화석연료의 사용은 필연적으로 이산화탄소의 증가를 가지고 오며 이는 지구온난화 등 심각한 기후변화를 초래하는 것으로 알려지고 있습니다. 연소 전 이산화탄소 포집 시스템 공정도 분리막 모듈
그러나 IEA 보고서에 따르면 오는 2050년에도 화석연료의 비중은 70% 이상을 유지할 것으로 전망됩니다.
이런 가운데 CCS(이산화탄소 포집 및 저장) 설비의 세계 시장 규모는 2025년 약 26조 원에 이를 것으로 예측되고 있으며, 시장 선점을 위한 주요 선진국들의 기술 경쟁이 치열하게 전개되고 있습니다.
한국에너지기술연구원은 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 개선시킨 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 앞질렀습니다.
또 이를 통해 이산화탄소 포집비용을 톤 당 10달러까지 줄일 수 있는 기반을 마련했습니다.
2015년 탄소세와 이산화탄소 포집 비용 또한 거의 동일해져 시장이 확대될 것으로 예측되고 있으며 현재 이산화탄소 포집 비용은 톤 당 40~60달러에 이릅니다.
이번에 개발된 기술은 석탄, 폐기물, 바이오매스 등 품질이 낮은 탄화수소 연료를 이용할 수 있으며, 가격 변동 폭이 적고 전 세계에 고르게 분포되어 있는 석탄을 오염물질 배출 없이 깨끗하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 대량의 수소생산이 가능해 수소경제사회를 앞당길 수 있는 미래 에너지 생산 기술로 평가받고 있습니다.
석탄가스화복합발전(IGCC)에 적용되는 이 공정은 가스화기에서 배출된 수소와 일산화탄소로 이뤄진 합성가스를 이산화탄소와 수소로 전환하고 분리막을 통해 선택적으로 수소를 분리하는 동시에 이산화탄소를 포집합니다.
수소는 저장되어 연료전지 발전이나 수송용으로 활용될 수 있으며 이산화탄소는 다양한 기술을 통해 지하 등에 저장된다.
기존 분리막은 30㎛ 두께의 팔라듐 박(箔, foil)을 코팅해 제조했지만, 자체 개발한 분리막에는 신기술을 적용해 팔라듐 박을 3㎛ 두께로 초박막화하여 소재 사용량을 1/10까지 줄였고, 또 기존 투과도의 한계도 극복했습니다.
분리막을 500MW 규모의 발전소에 적용할 경우 기존 분리막은 1200억 원의 비용이 들어가지만 개발된 분리막은 60억원으로, 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 기술을 확보했습니다.
이는 가스화기에서 발생한 압력을 그대로 사용, 투과성능 향상은 물론 압력차로 인해 에너지 손실이 발생하는 다른 포집기술에 비해 효율적이며 공정을 단순하게 합니다.
개발된 통합공정은 분당 2리터의 가스처리 능력을 가진 실험실 규모의 공정과 시간당 1000리터의 탄화수소를 처리할 수 있는 자체 제작한 파일럿 설비를 이용해 실증에 모두 성공한 것입니다.
에너지연구원은 분리막 소재와 모듈화 및 공정 원천 핵심기술 특허 25개를 출원, 등록했습니다.
연구책임자인 백일현 박사는 이 공정이 저비용 이산화탄소 포집 기술 개발을 위한 기폭제 역할을 할 것으로 기대되고 있으며, 향후 석탄가스화 시스템과 연계한 2단계 사업을 통해 상용화를 앞당길 예정입니다. 2l/min 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정 1Nm3/h 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정
오는 2025년 CCS 설비 시장이 국내 발전소에 적용될 경우, 연간 220만 톤의 이산화탄소 저감효과와 7400억 원의 국내 시장, 2조 6000억 원의 수출시장을 선점하는 경제적 파급효과도 기대하고 있습니다.
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