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고체 흡수제를 이용한 CO2 포집기술 개발 동향_81
고체 흡수제를 이용한 CO2 포집기술 개발 동향
한전 전력연구원 | 이중범 책임연구원
Ⅰ. 개 요 ··········································································· 83
Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 84
1. 국내 동향 ··································································· 85
2. 해외 동향 ··································································· 88
Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 89
<참고문헌> ········································································· 90
고체 흡수제를 이용한 CO2 포집기술 개발 동향_83
고체 흡수제를 이용한 CO2 포집기술 개발 동향
한전 전력연구원 | 이중범 책임연구원
Green Technology Trend Report
Ⅰ. 개 요
남아프리카공화국 더반에서 개최된 제17차 기후변화당사국 총회(2011년 11월)가 더반 플랫폼을
채택하면서 폐막되었다. 이 회의의 성과는 2012년 만료 예정되었던 선진국의 온실가스 감축의무를
규정하는 교토의정서가 연장됨에 따라 기후변화체제를 지속하게 하고, 선진국과 개도국이 모두
참여하는 새로운 감축체제협상 출범에 합의했다는 데에 있다. 실질적인 감축을 위해 필요한 의무
감축국의 목표설정, 감축기간 및 방법, 녹색기후기금 분담률 및 지원방안 등 구체적인 이행방안에
대한 합의는 다음 총회로 연기되었으나, 새로운 국제협약과 기후기금 마련에 노력한다는 내용을
담고 있다. 특히, 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage, CCS) 기술의 유용
성으로 기후변화협약에서 청정개발체제(CDM)를 수용하게 된 점에서 큰 의미가 있다고 할 수 있다.
국제에너지기구(IEA)는 “World Energy Outlook 2012”에서 2035년 에너지 사용에 의한
CO2 배출량은 2010년 대비 23%가 증가한 37Gt CO2로 전망하였으며, 배출원별로는 발전부분이
가장 큰 것으로 보고했다.1) 또 국제에너지기구에서 발표한 “에너지기술전망(Energy Technology
Perspective) 2010”에 의하면 2010년에서 2050년 사이 CO2 감축 목표 달성을 위한 수요자
측면의 에너지 효율 향상 등 다양한 감축 대안 및 저감량을 제시하고 있으며, CCS(Carbon
Capture and Storage) 기술은 전 세계 CO2 배출량의 19%를 감축할 수 있는 가장 저렴하고
유일한 기술로 제시되어 청정에너지 및 이산화탄소 포집 및 저장 기술의 중요성이 더욱 커지고
있다.2)
CO2 포집 기술은 화석연료를 연소 또는 처리하는 과정에서 발생하는 대량의 CO2를 대기로
방출하기 전에 고농도로 포집 분리하는 기술이다. 이산화탄소 포집기술은 화석연료의 연소시스템
또는 배출 공정 대상 가스 기류로부터 CO2를 포집하는 공정의 적용 위치에 따라 크게 연소후
(Post-combustion), 연소전(Pre-combustion), 순산소 연소(Oxy fuel)와 매체순환연소시스템
(Chemical-looping combustion system)을 포함하는 연소 중 포집 기술로 구분할 수 있으며,
처리기술에 따라 흡수, 흡착, 막(Membrane) 분리 기술로 구분할 수 있다. 흡수기술은 크게
건식과 습식 기술로 다시 나뉜다.
본고에서는 국내 고유 기술 개발을 통한 국제기술 선도 잠재성이 큰 건식 흡수제를 이용한
연소후 건식 CO2 포집기술 개발 동향을 소개하고자 한다.
84_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)
Ⅱ. 동향 분석
CO2 포집기술의 보급 적용 및 산업체 확산은 국제 협약 이행과정에서 법적, 제도적 인센티브
등이 선행되어야 한다는 시각이 지배적이며, 우리나라를 포함한 각 국가들에서는 자국의 환경에
적합한 저비용 CO2 포집기술 개발 및 저장소 확보를 위한 다양한 연구개발 프로그램이 진행되고
있다. 세계 각국에서 수행중인 CO2 포집 기술의 분류와 저비용 CO2 포집기술의 개발 방향을
<그림1>과 <그림2>에 정리하였다.3)
자료 : 류청걸 외, 2010년 에너지자원기술개발 상세 기획보고서, 2010
<그림 1> CO2 포집기술의 분류
자료 : DOE/NETL, 2008
<그림 2> CO2 포집기술 개발 방향
고체 흡수제를 이용한 CO2 포집기술 개발 동향_85
1. 국내 동향
연소후 건식 CO2 포집기술은 기존의 습식 용액 대신에 건식 재생 고체 흡수제(Sorbent)를 순환
유동층(Circulate fluidized-bed) 또는 고속 이동층(Transport reactor) 공정에 적용하여 CO2를
연속적으로 제거하는 기술이다.3~4) 유동층 공정에 사용되는 고체 흡수제는 순환과정(Cyclic
process)을 통해 흡수/재생을 반복하면서 배기가스 중의 CO2를 연속적으로 제거하고, 이를 포집
공정에서 반복적으로 사용된다. 이때, 함께 배출된 수증기를 응축시켜 제거함으로써 순수한 고
농도의 CO2를 포집하는 기술이다. 건식 CO2 흡수 기술은 폐수 발생이 상대적으로 적고 부식
문제가 적으며, 재생 공정에서 높은 에너지 소모의 문제점을 극복하고 포집비용을 줄일 수 있는
잠재성이 큰 혁신 기술로 인식되고 있다. <그림 3>은 연소후 건식 CO2 포집 개념도를 나타내었다.
자료 : 류청걸 외, 2010년 에너지자원기술개발 상세 기획보고서, 2010
<그림 3> 연소후 건식 CO2 포집 개념도
연소후 포집 기술에 사용되는 고체 흡수제는 연소후 공정 온도조건(<200℃)을 고려하여 다양한
활성물질 중에서 알칼리금속, 알칼리토금속이 주로 사용되고 있으며, 흡수제의 성능 향상을 위해
다양한 활성물질의 첨가나 고체 아민(Amine) 등에 대하여 폭 넓은 연구개발이 수행되고 있다.
유동층 공정을 기반으로 하는 CO2 포집과정은 다음과 같은 대표 식으로 표현할 수 있다.3)
흡수반응(Carbonation): M2CO3 + H2O + CO2 → 2MHCO3 (1)
재생반응(Calcination): 2MHCO3 → M2CO3 + H2O + CO2 (2)
<표 1> 연소후 CO2 포집기술에 적합한 활성물질과 반응온도
반응과정 화학원소 흡수온도 (℃) 재생온도 (℃)
M2CO3+CO2+H2O → 2MHCO3
Na ~50 110~160
K ~70 145~200
자료 : 류청걸 외, 2010년 에너지자원기술개발 상세 기획보고서, 2010
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고체 흡수제를 이용한 CO2 포집기술 개발은 원천기술을 개발하거나 개발된 기술을 화력발전소에
적용하는 응용기술 개발로 구분할 수 있다. 원천기술 개발은 ‘화력발전소에서 대량으로 배출하는
CO2를 효과적으로 포집할 수 있는 건식 CO2 포집 기술 개발’을 목표로 교육과학기술부 21세기
프론티어연구개발사업으로 2002년 10월부터 2011년 3월까지 총 연구비 125억 원(흡수제 개발
50억 원, 공정개발 75억 원)을 투입한 연구가 수행되었다. 이 연구에는 전력연구원, 한국에너지
기술연구원, 발전5사, 두산중공업, KC-Cottrell 등이 공동 참여하여 건식 CO2 포집기술의 핵심
기술인 고체흡수제 및 유동층 공정을 개발하였고 남부발전(주) 하동화력본부에 0.5MW 소규모
현장실증 적용 연구를 수행하였다. 2005년 유동층 공정에 적용 가능한 고강도 흡수제 및
2Nm3/h의 2탑 유동층 공정을 개발하였으며, 이를 바탕으로 2008년도에 상용급 유동층 고체
흡수제(Sorb KX30)를 개발하였고 100Nm3/h 건식 포집 공정에 적용하여, 50시간 연속 운전을
통해 CO2 제거율 85%를 달성하였다.
개발된 기술을 이용한 상용화 개발은 2010년 산업자원부 에너지자원 융합원천 기술개발 사업의
일환으로 총 사업비 460억 원 규모의 10MW급 연소후 건식 CO2 포집 기술 개발 사업(2010.
11. 1~2014. 9. 30)이 수행되었다. 한국남부발전 하동화력에서 10MW 건식 CO2 포집 공정 개발
및 실증을 통한 100MW급 이상의 상용설비 FEED 개발 및 건식 재생 CO2 흡수제 내구성 향상과
대량생산 최적화를 위한 목표로 한국전력공사 전력연구원과 발전5사, 한국에너지기술연구원, KC
-Cottrell, KEPCO E&C, 토다이수(주) 등이 공동 참여하여 기술개발이 수행되었다.
연소후 건식 CO2 포집기술 개발의 대표적인 성과로 2010년 3월 12일 한국남부발전 하동화력
3호기에 0.5 MW급 건식 CO2 포집설비를 준공한 이후 2011년 0.5MW(2,000 Nm3/h) 건식
CO2 포집공정에 국내 기술로 개발된 KEP-CO2P 흡수제를 적용하여 50시간 연속 운전을 통해
CO2 제거율 80%를 달성하였다. 공정 운전 결과를 바탕으로 추가의 공정 수정 및 흡수제의 성능
향상을 통해 2012년 3월 KEP-CO2P2 흡수제를 적용한 30일 동안의 캠페인(Campaign) 운전
을 통해 공정의 안정적 연속운전과 CO2 제거율을 최고 85%까지 달성하는 성과가 있었다.
이러한 연구 결과를 바탕으로 2012년 8월 10MW 건식 CO2 포집 공정 건설이 착공되어
2013년 7월 건설이 완료될 예정이다. 10MW 건식 CO2 포집 공정의 본격적인 운전은 2013년
9월 준공 이후 2014년까지 지속될 예정이며, 이 과정을 통해 국내 고유 기술에 대한 기술의
신뢰성과 경제성 평가 및 100MW 플랜트 기본설계가 진행될 계획이다. 2013년 건식 CO2 포집
기술은 개발 규모나 실증 성능 면에서 세계 최고 수준으로 건식 기술 분야에서 세계 기술을
주도하고 있다는 평가를 받고 있다.
<그림 4>와 <그림 5>는 각각 한국남부발전 하동화력에 건설 중인 10MW 건식 CO2 포집공정의
조감도와 향후 기술 보급을 위한 상용화 계획을 정리하였다. 향후 100MW급 이상 상용규모
실증을 거쳐 2018년 이후 국내 고유 브랜드로 세계 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 시장을 목표로
하고 있다.
고체 흡수제를 이용한 CO2 포집기술 개발 동향_87
자료 : 10MW 연소후 건식 CO2 포집기술 개발 전문가 초청 세미나 발표자료, 2012. 11. 26.
<그림 4> 우리나라의 건식 CO2 포집 실증 테스트 베드
자료 : 류청걸 외, 2010년 에너지자원기술개발 상세 기획보고서, 2010
<그림 5> 연소후 건식 CO2 포집기술 로드맵
국내에서는 2020년 이후 포집비용을 크게 저감할 수 있는 혁신 기술 개발을 목표로 한국이산화
탄소포집 및 처리연구개발센터(KCRC)에서 지원하는 연구가 진행 중이다. 한국화학연구원, 한국
과학기술원, 고려대, 경북대, 연세대 등이 공동 참여하여 ‘에너지 교환형 다단 유동층 CO2 포집
기술 개발(화학연구원)’을 목표로 2011년부터 2020년까지 다양한 소재에 대한 탐색과 적용에 대
한 연구가 수행되고 있다.5)
이산화탄소 포집 및 저장(CCS)에 대한 국내 기술 표준은 국제 표준화 활동과 연계하여 진행
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되고 있으며, 초기단계이다. 기술표준원이 국제 CCS 표준과 연계할 수 있는 국내 CCS 표준화
활동을 진행하고 있으며, 대표로 활동하고 있다. 활동범위는 탄소 포집 및 저장 분야에서 설계,
건설, 운전, 환경계획 및 관리, 정량화 및 검증, 기타 관련활동의 표준화 등을 포함하고 있다.
국내 기술 표준화와 관련하여 한국이산화탄소포집저장협회(KCCSA) 주관으로 국제 표준화가
논의되는 CCS 표준화 기술에 대하여 국내 표준화의 타당성을 분석하는 활동이 2012년부터 수행
되었다.
2. 해외 동향
미국은 2000년부터 Na-계열 고체흡수제를 이용하여 건식흡수 기술 개발을 시작하였다. 트라이
앵글연구소(Research Triangle Institute, RTI)와 루이지애나주립대학교(Louisiana State
University, LSU)는 유동층과 고속유동층 공정을 대상으로 연구 개발을 시작하였다. 이 연구를
통해 Na2CO3 고체흡수제는 열중량 분석기와 고정층 반응기 실험을 통해 90% 이상의 CO2 회수가
가능함을 보였다. 트라이앵글연구소는 환경보건국(Environmental Protection Agency, EPA)의
연소 배기가스 기준을 이용하여 Na2CO3 고체흡수제의 성능평가를 수행하였다. 유입되는 CO2
농도 ~10.5vol.%, 배기가스 유량 25ft3/h 표준 조건에서 3.5시간 평균 77% 수준의 CO2
제거율 결과를 발표한 바 있다.6),7)
자료 : 류청걸 외, 2010년 에너지자원기술개발 상세 기획보고서, 2010
<그림 6> RTI의 건식 CO2 포집 공정 개념도 및 Pilot 장치
트라이앵글연구소는 Na2CO3 고체입자 이용 공정개발을 2010년까지 수행한 후, 현재는 펜실
베이나주립대학(Pennsylvania State University, PSU)에서 개발한 흡착제(Molecular Basket
Sorbent, MBS)를 대상 물질로 선정하고 2011년부터 2014년까지 공정개발 과제를 진행 중이다.
미국 에너지부(Depart of Energy, DOE)는 약 10여 년 동안 고체흡수제 소재개발에 집중 지원
하다가 2008년 소재 개발이 어느 정도 수준에 도달하였다고 판단하여, 건식흡수기술 분야에
3개의 신규과제를 발주하여 2015년 상용화를 목표로 개발하고 있다. ADA-Environmental
Solution은 고체흡수제를 이용한 석탄배기가스 CO2 포집 공정의 규모를 확대하기 위한 연구를
진행하고 있다. 이 연구에는 EPRI, AEP, Ameren, Luminant, North American Power,
고체 흡수제를 이용한 CO2 포집기술 개발 동향_89
Southern Company, Xcel Energy가 참여기업으로, Adsorption Research, Stantec, Jenike
& Johansson이 위탁기관으로 참여하고 있다. 기술 개발의 범위는 기술에 대한 타당성 평가를
거친 후 파일럿 실험과 시범 사업까지 포함하고 있다.8)
자료 : Sjostrom, S., “MEGA symposium”, 2010
<그림 7> ADA-ES의 건식 CO2 포집 공정(1MW) 및 로드맵
SRI International은 ATMI와 공동으로 이동층 공정에 사용 가능한 고체흡수제를 개발하고
있다. 또 TDA Research는 Babcock & Wilcox, 루이지애나주립대학교, Western Research
Institute와 공동으로 저가의 흡수기술을 만드는 것을 목표로 연구를 진행하고 있다. 벤치규모
설계 및 석탄 배기가스에서 흡수제의 사용 년 수, 재생조건을 찾는데 역점을 두고 있다.
국립에너지기술연구원(NETL)은 MATRIC, TVA, Fuji Silysia, Georgia Tech, University
Hartford, Sud Chemie와 함께 첨단 흡수제 제조에 초점을 맞추고 연구를 진행하고 있다. 재생
온도를 낮추기 위해 표면적이 큰 물질에 아민(Amine)기를 고정화시키는 Encapsulated Amine
-based 고체흡수제를 개발하여 흡수성능과 공정의 에너지효율 향상을 도모하고 있다.9)
중국에서도 2000년 후반부터 고체 흡수제를 이용한 CO2 포집 연구가 대학교를 중심으로 활발
하게 진행되고 있다. Chen 등은 K2CO3 흡수제에 대한 수분의 영향, 고체 흡수제의 결정구조의
영향, 지지체의 영향, KHCO3로부터 제조한 K2CO3에 대한 다양한 실험 결과를 발표하고 있다.10)
이산화탄소 포집 및 저장 분야에 대한 국제 표준화는 2010년 캐나다에서 제안하고 2011년
ISO/TC 265 위원회(탄소 포집 및 저장)를 설립하여 이산화탄소 포집-압축 및 수송-저장-사후
관리 등 전 범위에 대한 표준화 활동이 추진되고 있다. 이 위원회의 간사국은 캐나다와 중국이
공동으로 맡고 있으며, 현재까지 우리나라, 호주, 일본 등 14개국이 참가국으로 활동하고 있으며,
미국, 인도, 브라질 등 11개국이 옵저버(Observer) 국가로 활동하고 있다.
Ⅲ. 향후 전망
건식 흡수제 이용 CO2 포집 기술은 인류사회의 발전과 더불어 불가피하게 초래되고 있는 기후
변화에 능동적으로 대응하여, 2020년 국가 CO2 감축 목표(47.2Mt CO2)를 달성하는 데 이바지
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할 수 있는 기술이자 에너지의 지속적인 사용을 가능하게 할 기술로 예상된다.
이산화탄소 포집 기술의 산업 적용을 위해서는 현재 개발 중인 기술이 산업체에서 감당할 수
있는 수준으로 비용을 저감하는 기술 개발과 상용화 규모의 실증을 통한 기술의 신뢰성 확보가
필요하다. 또한 발전소 등 산업체 보급을 위해서는 법과 제도가 선행되어야 하며, 보급 확대를
위해서는 산업체 인센티브 도입도 필요하다. 기술이 성숙되고 산업체에 사용될 경우 얻을 수 있는
이득으로는 500㎿ 석탄화력 발전소 1기 기준으로 약 4,000억 원의 수입대체 효과를 기대할 수
있으며, 연간 약 270만 톤의 CO2를 저감할 수 있다. 또한 엔지니어링 기술, 건설, 운영 등의
분야에서 미래 공학도에게 신규 일자리 3,000개를 창출할 수 있다. 화석연료를 고품위 청정
에너지원으로 변환하여 다양한 기술에 응용하여 온난화로 몸살을 앓는 지구를 살려 미래 세대에게
쾌적하고 건강한 지구를 물려주는 데 큰 역할을 할 것으로 예상된다.
<참고문헌>
1. IEA, “World Energy Outlook 2012”, pp.68-80, 2012
2. IEA, “Energy Technology Prospective”, pp.337-353, 2012
3. 류청걸 외, “2010년 에너지자원기술개발 상세 기획보고서; 10 MW 연소후 건식 CO2 흡수 플랜트
건설 및 장기운전”, 2010
4. H. J. Ryu et al., “Development of Solid Separator for Selective Solid Circulation in
Two-interconnected Fluidized-Bed System”, Korean Chem. Reg. Res., pp.195-202,
2009
5. KCRC, “Korea CCS 2020 Project Guide”, pp.12-22, 2013
6. Sharon, S., “Solid Sorbent as a Retrofit CO2 Capture Technology: Results from 1kW
Pilot Tests”, Power Plant Air Pollutant control “MEGA” symposium, August 20, 2010
7. Krutka, H., Sjostrom, S., “Evaluation of Solid Sorbents as a Retrofit Technology for
CO2 Capture from Coal-Fired Power Plants”, NETL CO2 Capture Technology Meeting,
pp.1-25, 2010
8. Sjostrom, S., Krutka, H., “Fuel”, pp.1298-1306, 2010
9. Hook, R. Ind. Eng. Chem. Res., pp.1779-1790, 1997
10. Zhao, C., Chen, X., Zhao, C., Ind. Eng. Chem. Res, pp.4464-4470, 2011
