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1 국내 플랜트 기술개발 동향 담당위원 : 김용찬 교수(고려대학교) THEME 01 초임계 이산화탄소 발전기술 THEME 02 초임계 CO2 발전시스템용 핵심 기계기술 연구 소개 THEME 03 제조 혁신과 조선해양플랜트 기자재 기업의 설계 엔지니어링 도입 및 활용의 중요성 THEME 04 고온 축열 기술 동향 THEME 05 비전통자원 개발을 위한 기계기술 소개

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3 THEME 01 초임계이산화탄소발전기술 백영진한국에너지기술연구원열에너지시스템연구실실장 / 책임연구원조준현한국에너지기술연구원열에너지시스템연구실선임연구원신형기한국에너지기술연구원열에너지시스템연구실책임연구원이길봉한국에너지기술연구원열에너지시스템연구실책임연구원 ㅣ twinjin@kier.re.kr ㅣ jhcho@kier.re.kr ㅣ hkeewind@kier.re.kr ㅣ giblee@kier.re.kr 이글에서는고효율및소형화잠재력으로인해최근급부상하고있는초임계이산화탄소발전기술의특징과국내외연구동향에대해소개하고자한다. 초임계이산화탄소 (Supercritical carbon dioxide; 이하 sco 2 ) 발 초임계이산화탄소 (sco 2 ) 발전은기존의수증기또는연소가 율의 20% 를재생에너지로공급하고자하는우리정부의에너지정 전기술 ( 그림 1) 은스팀이나연소책과청정분산발전을향한글로스대신초임계상태의이산화가스로터빈을회전시켜전기를벌트렌드에꼭맞는기술이다. 탄소로터빈을구동, 전기를생산하는기존발전방식과는달 리, 고온고압의초임계상태의이산화탄소로터빈을구동, 전기를생산하는고효율소형화전력생산기술이다. 기존기술대비발전효 생산하는고효율 (2-5%p ) 소형화 ( 설치면적 35% ) 전력생산기술이다 기존스팀발전기술과의차이점및주요기술이슈현재우리나라전력생산의약 율을 2~5%p 향상시킬수있고소형화가가능 ( 설치면적약 35% 감소 ) 하여, 전기요금을 5~15% 낮출수있는잠재력을가진것으로평가되고있다. sco 2 발전기술로기존증기발전소를대체시, 발전효율을높여석탄등의에너지원사용을줄임으로써미세먼지및온실가스를획기적으로저감할수있다 ( 현재우리나라발전설비용량은약 100GWe이며, 발전효율을 1% 향상시키면 1,000MWe 원자력발전소 1기를더짓는효과와같다 ). 개발완료시, 현재국내전력생산의 90% 이상을담당하고있는화력, 원자력발전플랜트는물론, 바이오매스, 태양열등재생에너지발전플랜트에도적용이가능하므로, 2030년까지발전비 70% 를담당하고있는석탄화력및원자력발전플랜트는스팀랭킨 (Rankine) 사이클을기반으로한다. 이사이클의저온부에서는저온의수증기를액화시키는응축과정이필수적이며, 이를위해많은양의냉각수가필요하다. 이는발전소를해안에짓는이유들중하나다. 또한사이클의저압부는거의진공상태로유지되기때문에낮은밀도에의해시스템의체적이커지게되고, 또한외부에서시스템내부로비응축성기체가유입되므로이를정화하고물의순도를유지하기위한시스템들이부가적으로필요하여플랜트가복잡해진다. 반면 sco 2 사이클은기본적으로브레이튼 (Brayton) 28 기계저널

4 트로피과정으로구성된것은랭킨사이클과동일하나, 랭킨사이클의저온부에는응축냉각과정이존재하고, 브레이튼사이클의저온부에는응축과정대신현열냉각과정이존재한다. 이와같은현열냉각과정은발전소의냉각수의존도를크게낮추며, 이는대량의냉각수가존재하지않는내륙, 도심지인근, 사막지역에발전플랜트건설을가능하게한다. 스팀랭킨사이클에서는저 THEME 01 압부의압력이거의진공상태인반면, sco 2 사이클은이산화탄소의임계압력 (7.4MPa) 이상에서형성되므로, 저압부라하더라도압력이 70기압이상으로내부의유체밀도 그림 1 초임계이산화탄소 (sco 2 ) 발전개념도 가높게유지된다. 이와같은특징은 sco 2 터빈의팽창비를스팀터빈의그것에비해매우작게하고 ( 스팀발전 200 : 1, sco 2 발전 2 3 : 1), 터보기기의크기를대폭적으로줄여플랜트의소형화, 모듈화및저비용화잠재력을갖게한다. 또한, 스팀시스템에서는필수적인비응축성기체및물순도관리시스템도필요없다. 반면, 스팀터빈에는없었던기술이슈들이존재한다. 우선, 고밀도에의한작은크기는터빈의회전속도를현저히증가시킨다. 기존의상용스팀터빈이 1,800rpm 또는 그림 2 스팀랭킨사이클과 sco 2 브레이튼사이클의온도 - 엔트로피선도 사이클을기반으로한다 ( 그림 2). 이상적인사이클측면에서보았을때, 두개의정압과정과두개의등엔 3,600rpm에서작동하는것과는달리, sco 2 터빈은수천 수만 rpm의작동조건을갖게된다. 이에따라터빈을구성하는베어링, 씰등의설계조건이소형화, 고속화되며, 또한 sco 2 의화학적양립성을고려한재질선정등이필요하다. 특히, 높은저압부압력은축계에형성되는축력 (Axial force) 을증가시킨다. 따라서큰축력상태에서고속으로회전가능한베어링및씰시스템이필요하며, 이를포함한회전체시스템의회전동역학 (Rotor , Vol. 58, No. 2 29

5 THEME 01 초임계이산화탄소발전기술 dynamics) 문제가어렵게된다. 또한회전체에서발생하는누설 (Leakage) 특성이기존스팀터빈과는다르므로, 이에대한연구가필요하다. 고압이산화탄소가상압으로누설될때팽창에의한저온냉각문제도고려해야한다. sco 2 사이클은브레이튼사이클을기반으로하므로, 사이클내부열교환과정인복열 (Recuperating) 이사이클성능에큰영향을미친다. 이때문에많은연구자들이복열기개발및다양한복열과정을이용한사이클개선연구를추진하고있다. 고온고압의 CO 2 -CO 2 열교환을위한복열기개발연구는확산접합 (Diffusion bonding) 기반의인쇄회로기판형열교환기 (PCHE: Printed Circuit Heat Exchanger) 상용화연구가주축이되어왔으며, 특히최근에는 PCHE 이외의마이크로튜브방식고집적열교환기개발이중요이슈중하나이다. 이와더불어다양한열원에의 sco 2 사이클최적화기술, sco 2 시스템만의특성을고려한시동 / 정지 / 부하추종운전기술등이중요한기술이슈이다. 해외 sco 2 발전기술개발동향 sco 2 발전기술이최초로제안된것은훨씬이전이나, 2000년대에들어서소듐냉각고속로 (Sodiumcooled Fast Reactor) 와같은차세대원자력발전기술을개발하는과정에서기존의스팀랭킨사이클을대체할수있는기술로서본격적으로연구되기시작하였다. 미국은최대기술보유국으로 2014년도에 sco 2 발전기술을공통기반 (cross-cutting) 기술로정의하고국가보안기술 (export control) 로관리함으로써자국의기술유출방지에힘쓰고있는상황이며, 2016년에너지부 (DOE) 의 STEP(Supercritical Transformational Electric Power) Program 출범을통해현재 10MWe sco 2 발전데모플랜트건설을추진중이 그림 3 SWRI sco 2 터빈팽창기및 1MW 테스트루프 [ 미국 SWRI(southwest research institute)] 다. 미국의연구역사를살펴보면, Sandia National Lab.(SNL) 은 2005년부터차세대원자력발전용 sco 2 발전시스템을최초로개발하기시작하였으며, 2011년 125kWe급밀폐형 (Hermetic) 터빈-알터네이터-압축기 (TAC: Turbine-Alternator- Compressor) 2기를사용하는최고온도 500 대응 250kWe급재압축사이클테스트루프를개발하여, 480 /105bar 조건에서 15kWe의운전결과를발표하였다. Bechtel Marine Propulsion Corporation (BMPC) 은 2009년부터핵추진잠수함용 100kWe급 sco 2 테스트루프를개발하였으며, SNL과유사하게포일베어링을사용하는밀폐형터보기계를개발하였다. 1기의 Turbo-Compressor(TC) 와 1기의 Turbo-Generator(TG) 로구성된최고온도 300 의단순복열 (Simple-recuperated) 사이클을구현하고자하였으며, 2014년에 282 /141bar 조건에서 40kWe 운전결과를발표하였다. SouthWest Research Institute(SwRI) 는 GE Global Research 와함께 2012년부터고온태양열발전용 기계저널

6 2.35MWe 출력생산결과를발표하였다. 더욱최근에는 zero-emission 발전플랜트구현을목적으로하는순산소직접연소식 (Direct-fired) sco 2 발전사이클 ( 알람사이클, Allam Cycle) 구현을위해 8 Rivers, Toshiba 등이참여한민간기업인 NetPower 사가 50MWth급 sco 2 발전플랜트개발을진행하고있으며, 2017년현재데모플랜트를구축중에있다.( 그림 4) THEME 01 그림 4 NetPower 50 MWth 순산소직접연소식 sco 2 발전데모플랜트 ( 미국, NetPower 사 ) 국내 sco 2 발전기술개발동향 국내에서는정부출연연구소를중심으로연구개발이시작되었다. 한국원자력연구원에서는차세대원자로적용을위한 sco 2 사이클연구를수행하였다. 이들은 그림 5 에너지연의초소형반경류 (Radial) 형 sco 2 터빈 /250bar 대응 14MW 터보익스팬더개발을위해 Dry Gas Seal 채용 4단축류형 (Axial) 터빈을설계하였고, 2017년현재이를구동할 1MW 테스트루프를구축중에있다 ( 그림 3). Echogen은 1기의밀폐형터보펌프와 1기의파워터빈 (Dry Gas Seal 및오일윤활 Tilting-pad 베어링채용 ) 으로구성된 485 대응 8MWe급시스템을개발하여 2014년 275 조건에서 포항공과대학교및 KAIST와함께 sco 2 압축기에대한기초데이터확보연구를추진하였으며, KAIST에서는해석코드개발및기초실험연구를진행하고있다. 한국기계연구원에서는 2015년부터자기베어링기반 sco 2 터보기기개발을추진하고있으며, 2017년현재이를구동하기위한실험장치를구축중에있다. 고등기술연구원에서는석탄화력용 sco 2 발전플랜트의타당성연구를수행중이다. 또한, 전력연구원, 현대중공업, 한화테크윈은상용화를위한 MW급 sco 2 발전시스템개발을수행중이다. 한국에너지기술연구원 ( 이하에너지연 ) 은재생에너지분산발전등향후많은응용분야에실질적으로적용될수있을것으로기대되는 500 급소형화력 sco 2 발전시스템개발연구를지난 2013년부터추진하고있으며, 현재까지 4기의파워터빈을개발하였다. 이를위하여 2013년 12월터빈입구온도 / 압력 , Vol. 58, No. 2 31

7 THEME 01 초임계이산화탄소발전기술 그림 6 에너지연의축류형 (Axial) 형 sco 2 터빈및테스트루프 180 /130기압조건에서설계용량 10kWe의 sco 2 반경류 (Radial) 글로벌청정에너지이슈대응은물론신산업창출의견인차 조건에서안정적전력생산운전이가능함을확인하였으며, 연속운전 형터빈-발전기-압축기유닛을시간 45분, 최대출력 11kWe를얻역할을해나아갈 sco 2 발전기국내최초로개발하였으며, 2014 었다. 이것은초임계이산화탄소술은현재선도국과의기술격년 11월국내최초로 Full-cycle 를작동유체로하는축류형터빈 시험운전을실시, 사이클의모든구성요소들을초임계상태에서운전시킬수있음을확인하였다. 이와더불어, 기초연구수행을위한 sub-kwe급초소형 sco 2 반경 차가수년이내로크지않은상황이므로, 국내기술개발역량을집중할경우충분한글로벌경쟁력을갖출수있다 으로서는세계최초의실험결과이다. sco 2 발전기술의미래 류형터빈 ( 그림 5) 을개발, 2016년에 170 /100기압이상의조건에서최대출력 670We, 평균출력 400We, 연속운전시간 37min의운전결과를얻었다. 또한, 스케일-업용이성확보를위한축류 (Axial) 형 sco 2 터빈 ( 그림 6) 을개발하였다. 기존선행연구그룹들과는달리, 축력 (Axial force) 저감을위하여터빈을축류 (Axial) 충동 (Impulse) 형으로설계하였으며, 마찰손실감소를위하여씰 (Mechanical seal) 및누설관리시스템을도입함으로써, 그동안풀기어려운기술적이슈로여겨져왔던축력과마찰손실 (windage loss) 문제를극복하고자하였다. 2017년 초임계이산화탄소 (sco 2 ) 발전기술은효율을높여석탄, 가스등의에너지원사용을줄임으로써온실가스를획기적으로저감할수있고, 바이오매스, 태양열등재생에너지발전플랜트에도적용이가능한공통핵심 (Cross-cutting) 발전기술로서신기후체제의출범과더불어그역할이더욱기대된다. 가까운미래에소형화장점에의한도심인접분산발전원, 그리고공간 / 중량제약에의해제한되었던선박 / 자동차폐열발전신시장이열릴것으로보이며, 나아가현재까지우리인류가사용해온스팀및가스발전을대체하는미래청정에너지기술의주인공으로자리매김하기를기대해본다. 7월의시험운전에서터빈입구 205 /100bar 이상의 32 기계저널

8 THEME 02 초임계 CO 2 발전시스템용핵심기계기술연구소개 THEME 02 임형수한국기계연구원에너지변환기계연구실선임연구원 박준영한국기계연구원에너지변환기계연구실실장 윤의수한국기계연구원에너지변환기계연구실책임연구원 ㅣ limbo999@kimm.re.kr ㅣ jypark@kimm.re.kr ㅣ esyoon@kimm.re.kr 이글에서는한국기계연구원에서수행하고있는초임계 CO 2 발전시스템을위한핵심기계 ( 사이클설계, 시동 펌프, 구동터빈 - 펌프모듈, 파워터빈모듈, 재생열교환기 ) 의기술개발현황에대해소개하고자한다. 초임계 CO 2 를이용한발전시스템은기존발전시스 템보다넓은온도영역에서고효율특성을나타낸다. 일반적으로유기랭킨사이클발전시스템효율 10 20%, 증기사이클발전시스템효율 30 40%, 초임계 CO 2 발전시스템효율 30 50% 로알려져있다. 초임계 CO 2 의높은밀도로인해터보기계의사이즈를컴팩트하게줄일수있기때문에경제성및적용성측면에서도기존발전시스템보다유리하다. 예를들어초임계 CO 2 사이클은유기랭킨사이클의 1/5, 증기사이클의 1/20 이하수준이다. 초임계 CO 2 의임계온도 ( 약 31 ) 는비교적대기온도와비슷하기때문에다른유체보다초임계조건을만들기용이하다. 초임계 CO 2 를이용한발전시스템은적용분야가매우다양한차세대발전시스템으로써한국, 미국, 일본등정부연구소및기업을중심으로실증연구가활발히이루어지고있다. 한국기계연구원에서는지난 20여년간정부사업과수탁사업을통하여, 다양한열유체기기의설계, 해석, 성능시험분야에서연구경험을축적하여왔다. 축적된원천기술들을활용하여초임계 CO 2 발전시스템에적용할수있는핵심기계연구를수행하고있다. 초임계 CO 2 발전시스템국내 외연구현황초임계유체를이용한발전시스템사이클에대하여 년대에미국, 러시아, 이탈리아, 스위스등에서이론적연구가진행되었으나, 고온고압조건에따른터보기계및열교환기개발기술의어려움으로더이상연구가진행되지못하였다. 최근소재및기계기술의발달과함께초임계 CO 2 를이용한발전시스템개발이미국을중심으로다시활발히진행되고있으며, 표 1에미국 DOE가지원하고있는개발사업을요약해두었다. 이론적연구뿐만아니라파일럿발전시스템을통한실용화연구가진행중에있다. 국내에서도정부출연연구원과대학을중심으로초임계 CO 2 발전시스템에대한연구가수행중이며, 최근들어서는중소 대기업에서도연구개발에깊은관심을보이고있다. 최근, 미국의어느초임계 CO 2 발전시스템개발기업에서세계최초로폐열을이용한수 MWe급초임계 CO 2 발전시스템을개발하였으나목표성능에는미달인상태이며, 안정적운전이보장되지않아완전한상용화가지연이되고있는것으로알려져있다. 예상되는원인으로는, 초임계 CO 2 의점도가낮은특 , Vol. 58, No. 2 33

9 THEME 02 초임계 CO 2 발전시스템용핵심기계기술연구소개 징으로인해고온, 고속회전시스러스트가스베어링의부하지지 초임계 CO 2 를이용한발전시스템의장점은기존의발전시스 심요소의연구개발현황을소개하면다음과같다. 력이부족한점을들수있다. 그리템보다사이클효율이높고, 고고압에서작동되기때문에씰 초임계 CO 2 발전시스템용터보기계를소형화할수있으 (seal) 에서초임계 CO 2 누설이과사이클 다하게발생할수있으며, 또한고온으로인해구조적열변형이성능에영향을미칠정도로크게나 며, 적용가능한열원온도범위가넓다는것이다 초임계 CO 2 용발전시스템에는 Rankine cycle과 Bryton cycle이있으며, 본연구에서는 Rankine 타날수있다. 성공적인초임계 CO 2 발전시스템개발을위해이러한문제점이해결되어야한다. cycle이적용되었다. 최적화된사이클해석결과를바탕으로통합성능시험루프를구축하고각핵심기 계의성능을측정할수있도록하였다. 기계연이보유 초임계 CO 2 발전시스템용핵심기계기술 한열원에대해연구목표를가장효과적으로달성할수있도록충분한사이클해석을수행하였다. 전체적 인구성으로는초임계 CO 2 발전시스템의운전성을 한국기계연구원에서는초임계 CO 2 발전시스템의핵심기계기술을연구하고있으며, 연구대상은발전사이클, 시스템초기구동용시동펌프, 자기베어링이적용된구동용터빈-펌프모듈, 발전용파워터빈모듈, 재생열교환기이다. 현재는 250kW급초임계 CO 2 용통합성능시험루프를이용하여핵심기계와 고려하여구동터빈-펌프모듈과파워터빈모듈이있으며, 터빈후단에서의높은열에너지를활용하기위하여재생열교환기를적용하였다. 그리고시스템초기기동을위해시동펌프를배치하였으며, 사이클해석을통하여시험루프시동을포함한각핵심기계의운전절차를마련하였다. 전체시스템에대한성능을실험하는단계에있다. 핵 표 1 미국 DOE 의지원으로현재수행중인초임계 CO 2 발전시스템개발사업 ( 출처 : 1 st European Seminar on Supercritical CO 2 Power Systems, 29 Sep 2016, Wlen, Austria Application Organization Motivation Size[MWe] Temperature [ ] Pressure [Bar] Nuclear DOE-NE Efficiency, Size Fossil Fuel DOE-FE Efficiency, Water Reduction Concentrated Solar Power Shipboard Propulsion Shipboard House Power Waste Heat Recovery DOE-EE Efficiency, Size, Water Reduction 10, DOE-NNSA Size, Efficiency 10, ONR Size, Efficiency <1, 1, DOE-EE ONR Size, Efficiency, Simple Cycles 1, 10, 100 <230, Geothermal DOE-EERE Efficiency, Working fluid 1, 10, 기계저널

10 및볼류트로구성되며, 정격회전수는 5,000rpm이다. 현재통합성능시험루프에서 CO 2 유체에대한성능시험을완료하였다. THEME 02 그림 1 초임계 CO 2 발전시스템개념도 초임계 CO 2 발전시스템용터보기계초임계 CO 2 의높은밀도로인하여초임계 CO 2 시스템에적용되는터보기계는동급의일반작동유체에적용되는터보기계보다크기가작은특징이있다. 크기가작기때문에사용측면에서는경제성, 적용성등여러장점을가지고있지만, 개발측면에서는소형고속부품의간극제어, 열변형, 로터다이나믹안정화등해결해야할난제가많다. 이러한사항을고려하여초임계 CO 2 발전시스템에적용할수있는터보기계를개발하였다. 시동펌프개발시동펌프는초임계 CO 2 발전시스템의초기기동시작동유체의순환을위해필요하다. 시동펌프작동으로초임계 CO 2 유체의루프내순환이적정수준에도달하면, 구동터빈의회전으로펌프를운전시켜자가운전상태가될수있다. 자가운전이된상태에서는시동펌프를정지시킨다. 구동펌프와구동터빈의성능곡선을비교하여시동펌프의설계사양과운전점을선정하였고, 사이클해석을통해루프의시동절차를마련하였다. 개발된시동펌프는인듀서, 임펠러 구동펌프-터빈모듈개발시동펌프에의해자가운전이될수있을정도로작동유체가순환되면, 구동터빈의회전으로 back to back으로연결된펌프가작동하여초임계 CO 2 발전시스템이자가운전된다. 초임계 CO 2 발전시스템의작동압력은일반적으로수십 bar 이상의고압이기때문에터보기계의회전부와고정부사이에서작동유체의누설이문제가된다. 현재초임계 CO 2 연구를선도하고있는국외의연구기관에서도초임계 CO 2 발전시스템에서발생하는누설을줄이기위한씰개발에많은투자와노력을기울이고있는실정이다. 한국기계연구원에서는마그네틱베어링기술을적용하여펌프와구동터빈을밀폐 (hermetic) 구조로함으로써, 회전부와고정부사이에서발생하는누설을원천적으로차단할수있도록하였다. 마그네틱베어링은고온조건에서발생할수있는성능저하를방지하고자영구자석과유리섬유편조와이어가적용된고온용마그네틱베어링을개발하였고, 물과 CO 2 작동유체를이용한냉각방식을적용하였다. 현재고온고압공기를이용한회전시험과내압및누설시험을완료한상태이다. 파워터빈모듈개발초임계 CO 2 발전시스템에서파워터빈은발전기를가동시켜전기를발생시키는역할을한다. 파워터빈모듈은파워터빈-토크메터-감속기-발전기로이루 , Vol. 58, No. 2 35

11 THEME 02 초임계 CO 2 발전시스템용핵심기계기술연구소개 어지며, 250kW 출력을낼수있도록개발되었다. 파워터빈에는플 한국기계연구원에서는 250kW 급초임계 CO 2 발전시스템의 compactness를높이기위해급 PCHE(printed circuit heat 로팅링씰이적용되었는데, 씰에 exchanger) 방식의재생열교환핵심요소기술개발을위해주서발생될수있는초임계 CO 2 의기를개발하였다. PCHE 방식열요컴포넌트를개발하였으며, 유량을예측하기위해씰누설량교환기는화학적에칭법으로가공 모사시험장치를제작하여누설량측정시험을수행하였다. 베어링은틸팅패드베어링이적용되었으며, 베어링윤활용오일의순환을 통합성능시험루프를통해핵심기계성능을확인할것이다 된미세유로를가지는금속전열판을적층하고, 진공의고온고압조건에서확산접합을통해제작된다. 기존의 shell and tube 방식 위한장치가구비되었다. 원활한오일순환과파워터빈모듈의공간집약성을높이기위해파워터빈의컴포넌트를배치시켰다. 파워터빈의정격회전수는 30,000rpm이고고온고압공기를이용한회전시험을수행하여회전안정성을확인하였다. 그리고고온고압공기시험조건과동일조건에서수치해석을수 의열교환기보다최대 85% 작고가벼우며, 내압특성이뛰어난장점이있다. 고온조건에서개발된재생열교환기의전열용량, 고온측차압, 유용도등의성능을측정하였고, 목표를만족하는것으로나타났다. 현재개발된열교환기는통합성능시험루프에설치되었다. 행하고그결과를비교하였을때성능이잘일치함을 확인할수있었다. 향후통합성능시험루프에장착하여출력및효율등의성능을측정할것이다. 통합성능시험루프한국기계연구원에서는초임계 CO 2 발전시스템의 핵심기계성능을측정하기위해통합성능시험루프 초임계 CO 2 발전시스템용재생열교환기초임계 CO 2 발전시스템에는고온용열교환기 ( 가열기 ), 저온용열교환기 ( 냉각기 ), 재생열교환기가적용된다. 한국기계연구원에서는높은작동압력과 를제작하였다. 사이클해석을통해최적의구조및운전조건이되도록통합성능시험루프를설계하였다. 통합성능시험루프는펌프, 터빈, 열교환기와같은핵심기계의단독시험과발전시스템시험이가능 (a) (b) (c) 그림 2 초임계 CO 2 발전시스템용터보기계 : (a) CO 2 에대한시동펌프성능시험모습, (b) 구동펌프 - 터빈모듈고온고압회전시험모습, (c) 윤활공급시스템이구비된파워터빈모듈. 36 기계저널

12 한구조로되어있다. 발전시스템의시동, 정상 / 비정상운전및정지를고려하여밸브및배관이배치되었다. 고압배관용접후용접부위검사를완료하였으며, 열손실을억제하기위해배관을단열하였다. 현재통합성능시험루프의일부를제작하고시동펌프성능시험을완료한상태이며, 자가운전시험이가능하도록시험루프를완성하는단계에있다. THEME 02 맺음말 그림 3 250kW 급초임계 CO 2 발전시스템통합성능시험루프준비현황 지금까지한국기계연구원에서개발중인초임계 CO 2 발전시스템의핵심기계기술개발현황에대해소개하였다. 현재시동펌프, 구동터빈-펌프모듈, 파워터빈모듈, 재생열교환기의설계및제작을완료한상태이며, 곧통합성능시험루프를완성하고실제초임계 CO 2 조건에서성능을측정할예정이다. 초임계 CO 2 발전시스템과관련된핵심기계의설계, 해석, 제작, 성능시험등의전주기적원천기술을자체개발하여관련기업이초임계 CO 2 발전시스템을상용화할수있도록기여하는것이본연구의목적이다. 감사의글본연구는한국기계연구원주요사업 초임계 CO 2 발전시스템용핵심기계기술기반구축 을통해수행되었으며, 지원에감사드립니다 , Vol. 58, No. 2 37

13 THEME 03 제조혁신과조선해양플랜트기자재기업의설계엔지니어링도입및활용의중요성 최주형 ( 재 ) 한국조선해양기자재연구원시뮬레이션응용연구센터센터장 ㅣ jhchoi@komeri.re.kr 이글에서는최근장기화되고있는조선해양플랜트산업의불황으로인하여존폐의위기에있는조선해양플랜트기자재제조중소기업의경쟁력확보를위해설계엔지니어링의도입및활용필요성과그에대한국가적지원의중요성에대해소개하고자한다. 세계적인경기침체가지속되고한국경제와세계대다수 (81.7%) 가 현위기상황이 2년이상 지속될것경제의동조화가심화되면서국내산업의수출증가으로예상된다고답하였다. 그리고경영상가장큰고세및경제성장률하락이지속될것으로예상되고있민으로 매출하락지속 (39.7%), 신성장동력의미확다. 국내경제는소비, 투자, 고용등의각종내수지표보 (31.3%), 이직및구인난확대 (26.5%) 를지목하에서도하락과침체장기화가뚜렷할것으로보이며, 고있었다. 이러한상황은현재도변함이없이이어지이에중소기업들도경영악화로어려움을호소하고고있어서, 국내산업에서중요한역할을담당하는중있는실정이다. 2016년당시중소기업중앙회의하반소기업의경영개선을위구가필요한실정이다. 기경영상황조사에따르면, 상반기대비경영이 악더불어우리나라는 1990년대이후제조업중심에화됐다 는중소기업이 44.6%, 개선됐다 고답한곳은서서비스업중심으로의산업재편을지속적으로진 26.6% 에불과하였으며 ( 그림 1), 더불어중소기업의행하였으나여전히제조업은여타선진국과비교시국내 GDP의 30% 수준으로국내산업의근간을이루고있음을알수있으며 ( 표 1), 최근세계주요국들이글로벌금융위기를겪은이후국가경제건전성및성장률향상의핵심요인으로서의제조업경쟁력의중요성을인식하게됨에따라서첨단제조업으로의패러다임전환에힘을쏟고이를가속화하기위한각종정책들을추진하는중이다. 미국의 첨단제조파트너십, 독일의 인더스터리 4.0, 중국의 중국제조 2025, 대만의 그림 년하반기중소기업계경영상황인식 ( 출처 : 중소기업중앙회 ) 생산력 4.0 프로젝트 등이그일환이라 38 기계저널

14 고할수있다. 이러한상황속에서제조강국들의제조업경쟁력분석 ( 그림 2) 에서한국은주요제조경쟁력요인에대한강점및약점이불명확한채기술우위의첨단부품 기자재제조강국 ( 미국, 독일, 일본 ) 과비용우위의단순가공 / 조립의노동집약적제조강국 ( 중국, 인도 ) 사이에어중간하게끼어있는형태로 그림 2 제조강국주요요인별제조업경쟁력분석 [ 출처 : 주요통계 69 호, 2016 국제제조업경쟁력지수 의주요내용 - 글로벌과학기술정책정보서비스 ] 조치가없다면제조업의미래가불투명한상황이다. 이에따라서국가별제조업경쟁력지수 ( 표 2) 를살펴보면 2016년중국이비용경쟁력 ( 인건비, 재료비등 ) 에서경쟁우위를앞세워 1위이나, 향후미국이인적역량, 정책을통한기반시설을바탕으로 2020년에 1 위로올라설것으로전망되며이때한국은인도 (2016 년 11위 ) 에도경쟁력이밀릴것으로예측되고있어서, 제조업을사양산업이아닌미래국가경쟁력의핵심산업으로여기고향후더욱지원해야할것으로판단된다. 이러한일련의상황들과함께우리나라의조선해양플랜트산업역시 2000년대중반까지는해운산업의호황과유가상 THEME 03 표 1 주요국가별 GDP 중제조업비중 (%) ( 출처 : OECD) 국가명 호주 독일 프랑스 영국 인도 이탈리아 한국 미국 표 2 국가별국제제조업경쟁력지수, 2016 년및 2020 년 [ 출처 : 주요통계 69 호, 2016 국제제조업경쟁력지수 의주요내용 - 글로벌과학기술정책정보서비스 ] 2016년현재 2020년 ( 전망치 ) 순위 국가명 경쟁력지수 순위 순위변화 국가명 경쟁력지수 1 중국 미국 미국 중국 독일 독일 일본 일본 대한민국 인도 영국 대한민국 대만 멕시코 멕시코 영국 캐나다 대만 싱가포르 캐나다 , Vol. 58, No. 2 39

15 THEME 03 제조혁신과조선해양플랜트기자재기업의설계엔지니어링도입및활용의중요성 승에의한해양플랜트산업의급격한성장으로인해눈부신호황을 선진국들은국가경쟁력의핵심을제조경쟁력으로인 이에따라서조선해양플랜트산업에종사하는국내제조중소기업 누렸지만 2008년글로벌금융위기의경우이러한대외상황에가격식하고이를강화하기위한이후에는지속된경제침체와유가을통한경쟁력확보보다는선주사정책들을추진하는데힘쓰하락으로조선및해양플랜트산업나조선사에서요구하는성능과기 자체의위축에따라수주량급감으로최악의불황을겪고있는중이다. 현재도국내굴지의대형조선사역시만성적인적자에시달리며 고있는실정이나국내의제조업경쟁력은기술우위와비용우위의제조강국들사이에어중간하게위치하 준을만족하는고부가조선해양플랜트기자재를발빠르게공급하기위한설계기술확보및설계기술고도화를통해경쟁력을확보하고 인력감축도불사하고있으며, 중대응해나아가야할것으로보인고있는실정으로제조경소조선사는폐업의위기까지직면다. 이러한전략은다가오는미래해있다. 이에따라이들의전방산쟁력강화를위한기술개발의 4차산업혁명에따른제조업가 업들에대하여후방산업을책임지고있는조선해양플랜트기자재제 등의조치가필요하다 치사슬의변화와그맥을같이한다고할수있다. 최근제조업에서 조중소기업들역시어려움에놓이긴매한가지인상황이다. 다행스럽게도 2018년이후에는유가상승과조선해양플랜트산업의경기회복이감지되고있어어느정도의희망은보이고있으나, 이러한전망에따른매출상승및경기회복에대한과실은국내대형조선소에우선적으로해당될것으로보이며, 후방의제조중소기업에는더이상낙수효과가제대로미치지못할지도모른다는사실이감지되고있다. 근래에초대형컨테이너선의경우도국내조선사가중국조선사와경합하여수주기회를놓치는경우가다발하고있으며, 해양플랜트의경우는싱가포르업체들과의경쟁에서도일부밀리고있는상황으로서국내조선사의품질문제라기보다는가격경쟁력측면에서수주경쟁력이밀리고있는것으로파악되고있다. 이에따라국내대형조선사역시뼈를깎는원가절감을위한자구책을마련하고있으며, 이와더불어가격경쟁력확보를위해기존에탑재되는기자재들에대해서도국내업체보다더욱저렴한중국업체들의제품에눈을돌리고있는상황이며, 점점채용을늘려가고있는것으로보인다. 부가가치의비중은과거처럼제조 ( 조립 / 가공 ) 와같은양산단계에서보다는제품설계와공정설계를포함하는전방가치사슬인설계엔지니어링영역에서두드러지게확대되고있으며엔지니어링소프트웨어의활용이이러한변화를주도하고있다. 이에선진국을중심으로제품생산의전주기에컴퓨터를활용한설계엔지니어링적용이필수로자리잡고보편화가급속하게진행되고있는데, 이는실업과양극화같은주요경제문제의주된원인이제조업의경쟁력약화에서기인되는것으로인식됨으로써제조업을중요한경제성장의원동력으로삼고자하는전략과더불어제조업과관련된주요수요산업으로서엔지니어링산업과제조업의연계를추구하여제조업의위상변동을통한산업구조자체의변화까지이끌고자하는전략으로이어지고있다. 또한선진국들은완성품시장이주도하는설계엔지니어링을후방산업인부품및기자재산업으로확산시켜소위중소제조기업의재도약을위한 제조업르네상스 를구축하고자노력을경주하고있는상황이다. 반면국내제조업에서여전히설계엔지니어링은주로대기업에의해 R&D 집약적인완성품을중심 40 기계저널

16 으로편중적용되어오고있으며, 해당대기업들은이를통해실질적인성과획득과세계수준의경쟁력도갖추는성과를나타내고있다. 그러나완성품이전의부품및기자재단계를담당하고있는다수의조선해양플랜트산업내제조중소기업의경우여전히설계엔지니어링의도입이이루어지지않아대부분기존도면답습이나벤치마킹을통해설계된제품을 가공 및 생산 하는데의의를두고있다. 그러므로자체적인제품및공정설계를위한능력을갖추지못한경우가다반사로고품질및차별화된제품개발이불가능한상황이다. 특히제조중소기업의엔지니어링소프트웨어의활용률을확인해볼때한국은 8.2%, 미국은57.3% 로차이가극명하게드러나고있으며, 국내의경우대기업협력사일지라도 2, 3차협력사의엔지니어링소프트웨어의활용률은 1% 미만인것으로조사된것을보더라도심각한수준임을알수있다. 이와유사하게 2014년미래창조과학부의국내산업별중소기업의기술수준현황을보면 ( 표 3) 기계소재부품, 차량부품, 항공산업과비교했을때, 특히조선해양플랜트산업의경우대기업과중소기업간의차이가더크게나타나고있음을확인할수있다. 여기서조선해양플랜트산업의뿌리를경쟁력있게만들기위해서는관련부품및기자재제조중소기업의엔지니어링능력을끌어올리기위한적극적인행보가필요함을알수있다. 중소기업의설계엔지니어링의도입은부품및기자재공급기지로서의 2차제조업의활성화와경쟁력강화로이어질것이며, 다양한설계에대한유연한대응이가능하여완성품산업의 경기에대한민감도도떨어뜨리고, 중소제조업체의성공적인사업다각화도가능하게하여전방산업에대한종속을탈피하는데도도움을줄수있으며경영위기에봉착한조선해양플랜트산업의제조중소기업들의돌파구가될수있다. 전술한내용과관련하여 2017년초조선해양플랜트유관산업에종사하는동남권에소재제조중소기업에대하여설문조사를실시하였다. 경기침체로경영악화에있는조선해양플랜트기자재제조중소기업들의애로사항과어떠한지원을필요로하는지에대한설문으로당면한경영위기에서기업들의목소리를확인할수있었다. 현재조선해양플랜트산업의경기수준을조사한결과응답기업전체가조선해양산업의경기가위기상항이라고답변했으며, 그중 63% 가매우심각한위기라고응답해현재국내조선해양플랜트산업의경기수준이매우좋지않은상황인것으로인식하였다. 조선해양플랜트산업이위기에직면한원인을조사한결과, 세계적인경기침체가가장큰비중을차지한 그림 3 조선해양플랜트산업의경기상태 THEME 03 표 3 산업별중소기업기술수준현황 ( 대기업기준 ) ( 출처 : 2014 년기술수준평가, 미래창조과학부자료 ) 기업 분야 조선해양플랜트산업기술수준 (%) 기계소재부품산업기술수준 (%) 차량부품산업기술수준 (%) 항공산업기술수준 (%) 대기업 중소기업 , Vol. 58, No. 2 41

17 THEME 03 제조혁신과조선해양플랜트기자재기업의설계엔지니어링도입및활용의중요성 것으로조사되었고조선해양산업자체의경기위축, 유가하락등의순으로나타났다. 산업내부또는기업경영의문제보다산업외부의환경적원인으로인해위기가발생했다고생각하는경향이큰것으로여기고있음을알수있다. 또한해당산업의위기에대응하기위해시행또는계획중인위기대응방안을조사한결과, 기술개발등경쟁력확보가가장많았으며다음으로인력감축등비용절감, 사업그림 4 위기의원인다각화등업종포트폴리오재구성등의순으로나타나경영악화의돌파구를위해기술개발에대한의지를가지고있는것으로드러났다. 그러면기술개발을위해업체가생산하는제품군에설계엔지니어링기술이적용될때어떠한경쟁력향상에도움이될수있는지 5점척도를기준으로답변을받았을때, 품질개선을 3.83점으로가장높게평가하였으며, 다음으로는불량률감소 3.77점, 원가절감과생산량증대를각각 3.67점으그림 5 시행 / 계획중인위기대응방안로꼽았다. 제조중소기업도자신들의제품군에설계엔지니어링기술이적용된다면경쟁력개선에도움이될것이라고인식한축및정보교류미흡 (2.99점), 연구개발에필요한기다는것을알수있다. 반시설의자사내구비미흡 (2.97점) 등의순으로평그리고제품을개발및생산 / 판매하는데있어서가하였다. 이러한결과를보면제조중소기업이연구업체가체감하는애로사항들에대한정도를 5점척도개발을수행하고싶어도연구개발투자를위한비용로살펴보면, 연구개발투자를위한비용부담을 3.50 과더불어연구개발인력부족과수익성악화등, 비점으로가장크게애로를크게느끼고있는점으로꼽용및인력과관련된부분에서애로를가장강하게체았고, 그다음으로는연구개발에필요한전문인력의감하고있음을확인할수있었다. 부족 (3.19점), 수익성악화 (3.17점), 마케팅및사업이에따라업체의애로사항을해소할수있는정부화능력미흡 (3.09점), 애로기술에대한자체적해결지원의필요항목에대한설문결과를살펴보면기술역량미흡 (3.03점), 유관기업 / 기관과의네트워크구개발, 장비구축등을위한자금지원을 4.03점으로가 42 기계저널

18 장높게평가하였으며, 그다음으로는관련장비의구축및이용지 조선해양플랜트산업의주요부품 / 기자재제조중소 의기반이되는부품및기자재제조산업에대한설계엔지니어링은 원 (3.69점), 연구개발분야전문인간과되어그역할과위상이저평가기업들이소재하고있는동력양성교육 (3.66점), 국내외판로되어있었다. 더불어소비자와직남권에대한지역산업육개척등마케팅지원 (3.65점), 애로결되는전자및정보통신산업들이 기술자문, 기술이전등기술개발지원등의순으로평가하였다. 대부분정부지원이보통이상으로필요하다고평가한가운데기술개 성및고부가가치화및고급인력의지역배분을통한제조업경쟁력강화를추진하기위한방안으로서제조 많은수도권은설계엔지니어링에대한선진적인인식과필요성에대한의식향상으로제품에대한기술경쟁력향상이충분히이루어지 발이나장비를구축하는데있어서고있으나조선해양플랜트산업과중소기업을위한정부의설필요한자금을직접적으로지원해같은전통적인제조업에해당하는주는사업이가장필요하다고생각계엔지니어링활용지원이동남권의부품 기자재제조산업은 하였으며, 더불어관련된장비구축및이용지원이나연구인력을 필요한시점이다 설계엔지니어링에대한인식과도입에서낙후되어있는실정이었다. 양성하는것도수요가높은것으로평가되었다. 설계엔지니어링과도입과관련하여제조중소기업에서가장필요로하는고성능컴퓨팅인프라및관련소프트웨어의구축은현재중소제조기업의경영상황으로는자체적으로는사실상불가능하다고할수있으며, 만약구축이된다고하더라도사용의측면에서중소기업이필요로하는관련지식을보유한인력이부재하여구축장비의활용률을떨어뜨리는요인이될것으로보인다. 또한정부지원을통해각업체별로장비구축자금을지원하는것은장비의활용도나소요자금면에서현실적인어려움이있으므로, 대안으로공동장비구축및활용을위한방안이필요하다는것을알수있다. 현재까지국내에서엔지니어링은건설 / 플랜트분 그러므로향후제조업경쟁력의핵심이될설계기술고도화를위한설계엔지니어링의필요성및적용효과, 제조혁신등엔지니어링에대한인식의변화를체계적으로이끌기위해서는국가적지원을통한공동장비구축이필요할것으로보이며, 관련기술을선도하고지역적확산을위해설계엔지니어링의활용을지속적으로유도할필요가있을것으로보인다. 이는수도권에밀집된엔지니어링서비스산업을지역적으로도확산시키고지역이주도하고있는부품및기자재제조중소기업의지역정착과지역산업에대한재분배효과를불러일으키는역할을할것으로보인다. 또한고급인력의일자리창출과더불어취약한지역의설계엔지니어링선진화를함께해결할수있는적절한방안이될수있을것으로보인다. 야와첨단산업에과도하게집중되어있어국내산업 THEME , Vol. 58, No. 2 43

19 THEME 04 고온축열기술동향 김영한국기계연구원에너지기계연구본부선임연구원ㅣ ykim@kimm.re.kr 최준석한국기계연구원에너지기계연구본부책임연구원 ㅣ jschoi@kimm.re.kr 이글에서는고온열에너지의저장기술을소개하고, 저장및이송의매체로용융염을이용하는기술의최근동향에대해살펴본다. 또한, 신재생발전공정중하나인태양열발전공정을위한고온축열기술의개발현황을살펴보고자한다. 고온열저장을위해서는열저장매체와열전달매체가필요하다. 공기, 스팀, 오일, 용융염등을이용하여전달한열을직접저장하거나, 열교환하여다른매체에저장하는간접저장방식을이용할수도있다. 간접저장시에는자갈이나콘크리트에현열로저장하거나, 용융염등상변화물질에잠열로저장할수있다. 그림 1 자갈을이용한고온축열시스템및운전방법 (STORASOL 사 ) 고온현열저장은자갈이나콘크리트에열을저장하여야하므로매번구조설계를위한실험을반복할수는기술을실제열원에적용하기위한상업적접근을없어서축열조유닛을모듈화하여필요용량에따라하는단계이다. 독일의 STORASOL에서는고온현열개수를달리하여공급하는구조로설계하였다. 저장시스템에서가장중요한기술은열전달매체인독일의에너지연구기관인 ZAE Bayern에서는열공기의분배및이를이용한축열 / 방열효율화문제라전달매체로오일 (oil) 을이용하기위해자갈과오일을고파악하여압력손실을감소시키는분배구조에대해이용한 Dual-media 축열조를제시하였다. 이로써오집중적으로개발하고있다. 내부축열재료는필요에일의사용량을줄이면서도고체의자갈과직접접촉따라다른물질을이용할수있도록하였으며, 재료가하여열을축 / 방열할수있다. 고체축열재를같이사변하여도열전달구조는달라지지않도록개발중이용함으로써비용을 60% 줄일수있으며, 오일을이용다. 축열재모듈이병렬연결되며빗살무늬유로를통하므로열저장은 300 까지만가능하다. 고온퍼니스해공기가분배되는구조를개발하여특허기술을확 (furnace) 의폐열을사용하는페인트건조공장에서보하였는데, 채널의크기나부피만바꾸어도민감하퍼니스가작동하지않는시간 (off-time) 에도열을이게반응하여이해하는데시간이오래걸렸으며개발용할수있도록하기위하여축열조를도입하였다. 남기간이 6년소요되었다고한다. 유량및압력변동에는폐열은공장의샤워시설에온수공급, 난방공급, 흡민감하게반응하며이에따라유로의설계를달리하수식칠러 / 히트펌프에공급하였다. 44 기계저널

20 THEME 04 그림 2 에너지저장기술성숙도 [ 국제에너지기구 (IEA), 2014] 그림 3 고온축열공정을포함하는태양열발전시스템 용융염을이용한고온축열기술은주로원자로의열저장기술로검토되어왔으나, 최근에는신재생에너지의저장매체로관심을받고있다. 신재생에너지의한종류인집광형태양열발전은대용량전기공급을위해유망한기술로서스페인, 미국캘리포니아등에서 MW급플랜트가다수건설되었으며, 화석연료로인한기후변화및환경오염이심해지면서중국에서만 20기의건설계획이발표되는등전세계적으로다수의프로젝트가진행되고있다. 다른한편으로는, 에너지의효율적인사용을위해열에너지네트워크의구축이이루어질것이기대되면서고온폐열을활용하고저장할수있는매체로도활용이기대되고있다. 태양열발전플랜트는대규모의부지가필요하고 설비투자에비용이많이든다는단점외에도태양열이공급되지않는밤시간에천연가스 (LNG) 등으로보조연료공급이필요한단점이있다. 이로인해 Capacity Factor로표현되는발전시스템의설계용량대비이용효율이기존화석연료기반의발전시스템보다현저히낮아지게된다. 고온축열시스템이도입되면낮에집광된태양열을저장하여밤에활용할수있게되므로경제적인이득을얻을수있으며, 이와함께보조연료공급으로인한이산화탄소의배출을줄일수있다. 축열시스템의설비비용은대략전체설비비의 10~15% 수준이며, 그중축열재의구입비용과축열조의설치비용이대부분을차지하므로, 저렴한축열재의도입과효율적인축열조설계가시스템의경제성에미치는영향이크다. 태양광발전의고온축열을위한용융염으로는질산나트륨 (Sodium nitrate), 질산칼륨 (Potassium nitrate) 등을일정비율로혼합한 Solar Salt, HITEC 등이상용화되어있다. 집광형태양열발전시스템의온도는설계에따라 1,000 이상까지도높아질수있다. 생성된고온의열은이송매체를이용하여발전시스템또는축열조로전달되는데, 이송매체로는공기, 스팀, 열매유 (thermal oil), 용융염등이활용되고있다 , Vol. 58, No. 2 45

21 THEME 04 고온축열기술동향 공기나스팀의경우에는온도가올라감에따라압력도같이올라가므로 용융염을이용한고온축열기술은상압에서운전이가 이상의온도에서는적용할수없고, HITEC은이보다낮은 535 고압에서운전되나, 열매유와용융염에서분해되기시작하므로다른능하므로고온의열을전달은액체상태이므로상압에서운전가화합물을이용하는공융혼합물하는열전달매체및저장매능하다. 열매유는 400 이상의온도의개발이필요하다. 이러한혼 에서는분해되기시작하는데, 태양열발전시스템에서이용되는온도가이보다낮은경우가아니면열매유는적용이불가능하다. 차세대발전시스템 체로활용하는데유리하며, 녹는점이낮을수록활용하기에용이하다 합조성은혼합자유에너지를고려한최적의조성값을계산함으로써예측할수도있지만네가지이상의혼합물에대해서는이 으로제안되는고효율발전시스템은초임계 (supercritical), 초초임계 (ultra-supercritical) 상태까지운영되어야하므로, 태양열발전시스템의효율향상을위해서는고온의열을순환하기위해고온에서도견딜수있는열전달매체가필요하다. 용융염중에는높은고온에서도분해되지않는종 러한계산도어려워지므로결정구조를고려한공융혼합물의선정및실험으로탐색하여야한다. 용융염축열의비용절감을위한다른접근으로기존의 Two-tank 방식이아닌단일성층화조의도입이고려되고있다. 축열조의설비비를낮추기위해서는저비용축열재의이용, 탱크및열교환기비용감소가주요 류들이있다. 이들은대개녹는점도높아서 온도가떨어지면굳어서순환을시킬수없 으므로, 액체상태로유지하기위해서는용 융염순환시스템전체의온도가녹는점이 상으로유지되어야한다. 이러한단점을극 복하기위해, 고온에서적용가능하면서도 가능한낮은응고점을가지는용융염의개 발이진행되고있다. 특정용융염들은혼합 하면각각의순물질이녹는점보다훨씬낮은온도에서녹는공융점 (eutectic point) 을가질수있으며이러한혼합물을공융혼합물 (eutectic mixture) 이라한다. 질산나트륨은 308, 질산칼륨은 334 에서녹지만, 이들을 6:4로혼합한 Solar Salt는 220 에서완전히다녹는다. 여기에녹는점 271 의아질산나트륨 (Sodium nitrite) 을추가하여 7:53:40의조성으로혼합하면녹는점은 142 까지떨어지게된다. 그런데 Solar Salt의경우 600 이상에서는질산이아질산으로분해되기시작하므로이 그림 4 발전사이클의운전온도와용융염의적용가능온도그림 5 공융혼합물의상평형도 (Penn State Univ) 46 기계저널

22 하다. 또한, 고온의염이저온의염과섞이지않고성층화된경계를잘 고온축열기술은신재생에너지의저장및고온폐열 에대한이해, 부식특성에대한이해도설치비를줄이는데기여할 유지하여야높은효율의축열및방수있을것으로보인다. 국내에서활용을위한기술로, 에너열성능을유지할수있다. 는한국기계연구원에서 Thermocline 단일탱크를이용한고온지시스템의효율화에활용 Single-tank에서의성층화유지 를위해스페인 SENER에서는 Floating Barrier를이용하여고온 될것으로기대된다 축열에대한연구를진행하였는데, 효율을높이는구조를설계하여파 유체와저온유체를구분하는구조를제안하였고 (Lata et al., SolarPaces 2010), 이탈리아 ENEA에서는열교환기를내장한구조를제안한바있다 (Gaggioli et al., Energy Procedia 10, 2015). 미국 Sandia Lab에서는축열조에충전재 (filler material) 를채워고온유체와저온유체의혼합을줄이고열전달매체의사용량을줄이고자하였다. (Pacheoco et al., Solar Energy 124, 2012) 독일항공우주연구소 (DLR) 에서는 Thermocline Filter Storage(TFS) 개발을고려하고있으며, 독일의콜론 (Cologne, 퀠른 ) 지역에 20m 3 규모의탱크에 130톤의염을저장할수있는 TESIS(Thermal Energy Storage In Molten Salts) 를구축하여연구에활용하고있다. 운전경험의축적과축열재의내구성 일럿실험을수행하였다. 고온열저장을위한방법으로화학적반응을이용하는방법도있다. 열화학저장 (thermochemical heat storage) 은반응시열을방출하거나흡수하는반응중가역적 (reversible) 으로일어나는반응을이용하는방법이다. 화학반응의특성상반응이일어나는온도가정해져있어활용하고자하는온도에적합한반응을선택하여야하는특성이있다. 수산화칼슘 (Calcium hydroxide, Ca(OH) 2 ) 의경우 400 정도의고온조건으로만들어주면물분자가떨어져나가산화칼슘 (Calcium oxide, CaO) 이되면서열을흡수한다. 이와반대로산화칼슘에 350 부근의수증기를가해주면발열반응을일으키며더높은온도의고온을발생시킬수있다. 이러한열화학저장기술은대 개고상 (solid) 과기상 (gas) 이포 함된다상반응의형태이므로열 의회수및전달을위한매커니즘 및반응기구조의설계가주요하 며아직전세계적으로실험실수 준의연구가이루어지고있다. 실 리카겔등을이용한수착반응은 이보다낮은온도에서이루어지 고제어가상대적으로용이하여 독일의 ZAE Bayern에서파일럿 수준의연구도이루어진바있으 나, 축열밀도가낮고효용이떨어 져경제적으로주목할만한결과 그림 6 고온축열파일럿의공정도 (Applied Thermal Engineering 127, 2017) 를얻지못하였다. THEME , Vol. 58, No. 2 47

23 THEME 05 비전통자원개발을위한기계기술소개 김영주한국지질자원연구원포항센터책임연구원우남섭한국지질자원연구원포항센터선임연구원한상목한국지질자원연구원포항센터선임연구원하지호한국지질자원연구원포항센터선임연구원김성필한국지질자원연구원포항센터책임연구원 ㅣ kyjp7272@kigam.re.kr ㅣ nswoo@kigam.re.kr ㅣ smhan@kigam.re.kr ㅣ jihoha@kigam.re.kr ㅣ spkim@kigam.re.kr 이글에서는셰일가스를포함한비전통자원의개발동향과개발을위해서필요한탐사, 시추및생산과정에서필요한기계기술에대해소개하고자한다. 비전통자원 (Unconventional resources) 은지질구조와매장형태가특이하여전통적인기술을적용하여개발 생산하는것이불가능한석유나천연가스자원을총칭하는것으로정의할수있다. 전통자원 (Conventional resources) 과는달리비전통자원은넓은지역에연속적인형태로분포되어있어고도의기술을필요로하며자원의부존위험보다는회수율과경제성에관련된위험이더큰에너지자원이다. 최근국내에서도관련기술개발을위한국가 R&D가시작되었으며이글에서는비전통자원개발에필요한기계기술에대한이해의기회를제공하고자한다. 비전통자원개발필요성비전통자원은최근저유가와기존의전통자원의고갈로인해대표적으로관심을받고있는셰일가스등기존의석유및가스와같은전통자원의생산방식과는다른방법으로생산되는자원으로중동지역에집중분포되어있는석유와달리북미, 동유럽, 남미, 아시아등고르게분포되어있다. 기존전통자원의채굴기술의발달로인해선진국인미국을중심으로기술개발이진행되어경제성의확보로인해생산량이크게증가하고있다. 우리나라는에너지 자원개발분야의후발국이었지만, 조선 3사를선두로해양플랜트산업의시추선건조부문에서세계시장을선도하였으나최근의세계적저유가현황과시추시스템등과관련된핵심기술의부재로어려움을겪고있다. 하지만지속될수밖에없는에너지 자원산업분야에서안정적인에너지 자원확보와관련산업분야의신시장창출을위해서는육상과해상을아우르는자원플랜트관련신기술개발을위한기획및향후 R&D를통하여비전통자원을포함한석유 가스개발기술에대한독자기술경쟁력확보와시장진입노력이필요한실정이다. 따라서기계공학분야뿐만아니라여러분야전문가들의관심과참여를유도하기위하여세일가스를중심으로한비전통자원개발에필요한기계공학분야의기술을소개하고자한다. 48 기계저널

24 비전통자원개발 생산기술비전통자원은그림 1에보이는바와같이지질구조와매장형태가특이하여전통적인석유 가스개발기술을적용하는것이불가능하다.( 그림 1 및 셰일가스등의개발은방향성시추및수평시추기술이발전하면서본격화되었으며, 극도로치밀한셰일층에매장되어있는오일샌드나셰일오일등은점도가높기때문에수압파쇄, 열 약품주 방향성시추기술방향성수평시추는지상에서수직으로시추하다가발기점 (KOP: Kick Off Point) 을만나면일정한방향으로방향성시추를한후최종적으로목표지점까지수평시추를하는것 THEME 05 표 1). 입등의추가적인회수기술이적용되어야한다 을말한다. 방향성시추의기술발전은방향제어기술의발전과 표 1 주요자원별시추 생산기술및필요한장비 비전통자원 시추및생산기술 필요장비 초중질유 노천채굴, 심부시추, 지하회수 ( 스팀, 중력구배등 ) 굴착장비, 열처리장비, 정제기, 분리기 오일샌드, 역청 (Bitumen) 오일셰일 노천채굴, 심부시추, 지하회수 ( 스팀, 중력구배등 ) 노천채굴, 심부시추, 지하회수 ( 스팀, 중력구배등 ) 굴착장비, 열처리장비, 정제기, 분리기 굴착장비, 열처리장비, 분쇄기, 건식정제기, 분리기 셰일오일 방향성 / 수평시추, 수압파쇄 방향성시추리그, 수압파쇄장비, 수처리장비 셰일가스 방향성 / 수평시추, 수압파쇄 방향성시추리그, 수압파쇄장비, 수처리장비 치밀가스 방향성 / 경사시추, 수압파쇄 방향성시추리그, 수압파쇄장비, 수처리장비 석탄층메탄가스 수직 / 수평시추, CO 2 치환 방향성시추리그, CO 2 압축장비, 수처리장비 가스하이드레이트 수직 / 수평시추, 감압, 열 / 약품주입, 치환 방향성시추리그, CO 2 압축장비, 수처리장비, 열처리장비 그림 1 비전통자원매장분포도 ( 출처 : Robert Clarke The Global Unconventional Gas Trend, Wood Mack, 2010) , Vol. 58, No. 2 49

25 THEME 05 비전통자원개발을위한기계기술소개 그림 2 방향성시추리그 그림 3 RSS 방향추진시스템 그림 4 DrillACT@ software (KICT) 그림 5 Smart oil field 그궤를함께하고있다. 센싱기술의주요장비는 방향제어추진시스템의핵심기술은위치파악을위한 시추운영기술시추운영기술은최근 ICT기술 MWD(Measurements While 의도입으로실시간현장데이터의공저센싱기술, 지상과공저 Drilling), LWD(Logging While 공유및처리가가능한프로젝트간시추정보를전송하는통 Drilling) 로시추비트후단에장비관리정보를생산하는소프트웨어 를부착하여실시간으로필요한정보를얻는다. MWD 장비는시추공의위치와경사및방위각을측정하며, LWD 장비는공극률, 비저 신기술, 시추방향을제어하는방향제어기술등으로구성되며 ( 그림 2), 방향제어기술은최근에 RSS(Rotary 기술들이개발되고있다. 이를통해서시추성능예측및운영정보생산, 3차원시추정설계, 5D(3D+ time+cost) 기반정보시간관리등 항, 밀도등의지층물성을측정한의기능을능동적으로수행할수 Steerable System) 방식까지다. 측정된자료는 RSS의통신시있다. 또한 ICT기술을기반으로탐스템을이용하여지상으로전송되개발되어시추속도와정확사 시추 생산전과정을실시간으 어모니터링되며지층물성측정과시추가궤도의설계대로진행되 성을향상시키고있다 로모니터링하고빅데이터분석을통해서다양한유정정보를제공하 는지실시간평가한다 ( 그림 3). 설명되는기술들에대 는스마트 ( 디지털 ) 오일필드기술도개발되고있다. 한좀더자세한자료들은인터넷 (Google) 에서도쉽 게찾아볼수있다. 50 기계저널

26 THEME 05 그림 6 수압파쇄 그림 7 수처리원리 그림 8 SAGD 방식 그림 9 CSS 방식 수압파쇄및수처리기술수압파쇄관련기술은수압파쇄장비와수압파쇄를위한최적설계, 운영및유정완결기술등이있다. 수압파쇄는셰일층내에시추된수평시추공에고압의수압및지지체 (Proppant) 를주입하여지층내에균열을생성시키고, 케이싱과시멘팅작업으로시추공의안정적유지를통해서셰일가스등비전통자원을최대한생산하는데필요한기술이다.( 그림 6) 비전통자원개발에서중요하게부각되는문제중의하나가환경문제인데, 이를위해서환경및안전관 리기술의개발도병행되어야한다. 셰일가스개발시발생되는환경영향을사전에파악하고수압파쇄시환경오염을최소화하는유체개발과지하수및토양오염을방지하는기술등이있다. 주요기술로는친환경수압파쇄유액개발, 생산정의웹기반실시간오염원감시, 환류수 (Flowback water) 재활용및최종처리기술등이다. 열이용회수기술오일샌드와오일셰일, 역청 (Bitumen) 등비교적 , Vol. 58, No. 2 51

27 THEME 05 비전통자원개발을위한기계기술소개 그림 10 Drilling rig 그림 11 Top drive 그림 12 Continuous Circulation System 지표면에서발견되는자원의경우노천채굴법과지하회수법이주로사용된다. 최근지하회수법의개발로생산량이증가하고있으며, 대표적인방법으로 SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage) 방식과 CSS(Cyclic Steam Stimulation) 방식이있다. 일반적으로 SAGD 방식은 CSS 방식보다개발시간이짧고, 고압에의한유정의손상이적은편이다. 하지만 SAGD 방식이 CSS 방식보다회수율이떨어지는등상호장 단점이존재한다.( 그림 8, 9) 비전통자원개발 생산을위한기계기술 수압파쇄장비최근수압파쇄에사용되는압력은평균 15,000psi 정도이며, 유체의분사는 100bbl/min 정도로공급된다. 핵심구성장비는혼합물을생성하는유체블렌더 (Slurry blender) 와혼합물을주입하는고압유체펌프가있다 ( 그림 13). 유체블렌더는혼합물의누출을예방하여환경오염을방지하고혼합물의재활용이용이하도록혼합물의조성비를일정하게제어하는장비이다. 유체펌프를이용해파쇄용혼합물을암석층에주입하는데, 주로 3대이상의다중펌프시스템이사용된다. 시추시스템시추시스템은시추리그 ( 그림 10 중앙의시추탑 (Derrick)) 의핵심부분으로전체적인구성은동력시스템, 회전시스템, 이수순환시스템, 권양시스템, 유정제어시스템및모니터링시스템으로구분할수있다. 몇기술을살펴보면, 시추비트를회전시켜굴착작업을진행하는데최근에는대부분 Top drive시스템을이용한다 ( 그림 11). 또한시추작업중이수순환을멈추지않고안정적인시추를가능하게하는연속이수순환시스템 (CCS; Continuous Circulation System) 기술도개발되고있다.( 그림 12) 수처리장비수압파쇄에사용되고회수되는유체는유해첨가물이혼합되어있어서재활용및정제를위한수처리기술이매우중요하다. 유체처리및 TDS 농도를낮추기위해서사용되는기술은크게증류 증발공정과역삼투압막공정으로구분할수있다. 최근처리효율은높이고운전비용은저감하기위한전기화학기반분리기술, 증류증발기술, 압력기반회수증진기술, 복합공정상용처리기술등다양한신기술들이개발되고있다. 52 기계저널

28 THEME 05 그림 13 수압파쇄장비 [ 유체블렌더 ( 좌 ), 고압다중펌프시스템 ( 우 )] 그림 14 수처리장비 ( 왼쪽부터 Ecosphere 사, GE 사, Halliburton 사 ) 참고자료 그림 15 스팀주입장비 [SAGD 방식 ( 좌 ), CSS 방식 ( 우 )] 스팀주입장비오일샌드와초중질유등의비전통자원개발을위한핵심기술인스팀주입장비는열교환기, 스팀발생기및분배기, 순환펌프, 저장소등으로구성되어있다. 고압증기가유정에지속적으로주입되어오일을가열하고점성을감소시켜유동성을좋게하는역할을하는데, 스팀주입장비는대부분트럭위에열교환기와저장소를함께탑재하여이동성이좋도록제작한다. 1. 해양시추공학, 최종근, 씨아이알, 비전통자원의개발이유와 E&P( 자원개발 ) 사업전망은?, 에너지경제연구원, 비전통가스의환경영향에대한우려와기술개발동향, 국가환경정보센터, 셰일가스및오일의기술개발동향 (2014), 김현태외 2명, 기계저널, Vol. 54, No 비전통자원개발에따른수처리최신기술 (2014), 김극태외 2명, 한국화학공학회, Vol. 52, No , Vol. 58, No. 2 53