KR20160036881A - 이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치 - Google Patents

이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 고체산화물 전해셀의 연료극에서 생성되는 합성가스(synthetic gas, 일산화탄소와 수소의 혼합가스)는 합성연료의 원료물질 또는 연소용 연료로 활용하는 한편, 공기극에서 생성되는 산소는 일반 화력보일러, 순산소연소 보일러, 석탄가스화복합발전 보일러 등에 공급하여 보일러 연소에 필요한 산소생산의 비용을 절감하고, 또한 보일러의 연소효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치를 제공한다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 단계(A), 포집된 상기 이산화탄소와 증기를 고체산화물 전해셀의 연료극에 공급하는 단계(B), 상기 고체산화물 전해셀의 연료극에서 전기분해를 통해 수소 및 일산화탄소의 합성가스를 생성하는 단계(C), 상기 고체산화물 전해셀의 공기극에서 전기분해를 통해 산소를 생성하는 단계(D), 상기 (C)단계에서 생성된 합성가스를 합성연료로 변환하는 단계(E), 상기 (D)단계에서 생성된 상기 산소를 상기 발전소에 공급하는 단계(F) 및 상기 (E)단계에서 생성된 증기를 상기 고체산화물 전해셀의 연료극에 공급하는 단계(G)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치를 개시한다.

Description

이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치{RECYCLING METHOD OF CARBON DIOXIDE AND RECYCLING APPARATUS USING THE SAME}
본 발명의 일 실시예는 이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치에 관한 것이다.
고체산화물 전해셀(Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC)과 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs)는 셀을 구성하는 기본 요소인 전해질 및 전극이 모두 내열성이 우수한 세라믹으로 구성되어 있다.
고체산화물 전해셀 및 연료전지의 핵심 구성요소인 단전지(single cell)는 산소이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면의 연료극과 공기극으로 구성된다.
이 중, 고체 산화물 연료전지의 경우 고온의 공기극과 연료극에 산소와 연료를 각각 공급해 주면 공기극에서는 산소의 환원반응이 일어나 산소이온이 생성되어 전해질을 통해 연료극으로 이동하며, 연료극에서는 연료(수소)가 산소이온과 반응하여 물로 산화되면서 전자가 발생하여 전기를 생산하게 된다.
또한, 고체산화물 전해셀의 경우, 연료극에 고온의 증기를 공급하고 전기를 인가하면 물이 전기 분해되어 수소와 산소이온을 생성하며, 산소이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하므로 순수한 산소와 수소가 분리되어 생산된다.
고체산화물 전해셀은 연료전지의 역반응 공정으로 증기로부터 수소를 생산하는 고온 전기 분해 장치로 사용할 수 있으며, 미국에서는 초고온가스로(Very High Temperature Reactor, VHTR)와 연계한 원자력이용 고온 전기 분해 수소생산기술을 개발 중에 있고, 국내에서도 스택규모의 고온 전기 분해 수소생산시스템을 개발하여 수소생산을 실증한바 있다.
고온 전기 분해를 이용한 수소 생산을 통하여 간헐적으로 생산되는 저품질의 신재생 에너지와 계통의 잉여전력을 수소 에너지로 저장할 수 있으며, 전력이 필요한 경우 고체산화물 연료전지를 이용하여 수소를 소비하여 전력생산이 가능하므로 전력저장 및 전력설비의 활용 극대화가 가능하다.
하지만, 고체산화물 전해셀을 이용한 이산화탄소의 전환반응에서 연료극에서 생성된 주 생산품(product)인 합성가스는 합성연료유의 원료로 사용하는 등 활용이 잘 되고 있으나, 전해셀의 공기극에서 생성된 산소에 대한 활용은 잘 이루어지지 않고 있다.
본 발명의 일 실시예는 고체산화물 전해셀의 연료극에서 생성되는 합성가스(synthetic gas, 일산화탄소와 수소의 혼합가스)는 합성연료의 원료물질 또는 연소용 연료로 활용하는 한편, 공기극에서 생성되는 산소는 일반 화력보일러, 순산소연소 보일러, 석탄가스화복합발전 보일러 등에 공급하여 보일러 연소에 필요한 산소생산의 비용을 절감하고, 또한 보일러의 연소효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이산화탄소 재활용 방법은 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 단계(A), 포집된 상기 이산화탄소와 증기를 고체산화물 전해셀의 연료극에 공급하는 단계(B), 상기 고체산화물 전해셀의 연료극에서 전기분해를 통해 수소 및 일산화탄소의 합성가스를 생성하는 단계(C), 상기 고체산화물 전해셀의 공기극에서 전기분해를 통해 산소를 생성하는 단계(D), 상기 (C)단계에서 생성된 합성가스를 합성연료로 변환하는 단계(E), 상기 (D)단계에서 생성된 상기 산소를 상기 발전소에 공급하는 단계(F) 및 상기 (E)단계에서 생성된 증기를 상기 고체산화물 전해셀의 연료극에 공급하는 단계(G)를 포함한다.
상기 (B)단계에서, 상기 고체산화물 전해셀은 제 1 고체산화물 전해셀 및 제 2 고체산화물 전해셀이 병렬 연결되어 형성되고, 상기 제 1 고체산화물 전해셀의 연료극에는 상기 증기가 공급되고, 상기 제 2 고체산화물 전해셀의 연료극에는 상기 이산화탄소가 공급될 수 있다.
상기 (C)단계는, 상기 제 1 고체산화물 전해셀의 연료극에서 전기분해를 통해 수소를 생성하는 단계(C-1), 상기 제 2 고체산화물 전해셀의 연료극에서 전기분해를 통해 일산화탄소를 생성하는 단계(C-2) 및 상기 (C-1)단계 및 (C-2)단계 각각에서 생성된 상기 일산화탄소와 상기 수소를 혼합하여 합성가스를 생성하는 단계(C-3)를 포함할 수 있다.
상기 (E)단계는 메탄화 공정 또는 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정을 이용할 수 있다.
상기 (C)단계 및 (D)단계에 공급되는 전기는 신재생 에너지원에 의하여 생산된 전기 또는 전력 그리드에서 사용하고 남는 잉여의 전기를 이용할 수 있다.
상기 (A)단계 내지 상기 (G)단계에서의 운전 온도를 유지하기 위해 열원을 공급하는 단계(H)를 더 포함할 수 있다.
상기 (H)단계에서 공급되는 상기 열원은 상기 발전소 내의 연소 공정에서의 열교환을 통해 발생될 수 있다.
상기 (H)단계에서 공급되는 상기 열원은 상기 발전소 내의 이산화탄소 흡수 및 탈거 공정에서의 열교환을 통해 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 이산화탄소 재활용 장치는 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 포집 유닛, 상기 포집 장치에서 공급되는 이산화탄소 및 증기를 공급받아 전기분해를 통해 수소 및 일산화탄소의 합성가스를 생성하는 연료극 및 전기분해를 통해 산소를 생성하는 공기극을 구비하는 고체산화물 전해셀, 상기 연료극에서 생성된 상기 합성가스를 합성연료로 변환하는 변환 유닛 및 상기 공기극에서 생성된 상기 산소를 상기 보일러에 공급하는 산소 공급 스트림을 포함한다.
상기 고체산화물 전해셀은 제 1 고체산화물 전해셀 및 제 2 고체산화물 전해셀이 병렬 연결되어 형성되고, 상기 제 1 고체산화물 전해셀의 연료극에는 상기 증기가 공급되어 수소가 생성되고, 상기 제 2 고체산화물 전해셀의 연료극에는 상기 이산화탄소가 공급되어 일산화탄소가 생성되고, 상기 제 1 및 제 2 고체산화물 전해셀의 연료극 각각에서 생성된 상기 일산화탄소와 상기 수소를 혼합하여 합성가스를 생성할 수 있다.
상기 변환 유닛은 메탄화 공정 또는 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정을 이용할 수 있다.
상기 고체산화물 전해셀의 연료극은 니켈 및 지르코니아를 포함할 수 있다.
상기 고체산화물 전해셀의 연료극 및 공기극 사이에는 전해질층이 형성되고, 상기 전해질층은 지르코니아, 세리아, 비스무스 산화물 및 LaSrGaMg 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 지르코니아는 이트리아, 스칸디아, 마그네시아 또는 산화칼슘으로 안정화된 지르코니아일 수 있다.
상기 고체산화물 전해셀의 상기 공기극은 1개의 층으로 구성되거나 또는 내부층에서 외부층으로 올라갈수록 열팽창계수가 커지는 복수의 층을 포함할 수 있다.
상기 고체산화물 전해셀의 상기 공기극은 사마륨 및 가돌리늄 중에서 선택되는 적어도 하나가 도핑되는 산화세륨 및 사마륨 및 가돌리늄 중에서 선택되는 적어도 하나가 도핑되는 산화세륨 알칼리토금속이 도핑된 희토류 금속을 포함하는 A 사이트와, 제1전이 금속에 제2전이금속이 도핑된 산화물을 포함하는 B 사이트를 갖는 페로브스카이트 물질을 단독 또는 복수로 선택한 층으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치는 고체산화물 전해셀의 연료극에서 생성되는 합성가스(synthetic gas, 일산화탄소와 수소의 혼합가스)는 합성연료의 원료물질 또는 연소용 연료로 활용하는 한편, 공기극에서 생성되는 산소는 일반 화력보일러, 순산소연소 보일러, 석탄가스화복합발전 보일러 등에 공급하여 보일러 연소에 필요한 산소생산의 비용을 절감하고, 또한 보일러의 연소효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재활용 장치에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재활용 장치 중 고체산화물 전해셀에 대한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 재활용 장치 중 고체산화물 전해셀에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재활용 장치 중 전해셀을 사용하는 열 교환기 방식에 대한 대한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재활용 장치를 석탄 복합 가스화(ICGG) 공정에 연계한 계통도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재활용 장치를 순 산소 연소 보일러 공정에 연계한 계통도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
이하 본 발명에 의한 이산화탄소 재활용 방법 및 이를 이용한 이산화탄소 재활용 장치의 일 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여, 화석연료의 연소에 의해 발전소 보일러에서 배출되는 이산화탄소를 증기(물)과 함께 공전해(co-electrolysis)하여 연료극에서 생성된 합성가스를 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정을 사용하여 가솔린, 메탄올, DME 등의 액체연료를 만드는 이산화탄소(CO2) 전환 공정과, 공기극에서 생성된 산소를 화력보일러에 공급하여 연소시킴으로써 연소 효율을 향상시키는 공정을 설명한다.
일예로, 500 MW급 석탄화력 발전소 보일러 한 호기에서만도 하루에 약 9,600톤의 이산화탄소가 배출되고 있으며, 우리나라 이산화탄소 배출량의 약 25%를 차지할 정도로 많은 량을 배출한다. 따라서 전 세계적으로 온실가스의 주범인 이산화탄소를 포집/저장하는 기술을 개발하고 있으며, 최근에는 배출되는 이산화탄소를 지중 저장하기 보다는 자원으로 활용하기 위한 기술개발 노력이 활발해 지고 있다. 이산화탄소를 재활용 또는 전환하는 기술 가운데, 고온 전기 분해 공정은 이산화탄소를 물과 함께 고온 전기 분해하여 가솔린, 메탄올, DME 등의 합성연료를 만드는 원료인 합성가스를 생산할 수 있다. 또한 합성가스와 함께 분리 생산되는 산소는 일반 보일러 연소, 순산소 연소, 석탄가스화 복합발전(IGCC), IGCC와 연계한 연료전지(IG-FC) 등에 사용 할 수 있다.
여기서, 고체산화물 전해셀(30)은 셀을 구성하는 기본요소인 전해질(33) 및 전극(31, 32)이 모두 내열성이 우수한 세라믹이며, 산소 이온 전도성을 갖는 전해질(33)과 그 양면의 연료극(32)과 공기극(31)으로 구성된다.
여기서, 바람직하게 상기 고체산화물 전해셀(30)의 연료극(32)은 니켈 및 지르코니아를 이루어 질 수 있으며, 상기 전해질층(33)은 지르코니아, 세리아, 비스무스 산화물 및 LaSrGaMg 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 지르코니아는 이트리아, 스칸디아, 마그네시아 또는 산화칼슘으로 안정화된 지르코니아인 것이 바람직하다.
또한, 상기 고체산화물 전해셀(30)의 상기 공기극(31)은 1개의 층으로 구성되거나 또는 내부층에서 외부층으로 올라갈수록 열팽창계수가 커지는 복수의 층을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 고체산화물 전해셀(30)의 상기 공기극(31)은 사마륨 및 가돌리늄 중에서 선택되는 적어도 하나가 도핑되는 산화세륨 및 사마륨 및 가돌리늄 중에서 선택되는 적어도 하나가 도핑되는 산화세륨 알칼리토금속이 도핑된 희토류 금속을 포함하는 A 사이트와, 제1전이 금속에 제2전이금속이 도핑된 산화물을 포함하는 B 사이트를 갖는 페로브스카이트 물질을 단독 또는 복수로 선택한 층으로 구성될 수 있다.
연료극(32)에 고온의 증기를 공급하고 전기를 인가하면 환원반응이 일어나 수소와 산소이온(O2-)이 생성되며, 생성된 산소이온은 전해질(33)을 통해 공기극(31)으로 이동하여 산화되어 산소(O2)가 생성되므로 수소와 산소가 분리되어 생산된다.
고체산화물 전해셀(30)의 연료극(32)에 이산화탄소를 함께 공급하면 연료극(32)에서는 수소와 일산화탄소의 혼합물인 합성가스가 생성되고, 공기극(31)에서는 산소가 생산된다.
생산되는 합성가스는 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정에 의하여 가솔린 등의 고부가가치의 액체연료로 합성될 수 있으며, 또한, 메탄화 공정에 의하여 기체연료로 합성될 수도 있다.
다음은 도 2를 참조하여, 고체산화물 전해셀(30)에서 증기의 전기화학적 반응으로 수소를 생성하고, 생성된 수소의 일부와 이산화탄소의 화학적 반응으로 일산화탄소와 물을 생성하여 수소와 일산화탄소의 혼합물인 합성가스를 생성하고, 공기극(31)에서 산소가 생성되는 동시 주입식(co-feeding) H20/CO2 공전해(co-electrolysis) 공정의 원리를 설명한다.
여기서, 동시 주입식(co-feeding) H20/CO2 공전해(co-electrolysis) 공정의 연료극(32)에서의 환원 반응은 아래와 같다.
전기화학적 반응 : H20 + 2e- -> H2? + O2-
화학적 반응 : CO2 + H2 -> CO + H20
상기 동시 주입식(co-feeding) H20/CO2 공전해(co-electrolysis) 공정은 증기와 이산화탄소를 함께 주입함으로써 수증기가 연료극에서 탄소가 침적되는 것을 억제하므로 연료극의 탄소 침적에 의한 전해셀의 성능 저하를 방지할 수 있다. 그러나 출구단에서 합성가스로 활용하기 위한 H2/CO의 비율을 제어하기 어려운 단점이 있다.
다음은 도 3을 참조하여, 제 1 고체산화물 전해셀(130)과 제 2 고체산화물 전해셀(230)을 병렬로 연결하여 증기와 이산화탄소를 각 전해셀(130, 230)에 각각 공급하여, 제 1 고체산화물 전해셀(130)에서는 증기가 전기 분해되어 수소와 물을 생성하고, 제 2 고체산화물 전해셀(230)에서는 이산화탄소가 전기 분해되어 일산화탄소와 산소를 생성하며, 두 전해셀(130, 230)의 연료극(132, 232)에서 생성된 수소와 일산화탄소를 혼합하여 합성가스를 생산하고, 공기극(131, 231)에서는 산소를 생산하는 병렬 주입식(parallel-feeding) H20/CO2 공전해(co-electrolysis) 공정을 이용하는 이산화탄소 재활용 방법 및 장치의 원리를 설명한다.
여기서, 병렬 주입식(parallel-feeding) H20/CO2 공전해(co-electrolysis) 공정의 연료극(132, 232)에서의 환원반응은 아래와 같다.
전기화학적 반응 1 : H20 + 2e- -> H2? + O2-
전기화학적 반응 2 : CO2 + 2e- -> CO + O2-
병렬 주입식(parallel-feeding) H20/CO2 공전해(co-electrolysis) 공정은 후속 반응(피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 반응)에 대한 반응물의 제어가 쉬운 장점이 있지만, 제 2 고체산화물 전해셀(230)의 연료극(231)에서 탄소의 침적이 일어나 전해셀(230)의 성능과 내구성을 감소시키는 단점이 있어 전극물질 개발이 중요하다.
도 4를 참조하여, 고체산화물 전해셀을 사용하는 열교환기 유형의 Hollow fiber membrane module을 설명한다. CO2와 증기를 Hollow fiber 전해셀(30)의 내부에 주입하여 공전해하면 합성가스(H2 + CO)가 생성되며, 생성된 합성가스는 합성연료(기체연료 또는 액체연료) 제조 공정에 이용한다. 순산소 연소 보일러에서 연소되어 다량으로 생성된 CO2가 포함된 배가스를 carrier gas로서 shell side에 주입하면, 전해셀(30)의 공기극(31)에서 생성된 고농도의 산소를 표면에서 제거하는 효과를 갖는다. 이렇게 생성된 이산화탄소와 산소의 혼합가스를 순산소 보일러에 다시 주입함으로써 보일러 연소에 필요한 산소생산 비용을 절감하고, 또한 보일러의 연소 효율을 향상시키는 효과가 있다.
다음은 도 5을 참조하여, 석탄복합가스화(ICGG) 공정에 이산화탄소의 고온 전기 분해 공정을 연계하여 IGCC 공정에서 배출되는 이산화탄소를 전기 분해하고, 결과로 생산된 산소와 합성가스를 재활용하는 계통을 설명한다.
IGCC 공정에서는 가스화기에서 합성가스를 정제 시 또는 수성 가스 전환 반응(water-gas-shift reaction)에서 다량의 CO2가 배출된다.
여기서 배출되는 CO2를 고온 전기 분해공정에 의하여 연료극(32)에서 생산되는 합성가스는 가스터빈 전단 연소기에 주입하여 가스터빈 연소에 사용하거나 또는 IGCC 합성 가스 전환 합성유 전환기에 주입하여 합성유 생산에 사용할 수 있다. 고온 전기 분해 공기극(31)에서 생산되는 산소는 가스화기에 주입하여 석탄의 연소 시 사용할 수 있다.
따라서, 본 장치에 의하여 석탄의 연소 및 수성가스전환반응에서 배출되는 다량의 이산화탄소를 재활용함으로써 온실가스의 배출을 저감할 수 있을 뿐만 아니라 공기극(31)에서 생산되는 산소를 활용함으로써 가스화기에 필요한 산소생산 비용을 절감할 수 있다.
본 발명에서 전기 분해에 필요한 전기는 태양광, 풍력과 같은 신재생 에너지원에 의하여 생산된 전기 또는 심야전력과 같이 그리드에서 사용하고 남는 잉여의 전기를 사용하며, 본 발명의 운전온도(650~850도)를 유지하는 열원은 발전소의 열교환기에서 공급받아 공정의 경제성을 확보할 수 있다.
다음은 도 6을 참조하여, 순산소 연소 보일러 공정에 이산화탄소 고온 전기 분해 공정을 연계하여 순산소연소 보일러에서 배출되는 이산화탄소의 일부를 재활용하여 합성가스를 생산하고 공기극에서 생산된 산소를 순산소연소 보일러에 공급하는 계통을 설명한다.
순산소 연소 보일러는 연료의 산화제로서 공기에서 질소를 제거하여 95% 이상의 순산소를 이용하여 연소하므로 연소 후 배출되는 배가스 중의 이산화탄소의 농도가 90% 이상이다. 분리된 이산화탄소를 고온 전기 분해공정에 의하여 연료극(32)에서 생산되는 합성가스는 합성연료의 원료로 사용하고, 고온 전기 분해 공기극(31)에서 생산되는 산소는 순산소 보일러에 공급하여 재순환함으로써 공기분리장치에 필요한 산소생산 비용을 절감할 수 있다. 또한 배출되는 이산화탄소의 일부는 도 4의 열교환기 유형의 Hollow fiber membrane module의 carrier gas로 사용하여 이산화탄소 재활용 방법 및 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 전기 분해에 필요한 전기는 태양광, 풍력과 같은 신재생에너지원에 의하여 생산된 전기 또는 심야전력과 같이 그리드에서 사용하고 남는 잉여의 전기를 사용하며, 본 발명의 운전온도(650~850도)를 유지하는 열원은 발전소의 열교환기에서 공급받아 공정의 경제성을 확보할 수 있다.
다음의 [표 1]은 고온 전기 분해 수소생산을 실증했던, 단위셀의 표면적이 92.16cm2인 10셀로 구성된 고체산화물 전해셀(전해셀 표면적 921.6cm2)와 수소 생산 시스템의 결과이며, 약 4,400시간동안 운전하는 동안 물을 전기 분해하여 생산된 산소와 수소량, 그리고 200MW급 상용설비에서 생산 가능한 수소 및 산소량을 환산하여 다음의 [표 1]에 나타내었다.
구 분 표면적(m2) 수소생산량(Nm3/hr) 산소생산량(Nm3/hr) 전류효율(%)
10셀 스택 0.092 0.070 0.035 70
200MW급
상용설비		 6,000 4,560 2,280 70
여기서, 합성 가스량의 수소와 일산화탄소의 혼합비는 운전조건에 따라 달라질 수 있으며, 혼합비에 관계없이 수소만 단독으로 생성할 때의 수소와 산소의 몰비는 1대 0.5으로 계산할 수 있으며, 200MW급 상용설비에서 생산되는 산소량은 30 MW 순산소 연소 설비 설치 시 심냉식 산소 생산 방식(Cryogenic air separation)의 산소 생산량, 145t O2/일의 약 50%를 담당할 수 있는 양이다.
본 발명은 상기 실시 예들에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정/변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10; 발전소 20; 포집 유닛
30, 130, 230; 고체산화물 전해셀
31, 131, 231; 공기극 32, 132, 232; 연료극
33, 133, 233; 전해질
40; 변환 유닛 50; 산소 공급 스트림

Claims (16)

  1. 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 단계(A);
    포집된 상기 이산화탄소와 증기를 고체산화물 전해셀의 연료극에 공급하는 단계(B);
    상기 고체산화물 전해셀의 연료극에서 전기분해를 통해 수소 및 일산화탄소의 합성가스를 생성하는 단계(C);
    상기 고체산화물 전해셀의 공기극에서 전기분해를 통해 산소를 생성하는 단계(D);
    상기 (C)단계에서 생성된 합성가스를 합성연료로 변환하는 단계(E);
    상기 (D)단계에서 생성된 상기 산소를 상기 발전소에 공급하는 단계(F); 및
    상기 (E)단계에서 생성된 증기를 상기 고체산화물 전해셀의 연료극에 공급하는 단계(G)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (B)단계에서,
    상기 고체산화물 전해셀은 제 1 고체산화물 전해셀 및 제 2 고체산화물 전해셀이 병렬 연결되어 형성되고,
    상기 제 1 고체산화물 전해셀의 연료극에는 상기 증기가 공급되고,
    상기 제 2 고체산화물 전해셀의 연료극에는 상기 이산화탄소가 공급되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 (C)단계는,
    상기 제 1 고체산화물 전해셀의 연료극에서 전기분해를 통해 수소를 생성하는 단계(C-1);
    상기 제 2 고체산화물 전해셀의 연료극에서 전기분해를 통해 일산화탄소를 생성하는 단계(C-2); 및
    상기 (C-1)단계 및 (C-2)단계 각각에서 생성된 상기 일산화탄소와 상기 수소를 혼합하여 합성가스를 생성하는 단계(C-3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (E)단계는 메탄화 공정 또는 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (C)단계 및 (D)단계에 공급되는 전기는 신재생 에너지원에 의하여 생산된 전기 또는 전력 그리드에서 사용하고 남는 잉여의 전기를 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (A)단계 내지 상기 (G)단계에서의 운전 온도를 유지하기 위해 열원을 공급하는 단계(H)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 (H)단계에서 공급되는 상기 열원은 상기 발전소 내의 연소 공정에서의 열교환을 통해 발생되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 (H)단계에서 공급되는 상기 열원은 상기 발전소 내의 이산화탄소 흡수 및 탈거 공정에서의 열교환을 통해 발생되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 방법.
  9. 발전소에서 배출되는 이산화탄소를 포집하는 포집 유닛;
    상기 포집 장치에서 공급되는 이산화탄소 및 증기를 공급받아 전기분해를 통해 수소 및 일산화탄소의 합성가스를 생성하는 연료극 및 전기분해를 통해 산소를 생성하는 공기극을 구비하는 고체산화물 전해셀;
    상기 연료극에서 생성된 상기 합성가스를 합성연료로 변환하는 변환 유닛 및
    상기 공기극에서 생성된 상기 산소를 상기 보일러에 공급하는 산소 공급 스트림을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 고체산화물 전해셀은 제 1 고체산화물 전해셀 및 제 2 고체산화물 전해셀이 병렬 연결되어 형성되고,
    상기 제 1 고체산화물 전해셀의 연료극에는 상기 증기가 공급되어 수소가 생성되고,
    상기 제 2 고체산화물 전해셀의 연료극에는 상기 이산화탄소가 공급되어 일산화탄소가 생성되고,
    상기 제 1 및 제 2 고체산화물 전해셀의 연료극 각각에서 생성된 상기 일산화탄소와 상기 수소를 혼합하여 합성가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 변환 유닛은 메탄화 공정 또는 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정을 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 고체산화물 전해셀의 연료극은 니켈 및 지르코니아를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 장치.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 고체산화물 전해셀의 연료극 및 공기극 사이에는 전해질층이 형성되고,
    상기 전해질층은 지르코니아, 세리아, 비스무스 산화물 및 LaSrGaMg 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 장치.
  14. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 지르코니아는 이트리아, 스칸디아, 마그네시아 또는 산화칼슘으로 안정화된 지르코니아인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 장치.
  15. 제 9항에 있어서,
    상기 고체산화물 전해셀의 상기 공기극은 1개의 층으로 구성되거나 또는 내부층에서 외부층으로 올라갈수록 열팽창계수가 커지는 복수의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 고체산화물 전해셀의 상기 공기극은 사마륨 및 가돌리늄 중에서 선택되는 적어도 하나가 도핑되는 산화세륨; 및
    사마륨 및 가돌리늄 중에서 선택되는 적어도 하나가 도핑되는 산화세륨 알칼리토금속이 도핑된 희토류 금속을 포함하는 A 사이트와, 제1전이 금속에 제2전이금속이 도핑된 산화물을 포함하는 B 사이트를 갖는 페로브스카이트 물질을 단독 또는 복수로 선택한 층으로 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재활용 장치.
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