중국, 세계 최초 상업용 초임계 CO2 발전기 가동…200년 증기 시대에 도전

증기 시대의 종말인가?

거의 2세기 동안 발전은 산업혁명 이후 변함없이 이어진 단순한 원리에 의존해 왔다. 물을 끓여 증기를 만들고, 터빈을 돌려 전력을 생산하는 방식이다. 이 랭킨 사이클 기술은 오늘날 전 세계 전력 생산량의 80%를 차지한다. 2025년 12월, 중국은 세계 최초의 상업용 초임계 이산화탄소 발전기인 차오탄 원(Chaotan One)을 가동하며 이 전통에 변화를 일으켰다. 구이저우성 류판수이의 제철소에 설치된 이 설비는 초임계 상태로 압축한 이산화탄소를 이용해 산업 폐열을 전기로 전환하기 시작했으며, 열발전의 근본적인 경제성에 도전하는 효율 향상을 이뤄냈다.

이 시스템은 각각 15메가와트인 2개 설비로 구성돼 총 30메가와트의 발전용량을 갖추고 있으며, 쇼우강 수이청 제철소의 전력망에 연결됐다. 이전에는 대기로 배출되던 소결 공정의 폐열을 활용해 연간 7,000만 킬로와트시 이상의 전력을 생산하고, 제철소에 약 3,000만 위안(약 426만 달러)의 추가 수익을 안긴다. 더욱 중요한 점은 전 세계 전력 수요가 빠르게 늘어나는 상황에서 신규 시설을 짓는 대신 기존 산업 인프라를 개조해 적용할 수 있는 경로를 기술이 보여준다는 것이다.

초임계 CO2가 모든 것을 바꾸는 방식

초임계 CO2는 액체와 기체의 중간 상태로 존재한다. 유체의 온도가 섭씨 31도를 넘고 압력이 73기압을 초과할 때 이 상태에 도달하는데, 이는 해수면 아래 800미터 깊이의 압력에 해당한다. 이 상태의 CO2는 액체와 같은 밀도를 유지하면서 기체와 같은 유동 특성을 보여, 증기보다 큰 힘을 내고 마찰은 크게 줄인 상태로 터빈을 구동한다. 이 기술은 열에너지의 약 33%를 전기로 바꾸는 기존 랭킨 사이클을 대체해, 이론상 효율이 50%를 넘는 브레이턴 사이클을 적용한다.

증기 시스템과 달리 sCO2는 완전히 밀폐된 순환 구조로 작동한다. 작동 유체를 대기 중에 방출하지 않고 계속 재활용하며, 수계 냉각 시스템도 필요 없다. 물을 사용하지 않는 운전 방식은 기존 열발전소의 운영에 제약이 따르는 건조 지역에서 특히 유용하다. 컴팩트한 설계 덕분에 동급 증기 시스템보다 필요한 바닥 면적이 50% 줄어들며, 구조가 단순해 보조 부품도 적고 응답 속도도 빠르다.

차오탄 원의 수석 설계자이자 중국원자력연구설계원 수석과학자인 황옌핑은 생생한 비유로 열역학적 이점을 설명했다.

윤활유를 바른 자전거를 탄 힘센 사람이 긴 거리를 힘들이지 않고 페달을 밟는 것과 같습니다.

밀폐형 순환 설계는 현대 에너지 인프라가 직면한 핵심 제약을 해결한다. 인공지능 데이터센터와 첨단 제조업이 전력 수요의 급증을 이끄는 가운데, AI 시설에 전력을 공급하려면 미국에서만 2030년까지 발전용량을 약 165% 늘려야 할 것으로 추산된다. 신규 건설 없이 효율적인 발전 설비를 도입할 수 있는 능력은 전략적으로 매우 중요해진다. 이 기술은 이전에는 발전에 경제성이 없다고 여겨졌던 중온 폐열원에서 에너지를 회수한다.

17년에 걸친 개발

차오탄 원의 상업 운전은 중국핵공업집단공사 산하 중국원자력연구설계원이 2009년 시작한 연구 프로그램의 결실이다. 개발 과정에서는 이 개념이 1948년 처음 제시된 이후 국제적인 진전을 가로막아 온 근본적인 공학 과제를 해결해야 했다. 핵심 돌파구는 직경 약 1밀리미터의 채널을 가진 마이크로채널 열교환기 개발이었다. 초임계 압력에서 효율적인 열전달을 구현하는 데 필요한 기술이다.

제조 과정에서는 금속판을 녹이지 않고 고온·고압에서 접합하는 진공 확산접합 기술의 혁신이 필요했다. 외국 공급업체들이 이 기술의 수출을 거부하고 엄격한 제한이 적용되는 수출통제 품목에 포함하자, 황의 연구팀은 829일간 연구에 매달려 27차례 최적화 과정에서 218가지 용접 변수를 시험했다. 실패한 시험편은 창고 절반을 채웠고, 마침내 성공이 찾아왔다. 2021년 추운 겨울 아침, 49번째 공정 시험에서 결정적인 접합이 이뤄졌으며 실험실 모니터링 화면에 안정적인 녹색 곡선이 표시되면서 성공이 확인됐다.

또 다른 핵심 난제는 밀봉 기술이었다. 통념상 메가와트급 sCO2 터빈은 고압 회전축의 누출 위험 때문에 실현이 불가능하다고 여겨졌다. 외국 전문가들은 황에게 100킬로와트가 넘는 설비는 추진하지 말라고 조언하며 메가와트급 시스템을 불가능한 임무로 봤다. 연구팀은 이에 굴하지 않고 다양한 밀봉 기술을 분석해 초임계 CO2 조건에 맞춘 건식 가스 씰 시스템을 개발했다. 이를 통해 sCO2 터보기계에 메가와트급 건식 가스 씰을 세계 최초로 성공적으로 적용했다.

중국이 미국보다 먼저 전력망에 연결된 이유

중국이 2025년 12월 20일 전력망 연결을 기념한 반면, 미국은 샌디아 국립연구소의 초임계 변혁 전력(STEP) 프로그램을 통해 유사 기술을 계속 시험하고 있다. 미국은 상용화에 앞서 철저한 실험실 검증을 중시한다. 2022년 4월 샌디아는 sCO2를 이용해 50분간 전력망에 10킬로와트를 공급했고, 2024년 10월에는 전력망과 동기화된 4메가와트 발전에 도달했다. 그러나 미국의 상용화 목표 시점은 여전히 2030년대 중반이다.

이러한 차이는 서로 다른 혁신 철학을 반영한다. 미국 연구진은 규모를 확대하기 전에 모든 이론적 문제를 해결하고 장기적인 소재 거동을 규명하는 데 우선순위를 둔다. 이를 위해 광범위한 부식 시험과 합금 검증 프로그램을 진행한다. 중국의 개발 방식은 국내에서 ‘돌을 더듬어 강을 건넌다’고 표현되는 실용주의적 접근을 따른다. 먼저 구축하고 운용 과정에서 문제가 드러나면 반복적으로 개선한다는 방식이다. 이 전략은 빠른 도입을 가능하게 했지만, 보수적인 개발 일정으로 최소화하려는 장기 신뢰성의 불확실성을 안고 있다.

미국 에너지부는 2017년 초임계 CO2 발전을 전략적 최첨단 기술로 지정했고, MIT 테크놀로지 리뷰는 2018년 이를 10대 혁신 기술 중 하나로 선정했다. 이처럼 일찍부터 주목받았지만, 규제상의 신중함과 포괄적인 위험 저감에 대한 강조가 미국의 상용화를 늦췄다.

폐열을 수익으로 전환

차오탄 원 설비는 중소 규모에서 중온 열원을 활용하는 데 오랫동안 걸림돌이 돼 온 문제를 해결한다. 기존 증기 시스템은 일정 온도 이하의 폐열을 회수할 경우 경제성이 없는 경우가 많아 상당한 에너지가 활용되지 못했다. sCO2 사이클은 향상된 열역학적 성능으로 그대로 소실될 에너지를 포집해, 시설 전체를 재건할 필요 없이 중공업의 탈탄소화를 실현할 실용적 경로를 제시한다.

제철소 설비는 철광석 분광을 고로에 투입하기 전에 가열하는 소결 공정에서 나오는 잔열을 활용한다. 이전에는 이 열이 버려졌다. 이 설비는 초임계 CO2 발전기가 기존 폐열 증기 기술보다 발전 효율을 85% 높이고 순발전량을 50% 늘리면서도 물리적 설치 면적은 절반만 차지할 수 있음을 보여준다.

직접적인 경제적 수익을 넘어 이 기술은 산업 폐열을 청정 전력으로 바꿔 중국의 이산화탄소 배출 정점·탄소중립 목표를 뒷받침한다. 물을 사용하지 않는다는 점은 물 부족이 산업 확장을 자주 제한하는 중국 남서부에서 특히 가치가 크다. 상당한 냉각수를 필요로 하는 증기 발전소와 달리 밀폐형 sCO2 설계는 건조한 환경에서도 효율적으로 작동해 폐열 회수의 경제성이 확보되는 지역을 넓힌다.

내구성 우려와 기술적 위험

이 같은 성과에도 독립 분석가들은 초기 성능 지표를 무비판적으로 받아들여서는 안 된다고 경고한다. 클린테크니카의 분석가 마이클 바너드는 차오탄 원의 성능이 2~5년 내 측정 가능할 정도로 저하될 확률을 40~70%로 평가했다. 이 평가는 200기압의 압력과 고온에서 작동하는 초임계 CO2 시스템에 내재한 여러 고장 메커니즘이 서로 영향을 미친다는 점에 근거한다.

정밀 열교환기는 극한의 압력을 견디는 마이크로채널을 만들기 위해 확산접합을 사용한다. 접합면에서 열화가 발생하면 수리는 사실상 불가능해 설비 전체를 교체해야 한다. 초임계 조건에서 탄소가 강철 합금 안으로 이동하는 침탄은 소재를 취화시키고 채널 표면의 거칠기를 바꿀 수 있다. 이로 인해 압력 강하가 커지고 시간이 지나면서 사이클 효율이 낮아져, 가동 시점에 제시된 85%의 효율 우위가 서서히 줄어든다.

밀봉 성능도 취약점이다. 수소처럼 작고 잘 이동하는 고압 CO2 분자는 열·기계적 변화를 겪는 회전축과 플랜지에서 완벽한 밀봉을 요구한다. 밀봉 실패가 운전 중단의 약 50%를 차지하는 수소 충전소의 과거 데이터를 보면, 수년간 연속 운전하면서 밀봉 상태를 완벽하게 유지할 수 있다는 기대는 낙관적일 수 있다. 미세한 누출도 작동 유체의 양을 바꿔 압축기가 최적 운전점에서 벗어나게 하고 보조 동력을 늘린다.

산업 현장의 오염물질은 이러한 위험을 더 키운다. 제철소 배출 가스에는 열전달 표면을 오염시키는 입자상 물질, 금속 산화물, 황 화합물이 포함돼 있어 석회질이 쌓이는 것과 비슷하게 효율을 서서히 떨어뜨린다. 바너드는 이 산업 환경에서 오염으로 성능이 저하될 확률을 2~5년 동안 60~85%로 추산했다. 내부 CO2 순환계의 밀봉 상태와 관계없이 터빈 입구 온도가 낮아질 가능성도 있다.

제철을 넘어: 다음 적용 분야

중국핵공업집단공사는 초임계 CO2 기술과 용융염 에너지 저장 시스템을 결합하는 확장 계획을 이미 발표했으며, 2028년까지 실증 운전을 목표로 하고 있다. 이 복합 방식은 용융염에 열에너지를 저장한 뒤 수요가 정점에 달할 때 효율적인 sCO2 사이클을 통해 전기로 전환함으로써 재생에너지원의 간헐성 문제에 대응한다. 이 프로젝트는 중국의 5차 중대 초도 에너지 설비 목록에 선정됐다.

집광형 태양열 발전소와의 호환성도 또 다른 성장 가능성을 제시한다. 태양열 발전 시설은 sCO2 브레이턴 사이클에 이상적인 고온을 만들어내므로, 현재의 증기 기반 태양열 발전소보다 높은 변환 효율을 달성할 수 있다. 소형모듈원자로와 고온가스냉각 시스템을 비롯한 첨단 원자로 설계에서도 컴팩트한 터보기계의 이점이 있어 원자력 분야의 적용 가능성도 크다.

황옌핑은 에너지 저장, 폐열 회수, 산업용 증기 공급 등으로 적용 분야를 넓힐 수 있을 것으로 보고 있다. 이 돌파구는 역사적으로 효율적인 전환이 어려웠던 중규모 열원을 겨냥해 발전 설비의 경제성이 없던 시장을 열어준다. 앞으로 수년간 기술의 내구성이 입증된다면 분산형 발전과 전 세계 산업 탈탄소화의 경제성을 근본적으로 바꿀 수 있다.

핵심 요점

• 세계 최초의 상업용 초임계 CO2 발전기인 차오탄 원이 2025년 12월 중국 구이저우성에서 가동을 시작했다
• 30메가와트 규모의 설비는 제철소 폐열을 이용해 기존 증기 시스템보다 85% 높은 효율로 전기를 생산한다
• 초임계 CO2는 섭씨 31도와 73기압을 넘는 조건에서 작동하며, 액체와 같은 밀도와 기체와 같은 유동 특성을 보인다
• 개발에는 진공 확산접합과 메가와트급 건식 가스 밀봉 기술의 돌파구를 포함해 17년의 연구가 필요했다
• 밀폐형 시스템은 냉각수를 필요로 하지 않으며, 신규 건설 없이 기존 산업 시설을 개조해 적용할 수 있다
• 분석가들은 열교환기 열화, 밀봉 누출, 산업 오염으로 인해 2~5년 안에 성능이 저하될 가능성이 40~70%라고 경고한다
• 미국은 STEP 프로그램을 통해 유사 기술을 계속 시험하고 있으며, 상용화는 2030년대를 목표로 한다
• 향후 용융염 에너지 저장, 집광형 태양열 발전, 첨단 원자로와의 통합이 예상된다