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[기고] 가스화 수소 생산 및 연료전지 발전 기술
IGFC기술 적용으로 수소경제사회 앞당길 수 있다
고등기술연구원 이승종 박사
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[1437호] 승인 2020.05.22  23:22:24
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저급원료에서 수소 생산 이산화탄소 자원화 병행
에너지 소비 절감이 핵심 IGFC 몇 년 내 상용화

 

가스화 수소 생산기술이란

가스화 수소 생산기술은 석탄, 펫코크, 바이오매스 등의 저급원료들을 사용하여 고온의 조건에서 가스화 반응을 통해 합성가스를 생산한 후 초고순도로 정제 및 고순도 수소를 생산하는 기술이다. 합성가스의 초고순도 정제과정에서 미세먼지와 유해 성분들을 모두 제거하여 미세먼지와 환경오염물질 배출이 천연가스 수준으로 적은 것이 특징이다. 또한 이산화탄소(CO2) 경우에도 수소 생산과정에서 용이하게 제거하여 온실가스 저감에 효과적으로 대응할 수 있는 특징이 있다.

저탄소(CO2 zero) 기준 수소 생산 비용의 경우 현 기술 수준으로는 석탄가스화를 통해 생산된 수소가 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 비용의 40% 정도 수준으로 저렴하다. 따라서 향후 장기적인 수소 생산 방향은 ‘저급자원을 활용한 Grey 수소 생산 → 저급자원을 활용하지만 온실가스 배출이 없는 Blue(CO2 free) 수소 생산 → 재생 가능 에너지원을 활용한 Green 수소 생산’으로 전환될 것으로 예측된다. 수소 경제사회의 조기 진입을 위해서는 태양광, 풍력 등 재생 가능 에너지원을 활용하여 수소 생산기술의 개발 및 대용량 보급할 수 있는 기반을 확보하기 이전까지는 저급원료들을 활용한 수소 생산기술 개발 및 보급이 필요하다. 또한 수소 생산기술뿐만 아니라 저급원료를 사용할 경우 필연적 발생하는 이산화탄소를 저감 및 자원화하는 기술 개발도 병행하여야 한다.

   
▲ IGFC 기술 개념도

IGFC기술이란

가스화 연료전지(IGFC, Integrated Gasification Fuel Cell) 기술은 가스화 기술과 연료전지가 결합된 기술로 가스화를 통해 생산된 합성가스를 연료전지 연료로 활용하는 기술로써, 연료전지 종류에 따라 합성가스를 직접 연료로 사용하거나 수소로 전환하여 연료로 사용한다. 현재 MW급 규모 이상의 대용량 발전에 적용 가능한 연료전지는 PEMFC(고분자), PAFC(인산), SOFC(고체산화물), MCFC(용융탄산염) 등이 있다. PEMFC나 PAFC의 경우 수소를 연료로 사용하며, SOFC나 MCFC의 경우에는 수소뿐만 아니라 일산화탄소(CO)도 연료로 사용이 가능하다. 이들 연료전지 중 PEMFC, PAFC, MCFC의 경우 국내에서 대용량 설비에 대한 제작 및 보급이 가능하며, SOFC의 경우에는 국외에서 대용량 설비에 대한 보급이 가능하다.

IGFC 기술은 발전효율이 높고 오염물질 배출은 거의 없는 차세대 고효율 청정 융합발전 기술로, 상용화 적용하기 위해서는 기술에 대한 신뢰성과 경제성을 확보하여야 한다. IGFC 기술의 경제성을 확보하기 위해서는 기술 개발을 통해 IGFC 시스템을 구성하고 있는 설비들의 구축비용과 운전 비용을 낮추어야 하며 효율은 향상시켜야 한다. 또한 천연가스 대신 합성가스를 가스 터빈의 연료로 복합 발전하는 가스화 복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combiend Cycle) 플랜트와 병합하여 IGFC 시스템을 구축 및 운영할 경우 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.

   
▲ IGFC와 IGCC가 병합된 융합플랜트 개념도

IGFC기술의 국내외 현황

IGFC 기술은 현재 미국, 일본 등을 중심으로 2020년대에 실증 및 상용화를 목표로 기술 개발을 추진 중에 있다. 국내에서는 한전전력연구원, 한국서부발전, 피티케이, 고등기술연구원, 영남대학교 등이 공동으로 태안 IGCC 플랜트에서 생산된 합성가스를 활용하여 수소 생산 및 연료전지 연계 발전하는 기술을 개발하고 있다. 개발 중인 IGFC 시스템은 태안 IGCC 플랜트 부지 내에 구축된 가스화 Test-bed에 구축되어 있다.

   
▲ 국내 개발 중인 IGFC 시스템

IGFC의 핵심 요소 기술인 합성가스 초고순도 정제기술의 경우 국내 개발된 기술을 기반으로 연구를 수행하고 있다. 합성가스 초고순도 정제 시스템의 경우 미세분진 제거설비, 산성가스 제거설비 및 미량 물질 제거설비로 구성되어 있다.

합성가스에 함유된 H2S를 제거하는 기술의 경우 정유·화학공장, 가스전 등에서 기 상용화되어 많이 적용되고 있는 기술이지만, 기 상용화된 기술에 비해 에너지 소비가 적고 콤팩트한 초청정·저비용의 H2S 제거기술을 고등기술연구원에서 개발하여 초고순도 정제에 적용하고 있다. 적용 중인 H2S 제거 기술은 철 킬레이트를 용매로 사용하여 산화반응에 의해 H2S를 황 원소로 직접 분해하여 제거하는 기술로, 공정이 단순·콤팩트하고 별도의 후처리 설비가 필요 없어 건설비를 크게 낮출 수 있다. 또한 용매 재생에 별도의 에너지가 필요 없어 에너지 효율이 높으면서도 H2S를 0.1 ppm 이하로 제거가 가능하다.

 

   
▲ 태안 IGCC 플랜트 조감도

IGFC 기술 발전 방향은

세계 최초로 2019년 10월~11월에 한전전력연구원, 한국서부발전, 피티케이, 고등기술연구원, 영남대학교가 공동으로 참여하여, 태안 IGCC 플랜트에서 공급하는 합성가스의 정제 및 전환을 통해 생산된 수소를 연료로 사용하고 국내에서 개발된 에스퓨얼셀사의 수소용 연료전지인 PEMFC를 연계하여 전기 생산시험을 진행하였다.

   
▲ 합성가스 초고순도 정제시스템 구성도
   
▲ 합성가스 초고순도 정제 후 분석 결과

150 Nm3/h의 합성가스를 정제한 후 고순도(99.99% 이상)의 수소를 생산하였으며, 특히 연료전지 스택에 피독을 일으키는 CO를 0~0.1 ppm으로 제거하여 연료전지 발전 시험을 진행하였다. 운전시험 기간 동안 총 740kg의 고순도 수소를 생산하였으며, 연료전지 발전에 520kg의 수소를 사용하여 총 8,300 kWh의 전기를 생산하였다.

이상과 같이 국내 기반 기술로 가스화 수소 생산 및 연료전지 발전기술을 개발하고 신뢰성 검증시험을 진행하였다. 상기와 같이 개발된 국내 기반 기술에 대한 실증기술을 확보할 경우 하루 수십 톤 규모의 수소를 생산 및 보급이 가능하고, 수십 MW급의 연료전지 발전이 가능할 것으로 예상된다. 또한 국외 석탄 자원이 풍부한 국가에서 국내 고유 기술을 적용하여 수소 대량 생산 및 도입할 수 있을 것으로 전망된다.

   
▲ 태안 가스화 Test-bed 전경
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