[한국 경제 신성장동력] 미래 발전 이끄는 '한국에너지기술연구원'

▲ 한국에너지기술연구원 정문 <사진 제공=한국에너지기술연구원>

이미 미국을 필두로 여러 국가에서 에너지 관련 기술 개발에 박차를 가하고 있는 가운데 국내에서는 미래창조과학부 산하 한국에너지기술연구원이 원자력을 제외한 에너지 기술 연구의 중심 역할을 맡고 있다.

한국에너지기술연구원은 1977년 설립 이래 에너지효율화, 신재생에너지, 기후변화대응, 에너지소재, 육·해상융복합 등 국민 생활 및 국가 안보와 밀접한 에너지 기술 연구에 주력하고 있으며 2013년부터 고효율·친환경 기술로 떠오르는 ‘초임계 이산화탄소’를 이용한 발전 기술 연구를 진행하고 있다.

초임계 이산화탄소란 임계점 이상의 온도와 압력에 있는 이산화탄소를 말한다. 고온·고압의 초임계 이산화탄소는 액체와 기체의 경계선이 없어져 밀도는 액체처럼 크고, 유동저항은 기체만큼 작아 큰 열용량 열전달이 가능하다. 특히 이산화탄소는 다른 유체에 비해 임계점이 상대적으로 낮아(31.06℃, 74기압) 발전용으로 다루기 편하다는 장점이 있다.

크게 화력과 원자력으로 대표되는 기존 발전 기술은 물을 끓인 증기로 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 방식으로 이미 지속적인 기술 개발을 통해 한계 효율에 근접한 상태로 더 이상의 효율 개선은 어려운 상황이다.

반면 액체와 기체의 장점을 동시에 갖춘 초임계 이산화탄소로 터빈을 구동하면 발전 효율 향상과 장치 소형화가 가능하다. 한국에너지기술연구원에 따르면 초임계 이산화탄소 발전 기술로 기존 방식 대비 발전효율을 2~5%p 향상시키고 장치의 크기도 20분의 1 수준으로 줄일 수 있을 전망이다.

현재 대부분의 화력·원자력 발전 등에 사용되는 ‘스팀랭킨사이클(Steam Rankine Cycle)’은 펌프로 물에 압력을 가하고 연소·핵반응에 의한 열로 수증기를 생성해 발전기를 돌린 후 다시 증기를 냉각하는 과정을 거쳐야하므로 발전 효율을 높이기 위해서는 복잡한 시스템 구성이 필요하다.

이에 비해 초임계 이산화탄소는 물에 비해 압축이 쉽고, 고온 고압 조건에서도 기존 재료와의 양립성이 우수해 증기보다 발전기를 부식시킬 염려가 적다는 특징이 있다. 이런 특성을 이용하면 압축일(유체를 압축할 때 필요한 에너지)이 낮아지기 때문에 발전 효율 증가가 가능한 것이다.

또 초임계 이산화탄소 발전은 전 공정을 초고압으로 운전하기 때문에 유체의 밀도가 항상 높게 유지돼 같은 질량의 다른 유체에 비해 부피가 작고 전체 장치 크기 줄일 수 있다. 이렇게 소형화된 장치는 기존 발전시설 외에도 선박 등 발전 시설이 필요한 제한된 공간에도 유리하게 사용될 수 있다.

한국에너지기술연구원이 개발한 초임계 이산화탄소 발전 실험 장치

현재 초임계 이산화탄소 기술의 선두주자는 미국이다. 에너지성(DOE) 산하 화력·원자력·신재생 오피스 공동 연구 과제로 10MWe 초임계 이산화탄소 파일럿플랜트 제작이 시작됐으며 지난해 약 333억원의 예산을 확보하고 올해 약 480억원을 투입할 예정이다.

또 샌디아국가연구소(SNL)는 2005년부터 기술 개발에 투자해 300kW급 종합실험장치를 구성했으며 GE 등은 내년까지 250MW급 플랜트 상용화를 목표로 하고 있다. 미국은 현재 초임계 이산화탄소 발전 기술을 ‘국가보안기술로 지정하고 연구결과를 비공개로 전환한 상태다.

이 외에도 유럽과 일본이 소형 종합실험장치 제작에 성공하고 기초 실험데이터 확보 단계에 있는 것으로 알려졌다.

국내에서는 한국에너지기술연구원이 2013년부터 초임계 이산화탄소를 이용한 발전 사이클의 타당성 연구를 진행해왔으며 현재 에너지효율연구본부 열에너지네트워크연구실에서 한국기계연구원과 초임계 이산화탄소 융합 연구를 진행하고 있다.

한국에너지기술연구원은 현재 50kWe급 터보-발전기 설계를 완료하고 제작을 진행 중이며 2017년 초소형 500℃, 130bar 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발, 상용 10MWe급 발전시스템 실증사업 참여 등을 통해 범국가적 기술개발 주제인 초임계 이산화탄소 발전 기술의 상용화를 앞당기는데 기여한다는 방침이다.

-김정우 기자 tajo@enewstoday.co.kr

-원본기사 : http://www.enewstoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=537764