기존 대비 안정성 10배 이상 향상, 세계 최고 수준 투과 성능 보유
산소분리 설비·제조비용 절감으로 친환경 발전 기술 실용화 앞당겨

고효율·친환경 화력발전이 주목받는 가운데 산소분리 설비·제조비용을 절감할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 주목되고 있다. 이에 따라 친환경 화력발전 시대가 열릴 것으로 기대된다.

한국에너지기술연구원(이기우 원장)은 세륨 산화물(CeO2) 복합체를 이용해 안정적·경제적으로 산소를 분리하는 신개념 세라믹 산소분리막을 개발했다고 최근 밝혔다.

이번에 개발에 성공한 세륨 산화물 복합체 산소분리막은 안정적으로 산소이온을 전달하는 물질인 세륨 산화물(CeO2)과 전자를 전달하는 물질인 페로브스카이트(Perovskite)를 혼합해 기존보다 저렴한 소재를 사용해도 높은 산소 투과특성을 낼 수 있도록 고안됐다. 이를 통해 산소분리 설비비용을 최대 48%, 산소 제조비용을 최대 68%까지 줄일 수 있으며 화학적 안정성도 기존 세라믹 산소분리막 대비 10배 이상 향상됐다.

현재 석탄 화력발전은 전 세계 전력 생산의 60% 이상을 차지하고 있다. 이처럼 석탄 화력발전은 정비된 인프라, 저렴한 발전 비용으로 대량의 전력을 생산하고 있으나 온실가스 배출에 따른 환경문제로 인해 그 비중을 높이는 데 한계가 있다. 대안으로 석탄가스화 복합발전(IGCC)과 순산소연소(Oxyfuel) 등 산소를 이용한 고효율·친환경 화력발전이 주목받고 있는 실정이다.

기존의 산소 분리 방법은 끓는점의 차이에 의해 공기에서 산소를 분리하는 심냉분리법에 기초했다. 그러나 분리시 대규모 공장이 필요하고 공기를 압축하는 과정에서 많은 전기를 소모해 최종 발전 효율을 9% 저하시키는 단점이 있었다. 이를 극복하기 위해 세라믹 산소분리막 기술이 개발됐지만 높은 산소 제조가격, 취약한 화학적 안정성이 문제로 지적돼왔다.

반면 세륨 산화물 복합체 분리막은 제조가격과 안정성의 문제를 극복해 기존의 발전 플랜트, 제철산업 효율 상승에 기여할 수 있다. 높은 비용절감 효과를 통해 친환경 발전 기술의 실용화를 앞당길 수 있게 된 것이다. 또 미국 등 기술 선진국의 투과 성능(3㎖/㎠·min)을 뛰어넘은 세계 최고 수준(3.6㎖/㎠·min)을 기록해 향후 분리막 시장 점유율에서도 우위를 차지할 것으로 기대된다.

연구책임자인 유지행 박사는 “세륨 산화물 복합체 산소분리막 기술은 현존하는 세계 최고 수준의 기술로써 기존의 산소분리 설비·제조비용을 2/3수준으로 줄여 친환경 발전을 가능케 할 새로운 기술”이라며 ”발전, 철강, 화학 공정, 생명 공학 분야와의 융합을 통해 고부가가치 산업을 창출하고, 창조경제를 실현하는데 기여하겠다”고 밝혔다.

석탄가스화 복합발전(IGCC)은 산소와 물을 이용해 석탄을 고온에서 가스화 시켜 합성가스를 만든 뒤 변환과정에서 발생된 증기로 터빈을 돌려 전기를 만들어내는 방식. 만들어진 합성가스에서 오염물질을 제거하고 촉매를 가해 석유와 같은 형질의 합성석유를 만들어낼 수 있다. 또한 CCS(이산화탄소 포집기술)을 접목해 온실가스를 줄일 수 있는 장점이 있어, 신규화력발전에 적용될 예정이다.

또 순산소 연소(Oxyfuel)란 일반 공기를 산화제로 이용한 일반적인 연소방식 대신 순수산소를 이용하는 연소방식이다. 순산소를 산화제로 이용하면 연소 후에 물과 이산화탄소만 발생해 물만 응축시켜 빼내면 손쉽게 고농도의 이산화탄소를 분리할 수 있게 된다.

한편 이 기술은 2014년 2월, 영국 왕립화학회가 발간하는 재료분야 학술지 'Journal of Materials Chemistry A‘ 표지논문 및 ’Chemi- stry of Materials‘에 게재돼 학계의 인정을 받았으며 연구진은 현재 실용화를 위한 모듈화 및 주변 장치 개발을 진행 중이라고 전했다.