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

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 100GWe임을 감안하면, 초임계 이산화탄소 발전기술로 기존 증기 발전소를 교체 시 발전효율의 향상으로 1,000MWe급 원자력 발전소 5기의 효과를 내 전기 요금을 5~15%까지 줄일 수 있는 잠재량을 지니고 있다.

이번 기술의 핵심 성과는 초임계 이산화탄소 터빈 발전기를 축류형(Axial type)으로 개발해 소형 반경류(Radial)형 터빈 기술에만 머물던 현 세계기술 수준으로부터 벗어나 대형화를 향한 첫 도약을 펼쳤다는 데 있다.

축류(Axial)형 터빈을 이용한 발전방식은 터빈을 구동시키는 유체가 회전축 방향으로 흐르는 방식으로 현재 우리나라 전력생산의 90% 이상을 차지하고 있다.

수백 MWe급의 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 상태다.

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 되었다.

이를 통해 선진 기술을 추격하는 연구가 주류를 이루던 초임계 이산화탄소 발전 기술 분야에서 선도국과 대등한 기초 기술력을 확보할 수 있게 됐다.

▲ 배영진 박사

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 밝혔다.

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