온실가스 저감기술인 화학흡수법의 환경․경제적 평가에 관한 연구

안재근, 신호철, 채윤근, 박진원*

연세대학교 화학공학과

jwpark@yonsei.ac.kr

Environmental and economic assessment of reduction technologies

(CO2 chemical absorption) for GHGs

Jae-Keun An, Ho-Chul Shin, Yoon- Keun Chae, Jin- Won Park*

Department of chemical Engineering Yonsei university

jwpark@yonsei.ac.kr

Ⅰ 서론

산업혁명 이후 급속히 진행되어온 산업의 발전은 인류에 많은 편리함을 가져다준 반면 대기오염, 수질오염, 토양오염, 등의 환경오염이라는 새로운 문제를 발생시켰다. 그 중에서 지구온난화의 위험은 1972년 로마 클럽 보고서인 『성장의 한계』에서 처음으로 지적되었다. 그 이후로 온난화의 진전에 대한 우려가 점차 커짐에 따라 이를 방지하기 위한 대책 마련이 절실하다는 인식이 고조되어 왔고 이런 인식에 대한 세계적인 공감대 형성에 따라 1992년 브라질의 리우에서 기후변화협약이 채택되었다. 우리나라도 1993년 12월 이 협약에 가입하였으며, 따라서 우리나라가 기후변화 협약의 의무 이행국이 되는 것이 현실로 다가오게 되었다.

우리나라가 기후변화협약의 법적 구속력을 받게 될 경우 에너지 다소비형 산업 구조를 갖는 우리나라는 각 산업에 지대한 영향을 받게 될 것이다.

따라서 이러한 세계적인 규제에 대응하기 위한 구체적인 방안이 시급하게 마련되어야 하며 현재의 에너지 이용 시스템을 유지하면서 지구 온난화 현상에 대처할 수 있는 현실적인 방법으로 제시될 수 있는 것이 배출되는 이산화탄소를 분리 회수하여 폐기하거나 화학적 또는 생물학적으로 고정화시키는 것이다. 그러나 이들 기술의 적용을 위해서 연소 배가스로부터 이산화탄소를 분리하는 기술의 개발 및 그 기술에 대한 평가시스템이 선행되어야 한다.

특히 저감기술 개발은 지속적으로 이루어지고 있으나 그 기술에 대한 적용가능성을 평가할 수 있는 분야의 연구는 체계적으로 이루어지고 있지 않은 것이 현실이다. CO2와 같은 기후변화 원인물질 저감기술의 평가 tool 개발은 복합적인 연구분야로써 그 파급효과가 크고 CO2저감기술의 올바른 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다.

Ⅱ 본론

1. 화학흡수법

흡수법은 이산화탄소에 대해 흡수성이 뛰어난 액상의 흡수제를 선택하여 이산화탄소를 물리적 또는 화학적으로 흡수한 후 탈거탑에서 온도와 압력을 변화시켜 분리하는 기술이다. 흡수법은 이산화탄소 흡수제간의 화학적 반응의 유무와 탈거 방법에 따라 물리 흡수법과 화학흡수법으로 나뉘어 진다. 두 방법 모두 상업적으로 공정이 개발되어 전세계적으로 가동되고 있다. 화학흡수법은 다른 물질들에 비해 이산화탄소의 흡수율이 뛰어나고 물과 잘 섞이는 장점을 지니고 있어 1900년대 초반부터 석유화학 산업과 함께 발전하였다. 화학 흡수 공정의 기본 개념은 흡수제와 배출 가스와의 접촉을 위한 흡수탑과 흡수된 이산화탄소의 탈거를 위한 재생탑 및 배출 가스의 전처리 설비로 구성되어 있는데 이 들 공정의 특성은 사용 흡수제의 종류에 의하여 구분된다. Figure 1 에서는 일반적인 화학흡수 공정의 개략도를 나타내었다.

Figure 1. 일반적인 화학흡수 공정의 개략도

2.  에너지-경제 모형

이산화탄소 배출저감의 비용편익분석을 위한 기후모형의 개발이 활발이 이루어진 이후 컴퓨터의 성능향상과 알고리즘의 개발에 힘입어 경제관련 파라미터를 고정된 것으로 다루던 기존의 투입산출모형이나 거시계량모형들이 응용일반균형모형으로 대체되었으며 최근에는 상향모형(Bottom-up model)과 하향모형(Top-down model)을 혼합한 절충모형들로 발전하였다. 최근기후모형들은 경제학, 공학, 생물학, 물리학 등 기후변화와 관련된 정보와 지식을 보다 폭넓게 이용하는 통합평가모형의 형태로 옮겨가고 있는 추세이다. 상향모형은 기후시스템의 최하부인 기술을 중심으로 한 부분균형모형이다. 이 모형은 다양한 기술을 구체적으로 고려할 수 있기 때문에 기술의 발전이나 신기술의 도입이 온실가스 배출량에 미치는 효과를 분석할 때 유용하다. 또한 경제내의 기술적 잠재력과 에너지공급기술을 구체적으로 정의하여 다양한 대체기술이 비용조건과 에너지공급에 미치는 영향을 분석한다. 그러나 에너지부문과 여타 부문들간의 관계를 고려하지 않기 때문에 기술변화의 효과를 과대 혹은 과소 평가하는 약점이 있다. 따라서 이들 모형은 경제 전체의 온실가스 저감비용을 평가하고 자 할 때는 적합하지 않다. 상향모형과 달리 하향모형은 시장에서 채택된 기술만을 고려하여 소득, 가격탄력성 등과 같은 총량경제지수를 통해 에너지수요를 결정하여 기후시스템을 분석한다. 다양한 기술적 잠재력과 대체가능성을 고려하지 못하는 단점을 가지고 있다.

3.  LEAP 모형

SEIB(Stockholm Environmental Institute Boston)에서 개발된 LEAP(Long-range Energy Alternatives Planning system)은 에너지정책과 온실가스 감축방안의 분석을 위해서 사용되었다. LEAP모형의 시스템은 크게 Energy scenario, Environmental data base, Aggregation, Fuel chain의 4모듈로 구성된다. 이들 모듈은 에너지부문을 구성하는 자연자원, 변환과정, 최종에너지, 그리고 치종 에너지수요 등을 묘사하여 기술변화나 파급효과의 분석을 가능하게 한다. 또한 시나리오 분석을 통해 수요, 변환, 자원 및 환경배출에 대한 분석을 할 수 있으며 이러한 분석은 사회적 비용 및 이익에 기초한 통합에너지계획과 온난화가스 배출분석으로 이루어진다. LEAP 과 같은 모형에서 나타나는 일반적인 분석과정을 figure 2 에서 나타내었다.

Figure 2. LEAP 모형에서의 일반적인 분석과정의 예

Ⅲ. 결과 및 토론

1.   시나리오 분석을 위한 기준 및 기본가정

저감기술분야인 CO2 화학흡수법의 평가는 환경성, 기술성, 경제성 측면의 기준이 필요할 것이다. 환경성측면에서는 CO2의 배출을 줄임으로써 온실효과를 저감시킬수 있으며 기술적 측면에서는 기술의 효율성, 안정성 및 내구성에 의해서 설정될 수 있으며 경제성 부분은 이용설비의 설치비 및 연간 운영비의 가격을 분석하는 비용 측면이 기준이 될 것이다.

화학흡수법에 대한 총비용 및 연간운영비에 대한 기본 가정은 다음과 같다.

- 이 가정은 실질적으로 발전소에서 운전 중인 pilot scale의 화학흡수 공정을 토대로 만    들어 진 것임

- 발전소에서 도입되는 flue gas의 양 : 570Nm3/hr

- flue gas안에 있는 CO2의 양 : flue gas의 약 10%

- Maximum Capacity Factor : 50% (발전소 가동일수)

- 일일 흡수되어진 CO2의 양 : 2 ton/day

2. 기대효과

아직까지 온실가스 저감기술에 대한 평가시스템 연구가 체계적으로 이루어지지 않은 현 시점에서 본 연구에 의해서 개발된 기술과 연구 결과는 온실가스 저감기술 개발 필요성에 대한 과학적 근거자료로 활용할 수 있으며 수집 또는 산출한 자료는 기후변화 저감기술의 동향이나 그것에 대한 경제성 평가 등의 연구에 이용될 수 있을 것이다. 또한 기후변화협약의 체결에 따라 온실가스 감축을 위한 의무부담, 공동이행, 배출권 거래제, 청정개발체제 등 사회경제 수단 도입에 앞선 기초 기술자료로 활용될 있을 것이다.

3. 비용분석

투자비(MUS$)	reference plant	690
	화학흡수유닛	182
	이산화탄소 압축기	26
	건설 및 지대 이자	59
총 투자비		958
년간 비용(MUS$/yr)	reference plant에 대한 capital charge	49
	이산화탄소 회수 요소에 대한 capital charge	19
	석탄 연료비	63
	reference plant에 대한 유지 보수비	22
	이산화탄소 회수 요소에 대한 유지보수비	15
	년간 총 비용	169
순 전력 생산 (MWe)	reference plant	600
	이산화탄소 회수가 있는 plant	462
전력생산 비용 (센트/kWh)	reference plant	3.7
	이산화탄소 회수가 있는 plant	6.1
이산화탄소 방출 (kg/kWh)	reference plant	3.7
	이산화탄소 회수가 있는 plant	6.1
회수비용 (US$/ton CO2 avoided)		34

Table 1. 600MWe급 상용 석탄화력발전소로부터 시작한 최적설계에서 MEA를 이용하            여 이용하여 이산화탄소를 회수하는데 드는 비용의 개관

감사의 글

본 연구는 환경부에서 지원하는 차세대핵심 환경기술개발 사업으로 연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1) Thomas J. Crowley : Causes of climate change over the past 1000 years,      science, vol 289 p270-275(2000)

2) 권원태 외, “동아시아 지역의 기후변화 탐지 및 전망”, 온실가스저감심포지엄

3) Kent, R. L; Eisenberg, B. Hydrocarbon Processing. 1976, 55(2), 87-90

4) Astarita, G., Mass Transfer with Chemical Reaction, elsevier