석탄화력발 의 신기술 개발 동향

2010. 7. 1연구원

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외발표용

송 시 홍

1

목 차

11 석탄화력발 Overview석탄화력발 Overview

2 석탄화력 신기술 동향

2-1 Clean Coal Technology

2-2 CO2 Capture & Storage

3 Summary

2

석탄화력 발 련 기술

Definition *

• CCT(Clean Coal Technology) : High Efficiency & Low Emission Technology

• CCS(CO2 Capture and Storage) : Further Reduce CO2 Emission

* Source : Clean Coal Roadmap to 2030, IEA

3

• 기 부하에 합

- 입지, 면 비 높은 력생산 도1), 배출물 처리, 연

료 매장량, • • • •

석탄화력 발 망 이슈

• 환경 오염

- NOx, SOx, 미세먼지, Hg 등

• 최 온실가스 배출원

• 수요증가에 따른 석탄가격 상승

1) 풍력: 4MW/km2, 탄화력 : 880MW/km2

Challenges

Merit

20062006 20302030

1,382GW1,382GW

2,692GW2,692GW

세계 석탄화력 발 망

Source: World Energy Outlook 2008

석탄화력에 한 CCT/CCS/연료 다변화 기술 개발 활용 필요

세계 석탄화력 CO2 배출량 망

20062006 BAUBAU

8.3Gton8.3Gton

13.5Gton13.5Gton

20302030

5.6Gton5.6Gton

450ppm450ppm

??

4

석탄화력 요구 기술 Target

• 년간 CO2 배출량

- 0.6만톤 CO2/MW

• 효율 30% (세계 평균)

• Low emission

- SOx : < 20mg/m3

- NOx : <100mg/m3

- 미세먼지 : <10mg/m3

• CO2 포집 >90%

• 효율 >43%

• Near Zero Emission

- SOx : < 10mg/m3

- NOx : <10mg/m3

- 미세먼지 : <1mg/m3

- Hg : 99% removal

• COE 증가율 <35%

재 2030년*

* Source : Clean Coal roadmap to 2030, IEA

5

목 차

1 석탄화력발 Overview

22 석탄화력 신기술 동향석탄화력 신기술 동향

2-12-1 Clean Coal TechnologyClean Coal Technology

2-2 CO2 Capture & Storage

3 Summary

6

CCT – PC Plant 효율 향상 기술

효율(%, LHV) 50%

600℃250bar

Doublereheating

Turbine cycleoptimization

Condenserpressurereduction

45

50

43%

~2.1%

Increasing of turbine pressure &

temperature

>4.9%

700℃350bar

Source : COORETEC(CO2 Reduction Technology, 독일) Working Group, 2008

• 700oC 이상의 플랜트는 Ni base 합금의

고강도 초내열 재질 사 필수

àNi base 고급재질 사 최 화 계

작기술개 필

v기술 요구 사항

• 효율 1% 향상 시 연료사용량 약 2% 감 à CO2, NOx 등의 Emission 감소효과 발생

• EU, US, Japan 을을 심으로심으로 700 ℃ 이상 A-USC(HSC) 개발

v효율 증 방법(Without CCS)

7

• 미국, 국 등 탄 생산국을 심으로 CFB 보일러 수요가 증가

• Fuel Flexibility의 장 과 결합하여 증기조건이 격상된 고효율 CFB 기술 용 망

CCT - CFB Plant 효율 향상 기술P

ow

er

Ou

tpu

t (M

W)

2000 2010 2015 2020 2025

600

0

2030

~46%

48%

~38%

43.3%

~44%

Lagisza, 460MW275bar/565℃/580℃

Dongfang, 600MW250bar/600℃/600℃

Sulcis, 340MW

169bar/565℃/580℃

FW, 800MW300bar/600℃/620℃

FW, 800MW365bar/700℃/720℃

300

900

~37%

: 효율(LHV): Sub: SC: USC: HSC

v 용량 고효율화 추세 v기술 요구 사항

• 용량화 : 화로 크기 증가로 입자 유동

균일화 열면 확보 곤란1)

•고효율화 : 증기조건 격상에 의한 소재

- PCPP 소재 기술 사용

1) CFB 연소특성상 유동화 가스 속 및 출구가스 유지를 위해 화로 단면적 및 높이(TDH, Transport Disengaging Height)가

제한 어 량 격상에 필 한 화로 벽면 전열면적 부족

8

CCT – Near Zero Emission 기술

1) Implementing Clean Coal Technologies (Hard Coal USC PCPP with 38% efficiency 기준)2) USA CCT Performance Target

NOx SOx PM (Dust) Hg (Trace Element)

Req

uir

ed

C

CT

Em

issio

n

• LNB with OFA• Fuel Staging

(Reburn)• Advanced Hybrid

SCR + SNCR

• Furnace Sorbent Injection

• Advanced Dry FGD• Wet FGD (scrubbers)• Sea water FGD

• Advanced Dry

ESP

• Fabric Filter

• Wet ESP• Hybrid

• Hot gas Clean-up with Wet ESP, Wet FGD

• Activated Carbon injection

Cu

rren

t1)

2020

2)

2030

<200

Unit : mg/m3

<20 <10

Cu

rren

t1)

2020

2)

2030

<400

Unit : mg/m3

<12 <10

Cu

rren

t1)

2020

2)

2030

<50

Unit : mg/m3

2.5 <1

Cu

rren

t1)

2020

2)

2030

90

Unit : % Removal

95Near

100

9

목 차

1 석탄화력발 Overview

22 석탄화력 신기술 동향석탄화력 신기술 동향

2-1 Clean Coal Technology

2-22-2 CO2 Capture & StorageCO2 Capture & Storage

3 Summary

10•ASU : Air Separation Unit•CPU : Carbon Processing/Purification Unit

CCS – Capture 기술

• High Efficiency CPU

• High Efficiency ASU

•• High Efficiency ASU High Efficiency ASU

•• H2 Gas TurbineH2 Gas Turbine

CO2 회수 Process

Post

Pre

Oxy

Break Through Tech.

11

기술수 Common Issue

• Integrated Technology

- Partially proven technology

- High energy penalty

- Increased capital costs

Source: “Update on Clean Coal Technologies & CO2 Capture & Storage”, EPRI, 2007

v기술 성숙도

CCS 기술 실증 COE(Cost of Electricity) 감 신기술 필요

vCCS 기술의 Common Issue

Time

RD

&D

Co

st CO2 Capture

CO2 Storage

IGCC

USC PCPP

SC PCPP

Sub. CFBSC CFB

LNB, OFASCR, FGD

MaturedDeploymentDemo.R & D

• 700℃ PCPP

12

CCS Demonstration Plan

Source : VGB Power scenario in Germany, and CSLF CCS demonstration project data base, 2009

1000

2010 2015 2020 2050

Doosan(13)

Endesa Oxy-CFB(500)

E.ON 700°C HSC(500)

Korea( 동, 125)

Vattenfall(10)

S&SE(500)

Vattenfall(250)

Nuon(3x400) E.ON(450)

Enel(220)

100

500

Po

wer

Ou

tpu

t (M

W)

0

Aker(420)

AEP(200)

E.ON(350)

Post

Oxy

Pre

Siemens(1)MHI(1)

Alstom(2)

Alstom(10)

Vattenfall(480)

Korea(태안,10)

Korea(보령, 2.5)

Korea(하동, 10)

Korea(삼척, 300~500)

AEP & Alstom(20)

FutureGen(미 , 275)

GreenGen(중 , 400)

향후 실증단계를 거친 후 2020년부터 상용화가 본격 으로 진행될 것임

13

CCS 신기술

N2/CO2

Membranes

Chemical Solvents

Physical SorbentIGCC with H2

Gas Turbine

CO2 Separation Unit 2)

A-USC CFB

A- USC PC

Cryogenic

Power plants

H2/CO2

Membranes

TSA

PSA

Cryogenic Chemical Looping

Air Separation Unit 2)

Oxygen Transport Membrane

Ion Transport Membrane

현재 2030

~ 67%

<35%

COE 증가율1)

USC PC

SC CFB

COE 감을 해서는 플랜트 효율 향상 투자/운 비를 최소화할 수 있는 신기술개발 필요

Source : 1) Pulverized coal Oxycombustion power plant, NETL, 20082) R&D Pathway from Carbon Sequestration Program Roadmap, NETL, 2007

14

CO2 Capture 신기술 - CO2 막분리법

• N2/CO2 분리막 합 소재 개발단계

- 고분자 막은 고온환경 내구성 취약

- 세라믹 막은 제작성 난이

- 투과율 선택도 향상

Source : “A Membrane Process to Capture CO2 from Coal-Fired Power Plant Flue Gas”, MTR, NETL review meeting(2009)

ØCO2 막분리법

v CO2와 친화성이 높은 막을 통과하면서 CO2만 선택 으로 투과되는 상을 이용하여 분리하는 기술

v 가압, 건식 공 이므로 Amine 흡수공 에 비해 에 지 소모량이 50%이상 고 폐기물이 발생되지 않음

v CO2 농도가 낮고 여러 종류의 가스가 혼합되어 있는 용량 석탄발 소에 용을 한 장기 기술개발이 필요함

15

Ø PRAXAIR사의 OTM (Oxygen Transport Membranes) Technology

CO2 Capture 신기술 - 산소생산기술

Source : M. Chritie, Bart Van Hassei, Juan Li, Minish Shah, “OTM based oxy combustion for CO2 capture from coal power plants”, Clearwater Coal conference, 2007

l Concept of OTMl New Boiler with a built-in

OTM

v 400~1000oC 고온 작동

v 화로 내에 O2를 분리할 수 있는 OTM을 배열한 새로운 개념의 보일러 제시

v OTM 방식의 순산소 분리장치(ASU)를 채택할 경우 발 소 효율 감소량 50% 이상 개선 가능

16

CO2 Capture 신기술 – Dual Cycle Plant

Ø Air Liquide사의 ASU Integration

v ASU에서 분리된 N2가스 활용 : 가스 터빈이 추가된 Dual (Steam & N2) Cycle

Source : Air Separation Unit for Oxy-Coal Combustion Systems, 1st International Oxyfuel Combustion Conference, 2009, Air Liquide

17

Ø Alstom’s Chemical Looping Technology

CO2 Capture 신기술 - Chemical Looping Combustion

Source : Herb Andrus et al., Alstom's chemical looping coal-fired power plant development program, Clearwater Coal conference, 2007

l Concept of Chemical Looping

v 매체순환식 가스연소(Chemical-Looping Combustion, CLC)는 속 매개체로 공기 산소를 분리하여

연료와 연소시키고 속 매개체는 순환되는 간 연소 기술임

v 연소반응 질소가 없어 CO2를 원천 분리할 수 있으며 높은 발 효율(55% 이상)을 달성할 수 있는 기술

v Chemical Looping 방법을 용한 CFB 보일러 모델 제시

18

목 차

1 석탄화력발 Overview

2 석탄화력 신기술 동향

2-1 Clean Coal Technology

2-2 CO2 Capture & Storage

33 SummarySummary

19

석탄화력발 기술 Roadmap

20302025202020152010

HSC 개발

500MWR&D HSC 상용화

350bar/700oC/720oC

Demo. 상용화

Demo.

100~250MW30~40MWt

상용화

SC 상용화

600~800MW, 565/580oC460MW Demo. & & 800MW, 600/620oC 상용화

Oxyfuel

PC

CFB

Post

Power

Plant

CCS

IGCC

USC

H2 GT 개발

용량화(F, W class GT)

H2 GT 상 화

CO2

Separation

Pre

USC-PC & SC CFB

HSC-PC & USC CFBUSC-PC & SC CFB

CLCDemo.

ITM Demo.

Demo.

HSC + CCS 상용화

• CO2 포집>90%

• 효율 >43%

ASU

상용화

With H2 GT & ITMPhysical and Chemical Scrubbing

Chemical Solvent

OTM

Physical Solvent

CO2/N2

Membrane

Biological Process

Source : Clean coal roadmap to 2030, 2009, IEA

Cryogenic

20

Summary

Ø 석탄화력발 은 친환경, 고효율의 CCT기술과 CO2 감축을 한 CCS 기술 요구

Ø Pilot scale 검증 신개발 단계에 있는 CCS 기술 개발을 선도함으로써 국내 산업

경쟁력 강화 성장 기회로 활용 필요

21

감사합니다 !