[총설] 초임계 CO2를 이용한 발전 기술 동향

(1)

초임계 CO

2

를 이용한 발전 기술 동향

염 충 섭

^†

ㆍ임 동 렬ㆍ이 정 익*

고등기술연구원, *한국과학기술원

Power Generation Technology Using Supercritical CO 2

Choongsub Yeom

^†

, Dong-Ryul Rhim, and Jeongik Lee*

Institute for Advanced Engineering

*Korea Academic Institute of Science & Technology

Abstract: 에너지원의 활용성 측면과 전력수급의 효율성을 향상시키기 위한 현실적 대안 중 초임계 CO2 발전 기술은 다양한 열원에 적용 가능한 범용적인 사이클로 발전 기술의 패러다임을 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 본 고에 서는 초임계 CO2의 특성과 이를 이용하여 발전 사이클의 효율 및 소형화가 가능한 원리를 소개하고 최근에 초임계 CO2 발전 기술이 각광받기 시작한 근거를 검토하였다. 그리고 다양한 발전 분야에 대한 주요 국가의 초임계 CO2 발전 기술의 최신 개발 동향을 중심으로 기술하였다.

Keywords: Supercritical CO

2, Power plant, Brayton cycle

1. 서 론

1)

1998년 이후 국내 에너지원의 수입 의존도는 Figure 1에서 나타낸 바와 같이 에너지 소모량 기 준으로 95%를 초과하고 있다[1]. 또한 Figure 2에 서와 같이 2010년대에 들어 전력 예비율이 10%

이하 수준을 유지하면서 매년 여름과 겨울에 전력 난이 반복적으로 발생하고 있다. 특히 2013년 1월 부터 6월까지는 월별 최대 전력 사용 시 예비 공 급량 비율이 10%를 넘은 적이 한 번도 없어 전력 난에 관한 우려가 더욱 심화되고 있는 상황이다.

이러한 상황을 해결하기 위한 방안으로서 1) 다 양한 정책을 통한 전력 수요관리, 2) 신재생에너지 에 대한 투자 확대, 3) 전력 수요 변동을 감안한 예비전력의 탄력적 운용, 4) 기저부하 공급 발전플 랜트의 안정성 확보 등이 제시되고 있다. 이와 더 불어 전력수급의 입구전략으로서 고효율 전력생 산 기술의 향상도 화두가 되고 있다. 즉, 신에너지

†

주저자 (E-mail: [email protected] )

원의 개발과 더불어 에너지 수요관리와 기존 에너 지원 활용 측면에서의 효율 향상은 국내 신규발전 소의 건설이 쉽지 않은 상황에서 현실적으로 절실 한 상황이다. 발전시장에서의 1% 효율 상승은 어 마어마한 차이를 부른다. 6차 전력 수급 기본계획 에 따르면 Figure 3과 같이 2027년 기준으로 13만 MW의 전력 수요를 예상하고 있다[2]. 만일 이 수 요에 따른 공급 측면에서 전력 생산 효율을 1% 높 인다면 1,300 MW에 해당하는 전력을 추가 공급 할 수 있게 되며, 이는 원전 2기를 건설하는 것 이 상의 효과를 누리는 셈이다.

2000년대 후반부터 이러한 전력 생산효율 향상

을 위한 기술로서 작동유체를 초임계 CO

2

를 사용

한 발전시스템에 대한 연구개발이 활성화되고 있

다. 초임계 CO

2

발전시스템은 임계압력 이상의 초

고압으로 압축된 CO

2

를 고온으로 가열하여 터빈

을 구동하는 브레이튼(Brayton) 사이클 방식의 전

력생산 기술로서 현재 사용되고 있는 대다수의 열

원(원자력, 석탄화력, 태양열, 지열 등)에 적용할

수 있으며 효율이 높으면서도 크기를 소형화할 수

(2)

Figure 1. 국내 에너지 소모량 대비 해외 의존도.

Figure 2. 국내 전력 예비율 추이.

Figure 3. 중장기 전력수요 전망.

Figure 4. 초임계 CO

2의 상변화.

Figure 5. 초임계 CO

2 사이클 개략도.

있는 장점을 가지고 있다. 따라서 대형 발전소에 서부터 소규모 분산전원, 육상 및 해상 플랜트까 지 광범위하게 적용될 수 있다. 여기서 초임계 (Supercritical) 조건이라고 함은 Figure 4에서 보 는 바와 같이 액체-기체의 상변화를 하는 일반적 인 물질상태에서 특이점인 임계점(Critical point) 을 넘는 온도․압력 조건을 말하며, 초임계 CO

2

발전 사이클은 저압부의 압력이 73기압 이상으로 모든 공정이 임계압력 이상에서 형성된다.

본 고에서는 초임계 CO

2

발전 기술에 대한 개 요와 특성을 살펴보고, 현재 진행 중인 주요 국가 의 연구개발 현황을 살펴보고 국내에서의 기술개 발 전략을 제시하고자 한다.

2. 초임계 CO 2 발전 기술 개요

2.1. 초임계 CO

2

발전 원리

초임계 상태의 CO

2

는 액체와 기체의 특성을 동 시에 가지고 있으며, 액체와 같은 작은 압축일과 기체와 같은 작은 유동저항이라는 장점을 모두 가 지고 있다. 모든 공정에서 초임계 상태를 유지하 는 초임계 CO

2

사이클은 Figure 5에 나타낸 것과 같이 기본적으로 4가지 요소로 구성되며, Figure 6

은 Figure 5에 대응하는 초임계 CO

2

사이클의 온 도-엔트로피 선도를 나타내고 있다.

초임계 CO

2

발전 사이클은 작동유체인 고압의

초임계 CO

2

를 최대 공정온도까지 가열하는 히터

(HP-HE), 고온 고압의 초임계 CO

2

를 이용하여 발

전기를 구동하기 위한 터빈(Turb), 저압의 초임계

CO

2

온도를 30℃ 정도로 낮추는 쿨러(LP-HE), 저

온 저압의 초임계 CO

2

를 200기압 이상으로 가압

하는 압축기(Comp)로 구성된다. 초임계 CO

2

발전

사이클의 히터(HP-HE)는 가스 복합발전에 적용

할 경우에는 가스터빈 후단에 위치하는 배열회수

열교환기(Heat recovery heat exchanger)가 될 수

있으며, 중유나 석탄 화력발전에 적용할 경우에는

보일러의 과열기(superheater)나 재열기(reheater)

(3)

Figure 8. 초임계 CO

2 사이클을 적용한 신개념 원자력 발 전소.

Figure 6. 초임계 CO

2 사이클의 온도-엔트로피 선도.

Figure 7. 재압축 초임계 CO

2 사이클.

가 될 수 있다. Figure 7은 초임계 CO

2

사이클 중 에서 대표적인 사이클인 재압축 초임계 CO

2

사이 클을 나타내고 있으며, 터빈을 나온 대부분의 초 임계 CO

2

는 쿨러에서 냉각된 후 주압축기에서 가 압이 되지만 나머지 일부분의 초임계 CO

2

는 쿨러 를 거치지 않고 보조 압축기에서 압축되며 이는 최대의 발전효율을 얻기 위하여 제안된 것이다 [3,4]. Figure 8은 액체금속을 1차 냉각재로 사용 하는 원자로를 고온 열원으로 하여 구성된 초임계 CO

2

사이클 적용한 신개념 원자력 발전소를 나타 내고 있다[5].

2.2. 기술의 특성

초임계 상태의 CO

2

는 액체 상태와 유사한 밀도 에 기체와 비슷한 점성을 가지고 있어서 기기의 소형화, 압축 및 순환에 필요한 전력소모를 최소 화할 수 있으면서 동시에 임계점이 물보다 매우 낮아서(물: 373.95℃, 217.7 기압 ↔ 이산화탄소:

31.04℃, 72.8 기압) 다루기 용이하다. 이러한 임 계점 부근의 특성을 이용하여 발전 사이클을 구성 할 경우 Table 1과 같은 장점이 있다.

초임계 CO

2

발전방식은 550℃에서 운전할 경우

약 45% 수준의 순발전효율을 보이며, 기존 스팀

사이클의 발전효율 대비 20% 이상의 발전효율 향

상과 함께 터보기기를 수십 분의 1로 축소 가능하

다고 보고되고 있다[4]. 또한 차세대 원자력 발전

기술을 개발하는 과정 중 2003년경에 MIT에서 초

임계 CO

2

를 활용한 발전기술이 기존에 다른 발전

방식에 비해서 효율도 높으면서 단순한 구성과 소

형화할 수 있음을 이론적으로 보여주었다[3]. 또한

고온 고압조건에서 초임계 CO

2

는 물에 비해서 기

존 재료와의 양립성이 우수하므로 증기를 이용한

발전방식에 비해서 상대적으로 높은 터빈 입구 온

도를 유지하여 발전 효율을 크게 증가시킬 수 있

다. 그리고 초임계 CO

2

는 전 공정에서 고압 조건

을 유지하기 때문에 밀도가 높아 터빈 및 열교환

기 등의 크기를 획기적으로 소형화하여 건설공기

및 제작단가를 낮추어서 높은 경제성을 확보할 수

있고 전 발전계통이 고온 고압으로 유지되어도 높

은 열효율을 달성할 수 있기 때문에 기존의 수냉

식 대신 공냉식 쿨러 방식으로도 충분히 구현이

된다는 장점이 있다. 따라서 초임계 CO

2

발전 기

술은 고효율 소형화의 장점을 가지고 있기 때문에

적용될 수 있는 에너지원이 대형이면서 고온 열원

인 석탄화력, 복합화력, 원자력과 같은 에너지원과

더불어 소형분산발전에 적합한 태양열, 연료전지

(4)

특성 장 점

임계점 부근에서 고밀도

◦ 압축일이 작아져 전체 출력 증가

◦ 터보기기 소형화 기능: 터빈 크기 유기랭킨사이클(ORC)의 1/5, 증기사이클의 1/20 이하 수준

◦ 간단한 시스템 구성: 단(stage) 수를 줄일 수 있고, 인터쿨링 필요성 감소

상온에 가까운 임계온도

◦ 열회수 온도 낮아짐: 냉각수로 상온의 물을 사용 가능

◦ 타 유체를 이용하여 초임계 사이클을 구성할 때 보다 최고 온도, 압력이 낮아짐 → 안정성 증가, 운전온 도에 적합한 구조 재료 범위가 넓음.

◦ 대부분의 열원에 적용 가능: 현재, 일반적으로 300℃ 이하 ORC, 400℃ 이상 증기사이클 적용

Figure 9. 초임계 CO

2 발전 기술의 다양한 열원과 온도범위에 대한 적용성.

Table 1. 발전 사이클 측면에서 초임계 CO

2 장점

후단과 같은 고온 열원에도 적합함을 Figure 9에 서 보여주고 있다[7]. 또한 Figure 9에서 알 수 있 듯이 초임계 CO

2

발전 기술은 고온인 400℃ 이상 에서만 효율이 높은 것이 아니라 100∼200℃와 같은 저온에서도 기존 저온 열원용 유기 랭킨 사 이클(Organic Rankine Cycle) 발전방식에 준하는 효율을 나타내기 때문에 지열발전을 비롯한 각종 폐열재생 에너지 산업에도 적용될 수 있다.

즉, 초임계 CO

2

를 활용한 발전방식은 CO

2

의 임 계점에서 물성 변화를 최대한 활용하여 (1) 높은 열효율, (2) 고출력 소형 시스템 구성, (3) 공랭식 발전에 의한 발전플랜트 부지 제한성 극복 등의 대표적인 특성을 가지고 있다.

2.3. 기술 개발 배경

스위스 Sulzer Bros가 1948년 초임계 CO

2

사이

클의 우수성을 처음 제안한 후, 1967년 미국 Ernest G. Feher가 최초의 초임계 CO

2

사이클을 개발하 고 Figure 10과 같이 150 kWe급 발전시스템의 개 념설계를 수행하였다.

이후 1970년대 초까지 소련의 Gokhstein와 Verhi- vker, 이탈리아의 Angelino 등에 의해 초임계 CO

2

사이클에 대한 이론적인 열역학 성능이 정립되었 다. 특히 1968년 Van Dievoet는 액체소듐고속로 의 2차 계통 발전시스템으로 초임계 CO

2

발전시 스템을 제안하였는데, 즉 소듐이 가지는 산소 및 습기에 대한 높은 반응성을 제어하기 위해 기존 증기시스템 대신 초임계 CO

2

발전시스템을 제안 한 것이다.

초기의 다양한 선행 연구들에도 불구하고 초임

계 CO

2

사이클은 장기간의 연구 암흑기를 거쳐

2000년대에 들어서면서 다시 주목을 받기 시작하

(5)

Figure 10. 150 kWe급 초임계 CO

2 발전시스템.

는데, 거기에 따른 주요 기술적 원인으로서 다음 의 3가지로 제시하고 있다[3].

첫째, 고온, 고압 및 집적된 열교환기 제작기술 이 확보되었다는 점이다. 초임계 CO

2

사이클은 초 임계 CO

2

터빈 출구의 배기 열을 회수하기 위한 열교환기가 필수적인데, 기존의 Shell & Tube 혹 은 Plate-fin형의 열교환기는 극한환경 및 터보기 기 소형화에 적합한 집적화를 달성할 수가 없었 다. 이후 1990년대 후반 HEATRIC사의 인쇄기판 형 열교환기(PCHE: Printed-Circuit Heat Exchan- ger)가 상용화됨에 따라 초임계 CO

2

사이클에 적 합한 시스템 설계가 가능해졌다.

둘째, 보다 더 효율적인 동력 사이클의 필요성 때문이다. 현재 운전 중인 동력 및 추진 사이클은 1990년대 증기터빈 및 연소기를 포함한 형태의 가 스터빈 분야에 대규모의 투자와 기술개발이 집중 된 결과이다. 이 분야의 기술발전은 이미 성숙단 계에 들어섰으며, 증기터빈의 경우 운전온도 제한 에 따른 열효율 한계극복 및 대형화, 가스터빈의 경우 재질에 따른 터빈입구 온도상승 제한 등의 문제점을 극복하기 위한 기존 기술의 재조명 또는 응용을 통한 가능성 검증이 진행 중이다. 초임계 CO

2

사이클이나 헬륨 사이클, 초초임계압 증기사 이클 등은 효율적인 발전사이클을 확보하기 위해 진행 중인 기술이다.

셋째, 터보기기 및 플랜트 요소설비 분야의 기 술발전이 이루어졌다는 점이다. 초임계 CO

2

사이

클은 200기압 이상의 고압에서 고효율을 내며 200 MWe급 초임계 CO

2

터빈의 직경이 1 m 내외일 정도로 소형화가 가능하다. 그러나 수백 kWe급의 소용량 실증은 약 100,000 rpm, 수 cm의 터빈직경 및 수백 µm의 팁 크리어런스(간극)의 매우 가혹한 조건이 요구된다. 즉 초정밀 가공 및 제작기술의 발전과 고압 운전이 가능한 플랜트 설비기술의 발 전에 의해 2000년대에 들어서 초임계 CO

2

사이클 의 개념설계 및 실증이 가능해졌다. 특히 1997년 체코기술대학교의 재압축 사이클 연구, 2001년 일 본 동경공업대의 부분 응축 사이클 및 부식성 재 료 연구, 2001년 미국 아이다호 및 아르곤 국립연 구소의 액체금속고속로에 적합한 사이클 연구 등 으로 초임계 CO

2

사이클에 대한 관심이 재점화되 었다.

결정적으로 2004년 미국 매사추세츠 공과대학 (MIT)의 Dostal 박사의 학위논문에서 초임계 CO

2

사이클의 무한한 가능성이 보고됨에 따라 급속하 게 미국 내 전문가 집단이 만들어졌고 미국 에너 지성(DOE, Department of Energy)의 전폭적인 투 자가 이루어지고 있다[3,6].

3. 초임계 CO 2 발전 기술 개발 동향

3.1. 미국의 기술 개발 동향

미국은 2011년부터 DOE의 NREL (National Renewable Energy Lab) 주관으로 10 MWe 태양 열 발전용 초임계 CO

2

발전 실증을 위한 Sunshot 프로그램을 진행하고 있다[8].

미국의 샌디아 국가연구소(SNL, Sandia Natio- nal Lab)는 세계 최초로 초임계 CO

2

발전방식의 필수 구성품인 터보머신과 열교환기를 결합하여 종합실험장치(300 kWe급)를 구성하고 전력생산 까지 진행하고 있다. SNL은 Barber & Nichols사 와 함께 터보기기 및 종합 실험장치를 구성하여 실험을 하였으며, 현재 Echogen사와 함께 미국 DOE 지원 하에 10 MWe급 실증용 실험장치를 만 드는 사업을 다음과 같이 진행하고 있다[8].

- SNL과 Barber & Nichols사는 우선적으로 압

(6)

Figure 11. DOE Sunshot 프로젝트.

Figure 12. SNL과 Barber & Nichols사의 압축기 실험.

Figure 13. 1 MW

th 실험장치의 터빈 및 압축기.

축기 실험장치를 설계하여 실험을 수행함.

- 압축기 실험이 중요한 이유는 초임계 CO

2

발 전방식의 높은 열효율을 달성하기 위해서는 임계점 근처에서의 압축이 중요하며, 임계점 근처에서는 물성치 변화가 급격하기 때문에 압축기 설계 및 제작에 많은 불확실성이 있었 고 따라서 압축기 실험이 매우 중요하였음 (Figure 12).

- 이 실험을 통해서 초임계 CO

2

압축기 설계 및 제작 기술을 보유하게 되었으며 1 MW

th

급 종

합 실험장치에 있는 터빈과 압축기의 설계 및 제작 기술을 보유함(Figure 13).

- SNL과 Barber & Nichols사는 터보머신 기술 을 바탕으로 초임계 CO

2

발전방식 중 MIT에 서 제안한 최적의 사이클 레이아웃인 재압축 기를 가진 1 MW

th

급 실증장치를 제작하여 다 양한 운전영역에서 실험을 수행 중이며 각종 운전전략을 검토하고 있음.

Barber & Nichols사는 SNL과 공동으로 초임계

CO

2

발전기술의 핵심기기에 대한 기술을 개발하

였으며, 세계 최초로 임계점 근처에서의 압축에

대한 실험을 하였다. 또한 Echogen사는 대형 압축

기 전문 회사인 Dresser-Rand사의 자회사로 초임

계 CO

2

발전 기술을 통해서 폐열재생 관련 상품

을 개발한 회사이며, 현재 미국 DOE의 Sunshot

프로젝트에 참여하여 10 MWe급 초임계 CO

2

발

전시스템 실증플랜트를 건설하는 데 핵심적인 역

할을 수행하고 있으며, GE Marine사와 MOU를

체결하여 가스터빈 폐열재생 모듈의 상품화를 이

미 진행하고 있다.

(7)

Figure 14. KAPL 실험장치.

Figure 15. ANL 시스템 설계 및 실험장치.

Figure 16. PWR CO

2 무배출 석탄화력 발전소 개념.

미국의 NIST (National Institute of Standards and Technology)가 제공하는 열유체 물성 데이터 베이스가 현재 가장 공신력이 있는 데이터베이스 이며 대부분의 초임계 CO

2

발전방식과 관련 계산 은 NIST 데이터베이스를 이용하고 있으나 임계점 근처에서의 CO

2

물성과 CO

2

와 타 기체의 혼합물 의 임계점 거동예측 등에 대해서는 아직 불확실성 이 존재하고 있는 상태이다.

KAPL (Knolls Atomic Power Laboratory)은 SNL과 Barber & Nichols사에서 개발한 초임계 CO

2

발전 기술을 소형 경수로에 적용하는 것을 실험할 수 있는 장치를 Figure 14와 같이 제작하 였으며 주 내용은 다음과 같다[8].

- KAPL의 경우 미 해군 원자력 연구소이기 때 문에 선박추진용 원자로 적용성에 초점을 맞

추어서 연구를 진행하고 있음.

- 따라서 경수로 노심 출구 온도에 근접한 열원 을 확보하기 위해 유기용매를 가열하여 중간 열교환기를 통해서 열교환을 하는 간접가열 발전방식을 채택하고 있음.

ANL (Argonne National Lab)은 초임계 CO

2

발 전 기술 중에서도 특히 소듐냉각고속로에 대한 적 용성을 많이 연구하고 있으며, Figure 15와 같이 소듐냉각고속로에 적합한 초임계 CO

2

발전시스템 레이아웃에 대한 연구, 소듐냉각고속로와 초임계 CO

2

발전시스템의 인터페이스에 대한 연구, 그리 고 초임계 CO

2

발전시스템에 적합한 열교환기에 대한 연구 등을 진행하고 있다.

또한 NetPower사는 Shaw group, Exelon사,

(8)

Toshiba사 등에서 투자를 받아서 25 MWe급 천연 가스 발전시스템을 위하여 초임계 CO

2

발전 사이 클을 적용하고 있으며, 후속으로 250 MWe급 초 임계 CO

2

발전 설비를 구축하는 프로젝트도 진행 하고 있다.

미국 Pratt & Whitney Rocketdyne사에서는 Figure 16에서 보는 바와 같이 DOE 지원으로 초 임계 CO

2

사이클을 이용한 CO

2

무배출형 석탄화 력 발전플랜트의 개념설계를 진행하고 있으며, 미 국 General Electric (GE)사에서는 독자적으로 초 임계 CO

2

발전방식을 활용한 가스터빈 폐열재생 시스템을 연구하고 있으며 SNL에서 이에 대한 실 증연구를 하고 있다. 그리고 GE사는 Echogen사와 협약을 체결하여 소형 초임계 CO

2

발전 모듈 제 품을 시장에 내어 놓았다.

3.2. 일본의 기술개발 동향

Toshiba사는 현재 개발 중인 초임계 CO

2

사이 클 적용 화력발전플랜트에서 핵심 기기인 연소기 에 대한 목표인 초고압(300기압)에서의 연소 시험 을 2013년 7월에 성공했다. 초임계 CO

2

사이클 적 용 화력발전플랜트는 기존의 가스복합발전플랜트 에 상응하는 높은 발전효율을 나타내면서, CO

2

를 분리ㆍ회수하는 설비를 설치하지 않고 고순도의 고압 CO

2

를 회수할 수 있는 시스템이다. 또한, 천 연가스의 연소는 순산소를 산화제로 이용하기 때 문에 연소에 따른 질소 산화물이 발생하지 않는 환경 친화적인 화력 발전플랜트를 실현할 수 있 다. Toshiba사는 미국의 Internet Power사, Chicago Bridge & Iron사, Exelon사와 공동으로 본 시스템 을 공동 개발하기로 합의하고, 중요 부품인 고온, 고압 터빈 및 연소기의 개발을 담당해 왔다. 이 시 스템의 개발에 있어서는 다음의 3단계를 중요한 이정표로 하여 추진해 왔다[10].

- 초고압 고온 연소기의 개발 및 연소 시험 - 25 MW급 파일럿 플랜트의 설계, 건설 및 실

증 시험

- 250 MW급 상용기 설계 및 판매

이번 시험은 미국 캘리포니아주 시험기관의 설 비를 이용해 Toshiba사가 2013년 1월에 시작해 연 소기의 압력을 단계적으로 올려 연소특성 평가를 실시해온 것이다. 이번 연소 시험의 성공으로 본 시스템의 실현가능성이 크게 향상되었다고 평가 되었다. 즉, 고온, 고압의 가스 터빈 연소기의 실현 이 큰 장애물이었는데 이번 연소 시험 성공으로 첫 번째 단계를 달성한 것이다.

상기한 4개사는 앞으로 파일럿 플랜트를 미국 에 2015년 건설하여 실증 시험을 거친 이후 2017 년에 250 MW급 플랜트의 상용화를 목표로 하고 있다. Toshiba사는 향후 EOR (Enhanced Oil Re- covery)의 수요가 높은 미국과 중동 지역 등에서 본 시스템의 사업 전개를 도모함과 동시에, 석탄 가스화발전플랜트에 적용하여 연료 다양화 요구 에 대한 대응 및 LNG 수용시설에서의 병설을 통 한 플랜트 효율 향상 등을 달성하는 환경 친화적 인 시스템을 제안함으로써 에너지 최적 활용과 지 구 온난화 방지에 기여하고 있다.

3.3. 한국의 기술개발 동향

한국원자력연구원에서는 원자력 관련 국제협력 프로그램에서 차세대 원자로 적용을 위한 초임계 CO

2

발전시스템 연구에 참여하고 있다. 소듐냉각 고속로인 KALIMER-600과 연계하여 에너지전환 계통으로 초임계 CO

2

발전시스템의 계통을 구성 하고, 주요기기의 크기 및 형태 등을 설정하여 성 능분석 및 설계를 위한 1차원 코드 개발과 3차원 유동해석을 통하여 초임계 CO

2

발전시스템의 핵 심 기기에 적용 가능성을 분석하였으며, 최근 포 항공과대학과 한국과학기술원과 함께 초임계 CO

2

발전시스템 종합실증장치(300 kWe급) 설비를 구 축 중에 있으며 2014년에 계획되어 있는 발전 실 험을 목전에 두고 있다.

3. 맺음말

초임계 CO

2

발전 기술은 기존 발전방식의 주류

를 이루는 증기 사이클을 대체할 수 있고, 화력과

(9)

원자력은 물론 신재생에너지 등 다양한 열원에 적 용이 가능한 범용적인 사이클로 인식되고 있어 발 전기술의 패러다임을 바꿀 수 있는 잠재력을 가진 기술이다. 미국을 중심으로 기술 개발에 정진하고 있듯이 원자력발전소의 지리적 한계를 공냉식쿨 러 적용으로 극복할 수 있고, 폐열재생을 통해서 기존 시스템 효율을 3% 이상 향상시킬 수 있다.

또한 태양열 발전단가를 기저부하 수준으로 낮출 수도 있으며, CO

2

가 전혀 배출되지 않는 석탄화력 발전소의 구현도 가능하고, 그리드의 에너지를 저 장하는 기술로도 활용될 수 있다. 또한 초임계 CO

2

이용 히트펌프 및 초임계 CO

2

를 이용한 에너지 저장ㆍ운송 기술개발을 통해 냉난방 및 산업용 열 에너지 네트워크 분야에 보급이 가능하다. 추가적 으로 초임계 CO

2

열교환 기술을 응용하여 고온고 압 열교환기, 극저온 열교환기, 재생열교환기 및 공기분리분야 등에 적용할 수 있다.

국내외의 기술현황을 분석해 보면 초임계 CO

2

발전 기술은 기술 개발 및 시장 진입기로 분류할 수 있다. 발전플랜트 시장에서의 승자독식 논리로 보면 신속한 기술 개발 및 실증을 통한 기술검증 으로 시장 선점에 필수적인 실적(Track Record)을 확보하는 것이 필요하다.

참 고 문 헌

1. Jooho Hwang, Workshop on Fast Reactor Development, Washington D.C., Oct, 29, (2013).

2. 6차 전력수급 기본계획, 산업통상자원부, (2013).

3. Dostal et al. “A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors,”

MIT-ANP-TR-100, (2004).

4. Wright et al. “Modeling and Experimental Results for Condensing Supercritical CO2 Power cycle,” Sandia Report, SAND2010- 8840, (2011).

5. Le Moullec, “Conceptual study of a high effi- ciency coal-fired power plant with CO

2

cap- ture using a supercritical CO

2

Brayton cycle,”

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(10)

염 충 섭

1987 경희대학교 원자력공학과 학사 1990 경희대학교 원자력공학과 석사 2008 아주대학교 시스템공학과 박사 1996～1997 Canada AECL 초청연구원 2002～2003 공업화학회 학술지 편집위원 2010～2012 동국대학교 겸임교수 1993～현재 고등기술연구원 수석연구원