[캐나다] 국제CCS지식센터, CCS프로젝트 결과 발표

최근 페트라 노바(Petra Nova) 탄소 포집 및 저장(CCS) 프로젝트 중단 결정에 석유 가격이 얼만큼 영향을 미쳤는가에 관심이 모아지고 있다.

이런 가운데 Corwyn Bruce는 프로젝트의 성공적인 운영 결과에 대해 보고하고자 한다.

기술 중점 리뷰를 통한 평면적인 평가는 혁신, 리툴링, 최적화를 통한 성과에 제대로 주목하지 않는 경향이 있다. NRG와 JX Nippon의 합작 프로젝트인 페트라 노바의 CCS 시설에 대한 평가 역시 여기에 속한다. 일각에서는 프로젝트 시작 후 3년 간 다운타임이 잦았다고 비판한다. 하지만 현장에서 작업했던 관계자들은 이 프로젝트가 찬사를 받아 마땅하다고 말한다.

Corwyn Bruce는 세계 최초로 석탄 화력발전소에 통합된 SaskPower의 Boundary Dam 3 CCS Facility (BD3) 탄소 포집 시스템 설계와 건설을 맡았던 엔지니어링 팀원들을 만날 수 있었다. 또한 이 플랜트의 최적화와 관련된 자문은 물론 International CCS Knowledge Centre 소속 팀을 이끌며 차세대 CCS 시설 전 세계 도입과 글로벌 기후변화 목표 달성을 지원하기 위한 경험을 공유했다.

페트라 노바 프로젝트 중단 과정에서 시장의 힘, 전기 가격, 석유 가격 등 외부 요인이 영향을 미쳤을 수 있다는 점을 이해하는 것 역시 중요하다. 그러나 탄소 포집 분야 전문가인 Corwyn Bruce는 이 기술의 적용 가능성과 그 이유에 대해 강조하고자 한다.

플랜트는 목표 달성을 위해 설계되었으며, 실제로 목표를 달성했다

희소식이 있다면, 페트라 노바는 92.4%의 포집 효율(미국 에너지부에 제출된 페트라 노바의 최종 기술 보고서 기준i)을 기록하며 90%의 자체 목표를 충족시켰음은 물론 플랜트의 포집 프로세스에 대한 장기적 신뢰성도 확보했다는 점이다. CCS 시설은 원활하게 운영되어 왔으며 다른 시설들이 어려움을 겪었던 각종 리스크를 극복했다.

목표를 초과 달성한 페트로 노바의 포집 시설은 애초에 성과 지표가 높게 설정되어 있었다. 때문에 기존의 목표 이상의 성과를 달성할 수 있었다. 예상보다 높은 포집 효율 외에도 낮은 수준의 전력 소비량과 스팀 요구조건, 99% 이상의 CO2 순도, 연간 2.8톤 수준으로 미국 국가대기질 기준 오존 관련 텍사스주 규정 30항에 명시한 바 ii를 충족시키는 휘발성 유기 화합물 (VOC) 배출량 등의 성과를 거두었다.

이와 함께 아민 소비량 역시 목표를 충족시키고 있다. 용매 기반 포집 시스템에서 사용되는 아민 화학제품은 플루가스 스트림에서 CO2를 분리하는 화학반응을 일으키는 능력을 종종 상실할 수 있다. 이는 곧 포집 효율 하락과 화학 제품 교체 비율 증가, 정비 비용 상승으로 이어진다. 반면 페트로 노바의 탄소 포집 시설은 아민 소비량이 과도하게 발생하지 않았다.

BD3 운영을 통해 배운 교훈은 최초로 시작되는 프로젝트의 경우 예측하지 못한 변수들을 극복해야 한다는 것이다. 우리는 안전과 신뢰성을 향상시킴으로써 용량을 늘리고 시설 운영비를 절감할 수 있었다. 반면 페트라 노바는 전반적인 플랜트 생산량 자체는 문제가 없었다. 때문에 계속 가동된다면 꾸준히 목표에 도달하거나 초과 달성할 수 있다. 우리는 페트라 노바에 그 동안 겪은 귀중한 경험을 전수해 왔는데, 이처럼 CCS 시설이 계속 가동되고 성공적으로 운영되는 것은 중요하다.

준비 및 가용성

BD3에서 얻은 경험대로 페트라 노바의 포집 시설이 가진 가용성은 꾸준히 발전해 왔다. CCS 플랜트는 성능, 가용성, 신뢰성이 모두 중요하다. 페트라 노바와 BD3에서 관찰한 바와 같이 CO2 포집량이 반드시 그 시설의 신뢰성을 의미하지는 않는다. 실제로 다수의 비포집 플랜트들이 공통적으로 다운타임 문제를 안고 있다. 2018년 Boundary Dam 발전소가 폭풍으로 타격을 입었으며 페트라 노바는 허리케인 하비로 인해 다운타임이 발생한 바 있다.

기술 데이터를 분석해 보면, 탄소 포집 공정이 플랜트 정전에 미친 영향은 일부에 불과하다. 페트라 노바가 첫 가동을 시작한 2017년의 경우 포집 공정은 총 가동 중단일 가운데 41일(하루 종일을 1일로 환산)에 불과했으며 이는 신규 프로젝트 운영에 필요한 예비 가동 시간과 비슷한 수준이다. 2018년에는 이 중단일이 34일로, 2019년에는 29일로 계속 감소했다. 따라서 세계에서 2번째 시설이자 동등한 규모로는 세계 최초인 페트라 노바의 가용율은 92~93%에 이른다. 특히 이 정도 규모의 플랜트 장비 구축은 가동 용량이 크고 특수화된 관계로 리드 타임이 길고 각종 변동사항을 반영할 경우 더 지연되기 때문에 페트라 노바가 거둔 성과는 가동 3년차임을 감안하면 우수한 수준이다.

페트라 노바의 나머지 가동 중단일은 대부분 열병합 시설, 석탄 발전, 유전, 기상 조건 등 다른 요인으로 인해 발생했다. CO2 포집 플랜트의 신뢰성을 공정에 필요한 증기를 공급하는 열병합 플랜트와 혼동하지 않는 것이 중요하다.

이와 비교해 보면 7월 한 달간 BD3의 CCS 시설은 99.8%의 가동률을 기록했으며 냉각수 문제로iii 부스터 팬이 일시적으로 멈추면서 1시간 30분 동안 가동을 중단했다. 또한 7만5천503톤의 CO2를 포집했으며 일일 평균 포집량(플랜트 가동 시)은 2천435톤, 최대 포집량은 2,627톤이었다.

BD3와 페트라 노바와 같은 선구적 프로젝트는 탄소 포집 활동의 다음 단계를 위해 큰 폭의 발전을 위한 플랫폼을 제공한다는 점에서 중요한 역할을 맡고 있다. 2세대 CCS에 대한 보고서(Shand CCS Feasibility Studyiv)에서도 지적했듯 경험이 축적된다면 즉각적인 성능 향상을 가져올 수 있는 설계 도입이 가능하다.

1세대 프로젝트가 마주한 각종 과제를 극복

페트라 노바 기술 보고서를 검토한 결과 우리가 BD3 운영 과정에서 경험했던 것과 유사한 형태의 문제점들을 발견할 수 있었다. 페트라 노바에서 발생해 처리되었던 문제들의 상당수가 BD3에서 앞서 경험한 것들이었다. 이는 우리가 제공할 수 있는 중요한 경험이자 각종 신규 플랜트에 적용 가능한 사안들인데, 이와 같은 예방책은 결국 확실성을 높이고 비용과 리스크를 낮추기 때문이다.

두 플랜트에서 공통적으로 발생한 신뢰성 문제는 모두 화학이 아닌 기계와 관련된 문제였다. 산업 시설에 배치된 모든 기계 장비의 신뢰성은 통상적으로 이와 같은 성숙 곡선을 따른다. 기계적 문제는 해결 가능하며 실제로 해결이 되었기 때문에 긍정적 소식이라 할 수 있다. 우리는 이와 같은 과정을 통해 경험의 깊이와 이해도를 높였고 차기 프로젝트 설계를 보강할 수 있었다. 따라서 CCS 플랜트 건축을 원하는 모든 이들이 우리가 겪었던 과정을 반복하지 않도록 할 수 있는 것이다.

일례로 다운타임의 경우 가외성을 통해 크게 줄일 수 있다. CCS 활동이 전 세계적으로 활발해지며 더 많은 지식이 축적되기 전까지는 몇몇 가외성을 활용할 수 있을 것이다. 그 중 하나는 페트라 노바와 BD3에 있으며 성능 저하와 다운타임의 원인인 플레이트 및 열교환기로 BD3의 경우 2018년 이를 대대적으로 개선한 바 있다.

또 다른 신뢰성 문제의 예로 이들 CCS 플랜트에서 공통적으로 나타난 부스터 팬 블레이드 확장이다. 이로 인해 진동이 발생하고 결국 청소를 위해 가동을 중단해야 했다. BD3에서 이 문제를 해결한 이후 우리는 페트라 노바를 비롯한 다른 고객들에게 손쉽고 비용도 적게 드는 솔루션을 제시하고 있다.

세 번째로 제시할 예는 CO2 압축기 인터쿨러가 자재와의 호환 문제다. 페트라 노바와 BD3 모두 CO2 압축기 인터쿨러 건설 자재와 관련해 문제를 겪었다. 이는 고객들이 더욱 강력하고 알맞은 형태의 시설을 건설할 수 있도록 우리가 제공하는 현장 경험과 핵심 지식이 그만큼 높은 가치를 가지고 있음을 보여준다.

지속적으로 발생하는 가외성과 신뢰성 문제는 3가지의 중요한 특징을 가지고 있다. 1) 과거 경험에 비추어 보면, 1세대 기술을 활용해야 할 필요성이 제기된다 2) 성공 및 도입 사례로 볼 때, 신뢰성이 향상되기 위해서는 시간이 필요하다 3) 문제 해결 방법과 지속적인 학습 방법이 파악되었으며, 2세대용 탄소 포집 기술 개발에 있어 비약적인 발전으로 이어질 것이다.

탄소 배출은 멈추지 않는다

페트라 노바 가동 중단은 이제 포집 플랜트가 멈춘 상태에서 탄소가 대기로 배출된다는 것을 의미한다. 전력 분야(전 세게 CO2 배출량의 32%를 차지v)에서 CCS 활동은 의미 있는 역할을 수행 중이다. 지구 평균 온도 상승 폭을 1.5도 이내로 제한하기 위해 배출 집약적인 대규모 산업 및 발전 공정은 탈탄소 방식으로 상당부분 전환해야 하며 이것은 CCS를 통해 할 수 있다.

CCS 기술이 성공을 거두고 있고 리스크와 비용이 줄어든 상태에서 도입이 활발해지고 있는 가운데, 신규 CCS 시설 및 기존 시설의 지속적인 운영에 대한 폭넓은 지지 의견이 아직 나오지 않고 있는 것은 과학/엔지니어링 관점에서 이해하기 힘든 일이다.

Corwyn Bruce 국제CCS지식센터(International CCS Knowledge Centre) 부대표는 프로젝트 개발 및 자문 서비스를 전담하며 BD3 CCS 시설 운영을 통해 전문성을 보유하고 있다. Shand CCS Feasibility Study 보고서 주저자이기도 하다.

국제CCS지식센터(International CCS Knowledge Centre) 개요: 지식센터는 GHG 배출 절감을 위해 대규모 CCS에 대한 전 세계 사람들의 이해를 증진시키고 관련 시설 도입을 확대하기 위해, 완전한 형태로 통합된 Boundary Dam 3 CCS 시설과 Shand Study로 알려진 종합적인 차세대 CCS연구로부터 얻은 기반 지식을 통해 CCS 최적화 작업과 대규모 CCS 프로젝트 진행 노하우를 제공하고 있다. 2016년 창립해 독립적인 위원회의 지휘를 받고 있는 지식센터는 BHP와 SaskPower가 설립했다. 상세 정보는 https://ccsknowledge.com/에서 확인할 수 있다.

웹사이트: https://ccsknowledge.com/