석탄화력발 의 신기술 개발 동향
2010. 7. 1연구원
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외발표용
송 시 홍
1
목 차
11 석탄화력발 Overview석탄화력발 Overview
2 석탄화력 신기술 동향
2-1 Clean Coal Technology
2-2 CO2 Capture & Storage
3 Summary
2
석탄화력 발 련 기술
Definition *
• CCT(Clean Coal Technology) : High Efficiency & Low Emission Technology
• CCS(CO2 Capture and Storage) : Further Reduce CO2 Emission
* Source : Clean Coal Roadmap to 2030, IEA
3
• 기 부하에 합
- 입지, 면 비 높은 력생산 도1), 배출물 처리, 연
료 매장량, • • • •
석탄화력 발 망 이슈
• 환경 오염
- NOx, SOx, 미세먼지, Hg 등
• 최 온실가스 배출원
• 수요증가에 따른 석탄가격 상승
1) 풍력: 4MW/km2, 탄화력 : 880MW/km2
Challenges
Merit
20062006 20302030
1,382GW1,382GW
2,692GW2,692GW
세계 석탄화력 발 망
Source: World Energy Outlook 2008
석탄화력에 한 CCT/CCS/연료 다변화 기술 개발 활용 필요
세계 석탄화력 CO2 배출량 망
20062006 BAUBAU
8.3Gton8.3Gton
13.5Gton13.5Gton
20302030
5.6Gton5.6Gton
450ppm450ppm
??
4
석탄화력 요구 기술 Target
• 년간 CO2 배출량
- 0.6만톤 CO2/MW
• 효율 30% (세계 평균)
• Low emission
- SOx : < 20mg/m3
- NOx : <100mg/m3
- 미세먼지 : <10mg/m3
• CO2 포집 >90%
• 효율 >43%
• Near Zero Emission
- SOx : < 10mg/m3
- NOx : <10mg/m3
- 미세먼지 : <1mg/m3
- Hg : 99% removal
• COE 증가율 <35%
재 2030년*
* Source : Clean Coal roadmap to 2030, IEA
5
목 차
1 석탄화력발 Overview
22 석탄화력 신기술 동향석탄화력 신기술 동향
2-12-1 Clean Coal TechnologyClean Coal Technology
2-2 CO2 Capture & Storage
3 Summary
6
CCT – PC Plant 효율 향상 기술
효율(%, LHV) 50%
600℃250bar
Doublereheating
Turbine cycleoptimization
Condenserpressurereduction
45
50
43%
~2.1%
Increasing of turbine pressure &
temperature
>4.9%
700℃350bar
Source : COORETEC(CO2 Reduction Technology, 독일) Working Group, 2008
• 700oC 이상의 플랜트는 Ni base 합금의
고강도 초내열 재질 사 필수
àNi base 고급재질 사 최 화 계
작기술개 필
v기술 요구 사항
• 효율 1% 향상 시 연료사용량 약 2% 감 à CO2, NOx 등의 Emission 감소효과 발생
• EU, US, Japan 을을 심으로심으로 700 ℃ 이상 A-USC(HSC) 개발
v효율 증 방법(Without CCS)
7
• 미국, 국 등 탄 생산국을 심으로 CFB 보일러 수요가 증가
• Fuel Flexibility의 장 과 결합하여 증기조건이 격상된 고효율 CFB 기술 용 망
CCT - CFB Plant 효율 향상 기술P
ow
er
Ou
tpu
t (M
W)
2000 2010 2015 2020 2025
600
0
2030
~46%
48%
~38%
43.3%
~44%
Lagisza, 460MW275bar/565℃/580℃
Dongfang, 600MW250bar/600℃/600℃
Sulcis, 340MW
169bar/565℃/580℃
FW, 800MW300bar/600℃/620℃
FW, 800MW365bar/700℃/720℃
300
900
~37%
: 효율(LHV): Sub: SC: USC: HSC
v 용량 고효율화 추세 v기술 요구 사항
• 용량화 : 화로 크기 증가로 입자 유동
균일화 열면 확보 곤란1)
•고효율화 : 증기조건 격상에 의한 소재
- PCPP 소재 기술 사용
1) CFB 연소특성상 유동화 가스 속 및 출구가스 유지를 위해 화로 단면적 및 높이(TDH, Transport Disengaging Height)가
제한 어 량 격상에 필 한 화로 벽면 전열면적 부족
8
CCT – Near Zero Emission 기술
1) Implementing Clean Coal Technologies (Hard Coal USC PCPP with 38% efficiency 기준)2) USA CCT Performance Target
NOx SOx PM (Dust) Hg (Trace Element)
Req
uir
ed
C
CT
Em
issio
n
• LNB with OFA• Fuel Staging
(Reburn)• Advanced Hybrid
SCR + SNCR
• Furnace Sorbent Injection
• Advanced Dry FGD• Wet FGD (scrubbers)• Sea water FGD
• Advanced Dry
ESP
• Fabric Filter
• Wet ESP• Hybrid
• Hot gas Clean-up with Wet ESP, Wet FGD
• Activated Carbon injection
Cu
rren
t1)
2020
2)
2030
<200
Unit : mg/m3
<20 <10
Cu
rren
t1)
2020
2)
2030
<400
Unit : mg/m3
<12 <10
Cu
rren
t1)
2020
2)
2030
<50
Unit : mg/m3
2.5 <1
Cu
rren
t1)
2020
2)
2030
90
Unit : % Removal
95Near
100
9
목 차
1 석탄화력발 Overview
22 석탄화력 신기술 동향석탄화력 신기술 동향
2-1 Clean Coal Technology
2-22-2 CO2 Capture & StorageCO2 Capture & Storage
3 Summary
10•ASU : Air Separation Unit•CPU : Carbon Processing/Purification Unit
CCS – Capture 기술
• High Efficiency CPU
• High Efficiency ASU
•• High Efficiency ASU High Efficiency ASU
•• H2 Gas TurbineH2 Gas Turbine
CO2 회수 Process
Post
Pre
Oxy
Break Through Tech.
11
기술수 Common Issue
• Integrated Technology
- Partially proven technology
- High energy penalty
- Increased capital costs
Source: “Update on Clean Coal Technologies & CO2 Capture & Storage”, EPRI, 2007
v기술 성숙도
CCS 기술 실증 COE(Cost of Electricity) 감 신기술 필요
vCCS 기술의 Common Issue
Time
RD
&D
Co
st CO2 Capture
CO2 Storage
IGCC
USC PCPP
SC PCPP
Sub. CFBSC CFB
LNB, OFASCR, FGD
MaturedDeploymentDemo.R & D
• 700℃ PCPP
12
CCS Demonstration Plan
Source : VGB Power scenario in Germany, and CSLF CCS demonstration project data base, 2009
1000
2010 2015 2020 2050
Doosan(13)
Endesa Oxy-CFB(500)
E.ON 700°C HSC(500)
Korea( 동, 125)
Vattenfall(10)
S&SE(500)
Vattenfall(250)
Nuon(3x400) E.ON(450)
Enel(220)
100
500
Po
wer
Ou
tpu
t (M
W)
0
Aker(420)
AEP(200)
E.ON(350)
Post
Oxy
Pre
Siemens(1)MHI(1)
Alstom(2)
Alstom(10)
Vattenfall(480)
Korea(태안,10)
Korea(보령, 2.5)
Korea(하동, 10)
Korea(삼척, 300~500)
AEP & Alstom(20)
FutureGen(미 , 275)
GreenGen(중 , 400)
향후 실증단계를 거친 후 2020년부터 상용화가 본격 으로 진행될 것임
13
CCS 신기술
N2/CO2
Membranes
Chemical Solvents
Physical SorbentIGCC with H2
Gas Turbine
CO2 Separation Unit 2)
A-USC CFB
A- USC PC
Cryogenic
Power plants
H2/CO2
Membranes
TSA
PSA
Cryogenic Chemical Looping
Air Separation Unit 2)
Oxygen Transport Membrane
Ion Transport Membrane
현재 2030
~ 67%
<35%
COE 증가율1)
USC PC
SC CFB
COE 감을 해서는 플랜트 효율 향상 투자/운 비를 최소화할 수 있는 신기술개발 필요
Source : 1) Pulverized coal Oxycombustion power plant, NETL, 20082) R&D Pathway from Carbon Sequestration Program Roadmap, NETL, 2007
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CO2 Capture 신기술 - CO2 막분리법
• N2/CO2 분리막 합 소재 개발단계
- 고분자 막은 고온환경 내구성 취약
- 세라믹 막은 제작성 난이
- 투과율 선택도 향상
Source : “A Membrane Process to Capture CO2 from Coal-Fired Power Plant Flue Gas”, MTR, NETL review meeting(2009)
ØCO2 막분리법
v CO2와 친화성이 높은 막을 통과하면서 CO2만 선택 으로 투과되는 상을 이용하여 분리하는 기술
v 가압, 건식 공 이므로 Amine 흡수공 에 비해 에 지 소모량이 50%이상 고 폐기물이 발생되지 않음
v CO2 농도가 낮고 여러 종류의 가스가 혼합되어 있는 용량 석탄발 소에 용을 한 장기 기술개발이 필요함
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Ø PRAXAIR사의 OTM (Oxygen Transport Membranes) Technology
CO2 Capture 신기술 - 산소생산기술
Source : M. Chritie, Bart Van Hassei, Juan Li, Minish Shah, “OTM based oxy combustion for CO2 capture from coal power plants”, Clearwater Coal conference, 2007
l Concept of OTMl New Boiler with a built-in
OTM
v 400~1000oC 고온 작동
v 화로 내에 O2를 분리할 수 있는 OTM을 배열한 새로운 개념의 보일러 제시
v OTM 방식의 순산소 분리장치(ASU)를 채택할 경우 발 소 효율 감소량 50% 이상 개선 가능
16
CO2 Capture 신기술 – Dual Cycle Plant
Ø Air Liquide사의 ASU Integration
v ASU에서 분리된 N2가스 활용 : 가스 터빈이 추가된 Dual (Steam & N2) Cycle
Source : Air Separation Unit for Oxy-Coal Combustion Systems, 1st International Oxyfuel Combustion Conference, 2009, Air Liquide
17
Ø Alstom’s Chemical Looping Technology
CO2 Capture 신기술 - Chemical Looping Combustion
Source : Herb Andrus et al., Alstom's chemical looping coal-fired power plant development program, Clearwater Coal conference, 2007
l Concept of Chemical Looping
v 매체순환식 가스연소(Chemical-Looping Combustion, CLC)는 속 매개체로 공기 산소를 분리하여
연료와 연소시키고 속 매개체는 순환되는 간 연소 기술임
v 연소반응 질소가 없어 CO2를 원천 분리할 수 있으며 높은 발 효율(55% 이상)을 달성할 수 있는 기술
v Chemical Looping 방법을 용한 CFB 보일러 모델 제시
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목 차
1 석탄화력발 Overview
2 석탄화력 신기술 동향
2-1 Clean Coal Technology
2-2 CO2 Capture & Storage
33 SummarySummary
19
석탄화력발 기술 Roadmap
20302025202020152010
HSC 개발
500MWR&D HSC 상용화
350bar/700oC/720oC
Demo. 상용화
Demo.
100~250MW30~40MWt
상용화
SC 상용화
600~800MW, 565/580oC460MW Demo. & & 800MW, 600/620oC 상용화
Oxyfuel
PC
CFB
Post
Power
Plant
CCS
IGCC
USC
H2 GT 개발
용량화(F, W class GT)
H2 GT 상 화
CO2
Separation
Pre
USC-PC & SC CFB
HSC-PC & USC CFBUSC-PC & SC CFB
CLCDemo.
ITM Demo.
Demo.
HSC + CCS 상용화
• CO2 포집>90%
• 효율 >43%
ASU
상용화
With H2 GT & ITMPhysical and Chemical Scrubbing
Chemical Solvent
OTM
Physical Solvent
CO2/N2
Membrane
Biological Process
Source : Clean coal roadmap to 2030, 2009, IEA
Cryogenic
20
Summary
Ø 석탄화력발 은 친환경, 고효율의 CCT기술과 CO2 감축을 한 CCS 기술 요구
Ø Pilot scale 검증 신개발 단계에 있는 CCS 기술 개발을 선도함으로써 국내 산업
경쟁력 강화 성장 기회로 활용 필요
21
감사합니다 !