[알쓸신발③]증기 대신 이산화탄소로 전기 생산, 탄소제로 발전소를 향해

[알아두면 쓸데 있는 신기한 발전소 ③]

증기 대신 이산화탄소로 전기 생산, 탄소제로 발전소를 향해

 16기 김창준, 17기 김민석

  일반 화력발전소는 석탄, 천연가스와 같은 화석연료를 태워 발생한 열을 통해 물을 가열해서 나온 수증기로 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 이러한 화석연료를 태우는 과정에서, 부산물로 온실가스인 이산화탄소가 배출된다. 이산화탄소는 지구온난화의 주된 원인이기 때문에 세계 각국에서 배출량을 줄이기 위해 노력 중이다. 우리는 전기 생산을 위해 화력발전이 지구온난화에 끼치는 영향을 알고 있음에도 불구하고 화력발전소를 가동하고 있다. 하지만, 최근 이산화탄소를 배출하는 것이 아닌 이산화탄소를 이용해 터빈을 돌리는 기술이 등장하고 있어 이산화탄소를 배출하지 않는 청정 발전소의 등장이 머지않았음을 예상할 수 있다.

[자료 1.  화력발전소 굴뚝 모습]

출처 : 연합뉴스  

▣ 지구를 지키는 ‘탄소제로 발전소’의 첫 가동

 미국 텍사스주 외곽지역인 라포르테에서 세계 최초로 이산화탄소를 거의 내뿜지 않는 발전소의 시운전을 진행했다. 이 시험발전소는 미국 벤처회사 넷파워에서 건설한 곳으로, 25MW의 전력을 생산하는 발전소로써 탄소제로를 표방한 발전소다. 이 발전소에는 독특한 터빈이 사용된다. 넷파워가 개발한 이 터빈은 이른바‘알램 순환’이라는 원리가 적용된 터빈을 증기가 아닌 뜨겁고 압축된 이산화탄소의 힘으로 가동한다.

 연료를 순산소 연소시켜 농도가 짙은 이산화탄소를 얻은 후 이를 대기압의 300배 수준의 높은 압력과 적당한 온도로 다루면 1150도까지 가열되는 초임계 상태라 불리는 유체가 된다. 초임계 상태 유체는 액체처럼 밀도가 높을 때도 기체처럼 작용하는 상태이기 때문에 이산화탄소가 갖는 특성이 발전용 터빈을 돌리기에 제격이다. 예를 들면, 수증기보다 밀도가 훨씬 높아 강력한 힘으로 터빈을 돌릴 수 있기 때문에 효율 면에서도 큰 이득이며, 기존 증기터빈과 같은 용량을 발전할 경우 10분의 1 크기로도 같은 양의 전기를 얻을 수 있는 이점이 있다.

[자료 2. 미국 텍사스주에 건설된 이산화탄소터빈 발전소]

출처 : 한국경제

 사용된 이산화탄소의 일부는 연소기로 보내지고 일부는 저장된다. 발전 과정에서 생긴 이산화탄소가 대기 중으로 유출되지 않으며, 발전소에서 나오는 이산화탄소를 제거하기 위해 에너지를 공급할 필요가 없어 전력의 20%가 절약된다. 수증기가 아니라 이산화탄소로 터빈을 돌리기 때문에 물을 적게 쓰는 것도 장점이다.

 이런 초임계 이산화탄소 발전 시스템은 이미 1900년대 중반부터 아이디어는 있었지만, 기술적 한계로 실현되지 못하다가 2000년대에 이르러 서서히 실현되기 시작했다. 만약 시험발전소가 성공적으로 시운전을 마치게 되면 바로 300㎿ 규모의 실용적인 공장을 짓는 단계로 바로 진행될 것이라고 알려져 있다.

▣ 국내, 이산화탄소로 터빈을 구동하는 발전기 개발

 국내에서도 고온·고압의 이산화탄소로 터빈을 구동하는 '축류형(Axial type) 터빈 기반 발전기'가 2017년 개발되었다. 물의 증기로 터빈을 회전시켜 전기를 만드는 기존의 발전방식과는 달리 초임계의 이산화탄소로 전기를 생산하는 방법으로 앞서 텍사스주의 시험발전소와 같은 원리이다.

[자료 3. 축류형 초임계 이산화탄소 터빈 발전기 개요도]

출처 : 한국에너지기술연구원

 마찬가지로 발전효율이 기존 증기 발전방식에 비해 2%~5% 높아 화석연료 사용을 줄임으로써 미세먼지와 같은 온실가스를 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 최근 초임계 이산화탄소 발전에 대한 연구만 활발히 이루어지고 있지만, 소규모 형태로 축류형 발전기 개발은 이번이 처음이다.

 기존의 축류형 터빈은 상용 발전규모에 필수적이지만, 초임계 이산화탄소의 높은 밀도 때문에 고속으로 회전하면서 생기는 마찰과 축력으로 인한 회전 부품 손상과 에너지 손실이라는 문제점들이 있었다. 연구원들은 터빈의 축력을 줄일 수 있는 설계 방식과 마찰 손실을 줄일 수 있는 밀봉과 누설 관리시스템을 개발해 이러한 문제점들을 해결했다.

 미국 MIT에서는 ‘2018 인간 삶을 바꾸어놓을 10대 혁신 기술’에 선정되었지만, 이산화탄소 발전소가 상용화되기 위해 남은 숙제가 있다. 이산화탄소는 불을 끄는 역할도 하기 때문에, 적절히 연소를 할 조건을 찾는 것이 문제로 남아있다. 남은 문제가 빠른 시일 내에 해결되어 기존의 발전소의 장점을 고스란히 가지면서 탄소배출이 없는 매력적인 발전소가 보급되길 기대한다.

 

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참고문헌

[지구를 지키는 ‘탄소제로 발전소’의 첫 가동]

 1) 박근태, "세계 첫 '탄소제로 발전소' 가동… 증기 대신 이산화탄소로 전기 생산", 한국경제, 2018.06.04., https://www.hankyung.com/it/article/2018060344441

2) 윤태현, "'최강 한파'…수증기 내뿜는 발전소 굴뚝",연합뉴스,2018.01.15.,https://www.yna.co.kr/view/PYH20180125096900065?section=search

3) 이진오, "지구를 위한 기술 ‘탄소 제로 발전소’", 시사IN, 2018.10.18., https://www.sisain.co.kr/news/articleView.html?idxno=32926

[국내, 이산화탄소로 터빈을 구동하는 발전기 개발]

1) 박주영, “'이산화탄소로 전기 만든다'… 에너지연구원, 발전기술 개발”, 연합뉴스, 2017.10.23., https://www.yna.co.kr/view/AKR20171023077900063

2) 이욱재, “에너지硏, 세계 최초 '축류형 초임계 이산화탄소 터빈 발전기' 개발”, 한국 에너지, 2017.10.24., http://www.koenergy.co.kr/news/articleView.html?idxno=92831

3)홍시형, “세계 최초 축류형 초임계 이산화탄소 터빈 개발”, 투데이에너지, 2017.10.23., http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=127232