초임계 CO 2 발전기술 창조경제성장엔진프로젝트 중하나로선정되어관심이높아지고있는초임계 CO2 발전기술에대해살펴본다. [ 표 1] 제6차전력수급기본계획기본방향 적극적수요관리를통해신규발전설비건설소요최소화 경제규모에걸맞은안정적예비율확보 지역수용성, 계통여건을고려한발전시설확충

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가은 빈
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1 초임계 CO 2 발전기술 1. 개황 김범주한전전력연구원선임연구원 오늘날환경에대한영향을최소화하면서도효율이높은발전시스템에대한관심이그어느때보다높아지고있다. 최근우리나라에서발표한제6차전력수급기본계획과제2차국가에너지기본계획의기본방향을살펴보면, 온실가스감축, 분산전원및신재생에너지보급의중요성이계속커지고있음을알수있다. 이러한정책과관련하여초임계 CO2 발전시스템은분산전원으로의적용가능성, 시스템의단순화에따른비용절감, 신재생에너지원과의연계, 발전효율증가및온실가스저감등다양한잠재력을가지고있다. 본고에서는산업통상자원부의 42 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine

초임계 CO 2 발전기술 창조경제성장엔진프로젝트 중하나로선정되어관심이높아지고있는초임계 CO2 발전기술에대해살펴본다. [ 표 1] 제6차전력수급기본계획기본방향 적극적수요관리를통해신규발전설비건설소요최소화 경제규모에걸맞은안정적예비율확보 지역수용성, 계통여건을고려한발전시설확충 출처 : 지식경제부 (2013.

2 초임계 CO 2 발전기술 창조경제성장엔진프로젝트 중하나로선정되어관심이높아지고있는초임계 CO2 발전기술에대해살펴본다. [ 표 1] 제6차전력수급기본계획기본방향 적극적수요관리를통해신규발전설비건설소요최소화 경제규모에걸맞은안정적예비율확보 지역수용성, 계통여건을고려한발전시설확충 출처 : 지식경제부 (2013.2) [ 표 2] 제 2 차국가에너지기본계획기본방향 6대중점과제 주요목표 수요관리중심의에너지정책전환 2035년전력수요의 15% 감축 분산형발전시스템의구축 2035년발전량의 15% 이상을분산형으로공급 환경, 안전과의조화모색 신규발전소에대한최신온실가스감축기술적용 에너지안보의강화와안정적공급 원별안정적공급체계구축 국민과함께하는에너지정책추진 출처 : 산업통상자원부 (2014.1) 가. 초임계 CO2 물성 해외자원개발역량강화, 신재생에너지보급 11% 석유, 가스등전통에너지의안정적공급 2015년부터에너지바우처제도도입 CO2의임계점은 31, 7.37 MPa이다. 유체는임계점보다높은온도와압력에서는초임계상태로변화한다. 초임계는하이브리드상태로서액체처럼밀도가높지만, 가스처럼팽창하여공간을차지한다. 임계점근처에서작은온도변화는큰밀도변화를유발하며, 온도를약간상승시키기위해서는많은에너지가필요하게된다. 그리고점성에서도변화가생기는데밀도가높은액체에서증기로변하며, 자유표면이없어 bubble 또는 drop이생기지않는다. 이러한초임계상태의특징때문에초임계 CO2가브레이튼사이클의작동유체로관심이높은것이다. [ 그림 1] CO2 온도-압력선도나. 초임계 CO2 발전시스템의특징초임계 CO2 발전시스템은터보기기의크기가작아지고, 시스템이단순화되어 Capital Cost를낮출수있으며, 발전효율의향상을기대할수있는특징을갖고있다. 그리고소규모분산전원부터대규모발전까지확대가능하고, 적용가능열원의범위가넓은특징이있다. 연계가능한열원으로는원자력, 태양열, 화력, 바이오, 지열, 폐열등이있다. 그리고물에비해재료부식이덜하기때문에일반적인재료를사용할수있고, 공랭식냉각이가능하다 ( 그림 2 참조 ). 다. 연혁 1948년 Sulzer Bros. 의부분응축브레이튼사이클에대한특허출원이초임계 CO2 브레이튼사이클의출발점으로볼수있다. 이를통해 CO2의장점이인식되면서많은나라에서초임계 CO2의연구가수행되었다. 이아이디어는약 20년이지나재발견되는데, Feher( 미국, 1967), Angelino( 이탈리아, 1968), Gokhstein과 Verhivker( 소비에트연방, 1969), Strub와 Frieder( 스위스, 1970) 등이이무렵에관 2014 August + 43

Fossil & Bio Fuels Solar Power Tower Solar Trough Geo Thermal Temp C 100 200 300 400 500 600 700 800 900 17.

3 Fossil & Bio Fuels Solar Power Tower Solar Trough Geo Thermal Temp C % 31% 43% ~54% 36% DRY ~49% 43% ~54% 36% DRY ~49% 37% 43% 28% 36% DRY 44% 50% Advanced Condensing Cycle SCO2 GROWTH POTENTIAL 1000 Nuclear Water 33% LWR 37% 32% Sodium 41% CO2 43% He Gas 43% Existing technologies 43% 48% 50% Reactor Technologies SFR AGR HTGR 50% 56% Wet 48% 53% Dry Advanced Cycles SCO2 GROWTH POTENTIAL [ 그림 2] 열원별온도범위에따른효율 [ 출처 : Wright(2011)] 련연구를진행하였다. 1970년대초기에이시스템의설계와제작이시작되었으나곧중단되었다. 그이유는고에너지밀도의소규모스케일시스템을만드는것이당시의기술로는비현실적이었고, 시스템의제작비용이시작품을만드는데너무많이들었기때문이다. 시스템제작의초기시도가불안정하였지만, 2000년대에들어서이기술은재조명을받게된다. Dostal 이그의박사학위논문 (MIT) 에서초임계 CO2 발전사이클의무한한 [ 그림 3] Simple SCO2 사이클 ( 출처 : Carleton University) 잠재력을제시하였고, 미국에너지성 (DOE) 은이후초임계 CO2 프로젝트에본격적으로투자하기시작하였다. 라. 사이클개요초임계 CO2 발전시스템은두개의정압과정과두개의등엔트로피과정을갖는브레이튼사이클이다. 압축, 가열, 팽창, 냉각과정을거치는동안작동유체는초임계상태를유지한다. [ 그림 3] 은초임계 CO2 발전시스템 (Closed Loop) 의 Simple 사이클을나타낸것이다. Heater에서열을받아유체를가열하여터빈을구동하고, Recuperator에서열교환후, Precooler 에서열을버린후압축되어 Heater 로가는과정을반복한다. [ 그림 4] 는 Closed Loop Recompression SCO2 Brayton Cycle로서현재개발되는사이클중에가장보편화되어있는사이클이다. 기본사이클에서 Recompressor 가추가되고, 재생열교환기가 2개 ( 고온부, 저온부 ) 로나뉘어지게된다. Cooler 로보내어지지않은일부의작동유체를재압축하는사이클이다 Journal of the Electric World / Monthly Magazine

4 초임계 CO 2 발전기술 Qin Main Compressor Recycle Compressor Cooling SCO2 Turbine LTR HTR [ 그림 4] Closed Loop Recompression SCO2 Brayton Cycle( 출처 : NETL) 마. 터보기기전통적인석탄화력발전을구성하는랭킨사이클에서는작동유체로서물이사용되어왔다. 그러나물은 고온에서부식성이높아온도를높이는데한계가있어브레이튼사이클의작동유체로는부적합하였다. 이러한부식성을피하기위해서 CO2가발전사이클 Power (MWe) Speed / Size ,000rpm / 5cm ,000rpm / 14cm 10,000rpm / 40cm 3,600rpm / 1.2cm Compressor Single Stage (Radial Flow) Multi Stage (Axial Flow) Multi Stage Turbine Single Stage (Radial Flow) Multi Stage Single Stage (Axial Flow) Multi Stage Bearings Gas Foil Magnetic Hydrodynamic Oil Hydrostatic Seals Labyrinth Dry Gas Generator Permanent Magnet Gearbox, Synchronous Wound, Synchronous Shaft Config. Dual / Multiple Single Shaft [ 그림 5] SCO2 발전용량에따른터보기기의구성부품 2014 August + 45

미국, 일본, 한국이대표적인개발국가들이며, 각국의기술동향을살펴보면다음과같다. 가. 미국 KAPL(Knolls Atomic Power Lab) 은미해군원자력연구소로서추진용원자로의적용에초점을맞추어초임계 CO2 발전의예비시스템열성능및사이징평가, 기본적인초임계 CO2 유동, 재료시험, 구성기기개발, 시스템제어모델링등의연구를수행하 였다 (2005~2009년).

5 의작동유체로대체될수있다는것이알려졌고, SNL(Sandia National Lab) 의차세대원전연구팀에서이러한분야의연구가선행되었다. 이곳에서는초임계 CO2와관련된실험적인연구및터보기기, 베어링, 실링등구성요소관련연구가수행되었다. 300MWe 스팀발전의경우터빈의직경은 5m, 22~30의 stage가필요하지만, 초임계 CO2의경우에는직경 1m, 3stage 면가능하다. [ 그림 5] 는초임계 CO2 발전시스템의용량에따른터보기기의구성부품을나열하고있다. 2. 동향세계각국은초임계 CO2 발전기술을발전기술의패러다임을전환시킬수있는차세대발전기술로인식하고연구개발을진행중에있다. 미국, 일본, 한국이대표적인개발국가들이며, 각국의기술동향을살펴보면다음과같다. 가. 미국 KAPL(Knolls Atomic Power Lab) 은미해군원자력연구소로서추진용원자로의적용에초점을맞추어초임계 CO2 발전의예비시스템열성능및사이징평가, 기본적인초임계 CO2 유동, 재료시험, 구성기기개발, 시스템제어모델링등의연구를수행하 였다 (2005~2009년). 이후에는 100kWe급설비의설계와제작에중점을두고있으며, 이설비의터보기기는 BNI(Barber Nichols Inc) 가제작하였다 ( 그림 6, 7 참조 ). SNL과 DOE는 BNI와계약하여 MW급 SCO2 브레이튼사이클의제작및운전과제에참여하고있다. Sandia-DOE 의시험설비는 [ 그림 8] 과같으며, 터빈입구온도 615K, 축속도 5만2,000rpm, 압력비 1.65, 유량 2.7kg/s, 출력 20kWe를기록하였다. 구성기기를살펴보면 BNI의터보기기및 Heatric 社 ( 영국 ) 에서제조한 PCHE (Printed Circuit Heat Exchanger) 타입열교환기가적용되었고, Gas-foil 베어링, 영구자석발전기, Advanced labyrinth 실링등이사용되었다. National Renewable Energy Lab에서도 DOE의지원을받아 SunShot 프로그램에참여하고있다. SunShot 은 2020년까지인센티브없이경쟁력있는태양에너지를만들기위한 DOE의프로그램으로 CSP(Concentrating Solar Power) 와태양광에서 2~3배의비용절감이목표이다. 특히 CSP에서목표를달성하기위해서는 Solar Collector 비용절감뿐만아니라, 초임계 CO2 사이클을적용하여사이클의효율을개선할계획이다. CSP와연계한 10MW [ 그림 6] KAPL 의시험설비 [ 그림 7] BNI 에의해설계된터보기기 46 + Journal of the Electric World / Monthly Magazine

일본도시바는초임계 CO2 발전사이클 (Open Loop) 의연소기, 터빈, 발전기를개발하고있으며, 미국의 NET POWER, CB&I, Exelon 과함께프로젝트를진행하고있다. 1단계 25MW 급파일럿플랜트를건설할 (2017 년 ) 예정이며, 2단계에서 250MW 로용량을확장할예정이다.

6 초임계 CO 2 발전기술 Heater Controllers Coriolis Flow Meters PCHE Recup 2.3 MW 1.6 MW Gas Chiller 0.5MW Motor Generator Controllers Control System Inventory Tanks [ 그림 8] SNL 의시험설비 SCO2 발전사이클개발프로젝트의협력기관으로는 SNL, 위스콘신大, Echogen, EPRI(Electric Power Research Institute), BNI 등이있다. 나. 일본도시바는초임계 CO2 발전사이클 (Open Loop) 의연소기, 터빈, 발전기를개발하고있으며, 미국의 NET POWER, CB&I, Exelon 과함께프로젝트를진행하고있다. 1단계 25MW 급파일럿플랜트를건설할 (2017 년 ) 예정이며, 2단계에서 250MW 로용량을확장할예정이다. 이사이클은순산소연소공정이추가되며, CCS(Carbon Capture Sequestration), EOR(Enhanced Oil Recovery) 와연계되는특징을갖는다. TIT(Tokyo Institute of Technology), Thermal Engineering & Development, The University of Tokyo는 NEDO(New Energy Development Organization) 의지원을받아초임계 CO2 발전시스템관련연구를진행하고있다. [ 그림 9] 는 TIT에서 [ 그림 9] TIT 의터빈, 압축기 Wheel 10kW급용량으로제작된시험설비의압축기및터빈의 Wheel 사진이다 August + 47

7 다. 국내한국원자력연구원에서는원자력국제협력프로그램에서소듐냉각고속로적용을위한초임계 CO2 발전시스템연구에참여하고있다. 최근에는초임계 CO2 발전시스템실증설비 (300kWe 급 ) 을구축하여시험을진행중에있다. 한편, 산업통상자원부에서는 2013년부터창조경제산업엔진프로젝트의일환으로초임계 CO2 발전기술개발을선정하였고, 산 학 연으로구성된별도의추진단을만들어서예비타당성조사준비를진행중에있다. 3. 전망 1970년대에도출된초임계 CO2 발전기술의개념은기술의한계로개발이진행되지않았으나, 2000 년대에미국에서기술적타당성이검증되어연구개발이가속화되고있다. 최고기술보유국인미국에비해서연구개발의착수가지연되었지만, 중공업 건설 발전설비운영등의경험과산업통상자원부의창조경제성장엔진프로젝트를발판으로단기 Catch Up이가능할것으로예상된다. 발전운영의측면에서보면수MW~ 수백MW의발전용량및연계열원의다양화로신규전력비즈니스모델이도출가능할것으로예측된다. 증기및가스터빈시장의경우가격및기술경쟁에밀려서중국및기술선진국에종속되어있는형국이다. 초임계 CO2 발전시장도초기시장은일부기술보유국에의해주도될확률이높다. 이러한기술선진그룹에속하여차세대발전시장을이끌고, 신성장동력을확보하기위해서는조속히정부주도의연구개발사업이본격적으로추진되어야할것이다. [ 참고문헌 ] 1. Thomas Conboy, Steven Wright, James Pasch, Darryn Fleming, Gary Rochau, Robert Fuller, Performance Characteristics of an Operating Supercritical CO2 Brayton Cycle, Proceedings of ASME Turbo Expo 2012, GT , American Society of Mechanical Engineers, Darryn Fleming, Thomas Holschuh, Tom Conboy, Gary Rochau, Robert Fuller, Scaling Considerations for a Multi-Megawatt Class Supercritical CO2 Brayton Cycle and Path Forward for Commercialization, Proceedings of ASME Turbo Expo 2012, GT , American Society of Mechanical Engineers, Kenneth J. Kimball, Eric M. Clementoni, Supercritical Carbon Dioxide Brayton Power Cycle Development Overview, Proceedings of ASME Turbo Expo 2012, GT , American Society of Mechanical Engineers, Craig S. Turchi, Zhiwen Ma, John Dyreby, Supercritical Caron Dioxide Power Cycle Configurations for use in concentrating solar power systems, Proceeings of ASME Turbo Expo 2012, GT American Society of Mechanical Engineers, Motoaki Utamura, Hiroshi Hasuike, Kiichiro Ogawa, Takashi Yamamoto, Toshihiko Fukushima, Toshinori Watanabe, Takehiro Himeno, Demonstration of OF Supercritical CO2 Closed Regenerative Brayton Cycle in a Bench Scale Experiment, Proceeings of ASME Turbo Expo 2012, GT American Society of Mechanical Engineers, Journal of the Electric World / Monthly Magazine

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<4D F736F F F696E74202D20B0ADC1C2BCD2B0B35FB9DFC0FCBCB3BAF1BFADC0AFC3BCB1E2BCFA E > 발전설비열유체기술 발전설비입문 발전설비열역학 가스터빈 증기터빈 754 MJ/s (100%) 272 MJ/s (36.1%) 205 MW (27.2%) 203 160 119 MW = 482 MW (63.9%) 277 MW (Net Output) (36.7%) 발전설비열유체기술교육안내 1/ 13 강사소개 1) 성명 : 이병은 [Ph. D] 2) 연락처 : 010-3122-2262,