기존 증기터빈 대비 발전효율 2∼5% 높아

국내 연구진이 물을 끓여 만든 증기가 아닌 고온·고압의 이산화탄소(CO2)로 터빈을 돌리는 발전기술을 세계 최초로 개발해 주목을 받고 있다. 이 기술을 이용해 추후 상용화 이뤄진다면 그동안 원천기술 없이 주로 수입에 의존했던 발전시장을 선점할 수 있는 계기가 될 전망이다.

한국에너지기술연구원(원장 곽병성, 이하 에기연)은 최근 고온·고압의 이산화탄소로 터빈을 구동, 전기를 생산하는 ‘축류형(axial type) 터빈 기반 초임계 이산화탄소 발전 핵심기술’을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.

초임계 이산화탄소 발전 기술은 물의 증기로 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 기존 발전 방식과는 달리 고온·고압 초임계 상태의 이산화탄소로 터빈을 구동, 전기를 생산하는 기술이다. 이 기술은 기존 증기 발전에 비해 발전효율이 2~5% 높아 석탄 등의 에너지원 사용을 줄임으로써 미세먼지와 온실가스를 저감할 수 있다.

국내 발전설비 용량이 약 100GW 수준임을 감안하면 초임계 이산화탄소 발전기술로 기존 증기 발전소를 교체할 경우 발전효율의 향상으로 1,000㎿급 원자력 발전소 5기의 효과를 가져와 전기 요금을 5~15%까지 줄일 수 있다. 특히 현재 국내 전력생산의 90% 이상을 담당하고 있는 석탄화력, 복합화력, 원자력 발전 플랜트는 물론 바이오매스, 태양열, 지열 등 재생에너지 발전소에도 적용이 가능해 2030년까지 발전비율의 20%를 재생에너지로 공급하고자 하는 정부 정책에도 크게 기여할 수 있을 전망이다.

대형화 가능 원천기술 개발

미래 발전시장 선점 시동

이번에 개발된 기술의 핵심 성과는 초임계 이산화탄소 터빈 발전기를 축류형으로 개발해 소형 반경류(Radial)형 터빈 기술에만 머물던 현 세계기술 수준으로부터 벗어나 대형화를 향한 첫 도약을 펼쳤다는 데 있다. 축류형 터빈을 이용한 발전방식은 터빈을 구동시키는 유체가 회전축 방향으로 흐르는 방식으로 현재 우리나라 전력생산의 90% 이상을 차지하고 있다.

수백 ㎿급의 상용 발전 규모에서는 축류형 터빈 기술이 필수지만 전세계 대부분의 초임계 이산화탄소 발전 연구자들은 현재까지 소형 반경류(Radial)형 터빈 기술 개발에 머물러 있다. 특히 기술 선도국인 미국에서도 제너럴 일렉트릭社만이 유일하게 축류형 개발을 추진하고 있으나 현재까지 시운전 단계에는 이르지 못한 상태이다.

하지만 국내 연구진은 초임계 이산화탄소 터빈 기술의 가장 큰 문제였던 축력(Axial force)에 의한 부품파손과 마찰손실(Windage loss)을 고유의 터빈 설계와 운전 전략 개발로 해결했다.

초임계 이산화탄소 터빈은 초임계 이산화탄소의 높은 밀도로 인해 고속으로 회전하게 되는데 이때 생기는 마찰과 축력에 의해 회전부품의 손상과 에너지 손실이 일어나게 된다.

이에 연구진은 터빈을 축류 충동형으로 설계해 축력을 저감하는데 성공했으며 마찰 손실의 감소를 위해 밀봉과 누설 관리 시스템을 개발·도입했다. 또 운전을 위한 시동에서부터 정지 절차를 독자적으로 개발해 안정성을 높임으로써 향후 대형화에 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있게 됐다.

전문가들은 이번 기술개발을 통해 선진 기술을 추격하는 연구가 주류를 이루던 초임계 이산화탄소 발전 기술 분야에서 선도국과 대등한 기초 기술력을 확보할 수 있는 계기를 마련한 것으로 보고 있다.

연구책임자인 백영진 박사는 “초임계 이산화탄소 발전기술은 미세먼지 및 온실가스 감축 등 글로벌 청정에너지 이슈 대응은 물론 신산업 창출의 견인차 역할을 할 미래 발전 핵심기술”이라며 “이번 기술 개발을 계기로 초임계 이산화탄소 터빈 발전기 기술 분야에서 향후 우리나라가 선도적 역할을 할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.

에기연 곽병성 원장 역시 “2019년까지 수백 ㎾급 초임계 이산화탄소 발전기술 개발을 완료하고 대형 초임계 이산화탄소 발전 시스템 개발 및 상용화에 주도적 역할을 할 수 있도록 연구원의 역량을 집중할 계획”이라고 밝혔다.

< 용어 설명 >

초임계 상태 (supercritical state) : 기체에 압력을 더 이상 증가시켜도 액체로 변하지 않는 상태로, 기체와 액체의 성질을 동시에 가진 상태이다. 이산화탄소는 약 31℃, 74기압 이상 조건에서 비교적 쉽게 초임계 상태로 만들 수 있다. 초임계 상태의 이산화탄소는 증기에 비해 밀도가 크므로, 터빈의 크기를 줄일 수 있다.

 터빈 발전기 (turbo-generator 또는 turbine generator) : 초임계 이산화탄소 발전기술의 구현을 위한 핵심기기로서, 고온 고압의 초임계 이산화탄소가 갖는 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 역할을 함.

 반경류형(radial type) 터빈과 축류형(axial type) 터빈 : 반경류형 터빈은 터빈을 구동시키는 유체가 반경 방향으로 유입돼 축방향으로 유출되면서 날개를 회전시키는 방식이며 축류형 터빈은 유체가 축방향으로 유입 및 유출되는 방식의 터빈이다.