한전 전력연구원, 세계 최고성능 CO2 원천분리연소 핵심소재 개발

한전 전력연구원(원장 김동섭)은 차세대 친환경 신발전기술인 케미컬 루핑 연소(CLC, Chemical Looping Combustion, 매체순환연소)를 이용한 CO2 원천분리연소의 핵심 물질인 'Ni계 산소전달입자' 개발에 성공했다고 밝혔다.

CLC 기술은 화석연료가 공기 또는 산소와 직접 접촉하는 기존 연소방식과 달리 두 개의 반응기 내에서 산소전달입자가 순환하면서 연소과정 없이 연료를 연소시키는 신 발전기술로 공정 내에서 별도의 포집설비 없이 CO2를 원천적으로 분리할 수 있고 질소산화물(NOx) 발생이 없고 발전효율이 높은 차세대 저공해-고효율 발전기술이다.

CLC 기술은 산소전달입자의 산화-환원 반응이 두 개의 반응기에서 일어나는 연소 공정으로 ▲공기반응기(산화반응기)에서 산소전달입자에 포함된 금속성분(M)이 공기 중의 산소와 반응해 금속산화물(MO)로 된 후 연료반응기(환원반응기)로 이송되며, ▲연료반응기(환원반응기)에서는 금속산화물과 연료가 반응해 CO2와 H2O를 생성하는 동시에 금속산화물은 금속(M)으로 환원돼 다시 공기반응기(산화반응기)로 재순환된다.

이번에 전력연구원에서 개발한 Ni계 산소전달입자는 산소전달량 산소전달량과 산소 전달속도에서 모두 세계 최고 성능을 보유하고 있다. 또 강도도 우수해 그 동안 이 기술의 가장 큰 애로사항 중의 하나인 입자의 내마모도 문제도 해결했다고 설명했다.

전력연구원 관계자는 "Ni계 산소전달입자의 산소전달량은 약 12 wt%로서, 기존 유럽연합에서 개발한 세계 최고 성능의 입자인 8 wt%에 비해 40% 이상 높고, 마모손실율 또한 기존 20%정도에서 10% 이하로 낮춰 충분한 강도를 확보했다"고 설명했다.

전력연구원은 2011년 한국에너지기술연구원과 공동으로 200kWth 상압 파일럿 시스템에서 NiO계 산소전달입자를 이용해 가스를 연료로 하는 CO2 원천분리연소 기술을 입증하고 확보한 바 있다.

전력연구원은 이번 기술의 특허 출원과 함께 산소전달입자의 산소전달량 및 강도를 20% 이상 추가 향상시키기 위한 연구를 진행 중이며, 고가인 니켈을 대체할 철, 망간 등 저가 금속을 이용한 산소전달입자도 개발 중이다.

또 2017년까지 공동연구기관인 한국에너지기술연구원과 함께 0.5MWth 가압 파일럿 CO2 원천분리 연소설비를 구축하고 개발한 산소전달입자의 연료 연소성능과 장기 내구성 시험을 거칠 예정이다.

전력연구원 연구 관계자는 “이번 CO2 원천분리 기술은 이산화탄소 포집 비용 절감효과가 가장 높을 것으로 예상되는 혁신기술로서 CCS 기술의 비용 및 에너지손실 문제를 해결할 수 있을 것”이라며, "기술 개발을 통해 국제적인 온실가스 감축 압박에 대응할 국내 고유의 저비용 친환경 CO2 포집 기술을 확보할 수 있을 것”이라 밝혔다.