업계 ‘초임계 이산화탄소 발전’ 주목
업계 ‘초임계 이산화탄소 발전’ 주목
  • 조강희 기자
  • 승인 2016.05.23 10:44
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두산중공업, 세계적 선두주자와 제휴·한전-현대중공업, 공동 개발 ‘박차’
▲ 초임계 이산화탄소 발전 설비

[창간 22주년 특집 기획]

[한국에너지신문] 초임계 이산화탄소 발전이 최근 주목받으면서 관련된 기업들의 움직임도 달라지고 있다. 외국과의 기술제휴로 상용화를 앞당기는 기업도 있고, 직접 관련 기술을 개발하기 위해 분주한 움직임을 보이는 기업도 있다.

온실가스 감축·분산전원 형성에 ‘최적화’

수증기 터빈에 비해 발전 효율 높고 소형화 가능

2020년 전후로 순차적 상용화될 듯

초임계 이산화탄소 발전 기술은 화력발전소에서 쓰이고 있는 증기 대신 초임계 상태의 이산화탄소를 사용하는 발전 방식으로, 증기터빈 발전에 비해 획기적 발전효율 향상과 소형화가 가능하다.

이 때문에 정부는 지난해 3월 ‘미래성장동력-산업엔진 종합실천계획’을 발표하고, 초임계 이산화탄소 발전시스템을 개발해 에너지산업의 국제적 경쟁력을 확보한다는 전략을 밝혔다. 업계의 움직임은 이에 대한 후속 반응이다.
지난해 6월 두산중공업은 초임계 이산화탄소 발전기술을 확보하고 상용화에 나섰다. 두산중공업은 미국 에코젠파워시스템즈(Echogen Power Systems)와 ‘초임계 이산화탄소 폐열회수 발전설비 기술 협약’을 체결하고 차근차근 관련 사항을 진행하고 있다. 에코젠파워시스템즈는 세계 최초로 7MW급 초임계 이산화탄소 발전설비 실증시험에 성공하는 등 이 분야에서 선두주자로 꼽히는 업체다.
두산중공업은 특히 시멘트, 철강 플랜트 발전설비용 등 세계 시장을 연간 2조원 규모로 추산하고, 이 설비에서 매년 1000억원 이상의 매출 달성을 목표로 하고 있다.
한국전력공사 전력연구원과 현대중공업은 파리협정 이후 본격화되고 있는 에너지신산업 분야 핵심기술 확보 및 에너지의 효율적 이용을 도모하기 위해 2019년까지 디젤·가스엔진의 폐열을 이용하는 ‘초임계 이산화탄소 발전 기술’의 개발에 직접 착수했다.
양사는 폐열을 이용한 초임계 이산화탄소 발전기술은 육상은 물론 대형 선박에서 사용되는 디젤 및 가스 엔진의 배기가스를 열원으로 이용하는 방식을 개발하기로 방침을 정하고 늦어도 2017년 내에는 개발을 완료하고, 2019년까지는 상용화하기로 했다.
한전과 현대중공업은 2019년까지 30MW급 디젤·가스엔진에서 배출되는 300℃의 폐열을 이용해 발전용량 2MW를 갖는 초임계 이산화탄소 발전 시스템을 개발할 계획이다.
양 사는 2017년까지 단위기기와 초임계 이산화탄소 발전시스템을 개발하고 2019년까지 시제품 성능시험 및 실증을 거쳐 상용 시스템을 개발할 예정이다. 초임계 이산화탄소 발전시스템은 기존의 증기를 이용한 발전에 비해 효율이 최대 30% 이상 증가하며, 소형화할 수 있어 초기 투자비용이 기존 방식의 60% 수준으로 훨씬 경제적이다. 폐열은 물론 신재생에너지, 원자력 등 다양한 열원을 이용할 수 있고 기가와트(GW)급 대형발전소까지 적용 가능해 차세대 발전기술로 손꼽히고 있다.
관련 시장은 2023년 14조원 규모로 급성장할 것으로 전망되는 가운데 한전과 현대중공업은 2023년 3000억원의 매출액 달성을 목표로 공동 브랜드를 만들어 해외사업 기반을 구축하는 등 기술판매 및 발전사업 시장 진출을 추진한다.
양 사는 12일 한전 전력연구원에서 김동섭 한전 전력연구원장과 신현수 현대중공업 중앙기술원장 등 관련 연구진 50여명이 참석한 가운데 공동 연구과제 착수회의를 개최했다. 김동섭 전력연구원장은 “ 고효율의 초임계 이산화탄소 발전기술 개발을 통해 정부의 2030 국가 온실가스 감축 목표 달성에 기여할 것이며, 에너지 신산업의 원동력이 될 것”이라고 밝혔다.
신현수 현대중공업 중앙기술원장도 “선박온실가스 규제강화로 인해 초임계 이산화탄소 발전시스템을 통한 선박엔진의 효율향상기술에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것”이라며 “선박은 물론 엔진발전 플랜트, 저온 폐열 분야의 공동 사업 기반을 구축하겠다”고 말했다.
 

두산중공업

7MW 설비 실증한 미 에코젠파워시스템즈와 기술협약

한전-현대중공업
30MW급 디젤·가스엔진 300℃ 폐열 이용

초고효율화 발전 방식…규모 제약 없고 연계 열원 광범

▲ 에너지기술연구원의 초임계이산화탄소발전 시험설비

이산화탄소는 수증기나 다른 유체의 증기에 비해 낮은 온도와 압력으로도 초임계 상태에 도달하는 특징이 있다. 이는 비용을 낮출 수 있고, 발전 효율이 높아지는 중요한 특징이다. 임계점인 31℃, 7.37MPa만 넘으면 초임계상태로 변해 액체처럼 밀도가 높고, 가스처럼 팽창해 공간을 차지한다. 임계점 근처에서는 온도가 높아지면 밀도 변화가 커지고, 온도를 약간 상승시키려면 많은 에너지가 필요하다. 
간단히 하면 이산화탄소를 사용해 에너지 효율이 높아질 수 있다는 것. 주요 설비의 소형화가 가능해 발전소 건설비용이 적게 들고, 수분으로 인한 터빈 부식이 없어 내구성이 강하다.
초임계 이산화탄소 발전기술은 특히 폐열을 활용할 수 있는 시멘트, 철강 등 산업 플랜트 발전 설비용으로 각광 받고 있고, 선박 추진용으로도 활용할 수 있다.
규모에도 제약이 없어 소규모 분산전원에서부터 대규모 발전까지 확대할 수 있고, 폐열, 지열, 바이오가스, 화력, 태양열, 원자력 등 적용 및 연계 열원도 광범하다.
 
미국 일본 등 세계 각국, 연구개발 진행

초임계 이산화탄소 발전시스템의 개념은 이미 1970년대에 창안됐으나 2000년대에 들어서서야 미국에서 기술적 타당성이 입증되면서 상용화를 위한 연구개발이 지속되고 있다. 특히 미국과 일본 등 세계 각국은 초임계 이산화탄소 발전기술을 차세대 발전 기술로 인식하고, 이에 대한 연구개발을 진행하고 있다. 미국 해군원자력연구소(KAPL)는 이미 2000년대 후반 추진용 원자로의 적용에 초점을 맞춰 관련 연구를 진행해 왔으며, 현재는 100kWe급 설비의 설계와 제작에 중점을 두고 있다. 국립신재생에너지연구소(NREL)에서도 태양광 발전 시스템의 비용절감을 위해 초임계 이산화탄소 발전시스템 사이클을 적용해 효율을 개선하는 과제를 수행하고 있다. 이 사업에는 현재 샌디아국립연구소와 위스콘신대학교, 에코젠파워시스템, 미국전력연구소(EPRI), 바버니콜스 등이 참여하고 있다.
일본 도시바는 초임계 이산화탄소 발전 사이클 연소기와 터빈, 발전기를 개발하고 있으며, 미국 넷파워(NET POWER), CB&I, 엑셀론(Exelon) 등과 함께 사업을 진행한 바 있다. 
국내에서도 2013년 한국원자력연구원이 원자력 국제협력프로그램에서 소듐 냉각고속로 적용을 위한 초임계 이산화탄소 발전시스템 연구에 참여해 실증설비를 구축하고 시험을 진행한 바 있다.
정부는 앞서 지난 3월 발표한 ‘미래성장동력-산업엔진 종합실천계획’에 따라 초임계 이산화탄소 발전시스템을 개발해 에너지산업의 국제적 경쟁력을 확보한다는 전략을 밝힌 바 있으며, 관련 산업을 육성하기 위한 정책적 지원을 추진하고 있다.
 


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