하는특성상, 순산소연소와관련된화염의기본적인연소특성과복사특성같은기초연구에국한되고있어아직실용적인분야에적용되기에는상당한규모의차이가존재하고있다. 고온순산소연소기술과관련된중요한연구개발동향은과학기술부에서지원하는 21 세기 Frontier 연구개발사업단인 이산화탄소저감및처리기술개발사업단 (Carbon Dioxide Reduction and Sequestration R&D Center, CDRS) 에서지원하고있는고온순산소가열로기술과제이다. 철강업계등에적용을목적으로 100 톤 / 일연속식가열로를개발하기위한연구개발사업이수행되었으며, 이를위해서저 NO x 순산소연소기술, PSA (Pressure Swing Adsorption) 기술기반소규모산소생산기술및순산소연소철강가열로개발에대한 R&D 가 2002 년부터수행된바있다. 한국전력공사전력연구원에서는실증규모의순산소연소석탄화력발전소의개념설계및시스템최적화를위하여 2007 년 10 월부터지
48 공업화학전망, 제 12 권제 1 호, 2009 Table 2. 순산소연소시스템단계별사업추진계획 1 단계 (2007~2010) 2 단계 (2010~2012) 3 단계 (2013~2015) 향후 (2015~ ) 순산소발전시스템개념설계 순산소발전시스템기본설계 순산소발전시스템상세설계및건설 순산소발전시스템운영및실증 식경제부의에너지ㆍ자원기술개발사업으로 청정화력발전기술과연계한온실가스처리시스템구축 연구개발프로젝트를수행중에있다. 다음 Table 2 와같이총 8 년간 3 단계에걸쳐수행되는프로젝트에서는순산소연소플랜트의설계평가및최적운용기술을개발하여국내최초로대용량순산소연소발전시스템을실증화할계획이다. 4. 차세대 CO 2 회수기술 현기술로서석탄화력발전에 CO 2 회수를적용할경우전력생산량의약 1/4 1/5 정도의손실이발생할것으로예측되고있다. 따라서 CO 2 회수비용및전력생산설비의추가건설을최소화하기위한기술개발이차세대 CO 2 회수기술의핵심이다. 현 CO 2 회수기술이약 10% 이상의발전효율감소를유발하는기술수준인반면, 차세대 CO 2 회수기술은약 2 4% 의발전효율감소를목표로하고있다. 이와같은차세대 CO 2 회수기술이고효율석탄화력발전설비와통합될경우송전단의발전효율 40% 이상을구현할수있을것으로예측할수있다. 차세대 CO 2 회수기술에서가장중요한역할을수행할수있는기술이분리막기술이다. CO 2 회수기술에적용될수있는분리막기술로는산소생산을위한 Oxygen Ion Transfer Membrane (ITM 또는 OTM), IGCC 의 Water-Gas Shift 반응및 CO 2 분리에적용될수있는 Membrane Reactor 등도포함될수있을것이다. CO 2 회수용 Membrane 기술가운데에서상 용화에가장근접한기술이 OTM 산소생산기술이다. OTM 산소생산은기존의심냉식공기분리기술을이용한 ASU (Air Separation Unit) 보다설비비및생산비를약 50% 로줄일수있을것으로예측되고있으며, Oxy-PC 석탄화력및 IGCC 에모두적용될수있다. 그러나현재의 OTM 산소생산기술의수준은약 5 톤 / 일의생산수준에머물고있어서발전설비적용을위한 2000 톤 / 일로스케일업이필요한상황이다 [7]. 일반적으로 Membrane 기술은파급효과가매우크지만기술적난이도도그에상응하게높아서가까운미래에실제의 CO 2 회수공정에적용될수있을지의여부는아직불투명하다고할수있다. 한편 Oxy-PC CO 2 회수에적용될수있는또다른차세대 CO 2 회수기술이매체순환연소기술 (Chemical Looping Combustion, CLC) 이다. ASU 또는 OTM 을통한산소생산이아니라, 산화금속내산소를석탄의연소에활용하는한편부분적으로환원된산화금속은다른환원로에서공기에의해서산화시켜서순환식산소운반매체로활용하는방법이다. 현재한국의에너지기술연구원, 스웨덴의 Chalmers 대학등에서연구가수행되고있지만규모면에서 100 kw 급이하의소규모이며또한석탄대신가스를연소시키는수준에머물고있어적절한시기에상용화시키기위해서는연구개발을가속화시킬필요성이매우크다. 5. 결론 지금까지연소중 CO 2 회수기술인순산소연
KIC News, Volume 12, No. 1, 2009 49 소기술의개요를간단하게요약하여소개하였다. 본기고에서강조하고자하는바는기후변화에대한올바른대응을위해서는산업사회의에너지공급및소비형태를근본적으로바꾸는매우광범위하고심도높은사회의구조를개혁하는작업을동반하여야하며, 이러한노력이제대로된결실을맺기위해서는에너지의공급과소비그리고온실가스배출원의특성을제대로고려한전략적인방법론이도입되어야한다. 이와같은관점에서전력분야특히석탄화력발전분야에대한 CCS 기술의적용은전략적판단에기초한정책적그리고기술적의지를표현하는중요한시금석으로받아질수있을것이다. 또다른대규모 CO 2 배출원인제철산업및석유화학산업은배출원의규모및종류에있어서다양하게분포되어있는특징이있으므로, 경제적으로적용이가능한 CO 2 회수기술은높은단계의기술적통합이요구되고있으며, CO 2 회수기술의실용화를앞당기기위해서는정부차원의지원또한필요한실정이며, 중장기적으로집중적인기술개발이필요할것으로기대한다. 참고문헌 1. IPCC, Climate Change 2007; The Physical Science Basis, Cambridge Univ. Press, (2007). 2. IPCC, Climate Change 2007; Migitgation (Pre-Copy), Cambridge Univ. Press, (2007). 3. IPCC, Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge Univ. Press (2005). 4. S. Ansolabehere, et al., The Future of Coal, MIT (2007). 5. L. Stromberg, Tecnology choice and benchmarking studies, 1st Workshop on Oxy-Fuel Combustion Research Network, Nov. 2005, Cottbus, Germany. 6. 김종수외 21, 청정화력발전기술과연계한온실가스처리시스템구축기획보고서, 한국과학기술원 (2007). 7. K. Fogash, Oxygen production technologies; Cryogenic and ITM, 2nd Workshop on Oxy-Fuel Combustion Research Network, Jan. 2007, Windsor, CT, USA. % 저자소개 김성철 1979 홍익대학교화학공학과학사 1982 홍익대학교화학공학과석사 2001 충북대학교화학공학과박사 2009 현재 한전전력연구원 엄희문 1976 경북대학교학사 1998 충북대학원석사 2003 충북대학원박사 2009 현재 한전전력연구원 수화력발전연구소장