가스발전 과정에서 대표적인 온실가스인 이산화탄소를 원천적으로 분리 배출할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이 기술은 초미세먼지 유발물질인 질소산화물(NOx)의 저감도 가능하다.
한국에너지기술연구원은 류호정 기후변화연구본부장 연구진이 별도의 분리설비 없이 이산화탄소가 98% 이상으로 원천적으로 분리 배출되고 질소산화물도 저감할 수 있는 ‘케미컬루핑 연소 기술’을 개발했다고 7일 밝혔다.
케미컬루핑 연소 기술은 산소를 주고받을 수 있는 입자를 사용해 한쪽에서는 공기 중의 산소를 흡수하고 다른 쪽에서는 산소를 내주기 때문에 연료와 연소하는 과정에서 공기와 이산화탄소가 섞이지 않아 이산화탄소를 원천적으로 분리할 수 있다.
기존 가스발전 기술은 공기 중의 산소가 연료와 반응해 이산화탄소, 수증기를 생성하면서 공기 중의 질소와 혼합돼 배출된다. 배출된 다량의 질소에 이산화탄소가 포함되어 있기 때문에 이를 분리하기 위한 별도의 포집 설비가 필요했다.
이에 반해 케미컬루핑 연소 기술은 공기와 연료가 직접 반응하는 대신 산소를 전달하는 입자를 사용하므로 연료가 연소하면 이산화탄소와 수증기만 배출된다. 또 온도를 낮춰 수증기를 액체인 물로 바꿔주면 기체 중에는 이산화탄소만 남게 되므로 별도의 분리설비 없이도 이산화탄소를 분리할 수 있다.
산소를 주고받는 데 쓰이는 입자는 두 반응기를 계속 순환하면서 재생해 사용할 수 있다. 공기와 입자의 반응은 화염이 없는 조건에서 일어나므로 2차 미세먼지 유발물질인 질소산화물의 발생도 줄일 수 있다.
연구진이 개발한 기술은 세계 최초로 고압 조건에서 운전되는 0.5MWth급 케미컬루핑 플랜트에서 200시간 이상의 장기연속운전을 통해 실증을 마쳤다. 실증 결과 이산화탄소가 98% 이상 고농도로 배출되며 총 질소산화물 배출농도도 15ppm 정도임이 입증됐다.
케미컬루핑 연소 기술의 핵심은 두 반응기 사이에서 입자를 순환시키면서 공기와 연료가 섞이는 것을 방지할 수 있는 공정기술과 두 반응기 사이를 순환하면서 산소를 주고받을 수 있는 입자기술이다. 이 공정기술은 한국에너지기술연구원에서, 입자기술은 한국전력공사 전력연구원에서 주도적으로 개발하였다.
연구진은 케미컬루핑 연소 기술을 이용할 경우 100MW 천연가스발전 기준으로 연간 운영이익 144억원, 발전효율 상승 4%, 이산화탄소 포집 비용 30% 절감, 연간 15만ｔ의 이산화탄소 감축이 가능할 것으로 예상했다.
류호정 본부장은 “기존 석탄화력 발전소에는 연소 후 포집 기술을 적용해야 하지만, 새로 건설되는 가스발전소의 경우 신기술을 접목해 이산화탄소 포집 비용을 획기적으로 저감해야 한다”며 “케미컬루핑 연소 기술 적용을 통해 온실가스 원천분리가 가능한 차세대 발전기술을 실증하는 데 기여할 계획”이라고 밝혔다.
이번 기술 개발은 산업통상자원부가 지원하는 한국에너지기술평가원 에너지수요관리핵심기술개발사업의 일환으로 진행됐다. 또 한국에너지기술연구원 주관으로 한국전력공사 전력연구원과 건국대, 충남대, 영남대, 전북대가 참여한 가운데 이산화탄소와 질소산화물을 원천적으로 분리 및 저감할 수 있는 차세대 가스발전기술 개발을 목표로 하고 있다. 이 기술은 한국에너지기술평가원에서 선정한 2019년 에너지 R&D(연구개발) 우수성과(총 26개 기술) 중 하나에 선정됐다.
김준영 기자 papenique@segye.com