전자빔을 이용한 SF₆ 처리 공정의 경제성 분석

1. 서 론

육불화황 (Sulfur Hexafluoride: SF₆)가스는 우수한 절연성능과 불활성을 가지는 특징이 있어 절연매체로 주로 사용되고 있으며 전력기기의 대용량 고전압화 및 소형화에 크게 이바지하여 변전용 전력설비의 절연매질로 현재 가장 널리 사용되고 있다 (Lee, 2002). 그러나 SF₆는 대표적인 온실가스로 지정되어 있으며 그중에서도 지구온난화 지수 (Global Warming Potential: 23,900)가 가장 높은 물질로 열적, 화학적으로 매우 안정하기 때문에 한번 대기로 방출되면 3,200년 동안 대기 중에 잔존해 연간 방출량이 적더라도 계속해서 누적될 경우 그 영향이 매우 크다고 할 수 있다 (EPA, 2015; Tsai, 2007; Yoo et al., 2007; Chang and Lee, 2004; IPCC, 2001).

한편 SF₆ 처리 방법으로는 화학흡착법 (Chemical adsorption), 심냉분리법 (Cryonic capture), 압력순환 흡착법 (Pressure swing adsorption) 등 non-destructive 기술과 연소식 (Combustion method), 촉매식 (Catalytic method), 플라즈마 분해법 (Plasma decomposition), 전자빔 분해법 (Electron beam decomposition) 등과 같은 destructive 기술들이 연구되어 왔다 (Son et al., 2016; Kim et al., 2013a, b; Park et al., 2012; Ryu et al., 2012; Lee et al., 2011, 2009). 특히 전자빔을 이용한 공정에서는 고농도 자유라디칼과 이온들이 빠른 속도로 대상 물질과 반응해 그 처리 속도가 매우 빠르고, 버너를 활용해야 하는 연소, 플라즈마 등을 이용하는 처리 기술보다 저온에서 운영이 가능하기 때문에 에너지 사용량이 적은 장점이 있어 여러 물질이 복합적으로 배출되는 산업시설에 경제적으로 적용할 수 있다고 보고되고 있다 (Park et al., 2005; Hirota et al., 2004).

Ryu et al. (2012)과 Kim et al. (2013a, b)은 1,000 ppm 미만의 SF₆를 대상으로 전자빔과 함께 H₂를 첨가물질로 하여 처리할 경우 최대 90% 이상의 효율을 얻는 것으로 보고하고 있다. 또한 Son et al. (2016)은 고농도의 SF₆ (2~10%)를 전자빔을 이용해 최적의 처리 조건을 도출해 보고하였다.

한편, 2016년 12월 기준 한국의 온실가스배출량은 세계 6위, 배출증가율 2위, 산업부문, 연료연소부문 배출량 세계 7위지만, 국가적 기후변화 대응노력은 온실가스 배출 상위 90% 국가 58개국 중 54위 (German Watch, 2016)로 매우 저조한 것으로 평가되었다 (표 1). 또한 Climate home은 최근 기후행동추적 (Climate Action Tracker: CAT)의 분석 결과를 인용하여 사우디아라비아, 호주, 뉴질랜드와 함께 우리나라를 2016년 4대 기후불량국가로 선정하는 등 국제사회에서 미흡한 기후관리국이라는 이미지가 강화되고 있는 실정이기 때문에 국가적인 차원에서 온실가스의 관리가 절실히 필요한 실정이다 (Climaeactiontracker.org, 2017).

Table 1.

GHG emissions and response levels by county.

전자빔을 이용한 SF₆ 처리 공정의 최적화 요소기술은 선행연구를 통해서 이미 확보되었지만, 이 기술을 실제 현장 가동조건에서 제어효율의 안정화와 이에 따른 정량적인 효과를 분석한 사례는 없는 것으로 여겨진다. 따라서 본 연구에서는 선행연구를 통해 개발된 전자빔을 이용한 SF₆ 처리 공정을 바탕으로 현장 가동조건에서 안정성 여부를 파악하고, 그 결과를 바탕으로 처리 대상 물질인 SF₆의 처리 예상량 및 기업의 수익 규모를 관련 근거의 제시와 함께 분석해보고자 한다.

2. 연구 방법

2. 1 SF₆ 처리 기술의 안정화

기존 연구를 통해 얻은 전자빔을 이용한 SF₆ 처리 기술은 제어인자 및 조건에 따른 최적의 제어효율 기술을 확보하였지만, 현장에 바로 적용하기에는 장기운영 측면에서 그 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 기존연구 (Park et al., 2017; Son et al., 2016)를 통해 확보한 최적 가동조건을 통해서 전자빔 공정을 현장에서 1일 가동기준인 8시간 동안 지속적으로 제어효율을 유지할 수 있는지를 알아보았다. 본 연구에서 사용된 가동 조건은 표 2에 나타내었고, 제어효율은 GC-GASPRO (90 m (L)*0.32 mm (I.D.), J&W Scientific, USA) 칼럼이 장착된 GC/MS (GCMS-QP2000 Ultra, Shimadzu, Japan)를 통해 분석하였다.

Table 2.

Optimal conditions of SF6 decomposition process.

2. 2 경제성 평가 대상 분석

경제성 분석의 처리 대상 물질인 SF₆의 국내 배출 및 사용현황을 살펴보면 2014년 8월 기준 (주)한국전력이 중전기기에 사용 중인 SF₆ 총량은 5,332톤 (127.51백만톤CO₂e, 에너지타임즈, 2014.08.28)이며, 최근 5년간 누출, 유지보수 및 노후설비 폐기 등으로 대기방출 양이 최근 연 110만톤CO₂e에 이르고 있다고 한다 (표 3). 대기방출량만을 대상으로 국내 배출권 가격 (20,500원/톤, 2017.06)을 적용할 경우 약 2억 3천만 원의 규모 이다.

Table 3.

Usage and emissions of SF6 in KEPCO (Korea Electric Power Corporation).(Unit: tons)

국내 전력산업분야 SF₆의 시장규모 및 감축 가능량 추정은 온실가스종합정보센터에서 발행한 2016 국가온실가스 인벤토리 보고서 (GIR, 2016)를 근거로 하였다.

3. 결과 및 고찰

3. 1 현장 적용

SF₆의 제어효율을 일정 수준 이상 안정적으로 유지하는 것은 전자빔 공정이 현장에 적용 가능한지 여부를 판단할 수 있는 중요한 요소이다. 따라서, 개발된 전자빔 제어공정의 현장 적용 여부를 판단하기 위해 1% SF₆를 유속 5 L/min, 투입에너지 15 mA, 첨가가스 H₂를 사용해 실험한 결과를 그림 1에 나타내었다. 그 결과 제거효율은 약간의 편차는 보였지만 지속적으로 90% 이상 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 개발된 SF₆ 처리 기술의 현장 활용이 가능할 것으로 판단하고, 이를 바탕으로 경제성 분석을 진행하였다.

Fig. 1.

Long-term operation test using an electron beam (5 L/min, 15 mA; Park et al., 2017).

3. 2 SF₆ 시장규모 및 배출량 산정

경제성 분석에 앞서 SF₆의 시장규모 및 배출량의 산정은 온실가스종합정보센터에서 발행한 2016 국가온실가스 인벤토리보고서를 근거로 하였으며, 2014년을 기준으로 한해 SF₆ 발생량은 약 322톤SF₆ (7,186,730톤CO₂e)이며 동년 배출 할로카본 및 SF₆ 소비량의 38.3 %에 해당된다. 2014년을 기준으로 한해 SF₆ 발생량 계산 근거는 다음과 같다.

표 4에서 2014년 기준 생산단계 154톤SF₆ 및 폐기단계 6톤SF₆가 발생되고 있는 것으로 집계되어 있다. 그러나 이 현황표에 추가되어야 할 SF₆ 배출량은 다음과 같다. 즉, 중전기기 정기점검 중 배출량의 경우 한전의 내규에 따르면, 정기점검은 매 6년마다 (최초 점검은 7년), 정기점검 시 SF₆ 97%를 회수한다고 하므로 2014년 한해 배출량은 다음과 같이 계산할 수 있다.

Table 4.

SF6 emissions from the power system (GIR, 2016)(Unit: tons)

(6467÷6)×0.03=32.34톤SF₆

또한 상기 표에는 수명완료 된 중전기기는 배제되어 있다. 따라서, 수명완료 된 장비의 SF₆ 재사용율을 60% (40%는 순도 97% 이하로 폐기 가정), 또, 중전기기의 수명을 20년으로 본다면, 2014년 사용기준 수명완료 기기의 SF₆ 배출량은

6467×1/20×0.4=129.34톤SF₆

따라서, SF₆ 처리시장규모는 2014년을 기준으로 하여 계산하면

154 (생산단계)+6 (폐기)+32.34 (정기점검)+129.34 (수명완료)=약 322톤SF₆ (7,695,800톤CO₂e)
(7.7백만톤×20,500원/톤=약 1578억 원, 2017년 6월 거래기준)

즉, 2014년 기준 중전기기에서 배출된 총량의 비율은 산업공정 (54.6백만톤CO₂e) 총 배출량의 14.1%이며 (표 5), 2014년도 우리나라 온실가스 총 배출량 (690.6백만톤CO₂e, 표 5)의 1.11%, 할로카본 및 SF₆ 소비량 (20.1백만톤CO₂e, 표 6)의 38.3%, 한전이 사용하고 있는 SF₆ 사용량의 약 6.03%에 해당된다.

Table 5.

The emissions and absorptions of GHG by field (GIR, 2016).(Unit: million ton CO2eq.)

Table 6.

The emissions of GHG in the industrial process field (GIR, 2016).(Unit: million ton CO2eq.)

2012년 한전이 사용 중인 SF₆ 총량은 5,335톤으로, 127.51백만톤CO₂e에 해당되며, 대체 절연물질 개발 시 전량 폐기해야 할 대상이다.

3. 3 비용편익 계산

비용편익 계산은 선행연구를 통해 개발된 기술을 상업적으로 활용하였을 경우 처리기업의 비용편익을 2.3절에 기재한 조건을 기준으로 계산하였으며 그 과정은 다음과 같다.

제어효율이 90%일 때 100 kW급의 전자빔을 활용하여 하루 SF₆를 처리했을 경우 100 kW/3486 kGy (흡수선량)×0.9 (제거효율)×24 hr (하루 가동)=2,232 kg/day의 양을 처리할 수 있다. 따라서, 1톤의 1% SF₆를 처리하기 위해서는 1000 kg×(1/2,232 kg/day)=0.448 day가 소요된다. 이를 100% 처리하는 기준으로 하면 44.8 day가 요구되는 것으로 나타났다. 이는 1년에 1대의 가속기에서 100% SF₆ 약 8톤을 처리할 수 있는 것을 의미한다. 이때 사용되는 전기세를 계산해보면 100 kW×80원/kW·h=8,000원/hr이며 24시간 가동한다고 가정하면 1일당 192,000원의 비용이 발생한다. 따라서 100% SF₆ 1톤을 처리하기 위해서는 192,000원/day× 44.8 day=8,610,600원이 발생하게 된다. 그러므로 100% SF₆ 8톤 (1년 처리기준)을 처리하기 위해서는 68,812,800원의 전기세가 발생할 것으로 추정할 수 있다. 여기서 SF₆ 1톤은 CO₂ 23,900톤에 해당됨으로, 1톤의 SF₆의 배출권거래를 통해 489,950,000원 (한국거래소, 2017.06; CO₂ 1톤당 20,500원)의 수익을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 바탕으로 2.5 MeV, 40 mA (100 kW) 전자빔 가속기 한 대를 사용하여 SF₆를 처리했을 때 연간 수익을 산정한 결과를 표 7에 나타내었다.

Table 7.

Profit chart (an electron beam: 2.5 MeV, 40 mA (100 kW)).(Unit: billion won)

표 7과 같이 전자선 가속기 설치 최초 년도에는 16.6 억 원 정도의 이익이 창출되는 것으로 추정되고, 차년도부터는 전자선 가속기의 설치비용이 제외되기 때문에 수익은 30억 원 이상이 될 것으로 예상된다.

또한 SF₆ 처리 공정에서 분해부산물로 발생하는 무수 HF (Hydrogen fluoride)와 황은 회수 및 자원화로 부산 폐기물 처리비용을 경감하고 환경문제 발생을 최소화할 수 있다. 재활용되는 고농도 HF는 타 불화물의 원료 또는 전자, 반도체의 에칭에 활용할 수 있으며, 고순도 황 분말은 황 함유 의약품이나 유기황 화합물의 원료로 활용할 수 있기 때문에 부산물 처리를 통해서도 수익을 얻을 수 있을 것으로 판단되지만 회수 기술이 완성단계가 아니기 때문에 본 경제성 평가에서는 제외하고 평가하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 최적 조건을 통해서 확보한 SF₆ 처리 기술을 활용하여 현장 적용을 할 경우 처리사업자를 기준으로 수익분석을 초기 투자비, 인건비, 첨가가스 구입비, 전자빔 가동 전기비 등의 비용과 처리로 확보할 수 있는 배출권 거래를 통한 수익 등을 고려하여 분석하였다. 그 결과 고려된 모든 비용을 지출하더라도 첫해에 초기 투자비를 전액 회수할 수 있는 것으로 나타났다. 전자빔을 설치하는 1차년도에도 16.6억 원 정도의 수익이 발생했으며, 설치비용이 제외되는 2차년도부터는 30억 원 이상의 수익을 얻을 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서, 본 처리 기술을 현장에 활용할 경우 경제적 타당성이 높은 기술로 현장 적용이 용이할 것으로 사료된다.

Acknowledgments

본 연구는 과학기술정보통신부에서 주관하는 원자력연구개발사업 (과제번호: 523350-17)의 지원에 의해 이루어진 것으로 이에 감사 드립니다.

References

• Chang, M.B., and H.M. Lee, (2004), Abatement of Perfluorocarbons with Combined Plasma Catalysis in Atmospheric- pressure Environment, Catalysis Today, 89(1-2), p109-115. [https://doi.org/10.1016/j.cattod.2003.11.016]
• Climate Home, (2017), Climate Action Tracker, http://climateactiontracker.org/conutries/southkorea.html.
• Energy Times, (2014), KEPCO discharged 80% of SF₆, http://energytimes.kr/news/articleview.html?idxo=25662.
• EPA, (2015), SF₆ Emission Reduction Partnership for the Magnesium Industry, <http://www.epa.gov/magnesiumsf6/basic.html>.
• GIR, (2014), National Greenhouse Gas Inventory Report of Korea, 11-1480745-000003-10.
• GIR, (2016), National Greenhouse Gas Inventory Report of Korea, 11-1092067-000002-10.
• Hirota, K., H. Sakai, M. Washio, and T. Kojima, (2004), Application of electron beams for the treatment of VOC streams, Industrial & Engineering Chemistry Research, 43(5), p1185-1191. [https://doi.org/10.1021/ie0340746]
• IEA, (2015), Key Trends in CO₂ Emissions, 2015 edition.
• IPCC, (2001), The Scientific Basis, Cambridge, England Cambridge University Press, Chapter 4, p244.
• Jan, B., M. Franziska, B. Christoph, R. Eva, and H. Ingo, (2016), The Climate Change Performance Index, German Watch.
• Kim, J.B., J.Y. Ruy, C.Y. Choi, S.H. Jang, and Y.I. Son, (2013a), A study of destruction efficiency and particulate by-products of sulfur hexafluoride (SF₆) using high ionization energy with oxygen, water vapor and hydrogen, The Journal of Korea Society of Waste Management, 30(8), p870-878, (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.9786/kswm.2013.30.8.870]
• Kim, J.B., J.Y. Ruy, C.Y. Choi, S.H. Jang, Y.H. Yoon, and B.G. Kim, (2013b), A study on destruction and removal efficiency (DRE) and by-products of sulfur hexafluoride (SF₆) using high ionization energy with conditioning agents (O₂, H₂O, and H₂), The Journal of Korea Society of Waste Management, 30(6), p592-599, (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.9786/kswm.2013.30.6.592]
• KRX, (2017), Global premier exchange, <http://marketdata.krx.co.kr/mdi#document>.
• Lee, D.H., (2002), Trends on the Research for Alternatives of SF₆ Gas, The Proceedings of The Korean Institute of Electrical Engineers, 7, p10-12, (in Korean with English abstract).
• Lee, H.J., M.W. Lee, H.K. Lee, and S.H. Lee, (2011), Separation and Recovery of SF₆ Gas from N₂/SF₆ Gas Mixtures by using a Polymer Hollow Fiber Membranes, Journal of Korean Society Environmental Engineers, 33(1), p47-53, (in Korean with English abstract).
• Lee, K.S., K.S. Park, K.T. Park, L.-K. Kim, and C.G. Park, (2003), The Characteristics of Insulation with Temperature Variations of SF₆, The Transaction of The Korean Institute of Electrical Engineers, 52C(8), p354-358, (in Korean with English abstract).
• Lee, S.H., N.K. Park, S.H. Yoon, W.C. Chang, and T.J. Lee, (2009), Catalytic Decomposition of SF₆ by Hydrolysis and Oxidation over γ-Al₂O₃, Clean Technology, 15(4), p273-279, (in Korean with English abstract).
• Park, H.G., N.K. Park, T.J. Lee, W.C. Chang, and W.T. Kwon, (2012), Catalytic Decomposition of SF₆ by Hydrolysis over γ-Al₂O₃ Supported Metal Oxide Catalysts, Clean Technology, 18(1), p83-88, (in Korean with English abstract).
• Park, J.H., I.H. Shin, S.H. Seo, C.Y. Choi, and Y.S. Son, (2017), The Optimization of SF₆ Decomposition Process using an Electron Beam, Radiation Physics and Chemistry, under review.
• Park, K.N., K.J. Kim, J.C. Kim, S. Young, and H.N. Song, (2005), Removal efficiency of toluene by Ebeam-catalyst coupling system, Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 21(6), p667-673, (in Korean with English abstract).
• Ryu, J.Y., C.Y. Choi, J.B. Kim, S.J. Lee, S.G. Kim, H.S. Kwak, and Y.M. Yun, (2012), Destruction of NF₃ Emitted from Semiconductor Process by Electron Beam Technology, Journal of Korean Society Environmental Engineers, 34(6), p391-396, (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.4491/ksee.2012.34.6.391]
• Son, Y.S., S.J. Lee, C.Y. Choi, J.H. Park, T.H. Kim, and I.H. Jung, (2016), Decomposition of high concentration SF₆ using an electron beam, Radiation Physics and Chemistry, 124, p220-224. [https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2015.11.016]
• Tsai, W.T., (2007), The decomposition products of sulfur hexafluoride (SF₆): Reviews of environmental and health risk analysis, Journal of Fluorine Chemistry, 128(11), p1345-1352. [https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2007.06.008]
• Yoo, H.J., J.S. Kim, J.S. Lee, D.M. Moon, J.B. Lee, J.H. Kim, and I.Y. Lee, (2011), Measurement and Characterization of Atmospheric SF₆ at Korea GAW Center in 2007, Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, 27(1), p1-15, (in Korean with English abstract). [https://doi.org/10.5572/kosae.2011.27.1.001]