▲ 초임계 CO2 발전시스템 추진단 염충섭 단장

갈수록 심화되는 기후변화와 유가상승의 영향으로 세계 각국은 전력 생산효율 향상을 위한 신기술 개발에 몰두하고 있다. 그 중에서도 지난 2000년대 후반부터 두각을 나타내기 시작한 ‘초임계 CO2를 사용한 발전시스템’에 대한 연구는 점차 그 성과를 나타내며 활성화되고 있는 추세다. 에너지고갈이 눈앞에 다가온 시대, 세계 발전시장의 패러다임을 바꿀 신기술 개발에 앞장서고 있는 ‘초임계 CO2 발전시스템 추진단’의 염충섭 단장을 만나보았다.

높은 효율과 안정성, 비용 절감 가능한 차세대 발전 기술

‘초임계(Super Critical)’란 임계점이라고 불리는 일정한 온도와 압력의 한계를 넘어서서 기체와 액체의 구별을 할 수 없으면서 액체와 기체 의 특성을 모두 가지고 있는 상태를 의미한다. 특히 CO2의 경우 초임계 상태가 되기 위한 임계점이 낮아 다른 물질에 비해 쉽게 도달할 수 있고, 매우 안정적이라는 점에서 다양한 활용이 가능하다. 이러한 초임계 CO2를 사용한 발전시스템 연구개발은 현재 세계적으로 각광받으며 미래 발전시장의 지도를 바꿀 핵심 기술로 급부상하고 있다. 이에 정부에서는 ‘창조경제 산업엔진 프로젝트’의 일환으로 지난 2014년 4월 ‘초임계 CO2 발전시스템 추진단’을 발족하고 해당 분야 기술 선점을 위한 본격적인 사업 추진을 알렸다.

추진단을 이끌고 있는 염충섭 단장은 국내 발전분야 플랜트 엔지니어링을 대표하는 에너지 전문가이다. 그는 고등기술연구원(IAE)에서 원자력을 중심으로 한 플랜트엔지니어링 연구를 이끌어왔으며, 2013년부터는 R&BD 전략기획을 위한 에너지 부문 기획위원장으로서 대한민국의 미래먹거리 창출을 위한 활동에도 매진해 온 인물이다. 염 단장은 “기존 발전시스템의 증기터빈은 물의 압력과 온도를 상승시켜 고압의 증기 상태로 만든 후 이 증기의 힘으로 터빈을 가동시키는 방식입니다. 하지만 발전효율을 높이기 위한 초고압·초고온화 과정에서 재료측면의 건전성 확보와 운전 중 유지보수비용 증가와 같은 문제가 발생 할 수 있습니다”라고 설명했다.

아울러 그는 “초임계 CO2 발전시스템의 경우 터빈을 돌리는 힘이 큰 액체의 장점과 점도가 낮은 기체의 장점을 모두 가지고 있어 발전효율을 30% 이상 높일 수 있다는 특징을 가집니다. 또한 단순한 공정 구성으로도 높은 효율을 유지할 수 있어 발전시스템의 크기를 75% 이하까지 줄일 수 있습니다”라고 밝혔다.

초임계 CO2가 차세대 발전시스템으로 각광받는 또 다른 이유는 다양한 에너지 동력과 융합이 가능하다는 점이다. 기존의 화력, 원자력, 지열, 태양열, 연료전지 등 거의 대부분의 열원과 연계 및 다양한 폐열 활용에 적용할 수 있기 때문에 현재 국가 에너지 인프라를 충분히 활용할 수 있다. 또한 기존 증기 발전과 비교해 발전소 건설을 위한 소요 부지가 1/5~1/10의 면적만으로도 가능하기 때문에 부지 수용성 측면에서도 효율적이다. 염충섭 단장은 “국토 면적이 좁은 우리나라 현실에서 초임계 CO2를 활용한 발전소 소형화 가능성은 높은 이점을 가집니다. 특히 최근 정부에서 연구역량을 집중시키고 있는 마이크로 그리드와의 연계가 가능해 원천기술 개발에의 시너지 효과를 기대할 수 있습니다”라고 밝혔다.

현재 우리나라의 경우 1998년 이후 수요의 95% 이상에 해당하는 에너지원을 수입하고 있는 상황이며 에너지원 자급에서의 한계를 가지고 있는 우리나라가 에너지 강국으로 나아가기 위한 발판이자, 세계 에너지 시장을 선도할 수 있는 것이 바로 초임계 CO2 발전 기술이라는 것이 염 단장의 생각이다.

세계 시장 선도할 원천 기술 확보에 주력

높은 발전효율과 부대비용 절감의 강점을 가진 초임계 CO2 발전시스템에 대한 관심은 전 세계적으로도 뜨겁다. 미국 DOE(에너지성)에서는 ‘2014/2015년도 에너지 분야의 공통기반기술(Cross-Cutting Technology)’에 초임계 CO2 발전 기술을 포함시키고 5,700만 불 규모의 대대적인 연구기반 확충과 투자를 진행하고 있고 일본과 중국에서도 개발에 박차를 가하고 있다. 이에 대해 염충섭 단장은 “미국에서는 이미 수십 ㎿급 발전시스템에 대한 실증연구개발 단계에 돌입한 상황입니다. 하지만 현재 우리나라 기술이 2위 그룹을 형성하고 있고, 아직까지 기술격차가 크지 않다는 점에서 충분히 빠르게 대응할 수만 있다면 원천기술 개발 및 시장 선점이 가능하리라 생각합니다”라고 강조했다.

국내의 경우 한국원자력연구원을 통해 300kWe급 실험실 규모 발전시스템을 20억 원 규모로 구축한 바 있으며, 차세대 원자로(소듐냉각고속로) 적용 연구를 통해 관련 분야의 기반 기술을 확보했다. 염 단장은 “초임계 CO2 발전 기술은 아직까진 시장진입 직전의 시험 운용단계입니다. 신속한 기술개발과 수십 ㎿급의 실증시험을 통해 TRACK RECORD를 확보하고, 보증 가능한 설계 및 시공, 운전 및 유지보수 기술을 마련하는 것이 무엇보다 시급합니다”라고 지적했다. 또한 그는 에너지 기술 선점기업 및 국가가 전 세계 발전플랜트 시장의 60~70% 이상을 점유하고 있다는 점에서 이번 초임계 CO2 발전시스템 개발이 국가 경쟁력 제고와 차세대 먹거리 창출을 동시에 노려볼 수 있는 기회라고 조언했다.

지난 2014년 하반기, ‘예비타당성 조사 대상 사업’으로 선정된 초임계 CO2 발전시스템 추진단은 현재 예산타당성 조사를 진행 중에 있다. 이에 염충섭 단장은 “현재 목표는 예산타당성 조사를 훌륭히 통과해 2016년도 예산을 최대한 확보하는 일입니다. 또한 실증사업 예산 확보가 용이치 않을 경우를 대비해 현재의 연구개발 인력 및 사전 연구의 연속성을 유지하기 위한 방안 구축에도 노력할 계획입니다”라고 귀띔했다.

끝으로 그는 초임계 CO2 발전시스템에 도움이 될 수 있는 기술을 가진 모든 분야의 중소·중견기업과 유기적인 협력관계를 구축하고 규제개선, 기술개발, 기업육성, 인력양성 등에도 적극적인 지원을 펼쳐 발전적인 산업생태계를 구축해나갈 것이라 전했다. ‘에너지 강국’을 향한 초임계 CO2 발전시스템 추진단의 노력이 보다 나은 미래, 세계 속의 강한 대한민국을 만들어 갈 초석이 되기를 기대한다.

Next generation technology that can change future energy
The first mover who leads the 21st century 
Introducing high efficient, stable and cost effective future power technology

Supercritical means the state of any substance at a temperature and pressure above its critical point, where distinct liquid and gas phases do not exist while the characteristics of the both phases are revealed. CO2 has lower critical point to be a supercritical state, so CO2 can easily reach the supercritical state compared to other substances like water, and CO2 is very safe for various applications. For this reason, supercritical CO2 power generation(sCO2) R&D activities are regarded as a core technology that can change future energy all over the world. As a part of 'Creative Economy Industrial Engine Projects', the Korean government has launched the Bureau of supercritical CO2 power generation system in April 2014 to lead the related technologies of the sCO2 system. Dr. Choongsub Yeom as a director of the Bureau is one of the top energy specialists in the domestic plant engineering. He has led many research projects on the plant engineering based on the nuclear power system at IAE (Institute for Advanced Engineering). Dr. Yeom said "The existing steam turbine system raises temperature and pressure of water, and then makes high pressure steam to run the steam turbine. However the high pressure and temperature processes make it difficult to find qualified materials, and can incur high O&M cost problems. The sCO2 system, on the other hand, has the advantages of both the liquid phase for turning the turbine strongly and the gas phase for lower friction resulting in the increase of the system efficiency more than 30%. Additionally its simple process layout helps to keep high efficiency with the reduction of the system size down to 75%." Another reason why the sCO2 system is highlighted is that the sCO2 system can be combined with many heat sources such as thermal, nuclear, geothermal, solar and fuel cell heat sources along with various waste heat applications. Also, the plant site area for the sCO2 system only requires around 1/5 to 1/10 of the conventional power plant site area. Dr. Yeom also said "Considering the fact that Korea has small available land, the sCO2 system with a small footprint can be an ideal alternative. Especially, the sCO2 system can be linked with the micro-grid system, which is strongly supported by Korean government, resulting in synergy effects in developing an original technology." Korea has imported over 95 % of energy for its domestic energy demand since 1998, thus the development of the sCO2 system would be a firm foundation to lead the future global energy market.

Securing original technology that can lead global energy market

The U.S. Department of Energy (DOE) has included the technology of the sCO2 system as Cross-Cutting Technologies in the 2014/2015, and has invested $57M on the basic research of the sCO2 system. Japan and China are also pushing forward the development of the sCO2 system. Dr. Yeom said "The US already has prepared the demonstration plant of the sCO2 system with tens of MW capacity, while Korea has followed the US in the second group with a little technical gap. If we can promptly respond, we can develop original technologies resulting in the future market leader". Korea has built a 300kWe lab scale sCO2 system in KAERI by investing $2M and studied basic technologies for next generation nuclear power system (sodium-cooled fast reactor). Dr. Yeom said "Technologies for the sCO2 system are still at a test stage. Thus it is very urgent to secure a TRACK RECORD with fast technology development, to do tens of MW scale demo test and to prepare reliable design, construction, and O&M technologies." He also advised that considering the advanced nations in energy technology dominate the global power plant market up to 70%, the development of the sCO2 system could be a nice chance to raise the national competitiveness. The Bureau of sCO2 system was chosen for 'Preliminary Feasibility Assessment Project' in last 2014 and is being assessed for budget feasibilityt. Director Yeom says "It is our current goal to pass the assessment to secure budget for 2016. We are also preparing measures to continue R&D activities of the sCO2 system in case of hold up of the budget." Dr. Yeom also added that the Bureau would actively work together in cooperation with related companies and organizations to improve regulations and to develop new technologies resulting in a nice industrial eco-system for the sCO2 system. Power Korea supports Dr. Yeom and his team.