석탄의 다양한 변신! 석탄 액화, 가스화

 

 

여러분은 ‘석탄’ 하면 어떤 모습이 떠오르나요?
석탄은 지난 수년 동안 우리 곁을 지키는 대표 에너지였습니다. 집을 따뜻하게 데우는 연탄부터 운송수단, 기계 등 산업화를 일궈내기까지 석탄은 매우 다양하게 활용되고 있습니다. 비록 환경오염 등의 문제로 인해 최근 수요가 감소하고 있지만, 아직까지도 석탄은 주요 에너지 자원에서 빼놓을 수 없는 존재인데요.

 

최근 이 까맣고 단단한 석탄이 액체로, 기체로 변신해 신재생 에너지원으로 이용되고 있다고 합니다.

과연 어떤 모습으로 변하였는지 함께 알아볼까요?

 

 

 

석탄 액화 기술이란?

 

CTL(Coal to Liquid)이라고도 불리는 석탄 액화 기술은 화고체 연료인 석탄을 휘발유 및 디젤유와 같은 액체연료로 전환하는 기술을 말합니다. 특히 석탄 액화는 석유에 직접 대체할 수 있는 액체연료를 공급하는 기술로, 에너지 공급 구조 개선과 석유 가격 상승을 억제할 수 있는 영향력을 지니고 있어 많은 관심을 받고 있는데요.

 

이러한 석탄 액화 기술에는 2가지 방식이 있습니다. 고온 고압의 상태에서 용매를 사용해 전환하는 직접 액화방식과 석탄가스화 후 촉매상에서 액체연료로 전환하는 간접 액화방식 입니다.

 

직접액화 방식은 열효율이 60~70% 정도이고 기존 보일러 연료로 사용할 수 있으며, 수송연료로 사용 시에는 정제공정이 필요합니다. 간접 액화방식은 사용하는 촉매에 따라 파라핀, 왁스, 메탄올 등 생성물이 달라지는 것이 특징으로, 고품질의 액체유 생산으로 수송용 연료로도 대체 가능합니다.

 

 

 

석탄 가스화 기술이란?

 

가스화 복합발전기술(IGCC)이라고 불리는 이 기술은 쉽게 말해 석탄을 기체로 변형시켜 에너지를 얻는 것을 말합니다. 석탄이나 중질산사유(원유를 정제하고 남은 최종 잔재물) 등의 저급연료를 고온, 고압의 가스화기에서 가스화시키고, 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 제조하여 정제공정을 거친 후 에너지로 사용하는 신기술이죠.

 

석탄 가스화 기술은 석탄으로부터 도시가스 또는 복합발전시스템에 사용할 수 있는 기체연료를 제공한다는 점이 특징인데요. 석탄을 이용하면서도 천연가스 발전소와 거의 같은 환경기준을 맞출 수 있다는 점에 의해 국내에서는 신재생 에너지 중 신에너지로 분류되었습니다.

 

석탄 액화, 가스화 기술의 장•단점

 

장점	단점
- 고효율 발전기술 - SOx (황산화물)를 95% 이상, NOx (질소산화물)를 90% 이상 줄이는 환경친화기술  - 다양한 저급연료(석탄, 중질잔사유, 폐기물)를 활용해 전기 생산, 화학플랜트 활용, 액화연료 생산 등 다양한 형태의 고부가 가치의 에너지화	- 소요 면적이 넓은 대형 장치산업으로 초기투자비용이 많이 든다. - 복합설비로 전체 설비의 구성과 제어가 복잡하여 연계시스템의 최적화, 시스템 고효율화, 운영 안정화와 저비용화가 요구된다.

주요 핵심기술

 

① 석탄 가스화 기술
석탄 가스화 기술은 석탄을 고온 고압 상태의 가스화기에서 한정된 산소와 함께 불완전 연소시켜 CO와 H2가 주성분인 합성가스를 생성하는 기술입니다. 전체 시스템 중 가장 중요한 부분으로 석탄 종류 및 반응 조건에 따라 생성가스의 성분과 성질이 달라지며, 건식 가스화 기술과 습식가스화 기술로 나뉘어집니다.

 

② 합성가스 정제기술(가스 정제공정)
합성가스 정제기술은 생성된 합성가스를 고효율 청정발전 및 청정에너지에 사용할 수 있도록 오염가스와 분진 등을 제거하는 기술입니다. 세라믹필터 및 금속필터를 이용해 분진을 제거하고 현재 알코올흡수법 등의 습식법에 의해 제거중이나 에너지 이용 효율을 향상시키기 위해 건식법 개발이 진행되고 있습니다.

 

 

 

 

③ 합성가스 전환기술(수소 및 액화연료 생산)
합성가스 전환기술은 가스로부터 수소를 분리하는 기술과 생성된 합성가스의 촉매 반응을 통해 액체연료인 합성석유를 생산하는 기술을 뜻하는데요. 이를 통해 합성 가스는 전기 생산, 액화 연료, 수소 등의 다양한 방법을 통해 변화가 가능합니다. 이렇게 합성 가스 전환기술을 통해 만들어진 DWE(합성석유)는 가정용으로는 LPG 대용으로 대체가 가능하고, 수송용으로는 디젤 대용으로 사용할 수 있도록 일본 등에서 개발이 진행되고 있습니다.

 

④ 석탄가스 복합발전 시스템(IGCC)
IGCC라고도 불리는 석탄가스 복합발전 시스템은 석탄가스화의 가장 대표적인 활용 방식인데요. 석탄을 정제하여 가스를 만든 다음 정화공정을 거쳐 가스터빈에서 1차적으로 발전하고, 증기 터빈에서 배기 가스열을 이용해 보일러로 증기를 발생시켜 2차적으로 발전하는 고효율 복합발전이 이루어지는 시스템입니다.

 

 

 

세계에서 사용되는 석탄에너지

 

실제로 세계 곳곳에서는 석탄 신재생 에너지를 다양하게 활용하고 있는데요. 현재 남아프리카 공화국에서는 하루에 16만 배럴의 합성석유를 석탄에서 만들어 사용하고 있습니다. 중국에서도 최근 석탄에서 발생하는 미세먼지를 억제하는 방안 중 하나로 낡은 석탄발전소를 폐지하고, 대규모로 석탄을 가스화하여 깨끗하게 전환하는 석탄화학 공장의 건설을 장려하고 있기도 해요.

 

한편 과거에는 제2차 세계대전 중 독일에서 전쟁 수행에 필요한 연료의 90%를 석탄에서 제조한 합성석유로 사용하기도 하였습니다.

 

 

 

왜 석탄이어야 할까?

 

석탄 액화 기술로 만든 연료는 비전통석유(신기술로 사용할 수 있게 된 석유자원)로, 전통석유보다는 훨씬 낮은 출력을 나타내지만 다른 분야에 있어 강점을 보이는데요. 전 세계의 원유 매장량은 40년치이나 석탄 매장량은 200년이며, 원유와 달리 전 세계 모든 나라에 골고루 매장되어 있습니다.

 

점토나 모래 물 등에 중질 원유가 10% 함유된 오일샌드(Oil Sand)는 최근 유가 가격변동으로 오일샌드의 경제성이 높아지면서 주목을 받고 있지만 매장량과 지역이 한정되어 있다는 단점이 있습니다.

 

식물성 기름이나 동물성 지방과 같이 재생 가능한 자원을 바탕으로 제조되는 바이오디젤 (Biodiesel)도 경유를 대체할 수 있다는 면에서 화석 연료의 유력한 대안이 되는데요. 그러나 거대한 바이오 작물을 재배할 수 있는 토지가 필요하다는 점과 국내의 경우 석유 부족분의 충분한 대체가 어려운 상황입니다. 이에 천연가스를 액화하여 석유를 만들어내는 GTL 기술이 이미 상용화되어 있지만, 천연가스 생산도 2020년 이후 정점이 될 것으로 예상됩니다.

 

따라서 석탄 액화 기술로 생산되는 합성석유는 매장량과 지역적 편재의 측면에서 가장 현실적인 방안이 될 수 있습니다.

 

 

 

 

지금까지 석탄을 액체로, 또는 기체로 변형해 새로운 에너지로 만들어 내는 석탄의 무궁무진한 변신을 살펴보았는데요. 특히 석탄은 다른 에너지에 비해 국내는 물론 세계 곳곳에 많이 매장되어 있어 활용 가능한 자원이 풍부하다는 점이 가장 큰 장점이 아닐까 합니다. 거기다 환경오염문제로 인해 줄어든 석탄의 수요를 재생에너지로 다시 탈바꿈해 효율적으로 사용할 수 있다는 점도 매력적이죠.

 

앞으로도 석탄 액화, 가스화 기술이 더욱 발전하여 에너지가 필요한 적재적소에 사용될 수 있기를 기대해봅니다.