한국원자력연구원(이하 원자력연) 선진SMR기술개발부 차재은 박사팀이 개발한 ‘초임계 이산화탄소 발전시스템’이 국내 최초로 생산 전력이 투입 전력보다 높은 ‘분기점(Break-even Point)’ 도달에 성공했다.
초임계 이산화탄소 발전은 액체와 기체의 성질을 동시에 갖는 초임계 상태 이산화탄소로 전기를 생산하는 차세대 고효율 발전시스템으로, 미국 중국 등 기술선진국의 분기점 달성을 위한 경쟁이 치열하다.
원자력연은 초임계 이산화탄소 발전 연구에 착수한 지 4년 만에 발전시스템에서 순출력을 생산하는 기준점과 운전 기술을 확보, 완전한 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전시스템 분야 세계 최고 수준의 기술력을 확보했다.
초임계 이산화탄소 발전시스템의 주요 구성은 이산화탄소를 초임계 상태로 만들기 위한 ‘압축기’, 압축기를 돌리는 ‘구동터빈’, 초임계 이산화탄소로 전력을 생산하는 ‘발전터빈’ 등 세 가지다.
연구팀은 압축기 작동을 위한 구동터빈을 개발하고 시스템 내부에 추가해 이산화탄소를 압축하면서 외부 열원 온도와 이산화탄소 유량을 서서히 올리며 시스템을 실증해 투입전력보다 발전 시스템 생산전력이 커지는 ‘전력 생산 분기점’에 도달한 것을 확인했다.
이는 외부 열원과 함께 시스템 내부에서 자체적으로 이산화탄소를 압축하는 힘을 공급해 전력을 생산하는 시스템을 완성한 것이다.
앞서 지난 4월 연구팀은 ‘발전터빈’ 실증에 중점을 두고 외부 모터로 이산화탄소 압축기를 돌려 초임계 상태에서 100㎾ 전력을 생산하는 데 성공한 바 있다.
일반적으로 ㎿e급 이하 초임계 이산화탄소 발전시스템은 40톤 트레일러에 적재할 수 있는 크기가 돼야 경쟁력이 있다.
이는 기존 증기발전시스템의 1/10 크기로, 차세대 원자로, 태양열, 선박배기열, 석탄화력 등 다양한 열원과 같이 쓰일 수 있을 정도로 소형화 장점을 지닌 발전시스템이다.
초임계 상태 이산화탄소는 액체처럼 밀도가 높아 터빈을 돌리는 힘이 일반 수증기보다 더 강력하다.
따라서 동력시스템 크기를 작게 만들 수 있는 장점이 있고, 아울러 기체이기 때문에 마찰 손실이 적고 부식에서도 자유로운 이점이 있다.
차 박사는 “현재 목표로 하는 정격출력 500㎾ 달성하고, ㎿급 발전시스템 개발을 위해 연구를 이어가겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 민군협력진흥원 민군겸용기술개발사업의 ‘수상함 배기열 회수 초임계 이산화탄소 발전 기술개발’ 과제로, ㈜진솔터보기계, KAIST, 포스텍 등이 참여했다.
