상용 가스발전 과정에서 연료가 연소되면 수증기와 함께 온실가스인 이산화탄소가 발생한다.
이산화탄소는 공기 중 질소와 혼합되기 때문에 순수 이산화탄소를 저장하려면 이를 선택적으로 분리 포집하는 시설이 필요하고, 이는 발전비용 상승의 원인이 된다.
이를 해결하기 위한 친환경 발전기술로 매체순환 연소기술이 주목받고 있다.
이는 연료가 공기와 직접 반응하는 기존 기술과 달리 산소를 주고받을 수 있는 입자로 연료에 순수한 산소만을 공급하고, 산소를 잃은 입자는 공기와 접촉해 산소를 흡수해 다시 연료에 공급하는 것을 반복한다.
이를 활용하면 연료와 순수한 산소만 만나기 때문에 연소 후 순수한 이산화탄소만 남아 별도 분리 없이도 포집이 가능하다.
특히 연료를 태우는 연소에서는 초미세먼지 생성물질인 질소산화물이 발생하는 반면 이 기술은 화염이 없는 무염 연소로 진행돼 질소산화물이 거의 발생하지 않는다.
세계 최초 매체순환 연소기술로 증기 생산
한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 류호정 박사팀이 한국전력공사 전력연구원과 공동으로 이산화탄소를 원천적으로 분리할 수 있는 가스발전기술을 세계 최대 규모로 실증하고, 전력 발생에 필요한 증기 생산에 세계 최초로 성공했다.
에너지연은 전력연구원과 공동연구로 세계 최고 수준의 매체순환연소 기술을 개발하고 2023년 세계 최대 규모 3㎿th급 파일럿 플랜트를 구축, 실증을 본격 진행했다.
실증결과 300시간 동안 중단 없이 운전, 이산화탄소 분리 배출 성능이 기존 세계 최고인 94%를 넘어 96% 이상을 기록했다.
아울러 에너지연은 세계 최초로 매체순환 연소기술을 이용해 발전에 필요한 증기를 생산하면서 상용화의 길도 열었다.
유럽연합, 중국, 미국 등 선진국에서도 매체순환연소 기술을 실증하고 있으나 아직까지 증기 생산에 성공한 나라는 없었다.
이 기술은 실증 규모가 작은 경우 효율은 높지만 열손실이 많아 증기를 만들 수 없고, 규모를 키우는 과정에서 높은 효율을 유지할 수 없으면 증기가 생산되지 않는다.
반면 공동연구팀은 규모를 키우면서도 열손실을 줄이고 높은 효율을 유지할 수 있는 공정 설계·운영기술과 산소 전달입자의 대량생산기술을 개발해 증기를 생산했다.
이번에 개발한 매체순환연소 기술의 경제성을 분석한 결과, 기존 100㎿급 천연가스발전 대비 연간 운영이익은 144억 원, 발전효율은 4% 상승할 것으로 예측됐다.
특히 이산화탄소 포집 비용도 기존보다 30% 절감되고, 연간 15만 톤 이상 포집이 가능해 국가 탄소중립 달성에 크게 기여할 전망이다.
류호정 에너지연 책임연구원은 “국가 탄소중립 달성을 위해 매체순환 연소기술을 적용한 가스발전소 신설과 운영이 필요하다”며 “확보한 기술을 지속 발전시키고 실증해 차세대 발전기술의 상용화를 앞당길 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 산업통상자원부가 지원하는 한국에너지기술평가원의 가스발전/스팀생산 설비 연소 중 이산화탄소 포집･활용기술 개발사업으로 진행됐다.
