한국원자력연구원(KAERI)이 증기 터빈을 대체할 수 있는 차세대 발전 기술을 구현했다.

KAERI는 최근 ‘초임계 CO2(이산화탄소) 발전 시스템’을 개발하고 100kW(킬로와트)의 전력을 생산하는 데 성공했다고 4일 밝혔다.

증기 터빈 시스템은 현존하는 대부분의 발전 핵심 시스템으로, 화력·원자력·태양열 등 열을 전기로 변환하는 발전소에서는 모두 이를 활용하고 있다.

최근 탄소 중립을 위해 친환경 발전 방식이 확대되고 있지만, 기술적인 한계로 에너지 전환율이 낮다는 지적을 받고 있다.

이에 KAERI는 재생 에너지 기술 이전에 증기 발전 시스템 자체를 개량하는 연구를 추진했다.

새로 개발된 발전 기술은 압축기로 액체와 기체의 중간 성질을 갖는 특수 ‘초임계 상태’의 이산화탄소를 만들어 터빈을 구동하고 전기를 생산한다.

초임계 물질은 액체와 기체의 성질을 동시에 갖기에 기체처럼 흐르면서도 밀도가 높아 수증기보다 터빈을 돌리는 효율이 높다.

또 고온에서는 기체처럼 점성이 낮아지기에 마찰로 인한 에너지 손실도 적고 팽창이 자유로워 발전 시스템에서 매우 효율적인 유체로 평가받는다.

원자력연구원의 초임계 CO2 발전기 구조 [한국원자력연구원 제공]

연구진은 이미 지난 2020년 초임계 압축기를 개발한 바 있으며, 최근 터빈 개발에 성공해 시스템을 완성했다.

초임계 유체에 맞춰 개발된 터빈은 이산화탄소가 오가는 입구와 출구가 대칭 형태로 두 개씩 존재하며, 회전하는 날이 축의 양 끝에 배치돼 균형을 맞췄다.

결과적으로 터빈은 빠르게 회전하는 상태에서도 안정성을 유지할 수 있게 되면서 최대 4만 RPM의 초고속 회전이 가능해졌다.

이는 기존 증기 터빈이 저압 상태에서 최대 5000RPM, 고압에서는 최대 7000RPM 정도인 것과 비교하면 적게는 6배에서 많게는 8배 이상 높아진 수치다.

한편 KAERI는 이산화탄소를 채택한 이유로 초임계 상태로 만드는 것이 물보다 쉽고, 비용이 저렴하다는 점을 꼽았다.

특히 이산화탄소 발전 시스템은 기존 기술보다 고온으로 갈수록 더 높은 효율을 가졌으며, 터빈을 대형화해야 하는 수증기 시스템과 달리 10분의 1 크기로도 소형화가 가능한 것으로 알려졌다.

원자력연구원 조진영 원자로연구소장은 “이번 초임계 시스템을 이용한 전력 생산의 성공은 향후 차세대 원자로와 소형모듈원자로 상용화의 초석이 될 것”이라고 강조했다.

또 “앞으로 지속적인 업그레이드로 올해 안에 전기 출력을 500kW까지 끌어올릴 것”이라는 포부를 밝혔다.