초록
▼
1. 서론
산업 발전의 발전 속도가 빨라짐에 따라 급속도로 증가하는 에너지 수요를 충족하고 화석연료의 사용으로 인한 지구온난화를 방지하기 위해서는 (1) 신재생에너지 개발, (2) 전력 수요의 총체적 또는 시간별 관리, (3) 전력 생산의 고효율화 등이 필요하다. 이 중에서, 전력 생산 고효율화는, 에너지 부존자원이 많지 않고 신규 발전소의 건설이 용이하지 않은 우리나라에서 특히, 현실적인 에너지 해결 방안이 된다. 우리나라의 6차 전력 수급 기본계획에 따르면, 2027년 기중 130,000MB의 전력 수요를 예상하
1. 서론
산업 발전의 발전 속도가 빨라짐에 따라 급속도로 증가하는 에너지 수요를 충족하고 화석연료의 사용으로 인한 지구온난화를 방지하기 위해서는 (1) 신재생에너지 개발, (2) 전력 수요의 총체적 또는 시간별 관리, (3) 전력 생산의 고효율화 등이 필요하다. 이 중에서, 전력 생산 고효율화는, 에너지 부존자원이 많지 않고 신규 발전소의 건설이 용이하지 않은 우리나라에서 특히, 현실적인 에너지 해결 방안이 된다. 우리나라의 6차 전력 수급 기본계획에 따르면, 2027년 기중 130,000MB의 전력 수요를 예상하고 있으며, 만일 전력생산효율을 1%만 증가시켜도 1,300MW의 전역을 추가 생산하는 효과가 있게 된다. 이는 원전 2기 이상을 신설하는 것과 맞먹는 것이다. 한편, 기존의 대량 발전시설은 크게 수증기 터빈발전시설(steam turbine power plant)과 연소가스 터빈발전시설(combustion-gas turbine power plant)이 있다. 여기서 수증기 터빈발전은 물을 작동 매체로 하며, 터빈 입구 온도가 550℃ 이하이다. 이에 비해 연소가스 터빈발전은 가스를 연소시켜 열에너지를 얻으며, 작동 매체가 연소가스이고, 터빈 입구 온도가 900℃ 이상이다. 이렇게 수증기 터빈발전이 가스 터빈발전에 비해 터빈 입구 온도가 낮음에도 불구하고 발전효율이 높은 이유는 유체의 압축 시 액체 상태의 물을 사용하기 때문이다. 즉 액체 상태의 물은 비압축성(incompressible)을 띠기 때문에 조그마한 부피 변화에 의해서도 고압 상태가 되며, 이 때문에 압축에 필요한 일이 많지 않다. 따라서 수증기 터빈발전은 압축 시 가스를 사용하는 연소가스 터빈에 비해 생산되는 일이 작지만 소요되는 일도 작아서 열효율(thermal efficiency)이 높다. 하지만 이러한 수증기 터빈발전은 고온 고압 수증기의 재료에 대한 부식성 때문에 터빈 입구 온도 550℃ 이상에서의 작동이 어렵다. 초임계 발전시설은 이런 두 발전시설의 장점만을 조합한 발전 방식이다. 초임계 상태의 CO2는 높은 밀도, 비압축성 같은 액체의 물성, 낮은 점도 같은 기체의 물성을 동시에 지니고 있다. 이러한 CO2의 임계점(critical point)은 30.98℃, 72.8기압이며, 따라서 초임계 유체의 물성을 지닌 영역에서 압축이 이루어지면서도 유체 자체의 부식성은 수증기보다 더 낮기 때문에 수증기 터빈발전보다 더 높은 터빈 입구 온도를 사용할 수 있다. 이러한 초임계 CO2 사이클은 1948년, 스위스의 Bros가 그 우수성을 처음으로 제시하였으며, 이후 1967년에 미국의 Feher가 최초로 실제적인 초임계 CO2 사이클을 개발하고 구체적인 150kWe 급 발전시스템의 설계를 수행하였다. 최근에는 2000년대 후반부터 관련 기술 향상에 힘입어 전력 생산효율 향상을 위해 다시 초임계 CO2 터빈발전시설에 대한 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있다. 본 보고서에서는 이러한 초임계 CO2 사이클의 원리, 특징, 개발 현황 등을 알아볼 것이다.
2. 초임계 CO2 사이클 및 특성
초임계 CO2 사이클은 기존 연소가스 터빈 사이클과 같이, ‘등압팽창(보일러) → 단열팽창(터빈) → 등압압축(냉각기) → 단열압축(압축기)[→ 등압팽창(보일러)]’로 이루어지는 Brayton 사이클로서(그림 1), 각각 두 개의 등압 과정과 등엔트로피 과정이 있다.
그림 1. Brayton 사이클의 P-v 선도와 T-s선도 (참고문헌 4)
실제 적용에서는 냉각기의 폐열을 이용하기 위해 냉각기와 터빈 사이에 복열기(recuperator)라고 불리는 열교환기가 설치된 simple 사이클(그림 2)이 기본 사이클로 사용되고 있다.
그림 2. simple 사이클의 구성 (참고문헌 5)
또한 현재 개발 중인 사이클 중에서 가장 보편화된 사이클은 폐루프 재압축 초임계 CO2 Brayton 사이클(closed loop recompression SCO2 Bryaton cycle)이다(그림 3).
그림 3. 폐루프 재압축 초임계 CO2 Brayton 사이클의 구성 (참고문헌 8 변형)
이 사이클은 simple 사이클에 압축기 1개와 복열기 1개가 추가된 구조이다. 즉, 재압축기(recompressor)가 추가되고, 복열기가 주압축기 후와 재압축기 후에 각각 1개가 있는 구조이다. 재압축기는 기본 흐름과 냉각기로 보내지지 않은 일부의 작동유체를 같이 압축하는 장치이다. 초임계 CO2 발전 사이클의 중요한 특성 중의 하나는 고압 부분과 저압 부분의 등압비열이 2~3배까지 차이가 난다는 점이며, 따라서 재압축기의 추가가 열효율을 높여주게 된다. 비슷하게, 복열기 구성에서 최대한 저압 부분의 고온의 열을 고압 부분의 저온 쪽으로 전달하여야 하며, 이는 저온, 고온 2개의 복열기 구성을 정당화한다. 이때 사용되는 복열기는, 초임계 CO2의 높은 온도와 압력, 그리고 물보다는 밀도가 낮고 상변화를 통한 잠열 발생이 없다는 점에서, 고온 고압을 견디며 열전달량 증대를 위한 넓은 표면적이 요구된다. 2000년대에 들어와서 개발된, 인쇄형 열교환기(printed circuit heat ex-changer) 같은 열교환기들은 고온 고압을 견디면서, 표면적이 기존 통관형(shell and tube) 열교환기보다 훨씬 넓기 때문에(최대 10배 이상) 이러한 조건을 만족시킬 수 있으며, 초임계 CO2의 상용화 가능성을 한 단계 더 높여주고 있다. 이러한 초임계 CO2 사이클은 다음과 같은 장점을 지닌다.
(1) 액체와 같이 비압축성(incompressible) 유체이기 때문에 작은 부피 변화만으로 고압을 만들 수 있어서 압축 일이 적게 듬
(2) 기체와 같이 점도가 낮아서 유체 이동이 용이하며, 기포(bubble)나 액적(drop)이 생기지 않음
(3) 수증기와 달리 고온 고압에서 부식성이 없어서 터빈 입구 온도를 높일 수 있음
(4) 높은 열효율
(5) 단순한 장치 구조
(6) 높은 밀도 때문에 소형화가 가능
이처럼 초임계 CO2 터빈발전은, 전 공정에서 밀도가 높아 터빈 및 복열기의 크기를 큰 폭으로 줄일 수 있어서 제작 및 건설 비용을 낮출 수 있으며, 열효율이 높기 때문에 수랭식 대신에 공랭식 냉각 방식을 사용할 수도 있다. 또한 대형 발전시설뿐만 아니라 태양열발전 같은 소형 분산 발전시설에도 적용이 가능하다. 그 밖에 수증기와 달리 터빈 입구 온도를 매우 높게 구성할 수 있으므로 매우 고온의 작동유체를 발생시키는 원자력발전소의 발전설비로 특히 적합하다. 예를 들면, 미국 MIT의 연구 결과에 의하면, 초임계 CO2 사이클을 원자력발전에 적용하여 최고온도 550℃에서 작동할 경우 약 44% 수준의 순 발전 열효율을 보이는데, 이는 유사한 조건의 기존 화력발전소 플랜트의 수증기 터빈 사이클에 비하여 약 13% 이상의 발전효율 향상을 나타낸다.
3. 연구 동향
초임계 CO2 터빈발전 기술은 발전 방식을 획기적으로 전환시킬 수 있는 차세대 발전 기술로 인식하고 먼저 기술 및 시장 선점화를 하기 위해 활발히 연구개발 중에 있다. 이 중에서 미국, 일본, 한국이 대표적인 국가이다.
3.1. 미국의 동향
미국 DOE의 지원을 받아 NREC(national renewable energy lab)에서는, 10MWe 태양열발전용 초임계 CO2 발전을 위한 SunShot 프로그램을 수행하고 있다. SunShot은 2020년까지 집광형 태양 전력(con-centrating solar power, CSP)과 태양광 전력에서 2~3배의 비용 절감을 목표로 하고 있다. 한편 샌디아 국립연구소(Sandia national lab, SNL)는 Barber & Nicholes사(Barber & Nicholes Inc., BNI)와 계약하여, 세계 최초로 초임계 CO2 터빈발전에 사용되는 터빈장치와 복열기를 결합한 300kWe급 종합 실험장치를 제작하고 전력을 생산하고 있다. 미해군원자력연구소인 KAPL(Knolls atomic power lab)은 추진용 원자로에 적용되는 초임계 CO2 터빈발전시설의 열기관 성능, 장치 크기 조절, 기본적인 구동, 공정 제어 모델링 등의 연구를 수행하였으며, 이후 BNI와 함께 100kWe급 발전시설의 설계 제작에 중점을 두고 있다. 또한 Pratt & Whitney Rocketdyne사는 DOE의 지원을 받아, 초임계 CO2 사이클을 이용하여 발전과 배출 CO2의 처리를 동시에 수행하는, CO2 무배출형 석탄화력발전소의 개발을 진행 중에 있다(그림 4).
그림 4. CO2 무배출형 석탄화력발전소의 공정도 (참고문헌 6)
3.2. 일본의 연구 동향
도시바(Toshiba)는 초임계 CO2 사이클 적용 화력발전소의 핵심 장치 연소기의 초고압(300기압 연소시험에 성공하였으며, 연소기와 더불어 터빈, 발전기 등을 개발하고 있다. 또한 미국의 Chicago Bridge & Iron사(Chicago Bridge & Iron Inc., CBI), Exelon사 등과 함께 프로젝트를 수행하고 있다. 그 밖에 도쿄 공업대학, 도쿄 대 등도 NEDO(new energy development organization)의 지원을 받아 초임계 CO2 발전 관련 연구를 하고 있다. 예를 들면, 2010년 도쿄 공업대학의 원자로공학연구소에서 최대압력 12MPa, 최고온도 500K, 압축비율 1.45, 출력 10KW의 파일럿 시스템을 설계·제작했다. 10KW 용량으로 설계된 이 설비는 회전속도 100,000rpm, 압축유량 1.1kg/s, 압축비 1.41, 압축기 입구(7.5MPa, 304.6K), 터빈 입구(10.6MPa, 533K)에서 110W의 출력을 기록했다.
3.3. 한국의 연구 동향
한국원자력연구원은 원자력 관련 국제 프로그램을 통해, 300kWe급 초임계 CO2 루프 운용 기술을 국내 최초로 성공하였으며, 이후 차세대 원자로에 사용하기 위한 초임계 CO2 발전설비 연구를 수행 중에 있다. 한국에너지기술연구원은 400kWe급 초임계 CO2 터빈을 개발 검증하였다. 그 밖에, 한국과학기술원(KAIST), 포항공과대학, 한국기계연구원 등에서 관련 연구를 진행 중에 있다.
4. 결론
초임계 CO2 터빈발전은, 기존 발전 방식이 담당하지 못하였던 열원 온도의 적용이 가능하여, 원자력, 신재생에너지, 석탄화력 등의 다양한 열원에 적용이 가능하고, 장치 및 설비의 소형화가 가능하며, 열효율이 높아서 기존의 수증기 터빈발전을 대체할 수 있는 발전 방식으로서 그 잠재성이 매우 높다. 따라서 국내외적으로, 아직 완성되지 않은 초임계 CO2 발전 기술의 개발 및 시장 선점화를 위해 박차를 가하고 있다. 이러한 상황에서, 우리나라도 산학연에서 연구개발이 활발히 이루어지고 있으며, 그 성과가 최근 하나둘씩 나타나고 있다. 하지만 초임계 CO2 발전은 본질적으로 기술적 난이도가 높아, 개발 기간 단축과 효율적인 연구를 위해 특히 여러 기관의 협업 및 업무 분장이 요구된다. 또한 이를 통한 시너지효과도 기대할 수 있을 것으로 생각된다.
References
1. Jason, L. et al. Supercritical CO2 cycles for power production. Energy Procedia, 114, 573–580, 2017.
2. 염충섭, 임동렬, 이정익 초임계 CO2를 이용한 발전 기술 동향. KIC News, 17(1), 51-60, 2014.
3. 이정익, 안윤환, 차재은 초임계 CO2 발전시스템 소개 및 개발동향. The KSFM Journal of Fluid Machinery, 17(60), 95-103, 2014.
4. ko.wikipedia.org (위키백과)
5. carleton.ca (캐나다 Carleton대학교 사이트)
6. www.sco2powercyclesymposium.org (supercritical CO2 power cycle symposium 사이트)
7. 김범주, 초임계 CO2 발전 기술, 전기저널, 8월호, 대한전기협회, 2014.
8. netl.doe.gov (NETL사이트)
9. ‘[미래유망기술 20] 초임계 CO2 발전 시스템...국내 2조원 시장 열린다’, www.hellot.net (Hello T 뉴스)
10. 염충섭, 초임계 CO2 사이클을 이용한 발전기술 동향, 전기저널, 3월호, 대한전기협회, 2014.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.