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[과학의달인] 환경 지키는 차세대 가스 발전 기술…"초미세먼지와 이산화탄소 배출 줄인다"

■ 류호정 / 한국에너지기술연구원 책임연구원

[앵커]
국내에서 배출되는 온실가스 대부분은 이산화탄소로 주로 화력발전소에서 배출되고 있습니다. 기후 위기를 유발하는 이산화탄소의 배출량을 줄이기 위해 노력하는 분이 계시다고 하는데요.

오늘 '과학의 달인'에서 만나보도록 하겠습니다. 한국에너지기술연구원 기후변화연구본부 류호정 책임연구원과 함께합니다. 어서 오세요.

화력발전소에서 배출되는 이산화탄소가 온실가스의 주범으로 꼽히고 있는데요.
실제로 그 양이 얼마나 되는지 궁금해요.

[인터뷰]
전 세계 이산화탄소 배출량의 약 40%가 화력발전소에서 배출되고 있습니다.

이 중에서 석탄 화력 발전소가 72%를 차지하는데요. 우리나라는 세계 7위의 온실가스 배출 국가입니다. 우리나라의 경우 전체 연료 중 석탄에서 배출되는 이산화탄소가 51%로 절반 이상을 차지하고 있습니다.

[앵커]
우리나라가 세계 7위의 온실가스 배출 국가라니 조금 더 책임감을 느껴야겠다는 생각도 드는데, 일단, 전 세계 기후 위기의 심각성, 지금 어느 정돈가요?

[인터뷰]
기후변화로 인해서 기후 난민이 발생하고, 빙하가 녹기 때문에 해수면이 상승하는 등 여러 가지 기후 위기가 닥치고 있습니다. 그래서 결국 우리가 바꾼 지구의 환경 때문에 지구가 우리에게 새로운 위기를 계속 제공하고 있습니다.

[앵커]
그 중에도 심각한 기후변화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소, 이걸 줄이려는 노력이 한창인데요. 연구원님께서 이런 문제를 해결할 수 있는 획기적인 기술을 개발하셨다고 들었어요. 어떤 건지 소개해주시죠.

[인터뷰]
네, 우리 연구팀이 개발한 기술은 대표적인 온실가스인 이산화탄소를 별도의 분리 없이 98% 이상 배출할 수 있고, 초미세먼지 유발물질인 질소산화물 배출도 줄일 수 있는 '케미컬 루핑 연소기술'입니다.

[앵커]
케미컬 루핑 연소기술, 말이 좀 생소하거든요. 그런데 이산화탄소가 별도의 분리 없이 98% 이상 배출될 수 있다고 말씀해주셨습니다. 기존 시설에서는 이산화탄소만 배출되는 게 아니었나 보죠?

[인터뷰]
네, 연료를 연소, 즉 태우려면 산소가 필요한데요. 산소는 공기 중에 약 21%가 포함되어 있고 나머지는 대부분 질소입니다. 기존의 연소방식은 공기를 이용하여 연소시키기 때문에 연소에 의해 발생하는 이산화탄소, 수증기가 공기 중에 포함된 질소와 함께 배출되게 되는데요. 배출되는 기체에는 5~15%의 이산화탄소가 포함되어 있습니다. 이러한 배기가스에서 이산화탄소를 분리하기 위해서는 이산화탄소를 선택적으로 흡수할 수 있는 기술이 필요한데요, 무엇보다 문제가 되는 것은 배기가스 중에 이산화탄소보다는 질소가 더 많다는 점입니다. 즉, 이산화탄소 농도가 낮기 때문에 분리하는데 비용이 많이 든다는 것이 단점이었어요.

[앵커]
그러니까 이산화탄소가 공기 중에 그대로 배출되지 않도록 따로 분리하는 기술을 만드신 건데, 그럼 이산화탄소만 따로 배출할 수 있는 기술은 어떻게 가능해진 걸까요?

[인터뷰]
원래 하나로 되어있던 연소 반응기를 공기반응기와 연료 반응기로 두 개의 반응기를 분리합니다. 공기반응기에서는 산소전달 입자가 공기 중에 포함된 산소를 흡수합니다. 따라서 공기반응기에서 배출되는 기체는 산소가 감소한 공기만 배출되는 것이죠. 산소를 흡수한 입자는 연료 반응기로 이동한 후에 공급되는 연료와 반응하면서 산소를 내어줍니다. 입자와 연료가 반응하면 이산화탄소와 수증기가 발생하는데요. 이때 발생한 수증기는 온도가 낮아지면 액체 상태인 물로 바뀌게 되고, 물을 응축해서 제거하면 별도의 분리 설비 없이도 이산화탄소를 98% 이상 고농도 원천 분리할 수 있습니다.

[앵커]
그러니까 정리하자면 공기와 연료가 직접 반응하게 하는 것 대신에 별도의 산소를 전달하는 입자를 활용하면 이산화탄소를 고밀도로 따로 분리할 수 있다, 이렇게 정리할 수 있겠는데요. 그렇다면 이 산소를 전달하는 입자가 핵심적인 역할을 하는 건데, 이 입자가 무엇인지 소개해주시죠.

[인터뷰]
그렇죠. 저희가 개발한 입자는 이른 시간에 산소를 많이 흡수할 수 있어야 하고, 다른 쪽 반응기로 이동해 연료와 반응하면서 많은 산소를 내어줘야 하는데요. 이를 위해 저희와 함께 연구하고 있는 한국전력공사 전력연구원에서 200종류 이상의 산소전달 입자를 개발하여 성능을 확인하고 가장 좋은 산소전달 입자를 선정해주셨습니다.
가장 좋은 입자는 니켈이 가장 많이 포함되어 있으며 입자의 성형과 강도를 위해 다른 첨가제들이 포함되어 있는데요. 케미컬 루핑 연소기의 운전온도는 공기반응기가 900℃ 정도, 연료 반응기가 850℃ 정도입니다. 따라서 입자가 높은 온도에서 반응성이 좋아야 하고 성능의 변화가 적어야 하는데요, 우리나라에서 개발된 입자는 세계 최고 수준의 반응성과 강도를 가지고 있습니다.

[앵커]
니켈이 많이 포함되어 있고, 높은 온도에서도 변형이 적은 입자를 개발해 사용하고 있다고 말씀해주셨는데, 그런데, 이 입자가 두 개의 반응기, 그러니까 공기 반응기와 연료 반응기 사이를 계속 이동해야 하잖아요. 이 입자를 이동하게 할 수 있는 기술은 무엇인가요?

[인터뷰]
저희가 사용한 기술은 유동층 기술인데요, 이 기술은 반응기 아래에서 기체를 불어넣어 입자를 공중에 띄우는 기술입니다. 이러한 유동층 기술을 사용하면 고체 상태인 입자가 물과 같은 유체의 형태로 변화되기 때문에 공기반응기와 연료 반응기 사이를 순환할 수 있게 됩니다.
또 이 입자는 두 개의 반응기 사이를 계속 순환하면서 재생해 사용할 수 있으며 공기와 입자의 반응은 화염이 없는 조건에서 일어나므로 2차 미세먼지 유발물질인 질소산화물의 발생도 저감할 수 있습니다.

[앵커]
이 기술을 적용하면 이산화탄소는 물론이고, 미세먼지의 주범인 질소산화물까지 얼마나 줄일 수 있는 걸까요?

[인터뷰]
저희가 개발한 기술을 100MW급 천연 가스발전 설비에 적용할 경우 1년 동안 이산화탄소는 15만 톤을 줄일 수 있고 질소산화물은 140톤 정도를 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

[앵커]
자, 그러면 환경뿐만 아니고 비용까지도 절감할 수 있는 기술이라고 볼 수 있겠는데, 케미컬 루핑 기술을 개발하시면서 사실 쉽지만은 않았을 것 같습니다. 설명을 들으면서도 굉장히 첨단 기술이라는 생각이 들었거든요. 개발하시면서 가장 어려웠던 부분은 어떤 것이 있었을까요?

[인터뷰]
이 기술의 핵심은 산소전달 입자, 즉 소재기술과 이 입자를 순환시키면서 연료를 연소시킬 수 있는 공정기술입니다. 두 기술 모두 우리나라가 세계 최고 수준의 기술력을 갖고 있기 때문에, 비교하고 참고할 만한 다른 나라의 결과가 적다는 것이 가장 큰 어려움이었습니다. 또 다른 어려운 점으로는, 세계에서 처음으로 200시간 이상 장기 연속운전을 실증하다 보니 운전을 준비하는 시간과 장기운전 후에 정리하는 시간을 포함하면 약 2주 정도 밤을 새워가며 실험을 해야 합니다. 교대로 운전하기는 하지만 약 2주 정도의 시간 동안 긴장의 끈을 놓을 수가 없는 것이 어려운 부분이었습니다.
또한, 케미컬 루핑 연소기술이 연료를 태우는 기술이다 보니 온도가 상당히 높습니다. 약 800에서 900℃ 정도 되는데요, 이 정도 온도면 반응기 내부는 용광로와 같은 상태입니다. 여름철에 실험하는 동안에는 주변 온도가 40℃에서 50℃ 정도 되기 때문에 운전하는 동안에 더위와 싸워야 하고요. 5기압 정도의 높은 압력에서 운전하기 때문에 조금이라도 새는 부분이 있으면 안전에 큰 문제가 발생하기 때문에 계속 모니터링을 해줘야 합니다.

[앵커]
네, 잠도 못 자고, 그렇게 뜨거운 환경에서 이런 기술이 탄생한 건데, 한편으로는 우리나라가 최고 수준의 기술력을 갖고 있어서 비교 대상이 없어서 힘들었다, 이 점은 자부심을 갖고 있어도 되지 않나 이런 생각이 드네요. 이렇게 많은 분의 노력으로 탄생한 기술인데, 이 기술 언제쯤 상용화가 될까요?

[인터뷰]
케미컬 루핑 연소기술은 대형 발전소뿐만 아니라 스팀을 공급하기 위한 보일러나 분산발전용 소형 발전소에도 적용할 수 있어서 10MW 정도면 상용화가 가능한 수준으로 예상합니다.
2025년까지 3MW 규모를 실증한 후 10MW 규모의 상용화가 필요하므로 6년에서 10년 후면 상용화된 케미컬 루핑 연소기가 시장에 진출할 수 있을 것 같습니다.

[앵커]
듣다 보니까 이 기술을 활용하면 경제적 효과는 어느 정도 될지도 궁금해지는데요. 추산이 가능한가요?

[인터뷰]
저희가 이 기술을 100MW 정도의 화력발전소에 적용하게 되면, 1년에 발전효율을 4% 정도 향상할 수 있고, 이산화탄소 포집과 질소산화물 저감 효과까지 생각하면 연간 140억 원 정도의 운영이익이 발생할 것으로 예상합니다.

[앵커]
환경 문제도 도우면서 이익까지 생길 수 있는 기술에 관해서 설명해주셨는데요. 케미컬 루핑 기술에 관해서 설명해주셨잖아요? 이 기술이 혹시 해외에 수출되거나 해외에서 수출해달라는 타진이 있거나, 이런 성과가 있습니까?

[인터뷰]
현재까지 기술 개발이 완료된 게 아니기 때문에 해외에서 기술 수출이라던가, 기술에 대한 접촉은 오지 않았습니다. 다만, 해외 기관 중에서 캐나다나 스페인 같은 쪽에선 공동 연구 제안이 들어온 적이 있습니다. 그래서 양 기관에서 MOU를 맺고, 지속해서 연구할 경우엔 한국 기관과 꼭 하고 싶다는 얘기를 들었습니다.

[앵커]
앞으로 전망이 밝다고 볼 수 있겠는데, 앞으로 연구원님의 계획이 무엇인지 궁금합니다.

[인터뷰]
현재까지 개발한 케미컬 루핑 연소기술이 상용화되어 우리나라의 온실가스 감축 목표를 달성하는데 기여하고 싶고요. 현재까지 세계 최고 수준의 기술력을 확보하고 있으므로 향후 상용화 과정에서도 추가적인 기술력 확보를 통해 해외시장에도 진출할 수 있는 기술을 개발하고자 합니다.

[앵커]
저희가 어제 보도한 뉴스인데요. 지난달이 지구 역사상 가장 더운 9월이었다, 이런 뉴스를 보도한 적이 있습니다. 갈수록 온난화의 추세가 뚜렷해지고 있는데, 케미컬 루핑 연소 기술이 상용화돼서 우리나라는 물론이고, 전 세계 온실가스 감축에 큰 역할을 해주길 바랍니다. 지금까지 한국에너지기술연구원 류호정 책임연구원과 함께했습니다. 오늘 나와주셔서 고맙습니다.
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