2035년에는 현재 대비 약 40% 증가된 세계 총에너지 수요 중 64% 이상을 여전히 화석연료로 공급해야 할 전망이어서 화석연료 사용으로부터 배출되는 CO₂를 포집하여 저장하는 CO₂ 포집 및 저장(CCS) 기술이 개발되고 있다. 이중 케미컬루핑연소를 이용한 CO₂ 원천분리 기술은 포집 비용을 혁신적으로 낮출 수 있는 잠재성이 있고, 응용 분야가 넓어 기술의 특징 및 개발 동향을 소개하고자 한다.

서론

대기 중 온실가스 농도의 증가로 인해 지구 온도가 상승하고 기후변화 현상이 더욱 뚜렷해지면서 이에 따른 피해가 점차 늘어나고 있다. 이에 따라 전 세계적으로 풍력, 태양광 등 재생에너지를 이용한 에너지 공급을 늘리고 화석연료 사용을 줄이려는 노력을 하고 있다. 

하지만 2035년에는 현재 대비 약 40% 증가된 세계 총에너지 수요 중 64% 이상을 여전히 화석연료로 공급해야 할 전망이어서 화석연료 사용으로부터 배출되는 CO₂를 포집하여 저장하는 CO₂ 포집 및 저장(CCS) 기술이 개발되고 있다.
현재 전 세계적으로 약 22개의 대규모 CCS 프로젝트가 가동 또는 건설 중에 있다. 하지만 실증 단계에 있는 현재 포집 기술들의 CO₂ 포집 비용은 60달러/tCO₂ 이상으로 너무 높아 2025년 이후 포집 비용을 40달러/tCO₂ 이하로 낮추기 위한 차세대 기술을 개발 중이다.

이중 케미컬루핑연소(CLC ; Chemical Looping Combustion)를 이용한 CO₂ 원천분리 기술은 포집 비용을 혁신적으로 낮출 수 있는 잠재성이 있고, 응용 분야가 넓어 기술의 특징 및 개발 동향을 소개하고자 한다.     

기술 개요

현재 발전소에서 사용 중인 보일러에서는 연료와 공기가 직접 접촉하여 연소가 일어난 후 온실가스인 CO2, 산성비의 원인 가스인 NO_x 등이 질소와 혼합되어 배출된다. 따라서 대부분이 질소인 연소배가스로부터 CO₂를 포집하고 NO_x를 저감하기 위한 설비를 설치하고 운영하기 위해서는 발전 비용 상승이 불가피하다. 

이에 따라 산소분리기를 이용하여 공기 중 산소를 분리하여 얻은 순산소로 연료를 연소시켜 발전하는 순산소 연소 기술 개발이 대규모로 진행 중이나 산소 분리 비용이 너무 높아 CO₂ 포집 비용이 기존 기술과 비슷한 수준이다.
CLC 기술은 연료의 연소에 필요한 산소를 고체 입자인 산소공여입자로 순산소 형태로 제공함으로써 연료 연소 후 배출되는 배가스는 CO₂와 수증기로 구성되어 있고 수증기를 응축하여 제거하면 CO₂만 남게 되는 CO₂ 원천 분리 특징을 가지고 있다(그림 1 참조).

그림 1. 케미컬루핑연소기술을 이용한 CO₂ 원천분리 및 발전시스템 개략도

또한 연료 연소 시 보일러 내에 NO_x 발생의 원인이 되는 질소가 없기 때문에 NO_x가 발생하지 않는다.
즉 별도의 CO₂ 포집설비나 산소분리기, NO_x 저감설비가 필요 없는 저비용 친환경 화력발전 구현을 가능케 하는 기술이다.

연료에 산소를 전달한 산소공여입자는 회수된 후 공기로부터 산소를 얻어 재생된 다음 재사용되는 케미컬루핑 과정을 반복한다. 연료의 연소가 일어나는 반응기와 산소공여입자가 재생되는 반응기의 온도는 약 800∼1200℃로서 두 반응기에서 배출되는 가스의 압력 및 열을 이용하여 발전을 할 수 있다. 

또 전기, 열, 질소 및 CO₂를 동시에 생산하며 천연가스, 셰일가스, 석탄합성가스, 바이오 가스 등 가스연료와 디젤, 석탄 등 액체 및 고체 연료 모두 적용이 가능하다. 그리고 소규모 스팀생산설비나 열병합설비로부터 대규모 발전에까지 적용 가능한 기술이다.  

연구개발 진행 현황

케미컬루핑연소 기술은 2000년 초반에는 스웨덴, 스페인, 오스트리아, 일본, 노르웨이, 중국, 미국 등의 연구자들에 의해 주로 국가별로 연구가 이루어져 왔으나, 최근에는 유럽연합(EU)에 의한 국제공동연구와 미국에서 기술개발이 활발히 이루어지고 있다.

케미컬루핑연소 기술은 크게 가스연료 연소 기술과 고체연료(석탄) 연소 기술로 구분되며 이에 대한 최근의 연구개발 현황을 요약하면 다음과 같다.
가스연료의 경우, 유럽연합은 GRACE Project 및 CLC Gaspower 프로그램을 통해 천연가스 케미컬루핑연소에 필요한 산소공여입자 및 공정 기술개발을 추진했다.

스웨덴의 Chalmers 대학이 NiO계 산소공여입자를 개발하고 벨기에 VITO(Flemish Institute for Technological Research)에서 입자를 분무건조기술로 대량 생산했으며 이 입자를 이용하여 오스트리아 Vienna University of Technology에 설치한 120kW_th급 공정에서 1,500시간 이상의 케미컬루핑연소 시험을 성공적으로 마쳤다.
후속 프로그램인 INNOCUOUS 및 SUCCESS에서 Ni계 입자를 대신할 저가 산소공여입자를 개발하고 이 입자를 이용한 1MWth 기술개발을 추진 중이다.

미국 Ohio State Univ.와 B&W사는 DOE 지원으로 가압 석탄합성가스 케미컬루핑연소 기술개발을 위해 앨라배마주 Wilsonville에 소재한 미국 남부발전의 National Carbon Capture Center에 250kWth 설비를 구축하고 운영 중이다.
캐나다의 Cenovus Energy사는 오일 생산에 필요한 스팀 공급을 위해 유럽서 개발된 기술을 이용하여 Alberta에 10MWth 스팀 생산 공정을 설치하여 운영하는 사업을 추진 중에 있다. 

고체 연료의 경우, 유럽연합은 ENCAP, ECLAIR, ACCLAIM 프로젝트를 통해 저가인 철계 천연광물인 ilmenite를 산소 공여 입자로 사용하여 석탄을 직접 연소하는 기술을 개발 중에 있다.
100kWth 공정을 Chalmers 대학에 설치하여 기술개발에 활용하고 있으며, 상용 규모(450MW) 공정용 설계 자료 도출을 위해 ALSTOM사에서 1MWth 공정을 독일 Tech. Univ. of Darmstadt에 설치하여 현재 운전 중이다.
추가 열원 공급 없는 운전에는 성공했으나 CO2 포집률 50%, 포집 CO2 순도 68%로 성능이 아직 불충분한 상태이다. 상용 규모의 실증에 앞서 10∼50MW 공정 개발을 계획하고 있다. 

Alstom사는 유럽연합 프로그램과는 별도로 미국에서 DOE 지원으로 CaSO4를 산소공여입자로 이용하는 기술을 개발 중이며 65kWth급 공정 개발을 완료하고 현재 3MW_th급 설비를 Windsor에 설치하여 운전 중이다.
성능이 불충분하였으나 외부열원의 추가 공급 없이 연료로 석탄만을 공급한 상태로 운전에 성공하였으며 최대 CO₂ 포집율 96%를 달성하였다. 현재 가압반응을 비롯한 공정을 업그레이드할 수 있는 다양한 시스템 구성에 대한 연구를 수행하고 있다. 

국내에서는 한전 전력연구원이 개발한 Ni계 입자를 이용하여 한국에너지기술연구원이 상압 200kWth 천연가스 연소기술을 2011년 성공적으로 개발했다. 고체연료에 대한 기술개발은 이루어지지 않았다.   

그림 2. 한국, 미국, 유럽연합에서 개발된 매체순환연소 시험 설비

 
기술 전망 및 기대효과

위에서 살펴본 바와 같이 케미컬루핑연소 기술은 현재 1∼3MWth 규모의 기술개발 초기 단계로 대규모 발전 사업이 가능한 시기는 가스연료의 경우 2025∼2030년, 석탄직접연소의 경우는 2030∼2035년 정도로 예상되고 있다.
이 기술을 수십MW급 규모로 격상하기 위해서는 가스연료의 경우 가압 연소 및 저가 산소공여입자 개발, 석탄연료의 경우 반응 속도 향상, 입자 성능 유지, 석탄연소 효율 향상 등 여러 가지 극복해야 할 과제들이 남아 있다. 

이러한 과제들이 해결될 경우 케미컬루핑연소를 적용한 발전의 열효율은 실증 단계에 있는 현재의 포집 기술을 적용한 발전에 비해 약 3%p. 이상 높게 계산되고 있으며, CO₂ 포집 비용은 30달러/tCO₂ 이하로 현재 대비 50% 이상 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 

이에 따라 미국 DOE/NETL에서는 케미컬루핑연소기술을 미래 CO₂ 감축을 위한 비용저감효과가 가장 큰 기술로 전망하고 기술개발을 지원하고 있다. 이 기술의 잠재성 및 차세대 CO₂ 저감 기술개발의 필요성을 고려할 때 국내에서도 조속히 기술개발을 추진하여 저비용 친환경 CO₂ 원천분리 신발전 기술의 핵심 기술을 확보하고 미래시장에 대비할 필요가 있다.

백점인 선임연구원 _ 전력연구원 미래기술연구소