한국에너지기술연구원이 가동 중인 순산소 연소 발전 실증플랜트. /에너지연 제공
한국에너지기술연구원이 가동 중인 순산소 연소 발전 실증플랜트. /에너지연 제공
국내에서 배출되는 온실가스(주로 이산화탄소)의 대부분은 화력발전소에서 나온다. 또 중국발(發)을 제외한 국내 발생 미세먼지 가운데 약 60%는 발전소와 공장에서 나온다. 한국과 미국 연구진이 화력발전소의 온실가스 및 미세먼지 배출량을 줄일 수 있는 ‘순산소 연소’ 기술 개발에 나섰다.

한국에너지기술연구원은 미국 에너지부(DOE) 산하 국립에너지기술연구소(NETL)와 ‘순산소 연소 기술 개발에 관한 공동연구협정’을 맺었다고 최근 발표했다.

연료는 연소할 때 일반 공기를 재료(촉매)로 쓴다. 공기는 질소(약 78%)가 대부분이고 산소(약 21%), 기타 미세성분(아르곤 등)으로 구성돼 있다. 순산소 연소는 공기를 순수한 산소로 대체하는 것이다. 에너지연에 따르면 이 기술을 활용하면 공장 굴뚝으로 배출되는 배기가스양이 공기 연소 때보다 80%가량 줄어든다. 또 배기가스 내 이산화탄소 농도가 높아져 포획이 더 쉬워진다.

그런데 이 기술을 발전소에 적용하기 위해선 해당 설비와 기존 발전소 시스템을 연결해 전체 공정을 최적화하는 것이 관건이다. 이는 기존 시뮬레이션 프로그램으론 불가능했다.

에너지연은 이번 협약으로 NETL이 보유한 소프트웨어 ‘IDAES’를 사용할 수 있게 됐다. IDAES는 순산소 연소 등 차세대 발전 시스템을 최적으로 설계·운전할 수 있는 플랫폼이다. 현재 발전소 최적화 등에 쓰이는 상용 시뮬레이션 프로그램과 대수학적 모델링 언어(AML)가 결합돼 탄생했다.

AML은 대규모 최적화를 지원하는 데 유용한 수학적 도구다. 그러나 상용 시뮬레이션 프로그램과 통합할 땐 상당한 고난도 작업이 필요했고, 설령 통합됐다 해도 일회성으로 끝나는 사례가 많았다. 에너지연 관계자는 “IDAES를 이용해 도출하는 최적 공정 및 운전 조건은 순산소 연소 발전소를 제작하는 데 유용하게 활용될 것”이라고 설명했다. 에너지연은 2메가와트(㎿e)급 순산소 초임계 발전 파일럿 플랜트를 가동 중이다. NETL 역시 에너지연의 데이터를 활용해 IDAES의 성능을 더 높일 수 있을 것으로 보고 있다. 이번 한·미 공동연구는 두산중공업에 재직했던 이효진 에너지연 FEP 융합연구단 선임연구원이 이끌게 됐다.

에너지연은 천연가스발전에서 별도 설비 없이 이산화탄소를 98% 이상 분리 배출할 수 있는 ‘케미컬루핑 연소기술’ 개발에도 성공했다고 밝혔다. 산소를 내뿜고 흡수하는 특수 입자를 써서 연소 과정에서 공기와 이산화탄소를 원천 분리하는 기술이다.

기존 가스발전 부산물인 이산화탄소와 수증기는 공기 중 대부분인 질소와 혼합돼 배출된다. 이때 질소와 이산화탄소를 분리하기 위해 별도의 포집 시설이 필요했다. 이 기술을 개발한 에너지연 기후변화연구본부 관계자는 “공기 중에서 산소를 분리하기 위한 비용이 많이 드는 순산소 연소와 달리 산소를 미리 분리할 필요가 없는 기술”이라고 설명했다. 연구팀은 고압 조건에서 이 기술을 적용한 플랜트를 200시간 이상 장기 운전하는 데 성공했다고 밝혔다. 또 100㎿ 천연가스발전소 기준 연간 이산화탄소 포집 비용을 30%가량 줄일 수 있다고 설명했다. 이 기술 개발엔 한전 산하 전력연구원(KEPRI)과 건국대 충남대 영남대 전북대 등이 참여했다.

이해성 기자 ihs@hankyung.com