원자력硏 “초임계 CO2 발전, 국내 첫 ‘분기점’ 달성”

초임계 이산화탄소 발전시스템이 전력 생산 분기점에 도달했다. 발전시스템에서 분기점 달성은 실질적 전력 생산이 가능해진 것을 의미한다. 특히 초임계 이산화탄소 발전시스템은 차세대 고효율 발전시스템으로 주목받으며, 미국과 중국 등 선진국에서도 분기점 달성을 위한 연구개발 경쟁이 치열하다.

한국원자력연구원(이하 원자력연)은 차채은 박사 연구팀이 ‘초임계 이산화탄소 발전 시스템’ 개발을 완료한 것에 이어 국내에서는 처음으로 생산 전력이 투입 전력보다 커지는 분기점 달성에 성공했다고 23일 밝혔다.

분기점 달성은 연구팀이 시험 개발연구에 착수한 후 4년 만으로, 발전시스템에서 순 출력을 생산하는 기준점과 운전 기술을 확보했다. 완전한 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템 분야에서 세계 최고 수준의 기술력을 확보했다는 점에서 의미가 크다.

초임계 이산화탄소 발전시스템 시험을 위해 압축기, 압축기 구동 터빈, 파워 터빈 등 터보기기가 설치돼 있다. 한국원자력연구원 제공

초임계 이산화탄소 발전은 액체와 기체의 성질을 동시에 갖는 초임계 상태의 이산화탄소로 전기를 생산한다. 이산화탄소를 초임계 상태로 만들기 위해선 고온과 고압이 필수적이다. 초임계 이산화탄소 발전시스템의 핵심은 이산화탄소를 고압으로 만드는 ‘압축기’, 압축기를 구동하는 ‘구동 터빈’, 이산화탄소로 전력을 생산하는 ‘발전용 터빈’이 꼽힌다.

연구팀은 우선 압축기 작동을 위한 ‘구동 터빈’을 개발하고, 시스템 내부에 추가해 압축기가 가동되도록 했다.

이어 압축기 구동 터빈으로 이산화탄소를 순환·압축시킨 후 외부 열원의 온도와 이산화탄소 유량을 서서히 올리면서 시스템을 실증했을 때 투입한 전력보다 발전 시스템에서 생산한 전력이 커지는 ‘전력 생산 분기점’에 도달한 것이 확인됐다.

외부 열원과 함께 시스템 내부에서 자체적으로 이산화탄소를 압축하는 힘을 공급해 전력을 생산하는 시스템이 완성된 것이다.

앞서 연구팀은 지난 4월 초임계 이산화탄소 발전으로 100㎾ 전력 생산에 성공했다. 당시 연구팀은 전력을 생산하는 ‘파워 터빈’ 실증에 중점을 둬 외부 모터로 이산화탄소 압축기를 작동, 초임계 상태에서 발전시스템의 전력 생산 능력을 확인했다.

일반적으로 MWe급 이하의 초임계 이산화탄ㄴ소 발전 시스템은 20~40t 트레일러 1대에 실을 수 있는 크기로 만들어야 경쟁력을 인정받는다.

이는 기존 증기발전시스템의 1/10~1/20 수준의 크기로 차세대 원자로와 태양열, 선박 배기열, 석탄 화력 등 열원과 함께 쓰일 수 있을 만큼 소형화의 특·장점을 가진 발전시스템이다.

초임계 상태의 이산화탄소는 액체처럼 밀도가 높아 터빈을 돌리는 힘이 일반 수증기보다 더 강력해 동력 시스템의 크기를 작게 만드는 데 유리한 장점이 있다. 또 기체의 특성상 마찰 등에 의한 손실이 적고 부식 문제로부터 자유로운 것도 이점으로 작용한다.

차 박사(책임연구원)는 “원자력연은 이번 분기점 달성 시험을 토대로 밀폐형 고효율 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발기술을 국내 최초로 성공시킬 수 있는 단계에 올라섰다”며 “원자력연은 총출력 500㎾ 목표를 달성, MW급 발전시스템을 개발하기 위해 앞으로도 연구를 계속해 나가겠다”고 말했다.

한편 이번 연구는 원자력연구원 주관 컨소시엄(㈜진솔터보기계, 한국과학기술원, 포항공과대 등 참여)의 공동연구로 진행됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr