1. 개요
Clean Coal Technology(CCT)청정 석탄 기술은 석탄 사용의 환경적 영향을 최소화하기 위한 다양한 기술을 포함한다. 이 기술들은 석탄의 연소 전후에 오염 물질을 줄이거나 제거하는 방법을 사용한다. 청정 석탄 기술의 주요 목표는 온실가스 배출 감소, 대기오염물질 제거, 효율성 향상을 통해 환경 보호와 경제적 이익을 동시에 달성하는 것이다.
2. 배경및 역사
2.1. 배경
CCT는 1970년대 미국에서 5대호 근처의 산성비로 인한 삼림 피해가 심각해지면서 이 상황을 해결하고자 시작하였다. 원래는 석탄에서부터 나오는 유황이나 회분을 제거하는 기술만 적용되었지만 본격적으로 2000년대부터 지구온난화로 인한 문제로 인해 환경에 부담을 줄이는 고효율 석탄이용 기술이나 이산화 탄소 저감 기술이 본격적으로 해결책 중 하나로 부각받기 시작했다.2.2. 역사
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1980년대-1990년대
1980년에는 석탄 연소 과정 중에 나타난 질소 산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 배출량을 줄이기 위해 연소 기술이 발전했다.
또한 이 때 석탄 가스화 기술이 발전하기 시작했다.
또 이 시기에 탄소 포집 및 저장 기술(CCS)또한 발전하기 시작했다. 이러한 기술은 탄소 중립화 목표 달성을 위한 중요한 기술적 해결책이 되었다.
1990년대에는 다양한 국가에 환경규제가 강화되기 시작했으며 이로 인해 석탄 사업은 청정 석탄 기술이 더욱더 필요하게 되었다. 결국 환경규제를 준수하면서 석탄을 효율적으로 사용하는 방법을 개발하는게 중요해진 것이다. -
2000년대-2010년대
탄소 포집 및 저장(CCS)기술은 2000년대에 들어서 굉장히 많은 주목을 받기 시작했다. 석탄 발전소에 나오는 이산화탄소를 포집해 지하 저장소에 보관하는 것이 중요한 해결책으로 자리잡기 시작했다.다양한 연구와 프로젝트로 기술의 신뢰성을 검증하고 상용화를 준비하는데 집중하게 되었다.
점점 석탄 가스화에 대한 연구와 개발이 진행되면서 석탄 기술의 효울성을 눞이는데 기여를 하였다.
또한 환경규제가 점점 더 강화가 되고 적용이 되면서 환경 친화적인 기술 도입에 더욱더 박차를 가하게 되었다.
그리고 다양한 국제 기구들이 정부간 협력에 의해 청정 석탄 기술의 발전을 촉진하게 되었다. -
2020년 이후
2020년대 이후에는 ccs기술이 상용화 단계에 점차 접어들게 되었다. 실제로 노르웨이의 샬렌저 프로젝트와 같이 대규모 CSS 시스템이 점차 구축하게 되었다.
또한 탄소를 포집하는 기술 뿐만 아니라 이산화 탄소(CO2)를 이용해 새로운 화학 물질로 변환하거나 탄소 중립적인 연료로 재활용하는 기술로 연구되고 있는 중이다.
뿐만 아니라 인공지능(AI)나 데이터 분석 기술을 이용한 발전소 운영 최적화와 효율성 향상 등 점점 디지털 기술과 청정 석탄 기술이 융합되고 있는 중이다.
3. 기술의 필요성
현재 석탄 사용의 문제점으로는 석탄 연소 시 이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOx), 황산화물(SO2) 등의 유해물질을 배출하여 대기오염과 지구온난화를 유발한다. 청정 석탄 기술은 이러한 석탄 연소로 인한 환경오염을 줄이기 위해 개발되었다. 석탄은 여전히 전 세계 전력 생산의 중요한 자원으로 사용되며, 이를 청정하게 사용하려는 노력이 필요로 한다.4. 주요 기술 유형
4.1. 석탄 가스화(IGCC)
4.1.1. 정의 및 원리
Integrated Gasification Combined Cycle,IGCC
석탄 가스화는 석탄을 고온, 고압에서 가스로 변환하여 전력을 생산하는 기술이다. 이 과정은 석탄의 효율적 사용과 오염 물질의 배출 감소를 목표로 한다.
석탄 가스와의 원리는 가스화-정제-연소 총 3가지를 거친다.
가스화는 석탄을 고온, 고압의 산소 또는 증기와 반응시켜 합성가스(syngas)를 생성한다. 이 합성가스는 주로 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 구성된다.
정제에서는 합성가스에서 황, 암모니아, 중금속 등의 불순물을 제거한다.
연소에서는 정제된 합성가스를 터빈에서 연소시켜 전력을 생산한다. 생선된 열은 증기 터빈을 추가로 가동시켜 추가 전력을 생성한다.
4.1.2. 상용화 사례
- 켐퍼 카운티 IGCC 프로젝트(미국 미시시피)
2. 누온 마그넘 프로젝트(네덜란드 그로닝겐)
누온 마그넘 발전소는 IGCC 기술을 사용하여 석탄과 바이오매스를 혼합해 합성가스를 생성하고, 이를 통해 전력을 생산한다. 이 프로젝트는 다양한 연료를 사용해 환경 영향을 최소화하며, 높은 효율성을 자랑한다. 또한, 장기적으로 탄소 포집 및 저장 기술을 적용할 계획이다.
3. 타이후 IGCC 발전소(중국 장쑤성)
타이후 발전소는 중국 최초의 상업용 IGCC 발전소로, 석탄을 가스로 변환해 전력을 생산한다. 이 발전소는 450메가와트의 전력을 생산하며, 기존 석탄 발전소 대비 오염 물질 배출을 크게 줄인다. 중국 내 다른 IGCC 프로젝트의 모델이 되고 있다.4.2. 석탄 액화(CTL)
4.2.1. 정의 및 원리
Coal-to-Liquids, CTL
석탄 액화는 석탄을 액체 연료로 전환하는 기술이다. 이는 주로 디젤, 가솔린, 항공유와 액체 연료를 생산하는 데 사용된다. CTL 기술은 두 가지 주요 방식으로 나뉜다.
- 직접 액화
2. 간접 액화
석탄을 먼저 가스로 변환한 후, 이 가스를 촉매 반응을 통해 액체 연료로 전환한다. 다양한 연료 및 화학물질 생산 가능하다는 것이 장점이다. 공정이 복잡하고 비용이 높다는 것이 단점이다.4.2.2. 상용화 사례
1. 사솔 프로젝트(남아프리카 공화국 사솔버그)사솔은 세계 최대의 CTL 생산시설을 운영하며, 1950년대부터 상업적 생산을 시작했다. 피셔-트롭슈(Fischer-Tropsch) 공정을 통해 석탄을 합성가스로 변환한 후 이를 액체 연료로 전환한다. 연간 수백만 배럴의 액체 연료를 생산한다.
2. 쉘 프로젝트(말레이시아 바린토아)
쉴은 말레이시아에서 간접 액화 공정을 통해 석탄을 액체 연료로 전환하는 시설을 운영한다. 합성가스를 생산한 후 피셔-트롭슈 공정을 사용하여 다양한 액체 연료와 화학 제품을 생산한다.
3.쉔화 그룹(중국 오르도스)
쉔화 그룹은 중국 최대의 석탄 기업으로, 세계 최대의 석탄 액화 프로젝트중 하나를 운영하고 있다. 2016년에 상업적 생산을 시작했으며, 매년 수백만 톤의 디젤, 가솔린 및 기타 액체 연료를 생산한다.
4.모세 프로젝트(인도네시아 칼리만탄)
모세 프로젝트는 인도넷아의 주요 석탄 액화 프로젝트로, 석탄을 합성가스로 전환하여 액체 연료를 생산한다. 환경 영향을 최소화하기 위해 최신 기술과 CCS기술을 결합하여 운영한다.
4.3. 탄소 포집 및 저장(CCS)
4.3.1. 정의 및 원리
Carbon Capture and Storage, CCS
탄소 포집 및 저장은 대기 중으로 배출되기 전에 이산화탄소를 포집하여 지하에 저장하는 기술이다. 이 기술은 특히 전력 생산, 철강, 시멘트 등 이산화탄소를 많이 배출하는 산업 분야에서 중요하다. 주요 단계로는 탄소 포집-탄소 수송- 탄소 저장 총 세 단계를 거친다.
- 탄소 포집
연소 후 포집: 연료 연소 후 배출되는 배기가스에서 CO2를 포집하는 방식
산소 연소 포집: 연료를 순수 산소와 함께 연소시켜 순수한 CO2와 물만 배출하는 방식
2. 탄소 수송
포집된 CO2를 압축하여 파이프라인, 트럭, 배 등으로 저장 장소로 운송된다.
3. 탄소 저장
지질학적 저장: CO2를 지하 깊숙이 주입하여 오래된 석유 및 저장소, 염수층 등에 저장해양 저장: 고압 상태로 CO2를 깊은 바다 속에 주입하는 방식
광물화 저장: CO2를 광물과 반응시켜 안정된 탄산염 형태로 저장
4.3.2. 상용화 사례
- Sleipner CO2 Storage (노르웨이 북해)
2. Boundary Dam CCS Project (캐나다 사스카추언주)
세계 최초의 상업용 CCS 발전소로, 연간 약 100만 톤의 CO2를 포집 및 저장한다. 기존 석탄 화력 발전소에 CCS 기술을 적용하여 CO2 배출을 대폭 감소하였다.
3. Gorgon CO2 Injection Project (서부 호주)
Gorgon LNG 프로젝트에서 발생하는 CO2를 바위층에 저장하여 연간 약 400만 톤의 CO2를 처리한다. 세계 최대 규모의 CCS 프로젝트 중 하나로, 2019년부터 운영 중이다.
4. Quest CCS Project (캐나다 앨버타주)
셸이 운영하는 프로젝트로, 연간 약 100만 톤의 CO2를 포집 및 저장한다. 석유 모래 업계에서 발생하는 CO2를 포집하여 지하 염수층에 저장한다.
5. Petra Nova CCS Project (미국 텍사스주)
세계 최대의 CCS 프로젝트 중 하나로, 석탄 화력 발전소에서 발생하는 CO2를 포집하여 연간 약 140만 톤의 CO2를 저장한다. 2017년부터 운영을 시작했으며, 포집된 CO2는 석유 회수 증진(EOR)에 사용된다.4.4. 초임계 및 초초임계 발전
4.4.1. 정의 및 원리
초임계 및 초초임계 발전은 물을 고온, 고압 상태로 가열하여 발전 효율을 극대화하는 화력 발전 기술이다. 이 기술의 원리는 물이 초임계 또는 초초임계 상태에 도달하면 물과 증기의 구분이 없어져 에너지 변환 효울이 높아진다는 점을 이용한다.
- 초임계 발전의 원리
2. 초초임계 발전의 원리
초초임계 발전의 원리도 초임계 발전과 유사하지만, 더 높은 압력과 온도를 사용한다.
초초임계 발전의 원리도 초임계 발전과 유사하지만, 더 높은 압력과 온도를 사용한다.
보일러: 물을 30 MPa 이상의 압력과 600°C 이상의 온도로 가열하여 초초임계 상태로 만든다.
터빈: 초초임계 상태의 물이 터빈으로 흘러 들어가면서 팽창하여 터빈을 회전시킨다.
응축기: 터빈을 통과한 증기가 응축기로 이동하여 다시 물로 변환된다.
펌프: 응축된 물을 다시 보일러로 보내는 과정이 반복된다.
터빈: 초초임계 상태의 물이 터빈으로 흘러 들어가면서 팽창하여 터빈을 회전시킨다.
응축기: 터빈을 통과한 증기가 응축기로 이동하여 다시 물로 변환된다.
펌프: 응축된 물을 다시 보일러로 보내는 과정이 반복된다.
4.4.2. 상용화 사례
- 산업용 초임계 발전 설비(대한민국 경기도 이천)
이러한 발전소는 고압과 고온에서 연소 과정을 진행하여 연료를 더욱더 효율적으로 활용하는 기술인 초임계 발전을 이용하고 있다.
2.샬렌저 프로젝트(노르웨이 모레 오그 라센)
샬렌저 프로젝트는 2012년부터 시작했다. 이 프로젝트는 탄소포집기술(CCS)과 초임계 발전을 융합한 기술 CCUS을 이용해서 시작했다.이 프로젝트의 규모는 크며 노르웨이 정부와 다양한 산업 파트너들이 참여하고 있다.5. 장단점
5.1. 장점
1. 환경적 이점
일반적인 석탄을 활용한 발전소에 비해 더 적은 연소 가스와 더 적은 대기 오염 물질을 배출한다. 초임계 발전 기술은 석탄을 고온 고압 상태에서 연소를 하여 연료의 효율성을 높이고, 이산화탄소 배출을 최소한 줄이는 데 기여한다.
2. 에너지 효율성
더욱더 고급 발전 기술을 이용해 동일한 석탄의 양으로 일반적인 석탄 발전소에 비해 더 많은 전기를 생산할 수 있다. 이는 전력 공급의 안정성을 향상시키는데 기여를 한다.
3. 에너지 안정성
석탄을 광업이 잘 발달된 자원으로, 즉 에너지 안정성이 높다. 즉 만약 청정 석탄 기술을 이용하면 에너지 안정성이 높은 자원인 석탄을 지속 가능하게 활용할 수 있도록 도와준다.
5.2. 단점
1. 기술적 도전과제
청정 석탄 기술이 상용화하려면 아직은 많은 시간이 필요하다.특히 초초임계 발전 기술등의 고급 발전 기술은 아직은 많은 연구와 개발이 필요하다.
2. 비용
청정 석탄 기술은 초기투자가 많이 필요할 수 있다. 처음 도입 시기에는 초기 비용 부담이 매우 크고 에너지 발전 기술 상용화 전에는 경제적으로 도전과제가 있을 수 있다.
3. 탄소 포집 및 저장의 기술적 한계
탄소 포집 저장 기술(CCS)은 CO2를 안전하게 포집하고 지하 저장소에 보관하는 기술에서 기술적으로 문제가 생길 수도 있습니다. 이산화탄소 포집 과정에서의 안정성,지질학적으로 이산화탄소를 저장할 곳에 대한 문제점, 포집 기술의 성능 향상 및 저장소의 지속 가능성과 안정성 등이 중요한 문제로 지적된다.
6. 환경적 영향
6.1. 배출 감소 효과
1. 이산화탄소(CO₂) 감소
고효율 저배출(HELE) 기술: 초임계(Supercritical) 및 초초임계(Ultra-Supercritical) 발전 기술은 기존의 아임계(Subcritical) 발전에 비해 높은 열효율을 제공한다. 이는 동일한 전력을 생산하는 데 필요한 석탄의 양을 줄여 CO2 배출을 감소시킨다.
2. 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술
CO2 를 포집하여 지하 깊숙한 곳에 저장함으로써 대기 중으로의 방출을 방지한다.
3. 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx) 감소
탈황 설비(FGD): 배출가스 중의 황산화물을 제거한다.
선진 연소 기술: 연소 과정에서 발생하는 질소산화물의 양을 줄이기 위해 저NOx 버너 및 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템을 사용한다.
선진 연소 기술: 연소 과정에서 발생하는 질소산화물의 양을 줄이기 위해 저NOx 버너 및 선택적 촉매 환원(SCR) 시스템을 사용한다.
4. 미세먼지(PM) 감소
집진기: 전기 집진기(ESP)나 백필터를 사용하여
미세먼지를 효과적으로 제거한다.
6.2. 생태계 영향
1. 대기 오염 감소
대기 중에 유해 물질 농도가 감소하면, 호흡기 질환 및 심혈관 질환과 같은 인체 건강에 미치는 부정적인 영향이 줄어든다. 또한 대기 오염 물질이 줄어들면
산성비의 발생이 감소하여 토양과 수질이 개선 되고, 식물 및 수생 생물에 미치는 악영향이 감소한다.
2. 기후 변화 완화
CO2 배출 감소는 온실 효과를 줄여
지구 온난화의 속도를 늦추는 데 기여한다. 이는 기후 변화로 인한 생태계 교란을 완화하는 데 도움이 된다. 기후 변화가 완화되면 생태계의 생물 다양성을 유지하고, 다양한 종의 서식지를 보호하는 데 기여할 수 있다.
3. 수질 오염 감소
배출가스 중의 유해 물질이 제거되면, 이러한 물질이 빗물에 섞여 수계로 유입되는
것을 방지할 수 있다. 이는 하천 및 호수의 수질을 개선하고, 수생 생물의 건강에 긍정적인 영향을 미친다.
것을 방지할 수 있다. 이는 하천 및 호수의 수질을 개선하고, 수생 생물의 건강에 긍정적인 영향을 미친다.
4. 폐기물 관리
청정 석탄 기술은 석탄 연소 과정에서 발생하는 폐기물(예: 석탄재, 슬러지 등)의 양과 유해성을 줄인다. 적절한 폐기물 관리와 재활용 기술을 통해 토양 오염을 방지하고, 생태계를 보호할 수 있다.
7. 미래 전망
7.1. 기술 발전 가능성
1. 고효율 저배출(HELE) 기술의 발전
초초임계 발전: 현재보다 더 높은 온도와 압력을 사용하여 발전 효율을 더욱 높이고, 이로 인해 이산화탄소 배출을 줄이는 기술이 계속 개발될 것이다.
IGCC 발전: IGCC는 다양한 종류의 석탄과 저급 연료를 사용할 수 있어서 유연성이 높다.
IGCC 발전: IGCC는 다양한 종류의 석탄과 저급 연료를 사용할 수 있어서 유연성이 높다.
2. CCS 기술의 발전
탄소 포집: 발전소에서 배출되는 CO2를 포집하는 기술이 더 효율적이고 비용 효율적으로 발전할 것이다.
탄소 저장 및 활용: 포집된 CO2를 지하에 저장하거나 산업 공정에 재사용하는 기술이 발전할 것이다. 예를 들어, 포집된 CO2를 화학 제품, 연료, 건축 자재 등으로 변환하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
탄소 저장 및 활용: 포집된 CO2를 지하에 저장하거나 산업 공정에 재사용하는 기술이 발전할 것이다. 예를 들어, 포집된 CO2를 화학 제품, 연료, 건축 자재 등으로 변환하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
3. 배출물 저감 기술의 향상
탈황 및 탈질 기술: 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 더 효율적으로 제거하는 기술이 개발될 것이다.
미세먼지 제거 기술: 전기 집진기와 같은 기술들이 더 정교해지고 효율적으로 발전할 것이다.
미세먼지 제거 기술: 전기 집진기와 같은 기술들이 더 정교해지고 효율적으로 발전할 것이다.
7.2. 글로벌 트렌드
1. 에너지 전환과 혼합
많은 국가들이 재생 가능 에너지와의 조화를 이루는 에너지 믹스를 추구하고 있다. 청정 석탄 기술은 중장기적으로 중요한 역할을 할 수 있지만,
태양광,
풍력, 수력 등 재생 가능 에너지원과의 경쟁에서 위치를 조정할 필요가 있다. 에너지 저장 기술의 발전은 재생 가능 에너지의 간헐성 문제를 해결하고, 석탄 발전의 필요성을 줄이는 데 기여할 것이다.
2. 탄소 중립 목표
여러 국가와 기업들이 2050년까지
탄소 중립을 목표로 하고 있다. 이러한 목표는 청정 석탄 기술이 탄소 포집 및 저장(CCS)과 결합되어야 함을 의미한다. 극제 기구와 협약, 예를 들어
파리 협정, 지속 가능 발전 목표(SDGs) 등은 청정 석탄 기술의 채택과 발전을 지원하고 촉진할 것이다.
7.3. 정책 동향
1. 정부 지원 및 규제
청정 석탄 기술 연구 및 개발에 대한 정부의 재정 지원과 인센티브는 중요한 역할을 할 것이다. 예를 들어, 미국의 에너지부(DOE)나
유럽연합(EU)의 연구 프로그램은 청정 석탄 기술의 발전을 촉진한다. 강화된 환경 규제는 석탄 발전소가 배출물 저감 기술을 채택하도록 압력을 가하고 있다. 이는 청정 석탄 기술의 채택을 가속화 할 것이다.
2. 국제 협력
청정 석탄 기술의 개발과 보급을 위해 국제 협력과 기술 이전이 중요하다. 예를 들어, 국제 에너지 기구(IEA)와 같은 기구는 청정 석탄 기술의 연구와 보급을 촉진한다.
개발도상국에 대한 기술 지원과 자금 지원도 청정 석탄 기술의 글로벌 확산을 촉진할 것이다.
8. 참고 문헌 및 자료 출처
1. https://science.howstuffworks.com/environmental/green-science/clean-coal.htm2. https://www.innovationnewsnetwork.com/clean-coal-technology/562/
3. https://prod.iea.org/reports/clean-coal-technologies
4. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/clean-coal-technology
5. https://www.researchgate.net/figure/GCC-with-carbon-capture-and-sequestration-plant-configuration-see-online-version-for_fig4_257246512
6. https://www.youtube.com/watch?v=V3jfECTjMS8
7. https://www.youtube.com/watch?v=tPzJ7Q_iG6A
8. https://www.iae.re.kr/post/961