한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 이산화탄소(CO₂) 를 원천적으로 분리할 수 있는 가스 발전 기술을 세계 최대 규모로 실증하고, 전력 생산에 필요한 증기 생산까지 세계 최초로 성공했다.
에너지연은 류호정 박사 연구진이 한국전력공사 전력연구원과 함께 이같은 성과를 거뒀다고 20일 밝혔다.
상용화 가스 발전 과정에서는 수증기와 함께 CO₂가 발생한다. 이는 발생 후 공기 중 질소와 혼합돼, 순수한 CO₂를 저장하려면 분리·포집 시설이 필요하고 발전 비용이 올라간다.
해결책으로 매체순환연소 기술이 주목받는다. 이 기술은 입자를 통해 연료에 순수한 산소를 공급하고, 산소를 잃은 입자는 이후 공기와 접촉해 산소를 흡수하는 것을 반복한다.
연료와 산소만 만나 공기 중 질소와 반응할 수 없고, 연소 후에는 순수한 CO₂만 남는다. 별도 분리 없이 포집 가능하다. 질소산화물도 거의 발생하지 않는다.
연구진은 세계 최고 수준 매체순환연소 기술을 개발하고 2023년 세계 최대 규모인 3메가와트열(㎿th)급 파일럿 플랜트를 구축해 실증했다.
300시간 무중단 운전 결과 CO₂ 분리 배출 성능이 세계 최고 수준인 94%를 넘어 96% 이상을 기록했다.
상용화 가능성도 열렸다. 에너지연은 발전에 필요한 증기 생산에 세계 최초로 성공했다. 그동안 증기 생산에 성공한 나라는 없었다.
기술 실증 규모가 작으면 효율은 높지만 열손실이 많아 증기를 만들 수 없고, 규모를 키우는 과정에서 고효율을 유지할 수 없는 경우에도 증기가 생산되지 않는다. 연구진은 공정 설계·운영 기술과 산소 전달 입자 대량 생산 기술 개발로 증기 생산을 가능케 했다.
매체순환연소 기술 경제성 분석 결과, 기존 100메가와트(㎿)급 천연가스 발전 대비 연간 운영 이익은 144억 원, 발전효율은 4% 상승할 것으로 예측됐다. 특히 CO₂ 포집 비용도 기존보다 30% 절감되며 연간 15만 톤 이상 CO₂ 포집이 가능해 국가 탄소중립 달성 기여가 예상된다.
류호정 책임연구원은 “국가 탄소중립 달성을 위해 매체순환연소 기술과 같은 신기술을 적용한 가스 발전소 신설·운영이 필요하다”며 “차세대 발전 기술 상용화를 앞당길 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원에서 선정한 2019년 에너지 연구개발(R&D) 우수성과 및 2020년 국가 R&D 우수성과 100선에 선정된 바 있다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
