과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)이 초임계 CO₂발전 시스템용 핵심 기계 원천기술을 확보하고 실증에도 성공했다. 초임계 CO₂발전 시스템은 저온 열원에서도 고효율을 달성하고, 빠른 기동으로 신재생 에너지에 적합한 기술로 시스템 소형화가 가능해 경제적 가치를 창출할 것으로 기대를 모은다.

한국기계연구원 박무룡 책임연구원 연구팀은 국내에서 처음으로 초임계 CO₂발전 시스템에 필요한 펌프, 터빈 및 열교환기 등의 핵심 기계를 개발하고 시제품으로 발전시스템을 구성하여 250 ㎾ 출력 실증에 성공했다. 지금까지 국내 기술로 초임계 CO₂발전을 실증하기 위한 시도는 있었지만 핵심 기계를 모두 국내 기술로 개발하고, 발전시스템을 구성하여 출력까지 성공한 것은 이번이 처음이다.

초임계 CO₂ 발전은 기존 증기발전에서 활용하던 증기 대신 초임계 상태의 CO₂를 작동유체로 활용하는 발전 방식이다. 초임계 상태는임계점보다 높은 압력에서 작동유체가 액체와 기체의 성질을 동시에 갖는 상태를 말한다. 이러한 초임계 상태의 CO₂를 작동유체로 사용하면 발전효율이 향상될 뿐 아니라 시스템 소형화도 가능하다.

CO₂의 임계점은 온도 31℃, 압력 7.37 ㎫ 이상의 조건에서 초임계 상태를 유지할 수 있으며, 밀도가 크고 점성이 낮은 것이 특징이다. 이를 활용하면 기존의 증기발전 시스템에서 기체인 증기를 고압조건으로 만드는 것 보다 더 적은 에너지로 초임계 상태에서 CO₂를 고압 조건으로 만들 수 있다.

점성이 낮은 특성 때문에 발전시스템의 핵심기계에서 발생하는 마찰손실도 줄어 효율이 높아진다.또한, 동일한 질량일 때 밀도가 큰 만큼 부피도 감소하기 때문에 핵심기계인 터보기계의 부피를 1/20 수준으로 줄일 수 있어 발전 시스템의 소형화가 가능하다. 또 핵심 기계의 반응도 빨라져 발전 시 다양한 부하 변동 상황에 빠르게 대응할 수 있다는 장점이 있다.

기계연 에너지변환기계연구실은 1990년대부터 에너지플랜트용 핵심 기계인 터보기계(마이크로 가스터빈과 산업용 공기 압축기, 냉매 압축기, LNG Cargo 펌프, 원자로 주 냉각재 펌프 등)에 대한 연구를 성공적으로 수행하여 핵심기계 설계역량을 비롯해 연구 인력과 시험 인프라 까지 풍부한 연구역량을 축적해왔다. 2019년 12월에는 과기부 선정 터보기계분야 국가연구실(National Lab)에 지정되기도 했다.

에너지변환기계연구실 박무룡 책임연구원은 “초임계 CO₂ 발전 시스템은 에너지 시스템의 효율을 극대화 할 수 있을 뿐 아니라 기후변화 위기에 대응한 CO₂배출 총량 규제에 적극 대응할 수 있는 기술”이라며 “상용화를 위해 가장 중요한 단계인 실험실 규모의 실증을 성공적으로 마친 만큼 실제 발전 현장에 적용하는 추가 연구를 통해 관련 발전시스템 상용화에 기여하겠다”고 말했다.

한편 이번 연구는 기계연 주요사업 ‘초임계 CO₂ 발전시스템용 핵심기계 기술 기반 구축’과 기계연과 두산중공업이 함께 수행한 마중물사업 ‘초임계 CO₂발전시스템 성능 및 운전 특성 테스트’ 사업의 일환으로 수행됐다.