일본의 전력 중심이 되는 화력발전의 최대 과제는 이산화탄소 배출량의 삭감이다. 발전효율의 개선뿐만 아니라 이산화탄소를 회수, 이용, 저장하는 “CCUS”가 추진되기 시작했다. 2030년대에는 이산화탄소의 회수비용이 현재의 1/3로 저감되고, 이산화탄소로부터 수소 및 바이오연료를 제조하는 기술의 실용화가 예상된다.

세계를 선도하는 일본의 화력발전 기술은 두 가지 방향으로 진화하고 있다. 첫째는 석탄화력과 가스화력의 발전효율을 향상시켜 연료의 사용량과 이산화탄소 배출량을 삭감한다. 둘째는 발전에 의해 발생하는 이산화탄소를 회수, 저장하는 “CCUS(Carbon dioxide Capture, Utilization & Storage)의 추진이다. CCUS는 화력발전설비 중에서 이산화탄소를 분리하여 회수하는 프로세스로부터 시작한다. 현재는 ”화학흡수법“과 ”산소연소법“ 등 두 가지 방법이 주류이지만, 비용이 높기 때문에 실용화가 어렵다. CCUS를 널리 보급시키기 위해서는 먼저 해결해야 할 문제가 이산화탄소를 분리, 회수하는 비용의 저감이다.

화학흡수법은 용제가 화학반응을 일으켜 이산화탄소를 흡수하는 방법으로 분리, 회수설비가 필요하기 때문에 비용이 높아진다. 한편 산소연소법은 보일러 안에서 고농도의 산소를 순환시켜 이산화탄소를 분리, 회수하기 쉽게 한다. 화학흡수법과 비교하면 비용이 3/4 정도이다. 2020년대가 되면 “물리흡수법”의 실용화가 예상된다. 이산화탄소를 고압의 상태로 만들어 물리적으로 용제 안에 흡수시키는 방법이다. 화학흡수법과 비교하여 이산화탄소 흡수량이 많아져 1톤당 회수비용은 1/2로 줄어든다. 그리고 2030년대에는 “막분리법”이라는 기술에 의해 비용이 대폭적으로 낮아질 것으로 예상한다.

막분리법은 이산화탄소를 투과하는 성질의 막을 사용하여 회수한다. 차세대 석탄화력발전에서 주류가 되는 “석탄가스화 복합발전(IGCC, Integrated coal Gasification Combined Cycle)과 조합하여 배출하는 가스의 압력을 이용하여 이산화탄소를 투과시킬 수 있다. 이산화탄소 분리, 회수에 필요한 에너지가 적게 소요되기 때문에 비용이 낮아진다. 동시에 발생하는 수소를 투과하는 막의 개발도 진행되고 있어 회수한 수소를 사용하여 연료전지에서도 발전할 수 있다. 신에너지산업기술종합개발기구가 주도하는 연구개발 프로젝트에서는 이산화탄소와 수소의 투과막 성능을 높이면서 실용화를 위한 대형 막을 제조하는 기술의 개발을 추진하고 있다.

한편, 석탄가스화 복합발전의 실증 프로젝트가 히로시마현에서 시작되었다. 쥬고쿠전력과 J-POWER(전원개발)가 공동으로 건설 중인 “오사키 쿨젠”이다. 프로젝트는 3단계로 나누어져 있으며, IGCC, 이산화탄소 분리, 회수 그리고 연료전지를 조합시킨 석탄가스화 복합발전(IGFC, Integrated coal Gasification Fuel Cell combined cycle)의 실증설비를 건설할 계획이다. 제1단계의 IGCC는 2017년 3월에 시험운전을 개시하고, 제2단계의 이산화탄소 분리, 회수설비를 2019년도에 가동시킨다. 이산화탄소 분리, 회수에는 물리회수법을 채용하여 효과를 실증한다. 제3단계의 IGFC도 2021년도에 시험운전을 개시할 수 있을 것으로 예상된다. 일본에서 처음으로 상용수준의 IGFC가 가동되게 된다.

화력발전소에 이산화탄소 분리, 회수설비를 도입하면, 발생하는 이산화탄소 중 90% 이상을 배출하지 않고 회수할 수 있다. 회수한 이산화탄소는 재이용하는 것이 바람직하며, 그것을 위해서는 연구개발도 시작되었다. 효과적인 이용방법 중 하나는 태양광과 이산화탄소로 인공 광합성을 일으켜 바이오연료 및 화학품의 원료를 제조하는 것이다.

바이오연료의 개발 프로젝트는 IHI의 대응이 선행하고 있다. 특수한 조류를 인공광합성으로 배양하여 조류에 포함된 탄화수소를 연료로 전환하는 방법이다. 2015년도에 가고시마현에 대규모 시험 플랜트를 가동시켜 실증을 개시하였다. 화력발전소 및 공장에서 배출되는 이산화탄소를 회수하여 실외의 배양지에서 태양광을 이용하여 조류를 배양한다.

그 이외에 NEDO를 중심으로 2012년부터 10년 계획으로 실시하는 “인공광합성 프로젝트”가 있다. 태양광과 이산화탄소로부터 화학품의 원료를 제조하는 기술의 확립을 목표로 하고 있다. 태양광으로 물을 분해하여 수소를 만든 후에 수소와 이산화탄소를 반응시켜 화학품의 원료(저급 올레핀)의 제조를 시도하였다.

그래도 이용하지 못한 이산화탄소가 대량으로 남는다. 이산화탄소를 지하에 저장하는 실증 프로젝트가 홋카이도에서 시작되었다. 도마코마이시의 연안부에 시험설비를 건설하여 2016년도부터 5년간 이산화탄소 자장시험을 실시할 계획이다. 전력회사 10개사를 포함한 에너지 관련 기업이 공동으로 설립한 “일본 CCS조사”가 실증시험을 담당한다. 이 프로젝트에서는 고농도의 이산화탄소를 배출하는 “가스 공급기지”에 인접하여 “이산화탄소 분리, 회수/주입 기지”를 건설한다. 회수한 이산화탄소를 압축하여 해저 1,000미터 이상의 저류층까지 파이프라인으로 보낸다. 연간 10만 톤 이상의 이산화탄소를 저장하면서, 저류층의 온도 및 압력 등을 관측하여 환경에 대한 영향을 평가할 예정이다. 2020년도까지 관측을 지속하여 실용화를 도모한다.

실용화 단계에는 연간 100만톤의 이산화탄소를 저장할 수 있도록 하는 것이 목표이다. 단 현재의 석탄화력발전에서는 100만 kW급의 대규모 설비가 되면 연간 500만 톤 정도의 이산화탄소를 배출한다. 전량 회수하여 저장하는 것은 현실적으로 불가능하며, 발전효율 향상과 이산화탄소 유효이용이 반드시 필요하다.

(그림 1) 이산화탄소 분리, 회수 기술의 진화
(그림 2) “오사키 쿨젠“의 실증 플랜트 완성 이미지(상), 설비 확장계획(하)
(그림 3) 인공광합성으로 조류 바이오연료를 제조하는 흐름(좌), 배양시험 플랜트(우)

 

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 1일]