中, 세계 최초 초임계 '증기 없는' 이산화탄소 발전기 상업 가동… 전력망 연결

중국이 중국 원자력공사(CNNC)가 선도한 혁신적인 청정에너지 기술인 세계 최초의 상업용 초임계 이산화탄소 발전기를 가동하고 전력망에 연결했다.

이 발전기는 증기 대신 이산화탄소를 사용해 열을 전달하며, 중국 남서부 구이저우성(Guizhou)의 철강 생산 공장에서 폐열로 전력을 생산하기 위해 전력망에 연결되었다고 중국 CNNC 원자력연구소가 최근 소셜 미디어 게시물을 통해 전했다고 25일(현지시각) 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.

가동이 완료되면 두 개의 15메가와트 발전기는 기존 증기 발전 기술보다 철강 생산 폐열을 포집하고 발전시키는 데 50% 더 효율적일 것으로 기대된다.

또한, 이 효율적이고 컴팩트한 전력 시스템이 이동식 원자력 발전원, 우주선, 집중 태양광 발전소에서 전력을 생산할 수 있게 되어 차세대 원자로와 첨단 에너지 시스템에 혁신적인 도약이 있음을 알린다.
중국원자력발전연구소와 지강국제공학기술(Jigang International Engineering Technology)이 공동으로 진행하는 이 프로젝트는 향후 발전소의 기초를 마무리할 것으로 기대된다.

연구소에 따르면, 류판수이시(Liupanshui)의 국영 쇼강수청 제철소(Shougang Shuicheng Iron and Steel)에 위치한 초임계 이산화탄소 폐열 발전기는 세계 최초의 상업용 그리드 연결 발전기이다.

화력 발전소는 일반적으로 두 가지 주요 열역학 사이클에 의존한다. 증기 발전소에서 사용되는 랑킨 사이클(Rankine cycle)은 물을 끓여 수증기나 증기로 변하게 하여 터빈을 구동하고 전기를 생산하는 과정을 포함한다.

브레이튼 사이클(Brayton cycle)은 가스터빈과 제트 엔진에 사용되는 것으로, 가스를 고압으로 압축한 후 가열하여 가스를 팽창시키고 터빈을 구동하는 과정을 포함한다.

초임계 이산화탄소 발전은 이산화탄소를 기체와 액체의 특성을 모두 가진 임계 압력과 온도 이상의 초임계 상태에서 사용하는 데 의존한다. 이 장치는 소결(sintering)에서 발생하는 폐열을 이용해 구동될 수 있는데, 소결은 분말 강을 압축하고 결합하는 데 사용되는 과정이다.
폐열은 700도 섭씨(1,292도 화씨) 이상의 온도에 도달할 수 있다. 중국과학원 역학원(Institute of Mechanics)에 따르면, 증기 발전소에서 사용되는 랑킨 사이클의 효율은 약 40%로 제한된다. 비교하자면, 초임계 이산화탄소의 특성 덕분에 고온의 열원에서도 발전 효율이 50% 이상에 도달할 수 있다.

초임계 이산화탄소는 증기보다 밀도가 높아, 같은 전력 생산량을 위해 더 작은 터빈과 기타 부품으로 제작할 수 있어 선박이나 우주선 같은 밀폐 공간에서 사용하기에 유망하다고 역학 연구소는 밝혔다.

중국 원자력발전소는 10년 넘게 초임계 발전기를 연구하고 개발해왔다. 2019년에는 연구소에서 안정적이고 완전한 전력 초임계 이산화탄소 발전을 달성했다. 2023년 10월부터 약 3만 가구에 전력을 공급할 수 있는 신규 유닛 건설이 시작되었다.

초임계 이산화탄소 발전 장치는 전 세계 다른 곳에서도 시험 중이며, 여기에는 GTI 에너지(GTI Energy)가 주도하고 미국 에너지부의 자금 지원을 받는 초임계 변혁 전력(Step) 데모 파일럿 플랜트가 포함된다.

GTI 에너지에 따르면, Step 프로젝트 하에 텍사스 샌안토니오(San Antonio)에 위치한 10메가와트 전력(MWe) 파일럿 발전소가 지난해 9월 1단계 시험을 완료했다.

이 단계에서 발전소는 500도 섭씨 온도에서 전력 가동에 도달해 4MWe의 전력망 동기화 전력을 생산해 4,000가구에 전력을 공급할 수 있었다. 최종 시험 단계는 715도 섭씨 온도에서 10MWe 수준에 도달하는 것을 목표로 하고 있다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com