[한국에너지기술연구원]착한 C02 에너지 강국 ON

화력·원자력 '한계 효율''초임계 이산화탄소' 개발 액체·기체 장점만 '쏙쏙' 소형·고효율 차세대 주목

● 과학·정보통신의날 특집-한국에너지기술연구원

▲ 에너지기술연구원 전경

한국에너지기술연구원(KIER)은 융합·창의에 기반을 둔 에너지 기술로 새로운 가치, 시장 창출에 노력을 기울이고 있다. 세계 최고의 에너지 기술개발 등 글로벌 에너지 연구기관으로 도약을 위한 기술 경쟁력을 확보하고, 중소·중견기업과 동반 성장을 위한 파트너십 강화, 성과중심 경영을 통한 연구생산성 제고 등을 적극적으로 추진하고 있다. 에너지는 한 사회의 삶의 수준을 결정할 뿐 아니라 국가 경쟁력과 안보에 막대한 영향을 끼치는 만큼 에너지 기술 개발을 통한 국가 성장동력 창출, 국민경제 발전에 기여하는 것이다.
<편집자 주>


▲에너지 자원 한계, 고효율화와 소형화 필수=점차 가시화되고 있는 에너지 자원의 한계와 기후변화 문제에도 세계 에너지 사용량은 해가 갈수록 증가세를 보이고 있다. 이는 미래로 갈수록 더 많은 자원이 소모될 것을 야기하고 있다.
이러한 자원 소모를 최소화하기 위해서는 발전 기술의 고효율화와 소형화가 필수적이다. 현재의 발전기술은 크게 화력과 원자력에 사용하는 증기 발전과 가스터빈에 적용되는 공기 발전이 주를 이루고 있다. 하지만 이미 지속적인 기술개발을 통해 한계 효율에 근접한 상태다. 더 이상의 효율 개선은 어렵다는 전망도 나오고 있다.

▲초임계 이산화탄소 기술=기존의 발전기술들은 액체나 기체를 매개로 하고 있다. 초고효율 에너지로의 변환을 위해서는 발전의 기초인 매체 단계에서부터 획기적인 변화가 필요하다. 이를 위해 한국에너지기술연구원에서는 초임계 이산화탄소를 이용한 고효율 친환경 발전 기술을 개발하고 있다.

초임계 이산화탄소는 임계점 이상의 온도와 압력에 있는 이산화탄소를 뜻한다. 즉, 액체와 기체의 경계선이 없어져 단일 상으로 존재하기 때문에 액체와 기체의 장점을 두루 갖추고 있는 것이다. 따라서 밀도는 액체처럼 크고, 유동저항은 기체만큼 작아 큰 열 용량과 큰 열 전달이 가능하다. 특히 이산화탄소는 다른 유체에 비해 임계점이 상대적으로 낮아(31.06도, 74기압) 다루기 편하다는 장점이 있어 발전용으로 지속적인 연구가 이뤄지고 있다. 현재 대부분의 화력 및 원자력 발전 등에 사용되는 발전 사이클은 스팀랭킨사이클(Steam Rankine Cycle)이다.

발전 과정을 보면 우선 펌프로 물에 압력을 가하고, 연소·핵반응에 의한 열을 이용해 수증기를 생성하게 된다. 이후 생성된 고온 고압의 증기로 발전기를 돌려 전기를 만들고, 증기를 다시 냉각해 물로 만드는 것이 스팀랭킨 사이클의 원리이다. 하지만 발전 효율을 높이기 위해서는 발전기 입구의 온도, 압력을 높이거나 저압부의 압력을 낮춰야 하기 때문에 복잡한 시스템 구성이 필요하다.

사이클 효율의 한계가 발생하는 것이다.

반면, 기존의 사이클 대신 초임계 상태의 이산화탄소를 고온으로 가열해 터빈을 구동하는 초임계 이산화탄소 발전 사이클 기술을 이용하면 기존 사이클 발전 대비 발전효율을 향상시킬 수 있다. 이산화탄소는 기존 발전에서 사용되는 물에 비해 압축이 쉽고, 고온 고압 조건에서도 기존 재료와의 양립성이 우수해 증기보다 발전기를 부식시킬 염려가 적은 장점을 갖고 있다.

이같은 특성을 이용하면 유체를 압축할 때 필요한 에너지, 즉 전체적인 압축일이 낮아지기 때문에 기존 발전 방식보다 효율을 20% 이상 증가시킬 수 있는 것이다.

▲장치 크기의 소형화 가능=초임계 이산화탄소 발전의 가장 큰 장점 중 하나는 장치 크기의 소형화가 가능하다는 점이다. 전 공정을 초고압으로 운전하기 때문에 유체의 밀도가 항상 높게 유지된다. 같은 질량의 다른 유체에 비해 부피가 작아 전체 장치 크기도 기존보다 최대 20분의 1로 줄일 수 있다. 이렇게 소형화된 장치는 기존 발전시설에는 물론, 선박 등 발전 시설이 필요한 제한된 공간에도 유리하게 사용될 수 있어 산업계의 큰 관심을 끌고 있다.

현재 초임계 이산화탄소의 선두주자는 미국이다. 샌디아 국가연구소(SNL)는 2005년부터 기술 개발에 투자해 세계 최초로 300kW급 종합실험장치를 구성했다. 또 GE 등은 오는 2017년 250MW급 플랜트 상용화를 목표로 하고 있다. 유럽과 일본은 소형 종합실험장치 제작에 성공했으며 기초 실험데이터만 확보하고 있는 상황이다. 국내에서는 한국에너지기술연구원이 초임계 이산화탄소를 이용한 발전 사이클의 타당성 연구를 2013년부터 시행하고 있다. 현재 에너지효율연구본부 열에너지네트워크연구실에서 한국기계연구원과 함께 초임계 이산화탄소 융합 연구를 진행하는 것이다.

한국에너지기술연구원에서는 초임계 이산화탄소 전체 사이클 시스템을, 한국기계연구원에서는 터빈 등의 터보기계 제작을 담당하고 있으며 수백kW급 초임계 이산화탄소 발전 장치 구축을 목표로 연구가 추진되고 있다.

이영록 기자 idolnamba2002@