초임계 CO₂를 이용한 발전기술

이 윤 우 서울대학교 화학생물공학부 교수 ㅣ e-mail : [email protected]

미국의 국립해양대기청(NOAA)은 2015년 3월에 대기 중 이산화탄소의 지구 월 평균 농도가 400ppm을 돌파하 여 사상 최고치를 갱신하였으며 계속하여 가속적으로 증 가하고 있다고 발표하였다. 이렇게 재생가능하지 않는 화 석 연료 등의 대량 소비로 지구 온난화가 진행되고 이는 다시 대형 태풍, 홍수나 가뭄, 이상 한파, 이상 고온 같은 이상기후, 빙하지역의 해빙에 따른 해수면 상승 등 재앙 으로 나타나고 있다. 경제-환경 zero-sum 시대에는 경제 를 중요시하고 환경을 무시하면 환경이 오염되어 인간에 게 커다란 재앙을 가져오고, 환경을 지나치게 강조하면 경제가 활력을 잃게 된다. 환경이 한번 오염되면 이를 복 원하는 데에는 천문학적인 비용이 소요되기 때문에 지속 가능한 사회를 구현하고 복잡한 환경문제를 해결하는 데 에는 경제와 환경 간의 화해가 필요하다. 따라서 경제도 살리면서 환경도 보호하는 인식의 전환으로“경제-환경 win-win 시대”를 맞이하고 새로운 경제-환경 패러다임 시 대에는 기술 혁신 및 창의력으로 경제도 활성화시키면서

지속적으로 환경보호도 해야 한다. 전력분야에서의 지구 온난화 대책으로는 수력・지열, 태양광・풍력・바이오매 스 발전 등 재생 가능 에너지의 개발・보급 등 비화석 에 너지의 이용 확대, 석탄 화력의 고효율화 등에 의한 화력 발전 열효율의 새로운 향상과 송・배전 손실 절감 등의 전력 설비의 효율 향상을 들 수 있다. 이에 더하여 최근 개 발되고 있는 초임계 CO

발전기술은 국가 CO

저감 목표 를 달성하면서 에너지안보를 확립하고 국가의 새로운 신 성장엔진으로 전개해 나아갈 수 있어서 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 혁신적인 기술로서 초미의 관심을 사 로잡고 있다. 초임계 CO

가스 터빈은 초임계 상태의 CO

를 80~200기압과 35~600℃ 정도의 범위에서 압축, 가열, 팽창, 냉각하는 폐쇄 사이클 가스 터빈이며, 외부 가열 방 식 때문에 다양한 열원을 이용할 수 있고 기존 증기 터빈 에 비해서 1,000~10만 kW 정도의 중소형장치에서 10~20% 정도 높은 효율로 크게 소형화가 실현될 수 있다.

추출공정

합성 및 반응 공정

카페인제거 커피, 호프엑기스, 향료, 참기름, 현미, 향신료, 어유 속의 생리활성물질 (DHA, EPA), 사용이 끝난 핵연료 속의 우라늄, 토양 속의 오염물질

카보네이트 합성, 이산화탄소의 수소화에 의한 개미산 합성, 불소계 고분자의 합성, 효소반응(리파제에 의한 에스테르화, 탈탄산효소에 의한 카르복실화)

표 1초임계 CO₂의 응용

분야 응용사례

재료의 제조・

가공

마이크로・나노 미립자의 합성 (의약품, 고분자, 마이크로 캡슐, 전자재료), 박막형 성 (반도체 디바이스 상에 구리배선 형성), 발포고분자 (마이크로 셀룰러 플라스틱), 정밀세정 (반도체디바이스, 전자부품, 기계부품), 고분자코팅, 건조 (에어로겔 제조), 염색, 표면개질 (도금, 플라스틱표면의 가소화와 기능성물질의 주입)

그림 1이산화탄소의 상태

이 글에서는 초임계 CO

의 정의와 특징 그리고 이를 이용한 발전기술에 대한 국내외 초임계기술의 현황과 시사점에

대하여 소개한다.

초임계 CO

이산화탄소의 임계온도는 31.1℃, 임계압력은 7.4MPa 이며, 임계온도-임계압력 이상에서 초임계 이산화탄소가 된다. 초임계 이산화탄소의 특징은 자유롭고 빠르게 움직 이는 분자들의 회합으로부터 유래하며(그림 1) 실온부근 의 임계온도가 온화하고 불연성이며, 무극성으로 반응성 이 없고, 유기물을 용해하는 힘을 갖으며, 가격이 싸다는 점이다. 이러한 장점을 활용하여 현재 다양한 분야에서 이 용되고 있는 염소계 용매나 헥산과 같은 유독성이거나 가 연성인 유기용매의 대체물로서 사용할 수 있다. 특히 임계 온도가 실온 근처이므로 유기용매를 이용하고 있는 추출ㆍ 유기합성ㆍ재료합성 반응 공정에 대체하여 적용하기 쉽 다. 추출에 이용한 경우에는 고압에서 추출한 후, 저압으 로 되돌림으로써 용매가 기체로 되어 없어지기 때문에, 식 품ㆍ의약품분야 등 용매의 안전성이 요구되는 분야와 궁 합이 잘 맞는다. 또 초임계 유체의 높은 확산성과 낮은 점 도 때문에, 미세구조에 대한 침투성이 뛰어나고, 반응전구 체 등을 미세구조에 침투시켜 기능성재료를 만드는 데 유 리하며, 또 이산화탄소 자신도 고분자 속에 침투하기 때문 에 고분자를 팽윤시키는 것도 가능하다.(표 1)

초임계 CO

발전기술 개념

초임계 CO

발전기술은 임계압력 이상으로 압축된 CO

를 고온으로 가열하여 Turbine을 구동하는 Brayton Cycle 방식의 전력생산 기술이다(그림 2). CO

를 120~200 기압으로 가압된 후 250~600℃ 정도로 가열하고 이 고온 고압의 CO

가 팽창할 때에 터빈을 돌려서 발전을 한다.

터빈을 나온 CO

는 80기압 정도이며, 외부에 방출되지 않 고 35℃ 정도로 냉각된 후에 압축기에 보내고 다시 가 압・가열되고 터빈을 돌린다. 이 Cycle의 특징은 압축기 를 임계점 근처에서 운전함으로써 압축에 필요한 동력을 대폭 절감하여 기존의 가스 터빈에 비해서 발전 효율을 크게 향상할 수 있다. 전통적으로 석탄 화력발전 시 사용 되는 Rankine Cycle의 경우 작동유체로 물이 사용되었다.

Brayton Cycle에 사용되는 경우 고온에서 가지는 물의 부 식성 문제가 있지만, 초임계 CO

를 작동유체로 사용하는 경우 부식성으로 인한 제약을 피할 수 있다. 초임계 유체 는 액체 상태와 유사한 밀도, 기체와 비슷한 점성을 가지 기 때문에 압축 및 순환 에너지 소모도 줄일 수 있다는 장 점이 있다. 게다가 초임계 CO

를 이용하여 발전을 하는 경우 기존의 증기를 이용하는 경우에 비해 높은 효율을 가질 뿐만 아니라 모든 공정에서 고압 조건으로 할 수 있 기 때문에 Turbine 및 Compressor 등의 크기를 크게 소형 화, 단순화 시킬 수 있어서 선박용 발전이나 해양플랜트

그림 2Recompression Closed Brayton Cycle Schematic Diagram

그림 3Compact design of sCO₂turbine(1/20)

에 적용할 수 있다.

또한 초임계 CO

발전기술은 고효율의 장점을 가지고 있기 때문에 발전에 적용될 수 있는 에너지원이 다양하 다. 현재 초임계 CO

를 사용한 Closed Brayton Cycle은 차 세대 원자력 발전, 화석 발전, 태양열 발전, 선박용 전력 분야 등과 결합하여 전력을 생산하기 위한 차세대 고효율 사이클로서 활발하게 추진되고 있다. 뿐만 아니라 초임계 CO

발전은 400℃ 이상의 고온에서만 효율이 높은 것이 아니라 비교적 저온인 100~200℃에서도 기존의 Rankine Cycle과 비슷한 효율을 갖기 때문에 지열 발전, 폐열 회수 에서도 활용하는 것이 가능하다(그림 4). 기존 발전 방식 은 바닷물을 사용하는 수냉식 냉각을 이용하기 때문에 발 전소의 위치가 바닷가 등으로 제한적이었지만, 초임계 CO

발전의 경우 모든 과정이 고온, 고압에서 이루어져도 높은 열효율을 달성할 수 있기 때문에 공랭식 냉각 방식 도 충분히 가능하고, 이로 인해 기존의 방식이 가지는 발 전소 부지의 제한성도 해결할 수 있다.

초임계 CO

발전시스템의 장점을 요약 정리하면 다음 과 같다.

(1) 기존 증기 발전시스템보다 열효율이 2~5%p까지 상 승한다.

(2) 기존 증기 발전시스템보다 터보기기가 소형화된 다.(CO

Cycle이 임계점 이상에서 작동하기 때문에 최저압력이 높아서 CO

의 밀도가 항상 높게 유지되 어 동일 질량유량 대비 체적유량이 작아지게 되며, 따라서 터보기기의 크기가 증기발전시스템보다 최

대 1/10 이하로 줄어들게 됨)

(3) 인쇄형 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger)와 같은 고집적 열교환기를 적용하면 부지면적을 1/4 이하 까지 소형 화 할 수 있다.

(4) 높은 발전효율을 가지고 있기 때문에 경 제적인 공랭식 발전시스템 설계와 운전 이 가능하다.

(5) 저압부가 74기압 이상으로 유지되므로 외부 공기 유입 문제가 발생하지 않는다.

(6) CO

는 가격이 싸고 독성이 없으며 불연성이라서 발 전시스템에 적용하기에 적합한 녹색유체이다.

초임계 CO

발전의 역사

1948년 스위스의 Sulzer Bros가 처음으로 초임계 CO

를 이용한 발전 cycle을 제안한 이후, 많은 나라에서 이 방식 의 장점을 인식하면서 본격적인 연구가 시작되었다. 이후 1967년 미국의 Ernest G. Feher가 초임계 CO

cycle을 최초 로 개발하고, 1970년대 초 소련의 Gokhstein과 Verhiveker, 이탈리아의 Angelino 등에 의해 초임계 CO

cycle에 대한 이론적인 열역학 성능이 정립되었다. 하지만 초기의 이러 한 연구들에도 불구하고, 그 당시의 기술적인 한계로 한 동안 연구가 크게 이루어지지 않았다. 2000년대 초 기존에 사용되는 발전 방식보다 더 효율적인 방식의 필요성이 점 차 대두되면서 다시 초임계 CO

cycle에 대한 연구가 주목 받기 시작하였다. 또한, 1997년 체코 Czech Technical University의 재압축 cycle에 대한 연구, 2001년 일본 Tokyo Institute of Technology의 부분 응축 cycle과 재료의 부식성에 관한 연구, 2001년 미국 Idaho National Engineering Laboratory와 Argonne National Laboratory의 액체금속고속로에 적합한 cycle의 연구 등 다양한 연구가 진행되면서 초임계 CO

cycle이 재조명 받게 되는 계기가 된다. 2004년 Dostal 박사의 MIT 학위 논문에서 초임계 CO

cycle에 대한 많은 잠재력을 제시한 것이 계기가 되어

그림 4초임계 CO₂발전기술의 다양한 열원과 온도범위에 대한 적용성

미국 에너지성(DOE: Department of Energy)이 초임계 CO

cycle에 대한 전폭적인 투자를 하게 된다. 현재 세계 각국은 초임계 CO

를 이용한 발전기술을 차세대 발전기 술로 인식하고 이에 대한 많은 연구를 하고 있다. 그 중 미 국은 최고 기술 보유국으로 평가받고 있다.

국내외 기술 현황

미국의 NREL은 2011년부터 초임계 CO

cycle을 10MWe급 태양열 발전에 적용하기 위한 Sunshot 프로젝 트($20M)를 진행하고 있으며, 이 프로젝트의 협력기관으 로는 SNL(Sandia National Lab), Echogen, EPRI(Electric Power Research Institute), BNI(Barber & Nichols Inc.) 등이 있다. 미 해군 원자력연구소 KAPL(Knolls Atomic Power Lab) 그리고 해군연구소(ONR)는 선박 추진용 원자로에 적용할 수 있는 초임계 CO

발전에 대한 연구를 진행하고 있으며, Sandia National Lab은 세계 최초로 초임계 CO

발 전 방식의 필수 구성요소인 Turbine과 Heat Exchanger를 결합한 250kWe 종합실험장치를 구성하고, 이를 바탕으로 전력생산 연구를 진행하고 있다. Barbers & Nichols 사의 경우 Sandia National Lab과 함께 세계 최초로 CO

의 물성 이 급격하게 변하는 임계점 부근에서 압축 실험을 진행하 였다. Argonne National Lab(ANL)은 초임계 CO

발전기술 중에서도 특히 소듐냉각고속로에 대한 적용을 많이 연구 하고 있으며, 이에 적합한 발전 시스템인 재압축 초임계 CO

cycle에 대한 연구가 진행 중이다. Echogen 사는 초임 계 CO

발전기술을 이용하여 수MWe~수백MWe급 폐열 재생과 관련된 상품을 개발하였다.

일본의 Toshiba 사는 2012년부터 미국의 벤처기업 NETpower, 엔지니어링사인 Chicago & Bridge Iron Inc., 전력회사인 Exelon, 그리고 River Capital 등의 4개의 회사 와 공동 개발을 추진한 초임계 CO

사이클 화력발전시스 템의 실증 시험용으로 건설되는 텍사스 주의 파일럿 플랜 트 전용 핵심 부품인 터빈과 연소기를 2016년 8월부터 순 차적으로 공급을 시작하고 25MW급 파일럿 플랜트에서

2017년부터 실증 시험을 실시하고, 250MW급 플랜트를 상 용화하여 2017년에 시험 운전을 개시할 예정이다. 특히 이 시스템의 특징으로 터빈 입구에서의 온도는 가스 터빈 수 준의 높은 온도와 증기 터빈 수준이 높은 압력의 가스를 이용하기 때문에 Toshiba 사는 고온 증기 터빈용 재료 기 술, 가스 터빈 냉각 기술을 활용한 터빈, 가스 터빈의 연소 기술 등을 응용한 연소기를 개발하였으며 기존보다 10배 이상인 약 300기압에서도 사용할 수 있다. Tokyo Institute of Technolgy에서는 10kW급 실험설비를 구축하여 연구를 수행 중이며, Japan Atomic Energy Agency에서도 SFR 사 이클 등과 같은 요소기술 실험을 진행하고 있다.

중국의 경우에도 2015년 1,900만 불의 연구비를 확보하 여 ITL(Integrated Test Loop), TTL(Thermal Test Loop)을 구축 완료하고 기반 연구 및 실험을 수행하고 있다.

초임계 유체에 대한 국내연구는 1980년대 중반부터

KIST 이윤용 박사를 중심으로 초임계추출 등의 연구가 진

행되었으며, KIST 이윤우 박사(현 서울대 교수)가 1999년

부터 운영한 국가지정 초임계 유체연구실로부터 다양한

분리, 합성반응, 나노입자제조, 폐수처리, 재료공정 기술

등이 소개되었으며, 경희대학교 박광헌 교수가 운영한 국

가지정연구실에서는 초임계 세정기술을 바탕으로 청정

원자력을 위한 신용매 세척기술이 개발되었다. 한편 충남

대 황성주 교수(현 연세대 교수)는 난용성 약물의 용해도

및 생체이용률 향상을 위한 고체상태의 나노입자 제조기

술을 초임계 이산화탄소기술로 개발하는 국가지정연구

실을 운영한 바 있다. 한편 서강대 유기풍 교수가 운영하

는 대규모 초임계기술연구사업단에서는 초임계 유체를

이용하여 친환경 반도체 세정 상용화 기술 개발을 진행하

였다. 민간에서의 연구개발도 활발하게 진행되어 한화석

유화학에서는 한주희 박사팀과 명완재 박사팀을 주축으

로 추출, 폐수처리, 입자제조, 표면개질 등 다양한 분야에

서 세계적인 연구 성과를 내고 이를 상업화하여 우리나라

초임계 유체기술을 선진국 수준으로 끌어올렸다. 이러한

연구개발의 결과로서 현재 국내에서는 세계적인 규모 초

임계추출장비(설계조건 80℃, 600기압)와 폐수처리 시스

템(550℃, 300기압), 그리고 나노입자제조(400℃, 300기 압)에 대한 상업적인 설비를 설계하고 운전한 경험이 있 다. 한편 국내 석유화학공장에서는 폴리에틸렌을 생산하 는 데에 초임계 에틸렌(300℃ 이상, 2,000기압 이상)의 가 혹한 조건을 운전하고 있으며, 일신오토클레이브(김현효 대표이사)가 다양한 초임계설비와 고압 시스템을 국산화 하여 공급하고 있어서 초임계 CO

발전시스템을 개발하 는데 튼튼한 기반을 제공해 줄 것으로 기대한다.

초임계 CO

발전기술에 대해서는 2003년에서 2005년 까지 3년 동안 한국원자력연구원과 미국의 ANL이 공동으 로 International Nuclear Energy Research Initiative에 참여 하여 소듐냉각원자로에 초임계 발전기술 도입가능성을 평가하는 연구를 진행하면서 시작되었다. 2012년부터 2015년까지 한국원자력연구원(차재은 박사)은 한국과학 기술원(이정익 교수), 포스텍(박현선 교수)과 함께 원자력 원천기술개발사업으로 300kWe급 실험실 규모 입증시설 (SCIEL: S-CO

Cycle Integral Experiment Loop)을 구축하 여 차세대 원자로(소듐냉각고속로) 적용을 위한 초임계 CO

발전 사이클에 관한 연구를 진행 중에 있으며, 2015 년 초 시범 전력생산을 계획하고 있다. 이 연구에서는 압 력비 2.5 이상의 초임계 발전시스템을 세계 최초로 구현 하고, 2단 압축 및 2단 팽창 사이클을 세계 최초로 수행한 바 있으며, 10MWe 초임계 발전시스템의 핵심자료를 생 산하였다. 한국원자력연구원은 시스템통합 및 종합실험 루프 구축, 한국과학기술원은 터보기기 및 사이클 설계, 포스텍은 고집적 열교환기 설계, 그리고 진솔터보기계는 터보기기 상세설계 및 제작을 맡았다. 향후에는 소형모듈 원전(SMR)과 연계한 초임계 CO

발전 시스템 개념을 개 발하고, SCIEL을 이용한 설계개념 타당성 평가 및 SCIEL 의 확정기반기술을 확보하는 것을 목표로 하고 있다. 고 등기술연구원(임동렬 박사, 염충섭 박사)에서는 석탄화력 에 의한 초임계 CO

발전 사이클의 연구를 수행하였으며, 한국에너지기술연구원 열에너지변환연구실(백영진, 조 준현, 나호상, 김민성 박사팀)에서는 소형 초임계 CO

발 전 사이클 및 요소기계 설계 연구를 진행 중이며, 기계연

구원, 한국우주항공연구원 등에도 기관고유 또는 자체과 제를 통하여 연구가 진행 중이다. 두산중공업에서는 초임 계 유체를 이용한 증기 Turbine을 개발하고 있으며, 삼성 테크윈의 경우 1MW급의 가스 Turbine 시스템을 개발하 였다. NEUROS에서는 정부의 지원 하에 65kW급의 마이 크로 가스 Turbine을 개발하고 있으며, 한국터보기계, 삼 정터빈, AENTL 등은 주로 500kW급 이하의 마이크로 가 스 Turbine을 개발 중이거나 개발할 수 있는 기술력을 가 진 것으로 생각된다.

맺음말

초임계 CO

발전기술은 1세기 역사를 가지고 있는 발전

기술의 패러다임을 바꿀 수 있는 차세대 기술이다. 선진국

에서는 이 기술의 상업화에 총력을 기울이고 있으면서

Export Control 항목으로 지정관리하고 있어서 국제협력

이 어려운 상황이다. 우리나라의 CO

저감 목표를 달성하

고 에너지안보 확립 차원에서도 초임계 CO

발전기술은

다양한 열원에 적용 가능하므로 매우 시급히 개발되어야

하며 이는 정부의 First Mover 정책과도 부합되는 기술이

다. 그러나 선진국에서도 시장이 형성되지 않아서 투자에

대한 높은 리스크로 미국에서도 25MW급의 발전설비에

대한 실증연구를 진행 중이다. 우리나라에서도 기초연구

가 진행 중이나 선진국과의 기술격차가 3년 정도로 추산

하되 투자가 지연될 경우 10년 이상의 기술 격차로 인하여

기술 종속이 될 것으로 예상된다. 이에 산업통상자원부에

서 초임계 CO

발전 시스템 추진단(단장 염충섭, 고등기술

연구원)이 구성되고 미래성장동력-산업엔진 19대 사업에

선정되어 2021년 300MW급 발전시스템의 상용화 기반 구

축을 위한 국가적인 연구개발의 Jump up 전략이 확보된

것은 매우 시의 적절한 결정이라고 생각한다. 비록 우리나

라의 경우 선진국에 비해 연구개발의 착수가 늦어진 것은

사실이지만, 산학연관의 협력 연구와 중공업 건설 발전설

비 운영 등의 경험으로 빠른 시간에 First Mover로서 선진

국 대열에 진입할 수 있을 것으로 기대된다.