화석연료의 사용은 필연적으로 이산화탄소의 증가를 가지고 오며, 이는 지구온난화 등 심각한 기후변화를 초래하게 되는 것으로 알려지고 있습니다.
그런데 IEA 보고서에 따르면 2050년까지도 화석연료의 비중이 70% 이상을 유지할 것으로 전망됩니다.
CCS(이산화탄소 포집 및 저장) 설비의 세계 시장 규모는 2025년에 약 26조원에 이를 것으로 예측되고 있으며, 시장 선점을 위한 주요 선진국들의 기술 경쟁이 치열해지고 있습니다.
이런 가운데 한국에너지기술연구원이 석탄에서 이산화탄소를 원천적으로 제거하는 동시에 미래 청정에너지인 수소를 대량 생산할 수 있는 '분리막을 이용한 이산화탄소 포집 통합 공정 기술'을 개발했습니다,
이는 기존 분리막보다 투과 성능을 혁신적으로 개선한 것으로, 수소 분리와 동시에 이뤄지는 이산화탄소 포집률이 기존 공정보다 4%~25% 향상된 90%이상으로 세계 최고 수준입니다.
이 같은 이산화탄소 포집률은 2011년 미국 에너지부(DOE)의 목표를 초과 달성한 것이며, 수소 투과 성능도 현재 142㎖/min.㎠로 미국 DOE의 목표치인 110㎖/min.㎠를 앞섰습니다.
또 이를 통해 CO2 포집비용을 톤당 10달러까지 줄일 수 있는 기반을 마련했습니다.
2015년 탄소세와 이산화탄소 포집 비용 또한 거의 동일해져 시장이 확대될 것으로 예측되고 있으며, 현재 이산화탄소포집 비용은 톤 당 40~60달러에 이릅니다.
이번에 개발된 기술은 석탄, 폐기물, 바이오매스 등 품질이 낮은 탄화수소 연료를 이용할 수 있고, 값 싼 석탄을 오염물질 배출 없이 깨끗하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 대량의 수소생산까지 가능한 기술입니다.
석탄가스화복합발전(IGCC)에 적용되는 이 공정은 가스화기에서 배출된 수소와 일산화탄소로 이뤄진 합성가스를 이산화탄소와 수소로 전환하고 분리막을 통해 선택적으로 수소를 분리하는 동시에 이산화탄소를 포집합니다.
저장된 수소는 연료전지 발전이나 수송용으로 활용될 수 있게 됩니다.
연소 전 이산화탄소 포집 시스템 공정도
연구팀이 자체 개발한 '팔라듐계(Pd-Cu계) 분리막'은 공정의 효율성과 우수한 성능, 저가의 포집비용을 가능하게 한 핵심원천기술로, 기존 분리막보다 합성가스 처리량이 7배 이상 향상됐으며 초박막화 기술을 통해 고가 소재의 사용량을 획기적으로 줄였습니다.
분리막 모듈
기존 분리막은 30㎛ 두께의 팔라듐 박(箔, foil)을 코팅해 제조했으나, 자체 개발한 분리막에는 신기술을 적용, 팔라듐 박을 3㎛ 두께로 초박막화하여 소재 사용량을 1/10까지 줄였으며 기존 투과도의 한계를 극복했습니다.
500MW 규모의 발전소에 적용할 경우 기존 분리막은 1200억 원의 비용이 들어가지만, 이번에 개발된 분리막은 60억 원으로, 기존 분리막의 5% 수준에 불과해 높은 수준의 기술 경제성을 확보했습니다.
또한 각각의 분리막을 적층한 모듈은 30기압 이상 고압에서 견딜 수 있도록 설계·제작 됐으며, 이를 통해 고압 분리막 모듈화 기술도 달성했습니다.
이는 가스화기에서 발생한 압력을 그대로 사용, 투과성능 향상은 물론 압력차로 인해 에너지 손실이 발생하는 다른 포집기술에 비해 효율적이며 공정을 단순하게 합니다.
이렇게 개발된 통합공정은 분당 2리터의 가스처리 능력을 가진 실험실 규모의 공정과 시간당 1000리터의 탄화수소를 처리할 수 있는 파일럿 설비를 이용한 실증에 모두 성공했습니다.
연구책임자인 백일현 박사는 이 기술이 저비용 이산화탄소 포집 기술 개발을 위한 기폭제 역할을 할 것으로 내다보고 향후 석탄가스화 시스템과 연계한 2단계 사업을 통해 상용화를 앞당길 예정입니다.
CCS 설비 시장이 활성화 되는 2025년 경 이를 상용화해 국내 발전소에 적용될 경우, 연간 220만 톤의 이산화탄소 저감효과와 7400억 원의 국내 시장, 2조 6000억 원의 수출시장을 선점하는 경제적 파급효과가 있을 전망입니다.
2l/min 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정
1Nm3/h 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정
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