바이오매스 연소·활용 기술 개발 … 2025년 3000kW 실용화

오사카가스(Osaka Gas)가 케미칼 루핑 연소 기술 개발에 도전한다.
오사카가스는 Daigas 그룹 차원에서 2050년 탈탄소사회 실현을 목표로 설정하고 있으며 재생가능에너지 이용을 촉진하며 이산화탄소(CO2) 배출을 감축하는 한편 탄소중립 달성에 기여할 수 있는 각종 기술의 연구개발(R&D)에 박차를 가하고 있다.
탄소중립 실현을 위해서는 케미칼 루핑 연소 기술에 주목하고 있다.
케미칼 루핑은 바이오매스나 저품위 석탄 등 미이용 자원을 연료로 투입해 이산화탄소와 수소(H2), 전력을 생산하는 기술이며, 연료 반응탑과 수소 생성탑, 공기 반응탑 등 3개 반응탑에서 산화철(FeO) 등 산소 캐리어를 순환시키는 것으로 알려졌다.
일본 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁사업으로 일본 석탄에너지센터(JCOAL)와 공동으로 개발을 추진하고 있으며 오사카가스는 바이오매스를 사용한 실용화에 주력하고 있다.
비교적 저가에 공급이 가능한 그린수소에 기대를 걸고 있으며 요소기술을 개발하고 있는 것으로 알려졌다.
산소 캐리어로 산화철을 이용하는 이유는 연료 반응탑에서 삼산화이철(Fe2O3) 중 산소(O2)로 바이오매스를 연소시킬 수 있기 때문이다. 질소가 포함되지 않아 분리공정을 거치지 않아도 되고 물(H2O)과 고순도 이산화탄소만을 얻을 수 있다.
환원된 산화철은 수소 생성탑에서 수증기와 반응해 수소를 생성하고 사산화삼철(Fe3O4)이 된 캐리어가 공기 반응탑에서 질소(N2) 및 산소와 반응하면 질소와 발전용 고온열을 사용해 캐리어를 산화철로 되돌릴 수 있다.
요소기술 개발에서 가장 중요한 것은 캐리어 선정으로, 연료 반응탑과 공기 반응탑에서 요소기술 연구를 진행하고 있으나 수소 생성반응에 최적화된 캐리어를 개발해야 하는 과제가 부상하고 있다.
첨가물을 더해 고내구성과 응집성 저감 등을 실현한 인공산화물을 도입하는 방안을 검토하고 있다.
바이오매스에서 발생하는 타르와 석회를 어떻게 처리할지도 과제가 되고 있다.
미국 오하이오 주립대학도 3개 탑을 활용한 기술을 개발하고 있으며 석탄을 가스화한 연료를 사용하고 있는 것으로 알려졌다.
바이오매스는 가스화 장치가 필요하지 않아 코스트 면에서 우수하나 타르가 나오고 일정치 않은 품질에 대한 대응이 요구되고 있다.
타르를 석출시키지 않기 위해서는 연료 반응탑에서 대응해야 하는 것으로 파악되고 있다. 연료를 완전히 분해하기 위해 최적화된 온도와 증류시간, 도입 방법, 혼합 방법 등을 모색하고 있다.
품종에 따라 달라지는 수율도 고려해 광범위한 바이오매스에 대응할 수 있는 기술을 개발할 계획이다.
프로세스 최적화를 위해 열 손실을 최소화할 수 있는 온도와 유량, 개별 탑의 부하비율 등 최적화된 운전조건을 정해나갈 예정이다.
조건을 바꾸어 얻을 수 있는 이산화탄소, 수소, 열의 비율을 유연하게 조정하는 것도 가능하도록 개발할 방침이다.
2021년에는 알칼리성 콜드모델을 오사카(Osaka)의 니시지마(Nishijima) 공장에 설치하고 순환, 유동 확인을 시작할 예정이다. 이후 2024년 말 300kW 시험장치로 실증실험을 마치고 2025년 이후 3000kW로 실용화할 예정이다.
자체적으로 플랜트를 운영해 추출한 바이오 베이스 이산화탄소와 그린수소, 그린전력을 판매하는 사업모델을 구축하는 방안을 검토하고 있으며, 저가의 그린수소는 공업용 뿐만 아니라 수소 스테이션용으로도 공급이 가능할 것으로 기대하고 있다. (K)