IGCC 활용 실증 프로젝트 … 닛토덴코, 중소 공장에 DAC 적용

일본이 이산화탄소(CO2) 배출량을 마이너스로 전환하는 네거티브 에미션에 도전한다.
일본 경제산업성은 히로시마현(Hiroshima) 오사키카미지마(Osakikamijima) 실증기지에서 2023년부터 시작한 프로젝트를 통해 네거티브 에미션의 가능성을 검증하고 있다.
실증기지에 이산화탄소를 공급할 차세대 석탄가스 복합발전(IGCC) 설비에서 50% 바이오매스 혼소기술을 확립하고 바이오매스 연소 중 발생한 이산화탄소는 콘크리트나 화학제품으로 고정시키면 네거티브 에미션을 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
경제산업성은 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)를 통해 2016년부터 7년간 석탄가스화 연료전지 복합발전(IGFC) 사업을 추진하고 있다. IGFC는 석탄에서 가연성 가스를 생성시키며 가스터빈 발전과 증기터빈 발전을 조합한 IGCC에 연료전지까지 추가한 트리플 복합 발전설비로 실용화된다면 상당한 수준의 저탄소‧고효율 발전이 가능해질 것으로 예상하고 있다.
J-POWER와 주고쿠전력(Chugoku Electric)이 50대50으로 합작한 Osaki-Coolgen은 NEDO 지원 아래 주고쿠전력 오사키(Osaki) 발전소에서 실증을 추진하며 배출된 이산화탄소를 분리‧포집해 인근 카본 리사이클 실증기지에 공급했다.
하지만, 2022년이 프로젝트 마지막 해였기 때문에 이산화탄소 공급을 이어가기 위해 2023년부터 새로운 저탄소 화력발전 실증 사업 추진이 필요해졌고 현재 Osaki-Coolgen이 이산화탄소 분리‧포집형 산소 주입 IGCC에 바이오매스를 50% 혼소함으로써 저탄소화에 도전하고 있다.
IGCC에서 석탄, 바이오매스를 혼합해 생성한 가연성 가스로도 석탄 단독 가연성 가스와 동일한 능력을 발휘할 수 있을지 검증하는 프로젝트로, 바이오매스 50% 혼소 IGCC 기술을 J-POWER의 마쓰시마(Matsushima) 화력발전소 2호기에 도입‧상업화하기 위해 2024년까지 기술 확립이 요구되고 있다.
바이오매스는 연소 시 이산화탄소를 배출하지만 광합성으로 대기 중 이산화탄소를 흡수하기 때문에 배출, 흡수 과정을 거치며 이산화탄소 배출량이 플러스 마이너스 제로가 될 수 있다.
바이오매스 50% 혼소 IGCC는 기존 석탄 전소 IGCC와 이산화탄소 배출량이 동일하나 실제로는 50%만 배출한 것으로 추산되고 카본 리사이클 기술과 조합해 고정시키면 BECCS(바이오매스 연소를 통해 발생된 이산화탄소 포집‧저장)와 동일하게 배출량을 제외해 네거티브 에미션을 실현할 수 있다.
신규 사업은 인근 카본 리사이클 실증기지에 바이오매스 50% 혼소 IGCC 베이스 이산화탄소를 공급해 일부가 네거티브 에미션화된 콘크리트나 화학제품을 개발할 예정이다. 다만, 매스밸런스 방식에서 50% 네거티브 에미션의 가치를 어떻게 반영할지는 과제로 남아 있다.
닛토덴코(Nitto Denko)는 중소 공장을 활용해 이산화탄소 배출량을 제로(0) 이하로 감축하는 네거티브 에미션 팩토리 프로젝트를 추진하고 있다.
보일러에서 LNG(액화천연가스)를 연소할 때 발생하는 배기가스 중 이산화탄소를 포집할 때 DAC(Direct Air Capture) 기술을 사용하고 포집한 이산화탄소를 유효하게 활용하는 것을 최종 목표로 한 프로젝트로 재생에너지 베이스 전력을 도입하면 공장에서 나온 이산화탄소 배출량을 제로 이하로 감축할 수 있어 탄소중립 기여 효과가 클 것으로 기대하고 있다.
DAC 실현을 위해 이산화탄소 분리막, 다공흡착 소재, 촉매반응 설계가 필요하며 현재 배기가스에서 이산화탄소를 포집하고 질소와 분리시킬 고분자막 개발까지 마친 것으로 알려졌다.
2021년 직경 2인치, 길이 300밀리미터 미니 엘러먼트 개발을 마치고 2023년 3월 시가(Shiga) 사업장에 직경 8인치, 길이 1미터급 엘러먼트 19개를 파일럿 도입해 이산화탄소 300톤 포집에 도전하고 있으며 실증 종료 후 2025년 실제 공장에 도입할 예정이다.
질소는 메탄(Methane)과 달리 이산화탄소와 분자 크기가 같기 때문에 용해확산 등 분자체 이외의 방법을 사용해야 하며 닛토덴코는 과거 수처리막 사업에서 사용한 스파이럴형 모듈을 통해 롤투롤 방식으로 지지체, 가스 분리층을 다층화한 후 가스 집관 표면만 막으로 감싸는 방식으로 양산성 확보에 성공했다.
이산화탄소 포집량을 3000톤으로 늘리기 위해 도요하시(Toyohashi) 사업장에 Thermoener의 이산화탄소 농축형 소형 관류 보일러를 도입하며 이산화탄소 농도를 3배 높여 분리막 효율성 향상에 주력할 예정이다.
DAC에 사용하는 다공흡착 소재로는 독자적인 고분자 설계기술과 다공화 폴리머 비즈 기술 등을 활용해 흡착능으로 아민을 함유시킨 유기 고분자 폴리머를 다공화한 후 제조한 시트를 주목하고 있다.
모듈화 후 양산 전 개선 및 스케일업을 추진하고 있으며 다공흡착 소재는 흡착량이 많으나 유기 고분자 폴리머는 화학결합 후 아민이 쉽게 탈리되지 않아 내구성이 우수하고 이산화탄소 탈리 시 필요한 열 역시 일반 폴리머는 섭씨 100도 이상이 필요하나 신소재는 70-90도면 충분해 보일러 배기열을 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
닛토덴코는 포집한 이산화탄소를 드라이아이스, 음료용, 용접, 식물공장 등에 공급하고 그린수소와 반응시켜 포름산(Formic Acid)으로 변환하는 촉매반응 설계를 진행하고 있다.
기존 유기합성 기술과 분자 시뮬레이션 기술을 응용해 촉매, 포름산을 분리한 후 재생가능 촉매를 개발하고 반응효율 향상을 도모하고 있으며 반응 촉진용 첨가제 설계를 함께 진행하고 있다.
닛토덴코는 친환경제품이 전체 매출에서 차지하는 비중을 현재의 20%대 초반에서 2025년 40%, 2030년 50% 이상으로 확대할 예정이다.
DAC 실현을 위해 3대 기술을 모두 확립하고 2030년경 본격적인 사업화에 나설 계획이며 포름산 변환 장소 집약에 대비해 이산화탄소 수송기술 개발을 검토하고 있다. (강윤화 책임기자)