원자력연 초임계 이산화탄소 발전시스템, 전력생산 분기점 첫 도달

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 자체 개발한 초임계 이산화탄소 발전시스템으로 전력 생산 분기점에 국내 최초로 도달하는 성과를 거두었다.

한국원자력연구원은 차재은 박사 연구팀이 ‘초임계 이산화탄소 발전 시스템’ 개발을 완료하고 국내 최초로 생산 전력이 투입 전력보다 커지는 분기점 도달에 성공했다고 23일 밝혔다.

이는 시험개발연구에 착수한 지 4년 만에 발전 시스템에서 순출력을 생산하는 기준점과 운전 기술을 확보해, 완전한 밀폐형 초임계 이산화탄소 발전 시스템 분야 세계 최고 수준의 기술력을 확보한 것으로 의미가 크다.

연구팀은 압축기 작동을 위한 ‘구동 터빈’을 개발하고 시스템 내부에 추가해 압축기가 가동되도록 했다. 압축기 구동 터빈으로 이산화탄소를 순환·압축시키고 외부 열원의 온도와 이산화탄소 유량을 서서히 올리면서 시스템을 실증했다.

그 결과 투입한 전력보다 발전 시스템에서 생산한 전력이 커지는 ‘전력 생산 분기점’에 도달한 것을 확인했다. 외부 열원과 함께 시스템 내부에서 자체적으로 이산화탄소를 압축하는 힘을 공급해 전력을 생산하는 시스템이 완성된 것이다.

연구팀은 지난 4월 100㎾ 전력 생산에 성공한 바 있다. 당시에는 전력을 생산하는 ‘파워 터빈’ 실증에 중점을 두고 외부 모터로 이산화탄소 압축기를 작동시켜 초임계 상태에서 발전시스템의 전력 생산 능력을 확인한 바 있다.

일반적으로 수㎿e급 이하의 초임계 CO₂발전 시스템은 20~40톤 트레일러 1대에 실을 수 있는 크기로 만들어야 경쟁력이 있다. 이는 기존 증기발전시스템의 1/10~1/20 정도 크기이며 차세대 원자로, 태양열, 선박 배기열, 석탄 화력 등 다양한 열원과 같이 쓰일 수 있을 정도로 소형화의 특장점을 지닌 발전 시스템이다.

초임계 상태의 이산화탄소는 액체처럼 밀도가 높아 터빈을 돌리는 힘이 일반 수증기보다 더 강력하다. 이에 따라 동력 시스템의 크기를 작게 만들어도 되는 장점이 있다. 또 기체이기 때문에 마찰과 같은 손실이 적고 부식 문제로부터 자유롭다.

차재은 책임연구원은 “이번 분기점 달성 시험을 통해 밀폐형 고효율 초임계 이산화탄소 발전 시스템 개발 기술을 한국에서 최초로 성공시킬 수 있는 단계까지 이르렀다”며 “현재 목표로 하는 정격 출력 시험(총 출력 500kW)을 달성하고, MW급 발전시스템 개발을 위해 연구를 지속하겠다”고 말했다.

이번 연구는 한국원자력연구원이 주관하는 컨소시엄(한국원자력연구원, ㈜진솔터보기계, 한국과학기술원, 포항공과대학교)의 공동 연구로 수행됐다.

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