새로운 발전 방식의 전력망 연결 이정표
중국이 초임계 이산화탄소로 가동되는 세계 최초의 상업용 발전기를 전력망에 연결하며 고효율 화력 발전의 새로운 단계에 들어섰다. 설비는 구이저우성 류판수이의 서우강 수이청제철소 안에 설치됐으며, 철강 생산 과정에서 나오는 고온 폐열을 전력으로 전환한다. 중국핵공업집단 산하 중국핵동력연구설계원이 지강국제공정기술의 엔지니어링 지원을 받아 건설한 이 사업은 각각 15메가와트급인 2기로 구성된다. 작동 유체는 증기가 아니라 이산화탄소이며, 제조사는 이 설비가 제철소에서 쓰이는 기존 증기 기반 시스템보다 폐열을 포집해 활용하는 효율이 최소 50% 높다고 밝혔다.
목차
이는 흔히 sCO2로 줄여 부르는 초임계 이산화탄소가 더 작은 터빈, 더 빠른 기동, 고온에서의 높은 열효율을 가능하게 할 수 있기 때문이다. 이런 특성은 현재 굴뚝과 냉각 시스템을 통해 빠져나가는 열을 안정적인 전력원으로 바꿀 수 있는 중공업의 요구에 부합한다. 같은 특성은 차세대 원자로와 집광형 태양열 발전소에도 적합하다. 이들 시설에서는 효율이 조금만 높아져도 비용을 낮추고 핵심 부품의 크기를 줄일 수 있다.
구이저우 사업은 이 기술이 실험실 밖에서 어떤 성능을 내는지 검증하는 시험대이기도 하다. 철강 생산은 에너지 집약도가 가장 높은 산업 중 하나이며, 소결 공정 라인과 용광로에서는 섭씨 700도(화씨 1292도)를 훨씬 웃도는 온도의 열이 대량으로 나온다. 이 열을 회수하면 공장의 에너지 수지가 개선되고 지역 전력망에서 끌어오는 전력량을 줄일 수 있다. 또한 증기 사이클과 비교해 물 사용량을 줄일 수 있어 수자원이 부족한 지역에서 이점이 된다.
초임계 CO2 발전이란 무엇이며 왜 중요한가
초임계 이산화탄소란 이산화탄소를 임계점인 대략 섭씨 31도와 74바(bar)를 넘는 온도와 압력으로 유지한 상태를 말한다. 이 상태의 이산화탄소는 기체와 액체의 특성을 모두 지닌 고밀도 유체다. 이 밀도 덕분에 엔지니어들은 소형 터빈과 열교환기를 만들 수 있다. sCO2 발전 블록에서는 유체가 폐쇄 회로를 따라 움직이며, 열원에서 열을 흡수하고 터빈을 통과하며 팽창해 발전기를 돌린 뒤 냉각기에서 열을 방출한다. 이후 압축돼 열원으로 되돌아간다. 이 회로는 브레이턴 사이클로 불리며, 제트 엔진에 쓰이는 가스터빈 사이클과 유사하지만 작동 유체로 CO2를 사용하고 재생기를 통해 회로 안에서 열을 재활용한다.
사이클 작동 원리
제철소에서는 소결 및 관련 공정에서 나온 고온 가스가 열교환기를 통과하며 sCO2 회로로 에너지를 전달한다. 가열된 이산화탄소는 터빈을 통과하며 팽창해 발전기를 돌리고 전력을 생산한다. 팽창 후에도 CO2에는 상당한 열이 남아 있어 재생기를 통과하면서 유입되는 흐름을 예열해 효율을 높인다. 이어 유체는 냉각기에서 남은 열을 내보내고 압축된 뒤 열교환기로 돌아가 과정을 반복한다. 임계점에 가까운 CO2는 일반적인 기체보다 압축하기 쉬워 사이클에서 압축에 쓰이는 에너지가 줄고, 이에 따라 순효율이 높아진다.
효율과 크기의 이점
기존 증기 랭킨 사이클은 성숙하고 신뢰성이 높지만, 매우 높은 온도와 압력을 사용하지 않으면 효율이 정체되며 구성 부품도 크다. 중국 사업과 국제 실증 사업의 보고서에 따르면 고온에서 작동하는 sCO2 사이클은 열효율 50%를 넘어설 수 있는 반면, 유사한 조건에서 현대식 증기 사이클은 40%에 가까운 수준이다. 폐열 활용에서 정확한 효율은 열원 온도와 설비 설계에 따라 달라지지만, sCO2 방식은 폐열을 전력으로 전환하는 비율을 크게 높일 가능성이 있다. CO2는 증기보다 밀도가 훨씬 높아 같은 출력에서 터빈과 배관을 훨씬 작게 만들 수 있으므로 설비도 소형화된다.
제철소가 이상적인 열원이 되는 이유
철강 공장에서는 소결, 코크스 제조, 열간 압연에 막대한 에너지가 투입된다. 소결 공정에서는 미세한 광석을 뭉치는데, 이때 온도는 흔히 섭씨 700도를 넘는다. 용광로와 배가스 통로를 통해 이 열이 공정 밖으로 빠져나간다. 초임계 CO2 회로는 견고한 열교환기를 통해 이 흐름에서 열을 회수해, 그렇지 않으면 낭비될 에너지의 상당 부분을 되찾을 수 있다.
산업 현장에서는 추가 이점도 있다. sCO2 발전 블록은 증기 시스템보다 물을 훨씬 적게 사용한다. 대량의 보일러 급수나 습식 냉각탑이 필요하지 않기 때문이다. 작동 유체인 CO2는 비교적 불활성이며 고온 증기보다 많은 합금에 대한 부식성이 낮아 일부 소재 관련 문제를 완화할 수 있다. 회로가 폐쇄형이므로 정상 운전 중 CO2가 배출되지 않는다. 소량의 CO2가 손실될 수 있어 관리가 필요하지만, 시스템은 새로운 CO2를 지속적으로 공급받아야 하는 구조가 아니다.
공장 운영자 입장에서는 이런 특성 덕분에 발전 블록의 설치 면적과 보조 설비가 줄고 운전 유연성은 높아진다. 증기 방식보다 기동과 정지가 빠를 수 있어 하루 동안 온도가 변하는 공정에 유용하다.
원자력과 태양광 발전에도 확대 적용될까
많은 첨단 원자로 설계의 출구 온도는 sCO2 터빈에 적합하다. 고온가스로, 용융염 원자로, 나트륨 냉각 고속로는 가압경수로보다 높은 노심 온도를 목표로 하며, sCO2는 이 열을 효율적으로 회수할 수 있다. 소형 터빈은 공간과 단순성이 중요한 소형 모듈 원자로와도 잘 맞는다.
열을 용융염에 저장한 뒤 발전 블록에 공급하는 집광형 태양열 발전도 마찬가지다. 중국의 실증 계획은 둔황의 전시 규모 태양열 타워 발전소를 증기 방식에서 sCO2 발전 블록으로 개조해 공급업체의 준비 상태와 운전 특성을 평가하는 것을 목표로 한다. 이 사업은 핵심 부품 두 가지, 즉 용융염에서 CO2로 열을 전달하는 신뢰성 높은 열교환기와 임계점 부근의 CO2를 다룰 수 있는 압축기 계통의 중요성을 보여준다. 둘 다 해결하기 까다로운 과제지만 소재, 씰, 제어 시스템의 발전으로 실현 가능성이 커지고 있다.
열교환기와 터보기계가 실제 발전소에서 내구성을 입증한다면 더 큰 sCO2 발전 블록으로 나아갈 길도 분명해진다. 사이클 효율이 높아지면 같은 계통 출력에 필요한 태양열 집광장이나 원자로 노심의 크기를 줄일 수 있고, 물 사용량 감소는 입지 제약을 완화한다는 점에서 이점이 크다.
중국의 건설 과정과 사업 주체
구이저우 설비는 중국핵공업집단(CNNC) 산하 중국핵동력연구설계원이 장기간 추진해 온 연구개발 사업의 결과물이다. 연구원은 10년 넘게 sCO2 회로, 터빈, 베어링, 씰, 제어 기술을 연구하며 부품 시험 결과를 발표하고 파일럿 설비를 구축해 왔다. 지강국제공정기술은 중공업 분야 통합을 위한 엔지니어링을 맡았다. 설비가 들어선 서우강 수이청제철소는 부지와 고온 폐열원에 대한 접근을 제공했다.
각 설비의 정격 출력은 15메가와트다. 2기를 운용하면 예비 능력을 확보할 수 있고, 실제 생산 조건에서 제어 전략을 시험할 기회도 생긴다. CNNC는 이 사업이 중공업과 발전 부문에 도입될 미래 설비의 토대이며, 여러 현장에 복제할 수 있는 표준 모듈을 만드는 것이 목표라고 설명한다. 폐열 발전의 경제성은 설비를 대량 생산하고 최소한의 맞춤 설계만으로 설치할 수 있을 때 커지므로 복제 가능성이 중요하다.
전문가들의 평가
중국 외 지역에서도 연구진과 업계가 sCO2 부품과 하위 시스템의 성능을 꾸준히 입증하고 있다. 미국 에너지부가 지원하고 컨소시엄이 주도하는 10메가와트 전기 출력 규모의 초임계 변혁 전력(STEP) 파일럿 발전소는 텍사스에서 2024년 1단계를 마치고 터보기계와 제어 장치를 통합한 상태로 전속 운전을 시연했다. 이 사업을 지원하는 사우스웨스트연구소 연구진은 압축기, 터빈, 가열기, 냉각기, 제어 소프트웨어가 하나의 발전소처럼 함께 작동하는 통합 시험이 중요하다고 강조한다.
중국 원자력 산업을 연구하는 카네기 국제평화재단의 선임연구원 마크 힙스는 중국이 기술적 주도권을 보여주기 위해 빠르게 사업을 추진하고 있다고 말했다.
중국은 아주, 아주 빠르게 움직이고 있습니다. 자국의 프로그램이 멈출 수 없다는 점을 세계에 보여주려는 의지가 매우 강합니다.
텍사스 파일럿 사업에 참여하며 사우스웨스트연구소 기계공학부를 이끄는 팀 앨리슨은 통합 sCO2 발전 블록을 속도 조건에서 운전한 이번 이정표에 대해 설명했다.
통합 시스템을 운전한 것은 주목할 만한 성과입니다. 이는 팀이 부품 단위 시운전을 성공적으로 마친 데 이은 것으로, 시설의 전력·가스 공급 및 냉각수 시스템뿐 아니라 발전소 제어 장치, 압축기, 열교환기, 가열기, 터빈, CO2 재고 관리 등 모든 설비의 통합 운전을 입증합니다.
해결해야 할 엔지니어링 과제
고온과 고속을 견디면서 소형이자 고효율인 터빈을 만드는 것이 핵심 과제다. 학계와 산업계의 연구에 따르면 터빈 회전자는 분당 약 3만~4만 회 회전하며, 블레이드와 케이싱은 섭씨 600도가 넘는 온도에 노출된다. 내부 실린더와 회전자에는 니켈 기반 합금과 첨단 강재가 흔히 쓰이고, 외부 케이싱에는 응력과 비용을 관리하기 위해 페라이트계 강재가 사용된다. 틈새를 좁게 유지하면서도 마찰이 발생하지 않도록 강도, 내식성, 열팽창 특성의 균형을 맞춰야 한다.
씰과 베어링도 똑같이 중요하다. 건식 가스 씰은 축에서 CO2가 새는 것을 막으며, 일부 설계에서는 윤활 시스템을 단순화하고 열 문제를 피하기 위해 오일 베어링 대신 가스 베어링을 검토하고 있다. 25메가와트급 터빈에 대한 연구에서는 균형 피스톤을 냉각 가스 구간 안에 배치해 회전자 길이를 줄이고 누출 경로와 기계적 손실을 낮출 수 있는 것으로 나타났다. 회전자가 더 작아지면 안정성이 높아지고 하우징 설계도 단순해진다. 오일 베어링을 가스 베어링으로 대체한 또 다른 설계는 축 길이를 더 줄이고 별도의 냉각·윤활 시스템을 없앴다. 이런 개선은 효율과 신뢰성을 높이는 데 도움이 된다.
과도 상태에서 사이클을 제어하는 일도 활발히 연구되고 있다. 소규모 실증에서는 펌프 속도, 열 입력, 부하가 변할 때 시스템이 안정화되기 전에 압력과 유량이 과도하게 상승할 수 있는 것으로 나타났다. 엔지니어들은 질량 유량, 압력비, 회전 속도의 조합을 살펴 최대 출력과 효율이 나오는 안정 구간을 찾는다. 소형 sCO2 터보 발전기 시험에서는 최적 조건에서 전체 효율이 약 59%로 측정됐고 전기 출력은 수십 킬로와트에 달했다. 이는 이 기술의 가능성과 함께 정밀한 제어가 필요하다는 점을 보여준다.
오염된 산업용 가스와 청정 CO2 회로 사이에서 에너지를 전달하는 열교환기는 오염물 축적과 열응력을 견뎌야 한다. CO2 회로 내부의 재생기는 큰 압력 강하 없이 열을 재활용할 수 있도록 표면적이 넓고 소형이어야 한다. 압축기는 CO2 임계점 부근에서 효율적으로 작동해야 한다. 이 지점에서는 작은 온도 변화도 밀도를 크게 바꿀 수 있어 제어 시스템이 빠르게 대응하지 못하면 성능이 저하될 수 있다.
환경 및 정책적 의미
중국은 2030년 이전에 탄소 배출량을 정점에 이르게 하고 2060년 이전에 탄소중립을 달성하겠다고 공약했다. 중공업에 공급되는 전력을 청정화하는 일은 이 계획의 핵심이다. sCO2를 이용한 폐열 회수는 두 가지 측면에서 기여한다. 화석연료 발전 전력망에서 공장이 끌어오는 순전력량을 줄이고, 기존 증기 사이클에 대량의 냉각수가 필요한 지역에서는 물 사용량도 줄인다. 원자력과 태양열 발전 사업에서는 효율 향상이 청정 전력 비용을 직접 낮춘다.
일부 분석가들은 탄소 포집과의 잠재적 시너지 효과도 지적한다. 이론적으로 포집한 CO2를 폐쇄 회로의 작동 유체로 공급해 일부 가스를 유용하게 활용할 수 있다. 다만 발전 사이클에는 터보기계를 보호하고 부식을 최소화하기 위해 깨끗하고 건조한 CO2가 필요하며, 회로는 폐쇄형이므로 새로운 CO2를 지속적으로 소비하지 않는다. 탄소 포집과 연계한다면 CO2를 연소하거나 전환하는 원료로 쓰기보다는 취급, 저장, 정제 과정을 공유하는 데 초점을 맞출 것이다.
새 발전기는 자원 제약 측면에서도 의미가 있다. 냉각수가 부족한 건조 지역에서는 물을 크게 절약할 수 있다. 소형 발전 블록은 선박이나 외딴 산업 현장에도 설치할 수 있어 현장 폐열을 현장 전력으로 바꾸고 에너지 안보를 강화할 수 있다.
세계적 기술 경쟁과 향후 과제
미국, 유럽, 아시아의 연구진은 sCO2 부품의 신뢰성과 발전소 통합을 발전시키고 있다. 텍사스 STEP 사업은 부품 시운전에서 통합 운전 단계로 나아가 1단계에서 전력을 생산하며 기술의 규모 확대와 반복 적용 가능성에 대한 신뢰를 높였다. 구이저우에서 전력망에 연결된 중국의 설비는 산업 공정에 적용된 최초의 상업용 설비로, 철강 생산에서 폐열 발전의 상시 운전, 유지보수 주기, 경제성에 관한 데이터를 제공할 예정이다.
성능이 월간·연간 운전에서도 입증되면 철강과 시멘트 공장에 더 많은 설비가 들어설 가능성이 크다. 집광형 태양열 사업에서는 터빈 홀을 줄이고 출력을 높이기 위해 sCO2 발전 블록을 검토하고 있다. 첨단 원자로 설계자들은 부피가 큰 증기 설비 대신 소형 터빈과 재생기를 사용하는 sCO2를 기본 동력 변환 시스템으로 고려한다. 원격지용 이동식 원자력 발전원도 소형 설비의 이점을 누릴 수 있으며, CO2의 높은 밀도는 같은 출력에서 터빈 크기를 줄이는 데 도움이 된다.
장비 공급망도 중요하다. 고성능 열교환기, 건식 가스 씰, 고속 발전기를 여러 공급업체에서 조달할 수 있어야 한다. CO2 환경에서 사용하는 압력용기, 배관, 씰의 규정과 표준도 발전해야 한다. 상업적 보급 과정에서는 운전자가 사이클을 안전하게 운전하고 문제를 해결할 수 있도록 교육하는 일도 필요하다. 실증과 복제를 꾸준히 이어가면 비용을 낮추고 발전소 운영자들이 이 기술을 대규모로 도입하도록 설득할 수 있다.
핵심 내용
- 중국은 구이저우성 류판수이의 제철소에서 각각 15메가와트급인 초임계 CO2 설비 2기를 전력망에 연결했다.
- 이 시스템은 철강 소결 공정의 폐열로 전력을 생산하며, 증기 기반 설비보다 폐열 전환 성능이 최소 50% 높다고 설명된다.
- sCO2 사이클은 임계점을 넘는 CO2를 폐쇄 회로에서 순환시켜 소형 터빈과 고온에서의 높은 효율을 가능하게 한다.
- 발전 블록은 물을 적게 쓰고 좁은 공간에 설치할 수 있어 중공업, 선박, 원격지 에너지 시스템에 적합하다.
- 첨단 원자로와 집광형 태양열 발전소는 사이클에 필요한 고온의 열을 제공하므로 sCO2 발전 블록의 주요 적용 대상이다.
- 핵심 엔지니어링 과제에는 내구성 있는 열교환기, 임계점 부근에서 작동하는 고효율 압축기, 견고한 씰과 베어링을 갖춘 고속 터빈이 포함된다.
- 미국 텍사스의 파일럿 사업은 통합형 10메가와트 전기 출력 규모의 sCO2 발전소를 운전하고 1단계에서 전력을 생산해 중국 밖에서도 기술 진전이 이뤄지고 있음을 보여줬다.
- 중국 사업은 sCO2를 활용한 산업 폐열 발전의 첫 상업 규모 데이터를 제공한다.
- 물 절약과 효율 개선은 중국의 탄소 배출 정점 및 탄소중립 목표를 뒷받침하며 중공업의 에너지 사용도 개선한다.
- 확대 보급은 공급업체의 준비 상태, 운전 신뢰성, 여러 공장에 복제 설치할 때의 경제성에 달려 있다.
