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차세대 고효율 발전 기술로 주목받고 있는 초임계 이산화탄소(CO₂) 발전 시스템이 실질적인 전력 생산의 분기점을 넘어섰다. 초임계 CO₂ 발전은 이산화탄소를 고온·고압 상태에서 액체와 기체의 성질을 동시에 활용해 전기를 생산하는 방식이다. 이를 위해서는 이산화탄소를 압축하는 ‘압축기’, 이를 구동하는 ‘구동 터빈’, 그리고 전력을 생산하는 ‘발전 터빈’이 필수적이다.

최근 한국원자력연구원의 차재은 박사 연구팀이 이러한 시스템 개발에 성공하며, 국내 최초로 전력 생산이 투입 전력보다 커지는 ‘분기점’을 돌파했다고 23일 발표했다. 이번 성과는 연구개발을 시작한 지 4년 만에 얻은 결실로, 초임계 CO₂ 발전 시스템 분야에서 세계적 수준의 기술력을 입증한 것으로 평가된다.

▲시스템 개발 참여 연구진이 전력 생산 분기점 도달을 위해 외부 열원의 온도를 조절하고 있다.

차 박사 팀은 압축기 작동을 위한 구동 터빈을 개발하고, 이를 시스템에 통합하여 CO₂ 순환 및 압축 과정을 성공적으로 구현했다. 외부 열원의 온도와 CO₂ 유량을 서서히 증가시키며 시스템을 실증한 결과, 투입한 전력보다 더 많은 전력을 생산하는 전력 생산 분기점에 도달한 것이다. 이로써 외부 열원과 내부 시스템의 CO₂ 압축 기능이 결합된 완전한 밀폐형 초임계 CO₂ 발전 시스템이 완성되었다.

사실, 차재은 연구팀은 이미 지난 4월에 100kW 규모의 전력 생산을 성공한 바 있다. 당시에는 ‘파워 터빈’의 실증에 집중했으며, 외부 모터를 이용해 CO₂ 압축기를 작동시켜 발전 시스템의 성능을 확인했다.

초임계 CO₂ 발전 시스템은 기존 증기 발전 시스템보다 훨씬 작은 크기로, 20~40톤 트레일러 한 대에 실을 수 있을 정도로 소형화할 수 있다. 이러한 소형화는 차세대 원자로, 태양열, 선박 배기열, 석탄 화력 등 다양한 열원과 함께 활용될 수 있는 장점을 지닌다. 초임계 상태의 CO₂는 밀도가 높아 더 강한 터빈 구동력을 제공하며, 마찰이나 부식 문제에서 자유로워 효율적인 발전이 가능하다.

이번 연구는 한국원자력연구원을 주축으로, 진솔터보기계, 한국과학기술원, 포항공대가 함께 참여한 민군협력진흥원의 기술 개발 사업의 일환으로 이루어졌다. 차재은 박사는 “이번 분기점 돌파는 한국의 밀폐형 고효율 초임계 CO₂ 발전 기술 개발을 세계 최고 수준으로 끌어올린 성과”라며, “앞으로 목표인 500kW 정격 출력 시험을 달성하고, MW급 발전 시스템 개발을 위한 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.

이번 성과는 차세대 고효율 에너지 시스템의 상용화를 앞당기는 중요한 이정표로, 앞으로의 발전 가능성에 대한 기대를 모으고 있다.

출처 : 에너지신문(https://www.energy-news.co.kr)