미세먼지 저감 천연가스 신연소기술 세계 최대 실증
가스발전 및 산업용보일러 적용...탄소중립 실현 기여
[에너지신문] 온실가스와 미세먼지 배출 없는 천연가스 신연소기술이 세계 최대 규모로 실증에 들어갔다. 이 기술은 가스발전 및 산업용 보일러 적용으로 탄소중립 실현에 크게 기여할 것으로 기대된다.
한전 전력연구원은 에너지기술연구원과 2일 울산 용연공업단지에서 세계 최초·최대 '3MWth 매체순환연소 증기생산 파일럿 플랜트' 준공식을 가졌다.
'매체순환연소기술'은 연료와 공기가 직접 접촉, 이산화탄소(CO2)와 질소산화물(NOX)이 발생하는 기존 연소기술에서 탈피한 저비용·친환경 신 연소기술로 주목받고 있다.
제10차 전력수급기본계획에서는 전력수급 안정성에 더해 경제성·환경성을 강조, 석탄발전을 줄이고 원전, LNG발전, 신재생에너지 확대를 계획하고 있다. 2030년까지 가스발전 설비용량은 2023년 대비 32% 증가하고, 온실가스는 2018년 대비 44.4%, 미세먼지는 2021년 대비 53% 감축할 예정이다.
또한 분산형 전원의 활성화도 추진하고 있어 2050 넷제로 달성에 필요한 가스발전 및 분산형 전원에 적합한 저비용·친환경 온실가스 감축기술이 요구된다.
현재 상용 운전 중인 가스복합발전은 대규모 발전에 최적화된 기술로 수십 MW급 분산전원 규모에서는 효율이 낮아서 부적합하다는 지적이다. CO2 및 미세먼지 저감을 위해 별도의 CO2 포집 및 NOx 저감 설비를 설치해야 하므로 효율과 경제성이 크게 감소하는 문제가 있다는 것.
전력연구원이 자체 개발한 금속매체 ‘산소전달입자’를 이용하는 매체순환연소기술은 산소를 함유한 이 입자가 내어주는 순산소로 연료가 연소되고, 산소를 잃은 입자는 공기와 접촉시켜 공기 중 산소로 재생되는 순환구조(looping)를 이루게 된다.
최종적으로 연료연소 배기가스에는 CO2와 H2O만이 있어 기존 연소설비와는 달리 별도의 CO2 포집설비를 구축할 필요가 없고, CO2 포집비용도 절감이 가능하다. 또한 산소전달입자가 반응하면서 발생하는 열을 회수하여 증기와 전기를 생산하고, CO2 포집에 수반되는 효율 손실도 최소화시킬 수 있는 혁신적인 기술이라는 게 전력연구원의 설명이다.
연료와 공기를 분리시켜 연소시킴으로써 공기 중 질소와 연료의 직접 접촉이 원천적으로 차단돼 NOx가 규제치 이하로 발생하므로 탈질설비 구축비용도 절감된다.
이 실증설비는 에기평 지원으로 수행 중인 연구개발사업 성과물로, 한전 주관하에 에기연, 서부발전, 한전기술, 부흥산업사, 건국대 및 영남대가 개발에 참여하고 있다. 전력연구원과 에기연이 3MWth 실증플랜트를 공동설계하고, 현대중공업파워시스템이 EPC를 맡아 성공적으로 구축하게 됐다. 이번에 준공된 3MWth 플랜트는 매체순환연소기술 설비로는 세계 최대 규모이며 세계 최초로 증기생산도 실증할 예정이다.
해외에서는 천연가스를 연료로 사용한 1MWth 규모의 매체순환연소 실증 시도가 있었으나, 산소전달입자의 내구성 문제로 장시간 운전은 하지 못했다. 전력연구원은 이런 문제점을 해결한 세계 최고 성능의 산소전달입자를 독자개발 했으며 에기연도 독자적인 공정기술을 완성했다. 이들 두 기관은 국내 고유 입자와 공정을 활용하여 3MWth 실증 플랜트를 운전할 계획이다.
이 기술은 과학기술정보통신부의 2020년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정된 바 있으며, 연료(NG) 연소효율 95% 이상, 연료연소 배기가스 중 CO2 순도 90% 이상, 연속운전 500시간 이상을 포함한 누적운전 60일을 목표로 한다.
이달부터 시운전에 착수, 내년부터 본격적인 시험 운전을 진행할 예정이다. 향후 이 실증설비의 결과를 활용해 한전, 서부발전, 에기연은 100MWth 상용급 보일러 및 발전 시스템을 공동설계하고 다음 단계 실증을 추진할 계획이다.
플랜트에서 포집된 고순도(95%↑) CO2는 CO2 활용 연구설비에 공급, CCU 밸류체인 전체를 아우르는 새로운 부가가치를 창출할 것으로 기대된다.
이중호 전력연구원장은 “3MWth 매체순환연소 증기생산 파일럿 실증설비는 온실가스와 미세먼지를 배출하지 않는 친환경 가스발전 및 산업용 보일러 개발의 핵심 연구시설로, 혁신적이고 경제적으로 탄소중립 실현을 선도할 것”이라고 밝혔다.