초임계 CO2 발전은 증기보다 낮은 온도·압력으로도 임계 상태에 도달하는 이산화탄소(CO2)의 특성을 활용해 전기를 생산하는 기술이다. 발전시스템의 작동유체를 기존의 스팀 대신 CO2를 활용, 효율을 향상시키고 터빈 크기를 소형화할 수 있으며, 석탄화력, 원자력, 신재생에너지, 폐열 등 다양한 열원을 직접 활용할 수 있어 선진국 중심으로 상용화 경쟁이 치열하다.
특히 미국은 초임계 CO2 발전의 활용 범위가 넓다는 사실을 인식하고, 에너지국(Department of Energy, DOE)의 주도로 화력, 원자력, 에너지효율 및 재생에너지 분과가 협력해 ‘스텝(STEP, Supercritical Transformational Electric Power) 프로그램’을 통해 연구개발을 적극 지원하고 있다.
우리나라에서도 에너지기술연구원, 한국기계연구원, 원자력연구원, 카이스트 등 정부출연연구소와 대학에서 수백 kW급의 초임계 CO2 발전 루프 개발과 실증을 병행 추진하고 있다. 또한 한전, 현대중공업, 두산중공업, 한화테크윈 등 기업들도 상용화를 위한 MW급 초임계 CO2 발전 시스템 개발을 위해 국내외 협력을 진행하고 있다.
우리나라가 한발 앞서 터빈을 비롯한 초임계 CO2 발전시스템의 핵심기기 원천기술 개발 및 실증에 성공한다면 국내외에서 새로운 에너지 산업 생태계를 조성할 수 있을 것으로 기대되고 있지만 정부의 지원과 연구소와 기업들의 협력 등에서 부족한 측면이 있다.
본지는 초임계 CO2 발전의 상용화 가속화를 위해 미국 SwRI를 찾아 작년부터 GTI(Gas Technology Institute), SWRI(Southwest Research Institute), GE(General Electric)가 공동으로 추진 중인 ‘10MW급 화력발전 초임계 CO2 발전 시스템 개발’ 현장을 방문해 정부와 연구소, 기업의 연계·협력이 이뤄지고 있는 기술개발 사례를 살펴봤다.
[인터뷰] SwRI 클라우스 브룬(Klaus Brun) 박사미국의 초임계 CO2 실증단지를 둘러보기 위해 찾은 SwRI에서 만난 클라우스 브룬(Klaus Brun)박사는 15년간 기계공학, 가스, 전력생산 분야를 연구했으며, 다수의 정부·연구소·기업 간 협력 프로젝트를 만들어 추진한 인물이다. 또한 2년마다 열리는 국제 초임계 CO2 컨퍼런스 운영위원장을 역임 중이다. 그에게 미국 초임계 CO2 발전기술 개발의 현황과 원천기술 확보를 위한 미국의 정부·연구소·기업 간의 협력에 대해 들어봤다.
△ 미국에서 초임계 CO2 발전 기술 개발이 시작된 계기는? "초임계 CO2기술에 대한 연구는 1940년부터 시작했지만 실용화된 것은 없었다. 미국에서도 2000년도부터 학계에서 실용화를 위한 연구를 시작했다. 주로 군사적 목적, 특히 핵발전 목적으로 시작됐다. 이후 2005~6년부터는 미국 에너지국(DOE)에서 펀딩을 시작해 발전용 등 상용화를 위한 연구를 진행하고 있다. 이 기술의 가능성에 대한 평가가 좋았고, 일부 기업들도 기술 상용화에 관심을 보여 이해관계가 맞아 시작하게 됐다"
△ 현재 상용화가 어디까지 진행됐나?"현재 폐열회수 활용 시장에서는 초임계 CO2 발전 기술이 가장 상용화에 근접해 있다. 이론적으로는 지금이라도 상용화가 가능하지만 아직 기술적으로 완전하지는 않다. DOE에서 연구개발에 많은 투자를 하고 있고, 산업계에서는 에코젠, 제너럴일렉트릭(GE), 넷파워(NETPOWER), 도시바가 기술개발을 주도하고 있으며, 연구기관으로는 SNL, SwRI, NREL, EPRI 등이 연구 역량을 집중하고 있다. 미국전체에 8000개 정도의 가스터빈, 가스엔진을 활용한 발전장비가 있어 상용화만 된다면 큰 시장이 열릴 것으로 전망하고 있다. 해외시장도 염두에 두고 있다. 발전 분야 이외에도 전력저장 및 지열발전 등 새로운 분야와의 융합도 시도되고 있다. 응용분야가 넓고 파급효과가 크기 때문에 발전산업의 패러다임을 전환할 수 있는 가능성이 높다. 현재 SwRI에서는 1MW 규모의 소형 프로젝트는 완성됐다. GTI와 공동으로 추진하는 1OMW 규모는 준공까지 시간이 좀 남아 있다."
△ 정부, 연구소, 기업들의 협력은 어떻게 이뤄지고 있나?"NETL과 GTI는 미국에너지국(Department of Energy, DOE)와 함께 전반적인 프로젝트 관리 및 의사 소통에 대한 책임을 담당한다. 각 기관들의 기술 관리와 시스템 구축 및 실험, 주요 부품 조달이 원활하게 진행되도록 돕는다.
SwRI는 실증시설 부지 관리와 운영을 책임진다. 초임계 CO2 시설 설계와 유틸리티를 포함한 실증설비 구축 등 인프라 구축을 담당한다. 현재 시설 시운전을 수행하고 각종 테스트 작업을 지시 및 실행하고 있다. 또한 GE와 설계 업 데이트 및 고온·고압에서 작동할 수 있는 초임계CO2 터빈 제조를 지원한다.
SwRI는 기술적인 가능성을 체크하고, 나오는 결과를 바탕으로 시스템에 대한 이해와 자신감을 기업에 제공한다. 이후 기업이 용도에 맞게 상용화를 한다.
GE는 기술 관리 및 제품 생산, 상용화를 담당한다. 현재 GE를 비롯해 에코젠(Ecogen) 등 기업들에서 생산한 제품이 있으며 구매도 할 수 있지만 아직 기술적으로 완전하지는 않다. 정부는 정책적·재정적 지원, 대학은 기초연구, 기업은 상용화 등 각자가 맡은 분야에서 시너지를 발휘해야 한다"
△ 추후 실증과 상용화 계획은?"현재 가동 중인 가장 큰 실증단지를 통해 700도 수준에서 가동이 가능하지 시험하고 있으며, 연말까지 더 높은 온도에서도 가동해보고 내년 3월에는 실증을 완료할 계획이다. 개선이 필요한 부분을 보완해 다시 실증을 거친 뒤 기업과의 협력 프로젝트에 이용할 예정이다.
상용화는 GE는 한화 같은 민간기업들이 결정할 부분이다. 연구원의 궁극적인 목표는 기술개발이고 기업들은 이를 활용해 상업적으로 경쟁하는 것이다. 그렇게 하면 결국 더 좋은 시너지가 발생할 수 있다."
△ 한국의 화력, 원자력발전소에 적용이 가능하다고 보는가?"현재는 폐열활용 가스터빈에만 적용이 가능하다. 기존 화력과 원자력발전소에 적용은 어렵다. 새로운 발전소에는 적용이 가능할 것으로 본다. 그러나 원자력발전소에 적용하는 데에는 오랜 시간이 걸릴 것이다. 원자력발전소는 전 세계를 통틀어 400개밖에 없기 때문에 상업화가 될지 모르겠다."
△ 기술개발에 있어 한국 등 국제협력의 필요성은?"미국은 터보엔진과 열교환 기술에서 강점을 보이고 있다. 한국은 설계·제작 측면에서 발전소 건설 EPC(Engineering·Procurement·Construction, 설계·조달·시공)에 강점이 있다고 알고 있다.
작년에 DOE가 한국정부와 만나 기술 협력에 대한 의논을 하기도 했다. 또 한국의 한화테크윈과도 DOE 주도로 추진되는 차세대 태양에너지 발전시스템인 선샷(SunShot) 프로젝트를 추진하고 있다. 또한 SwRI가 2년마다 개최하는 국제 초임계 CO2 컨퍼런스에 한국정부와 기업들이 적극적으로 참여하고 있다.
각국의 자체기술개발도 좋지만 국제적으로 협업하는 게 좋다고 생각한다. 기술·연구 교류가 없으면 각국이 똑같은 실패를 해 시간낭비를 할 수 있기 때문에 서로 배우면서 하는 게 효율적이다.
무엇보다 기술개발은 명확한 목표를 가지고 꾸준히 추진해야 한다. 어느 나라나 정부가 바뀔 때마다 진행중인 프로젝트에 대한 정책적·재정적 부분의 변화가 있다. 미국에서도 기술개발 분야에서 항상 정부와 문제를 겪었다. 그러나 초임계 CO2 발전기술은 2005년 무렵 개발을 시작한 이후 정부가 바뀌어도 꾸준히 추진되고 있다."
△ SwRI는 어떤 기관?SwRI는 미국 텍사스주 샌안토니오에 위치한 연구개발(R&D) 전문기관이다. 1947년 창립 이래로 비영리 단체로 활동하면서 국가와 국민의 이익에 최선을 다하고 인류를 개선하기 위해 노력해왔다. 독립연구기관으로 정부 및 기업 고객에게 최고의 서비스를 제공한다. 과학기술분야의 다방면적인 특성상 다양한 팀을 신속하게 구성해 여러 방향에서 문제를 해결한다. 첨단 기술을 발전시키고 인간의 건강과 안전을 향상시키는 혁신적인 솔루션을 개발하기 위해 과학 기술의 한계를 뛰어 넘고 있다.
연구인력 포함 직원 2700명과 약 150만평의 부지에 6만평 규모의 연구·사무동을 보유한 미국에서도 가장 오래되고 규모가 큰 연구소다. 미국 전역에 부속 연구소를 두고 있다. SwRI는 기술개발에만 집중 하고 정부와 기업이 이를 바탕으로 상용화한다. 수익이 발상하면 다시 연구에 투자해 기술경쟁력을 지속적으로 확보, 1200개의 특허와 수백개의 R&D 수상실적을 보유하고 있다.
[에너지경제신문 김민준·전지성 기자]
<제작지원 한국언론진흥재단>
