▲ 초임계 이산화탄소(CO₂) 발전 시스템 개요

현재 주로 쓰이는 ‘증기 발전 시스템’을 대체해 열효율이 높고 소형화가 가능한 ‘초임계 이산화탄소(CO₂) 발전 시스템’이 차세대 발전시스템으로 주목받고 있는 가운데 국내 연구진이 핵심 부품을 개발함으로써 상용화에 필요한 주춧돌이 놓여졌다.

한국원자력연구원(원장 박원석)은 ‘초임계 CO₂ 발전 시스템’의 핵심 장치인 원심형 터보 압축기를 개발, 국내 최초로 실증에 성공했다고 지난 13일 밝혔다.

모든 물질은 특정 온도와 압력 상태(임계점)에서 액체와 기체의 경계선이 무너져 액체와 기체의 성질을 모두 가지는 하이브리드 상태가 되는데 이를 초임계라 한다. 초임계 상태의 물질은 액체처럼 밀도가 높지만 기체처럼 팽창할 수 있어 이동이 쉽고 마찰이 적다.

이를 이용한 ‘초임계 CO₂ 발전 시스템’은 기존 증기 발전과 열원(heat source)은 같지만 증기가 아닌 초임계 CO₂가 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 열효율이 높고 비교적 구조가 간단해 소형화가 가능한데다 원자력, 태양열, 핵융합부터 선박 엔진에서 나오는 배기열까지 높은 열이 발생하는 모든 곳에 적용할 수 있다.

CO₂는 대기압의 74배가 되는 압력 상태에서는 실온과 유사한 31℃만 되어도 초임계 상태로 만들 수 있어 효율적이며, 저렴하고 쉽게 구할 수 있으면서 독성이 없으며, 물에 비해 금속 부식이 덜하다는 장점이 있다. 그러나 초임계 CO₂ 발전 시스템에서 CO₂를 고압으로 압축해 터빈으로 전달하는 압축기는 완전 밀봉돼야 하고 모터가 빠른 속도로 돌아갈 때 축이 흔들리지 않아야 하기 때문에세계 대부분의 연구자들이 실패한 분야로 개발 경쟁이 치열하다.

이에 원자력연구원은 세계 최초로 자석으로 압축기 내부의 축을 고정해 34,000RPM 이상의 높은 회전 속도에서도 압축기를 안정적으로 작동시키는데 성공했다. 작은 구슬이나 기름을 채워 축을 고정하던 기존 방식과 달리 축 주위에 자석을 설치해 축을 고정시킨 획기적인 기술로, 마찰에 따른 열이 발생하지 않고 윤활유도 사용하지 않는다.

최대 난제로 꼽히던 초임계 CO₂ 압축기 개발에 성공함으로써 기술 상용화를 위한 첫 걸음을 내딛은 것으로, 초임계 이산화탄소 발전 분야에서는 기념비적인 성과로 평가받는다.

연구를 이끈 차재은 박사는 “이번 성공으로 선진국과 기술 격차를 좁힐 수 있었다”며, “현 시점에 연구개발에 집중해 퍼스트 무브( 기술을 확보한다면 미래 국가 성장동력이 될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 방위사업청과 산업통상자원부가 출연하고 국방과학연구소 민군협력진흥원이 지원하는 민군기술협력사업을 통해 (주)진솔터보기계, 한국과학기술원, 포항공과대학교와 공동으로 진행됐다.

▲ 원자력연구원이 개발한 원심형 터보 압축기