미국의 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발 동향[GT 심층분석보고서]

미국의 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발 동향[GT 심층분석보고서]

 

거점 아메리카 > 미국(실리콘밸리) > 미국 기술분류 에너지·자원 > 수화력발전

 

보고서종류 기술보고서 등록일 2016.12.20.

 

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글로벌기술협력기반육성사업(GT)
심층분석보고서
미국의
초임계 이산화탄소
발전시스템 개발 동향
GT2016-SI08 2016. 12. 1

목 차
주요 내용 요약················································ 1
1. GE(General Electric) 소개 ······························· 2
2. GE의 초임계 이산화탄소 발전시스템 소개·····················3
3. GE의 기술개발 동향··········································6
4. SwRI의 기술개발 동향·······································7
5. 맺음말·······················································9
[참고자료] ····················································10

1
□ 초임계 이산화탄소(CO2)는 액체와 기체의 성질을 모두 갖고 있는 상태의 이산화
탄소를 말하며, 이를 발전시스템에 적용하면 핵심 기계의 크기는 작으면서 발전
효율은 증가하는 미래형 발전시스템을 만들 수 있다.
□ 이런 이유 때문에 미래 유망기술 중의 하나인 ‘초임계 이산화탄소 발전기술’은
차세대 발전 기술로서 전 세계적인 각광을 받고 있다.
□ 초임계 이산화탄소 발전은 물대신 이산화탄소를 가열해 발전용 터빈을 돌리는 방식
으로, 이산화탄소 포집 기술(CCS)로 거둬들인 이산화탄소를 재활용할 수 있기 때문에
기후변화 대응에도 효과적일 것으로 기대를 모으고 있으며, 터빈으로 공급되는
이산화탄소의 에너지 밀도가 높아 발전설비를 가스터빈의 5분의 1, 증기터빈의 20
분의 1 수준으로 소형화 할 수 있어 발전설비의 제작비용 절감이 가능하여 경제적
이기도 하다.
□ 미국 에너지부(DOE)는 초임계 변환 전력(STEP; Supercritical Transformational
Electric Power) 프로그램의 일환으로 기후변화에 대한 대응과 저렴하고 청정한
전력원을 제공하는 것을 목표로 초임계 이산화탄소 발전시스템을 유망 기술로
선정하였다.
□ 이 발전시스템과 관련해서 GE(General Electric)는 초임계 이산화탄소 발전 기술의
상용화를 위한 기술 개발에 집중하고 있으며, 독자적인 가스터빈 배열재생용 초
임계 이산화탄소 발전시스템 연구를 추진 중이다.
□ SwRI((Southwest Research Institute)는 초임계 이산화탄소 발전 사이클을 기존 증기
발전 사이클에 비하여 높은 발전효율을 달성할 수 있는 매력적인 대안으로 보고,
美에너지부의 지원을 받아 GE 등과 협력하여 미국 텍사스주 샌안토니오에 위치한
SwRI 본부에 10MWe 테스트 루프를 준비하고 있으며 세계 최초의 대규모 초임계
CO2 발전을 시연할 프로젝트를 주도하고 있다.
주요 내용 요약

< 미국의 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발 동향 >
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1 GE(General Electric) 소개
□ GE(General Electric, 제너럴일렉트릭)는 발명왕 토마스 에디슨이 1878년 설립한
전기조명회사를 모체로 하는 기업으로, 1892년 에디슨 제너럴 일렉트릭(Edison
General Electric Company)과 톰슨 휴스톤 일렉트릭(Thomson-Houston Electric
Company)이 합병해 현재의 GE가 탄생했다. GE는 일반인들에게는 가전업체로
유명하지만 GE는 가전 이외에도 항공기 엔진을 비롯한 엔진기술과, 발전, 석유 및
가스 분야에 대한 기술 및 이에 대한 생산 인프라를 포함하는 에너지/발전 기술,
의료 영상 장비를 비롯한 헬스케어 기술 및 금융 산업 등 다양한 산업 분야에서
사업을 추진하고 있는 세계 최고 수준의 거대 하드웨어 기업이다.
□ 138년의 역사를 가진 GE는 직원 수는 33만 명에 달하며, 지난해 올린 매출은 1,174억
달러(약 130조 원)에 이른다. GE는 설립 이래 현재까지 전 세계 180여 개국에 다양한
서비스를 제공하는 있는 글로벌 기업으로, 전 세계가 직면한 난제를 해결하고자
인프라, 금융, 미디어 등 다양한 사업을 운용하고 있으며, 항공기 엔진, 발전, 수처리
기술, 금융서비스, 의료영상 및 텔레비전 프로그래밍에 걸친 다양한 제품과
서비스를 전 세계의 고객에게 제공하고 있다.
□ GE는 인프라, 금융, 미디어분야에서 탄탄한 글로벌 사업을 보유하고 있어 현 시대가
필요로 하는 과제인 전 세계적인 인프라 수요 증가, 보건의료와 금융, 정보와 오락을
찾는 인구의 증가, 환경 기술 등의 문제를 해결하고 있으며, 또한 5개국에 위치한
글로벌 연구개발센터 산하의 10개 연구실에서는 전문적인 연구를 통해 탄생한 첨단
기술개발 결과물을 다양한 사업 부문에 실제 적용할 수 있도록 발전시키는 역할을
담당하고 있다.

3
[참고 1] GE의 사업 분야 (출처 : www.ge.com/kr)
- 에너지(Energy)분야 : 발전 및 에너지 기술 공급. Power & Water, Energy Services 및 Oil &
Gas 등 3개 사업부로 구성
- 헬스케어(Healthcare)분야 : 의료인들이 더 낮은 비용으로 더 많은 사람들에게 더 나은 의료
서비스를 제공하도록 지원
- 항공(Aviation)분야 : 항공기 엔진, 체계 및 서비스를 제공
- 운송(Transportation)분야 : 다양한 철도 관련 제품과 솔루션, 각종 유지 보수 서비스 및 신호
통신 시스템, 철도 차량 안전 설비 및 승객 정보 전달 시스템, 시추용 드릴 등을 제공
- GE 캐피탈(GE Capital)분야 : 채권 투자 및 벤더리스 금융 등
- 홈 앤 비즈니스 솔루션(Home & Business Solutions)분야 : 가정과 회사 등 고객들에게 필요한
다양한 솔루션들을 제공. 가전, 조명을 비롯하여 인텔리전트 플랫폼 등의 사업부로 구성
2 GE의 초임계 이산화탄소 발전시스템 소개
□ 기존의 발전 시스템은 고압의 유체를 가열하는 열원(가스발전의 연소기, 증기발전의
보일러, 원자력발전의 증기발생기 등), 고온, 고압의 유체에 의하여 구동되며
발전기를 돌리는 터빈, 터빈을 나온 저온 저압의 유체를 식히는 열침(냉각수 또는
냉각용 공기 등), 열침에서 나온 냉각된 유체의 압력을 높여주는 가압장치(펌프 또는
압축기)로 이루어지며, 초임계 이산화탄소(CO2) 발전 사이클도 기본적인 핵심
기기의 구성은 기존의 발전 시스템과 동일하다.
□ 초임계 CO2 발전 사이클은 임계점 이상의 초고압으로 압축된 CO2를 열원에서
고온으로 가열하여 터빈을 구동하는 고효율 발전 사이클로서, 밀도가 높은 고온의
초임계 CO2를 이용하여 발전용 터빈을 돌리기 때문에 기존의 고온 공기를 사용할
경우에 비해 압축하는데 적은 에너지가 소모되며, 발전용 터빈의 크기는
폐열회수발전(ORC; Organic Rankine Cycle)용 터빈의 1/5 수준, 증기발전용 터빈의
1/20 이하 수준의 소형화가 가능하고, 산업용 폐열회수, 화력, 태양열, 원자력 등과
같은 대부분의 열원에 적용하여 발전이 가능하다.

< 미국의 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발 동향 >
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Simple Recuperated Cycle Cascaded Cycle Recompression Cycle
< 그림 1. GE의 초임계 CO2 발전 사이클 기술 >
출처 : Phased Approach to Development of a High Temperature sCO2 Power Cycle Pilot Test Facility,The 5th
International Symposium Supercritical CO2 Power Cycles March 28.31, 2016, San Antonio, Texas
□ GE는 터빈 입구 온도를 700℃이상으로까지 높일 수 있는 초임계 CO2 발전 사이클을
개발하고 있으며, 이는 기존의 증기발전 사이클보다 높은 발전효율을 제공할 수
있다. GE에서 개발 중인 초임계 CO2 발전 사이클은 <그림 1>과 같이 크게 세 가지로
구분할 수 있다. 첫 번째 사이클은 최대 550℃의 입구 온도를 갖는 터빈, 터빈에서
나온 고온 CO2의 열을 회수하여 저온부를 예열하는 고온 복열기(High Temperature
Recuperator), 고온 복열기에서 나온 CO2를 냉각하는 냉각기, 냉각기에서 나온 저온
저압의 CO2 압력을 높이는 압축기로 구성되는 단순 재생 사이클(Simple Recuperated
Cycle)이며, 두 번째 사이클은 단순 재생 사이클에서 저온 복열기(Low Temperature
Recuperator)와 저온 터빈(LT Turbine) 및 압축기를 각각 추가하고 이들로 이루어진
계단식의 순차적인 사이클을 구성하여 발전 효율을 높인 캐스케이드
사이클(Cascaded Cycle)이다. 마지막 세 번째 사이클은 단순 재생 사이클에서
재압축용 압축기와 저온 복열기(Low Temperature Recuperator)를 추가하여 열침을
통하여 외부로 방출되는 열량을 최소화하고 터빈 입구온도를 700℃ 이상으로
유지하여 발전 효율을 높이는 재압축 사이클(Recompression Cycle)이다.
□ GE는 대규모(Utility-scale) 초임계 CO2 발전 플랜트를 위한 압축기 및 재압축기의
개념설계를 완료하였으며, <그림 2>에 나타내었듯이 2단 주압축기와 4단
재압축기를 기반으로 하는 구조를 통하여 공기 역학적 성능과 압축기의 회전 운동
안정성을 동시에 최적화하는 연구(Trade-off studies)를 수행하였고, 열역학적 성능
해석을 통하여 시스템 요구사항을 충족시키면서 51.9%의 높은 발전 효율을 보고한
바 있다. 이와 더불어 향후 압축기 성능 곡선을 활용하여 터보기계 분야의 상세 설계
및 작동에 대한 연구개발 계획을 발표하였다.

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Simple Recuperated Cycle Cascaded Cycle
< 그림 2. GE의 초임계 CO2 터보기계 개념설계 >
출처 : Conceptual Designs of 50MWe and 450MWe Supercritical CO2 Turbomachinery Trains for Power
Generation from Coal. Part 2: Compressors,The 5th International Symposium - Supercritical CO2
Power Cycles March 28-31, 2016, San Antonio, Texas
□ <그림 3>은 GE의 50MWe 터빈을 이용한 재압축 초임계 CO2 사이클과, 450MWe
터빈을 이용한 재가열 재압축 초임계 CO2 사이클을 보여주고 있다. 50MWe 터빈을
이용한 재압축 사이클에서 CO2는 주 압축기(Comp)에서 고압으로 압축되고 저온
복열기와 고온 복열기를 거쳐 예열된 후 히터(Heater)로 공급되고, 히터에 의해
고온으로 가열된 CO2는 터빈(T)을 통해 팽창되면서 전기를 생산한다. 450MWe
터빈을 이용한 재가열 재압축 사이클은 고압터빈(HPT)에서 팽창된 CO2는
재열기(Reheater)에서 다시 고온으로 가열된 후 저압터빈에서 다시 팽창되면서
전기를 생산하고, 저압터빈에서 나온 CO2는 고온 복열기와 저온 복열기를 지나면서
저온부의 CO2를 예열한 다음 응축기에서 냉각되는 구조로 되어 있다.
Recompression Cycle for 50 MWe
Turbine
Recompression Cycle with Reheat for 450
MWe Turbine.
< 그림 3. GE의 열역학적 사이틀 성능 해석 >
출처 : Conceptual Designs of 50MWe and 450MWe Supercritical CO2 Turbomachinery Trains for Power
Generation from Coal. Part 1: Cycle and Turbine: The 5th International Symposium - Supercritical
CO2 Power Cycles March 28-31, 2016, San Antonio, Texas

< 미국의 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발 동향 >
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3 GE의 기술개발 동향
□ GE는 초임계 CO2 발전 기술의 상용화를 위한 기술 개발에 집중하고 있으며,
독자적인 가스터빈 배열 재생용 초임계 CO2 발전시스템 연구와 더불어
SwRI(Southwest Research Institute) 등과 함께 초임계 CO2 발전시스템 실증연구를
진행하고 있다. 또한 GE는 다양한 폐열회수용 사이클 특허를 보유하고 있으며,
미국 에너지부(DOE; Department of Energy)의 Sunshot 프로그램을 통해서10MWe
태양열 발전용 초임계 CO2 터보익스팬더를 개발하였다.
□ GE 글로벌 리서치(GE Global Research)는 약 10,000 가구의 작은 도시에 전력을
공급할 수 있는 소형 분산발전용 초임계 CO2 터빈을 시험 중인데, 이 초임계 CO2
터빈의 크기는 기존의 증기 터빈 크기의 약 10 분의 1에 불과하며 50% 수준의 발전
효율을 얻어낼 수 있다. 이는 일반적인 증기 발전 시스템이 40% 중반의 발전 효율인
것을 감안하면, 기존의 증기 발전시스템에 비하여 초임계 CO2 발전시스템의 향상된
열전달 특성으로 인하여 높은 발전 효율을 얻을 수 있는 것으로 보여 진다. 이러한
GE의 프로토타입 초임계 CO2 터빈은 현재 10MWe급으로 개발 중이나, 향후
33MWe급까지 확장될 계획이다.
□ GE는 2010년부터 美에너지부(DOE)의 지원으로 초임계 CO2 발전 관련 핵심기술
개발을 진행하여 2015년 말 관련 프로젝트들을 마무리하였으며, 2015년부터 초임계
CO2 발전을 위한 시스템 기술 개발 및 시장전략을 본격적으로 진행하고 있다.
발전시장에 대한 GE의 전략을 살펴보면, 기존 가스터빈 시장 외에 스팀터빈시장의
레드오션화(중국의 높은 시장점유율, 저가경쟁 등)에 따른 대체 고부가가치
기술로서 초임계 CO2 터빈을 내세우는 것으로 보여 지는데, 이는 가스터빈, 초임계
CO2 터빈(스팀터빈 대체), 복합화력(가스터빈+초임계 CO2 터빈) 시장을 재편
하겠다는 계산으로 판단된다. 최근 GE는 美에너지부의 Sunshot 프로젝트에
참여하여 10MWe급 초임계 CO2 발전 시스템 실증플랜트를 건설하는 데 핵심적인
역할을 한 Echogen사와 MOU를 체결하여 가스터빈 폐열재생용 10MWe 이하의
초임계 CO2 발전 시스템의 모듈화를 준비하고 있다.

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4 SwRI의 기술개발 동향
□ 美에너지부는 초임계 변환 전력(STEP; Supercritical Transformational Electric Power)
프로그램의 일환으로 기후변화에 대한 대응과 저렴하고 청정한 전력원을 제공하는
것을 목표로 초임계 CO2 발전시스템을 유망 기술로 선정하였다. SwRI는 초임계 CO2
발전 사이클을 기존 증기 발전 사이클에 비하여 높은 발전효율을 달성할 수 있는
매력적인 대안으로 보고, 美에너지부의 지원을 받아 GE 등과 협력하여 미국
텍사스주 샌안토니오에 위치한 SwRI 본부에 <그림 4>와 같은 10MWe 테스트
루프를 준비하고 있으며 세계 최초의 대규모 초임계 CO2 발전을 시연할 프로젝트를
주도하고 있다.
□ SwRI는 2016년 7월 7,800만 달러 규모의 청정가스터빈 개발 연구를 진행하기로
했으며, 2016년10월에는 美에너지부로부터 8,000만 달러 규모의 프로젝트를
수주하여 초임계 CO2 발전사이클을 실증하기 위한 파일럿 플랜트를 설계, 제작 및
운영을 계획하고 있다. 이러한 실증 시설은 앞으로도 계속 운영될 것으로 예상된다.
이외에도 SwRI는 임계점 부근의 CO2 특성 등을 파악하여 초임계 CO2 압축기
입구에서의 액체 CO2 형성 등에 대한 연구를 진행하였고, 이와 함께 <표 1>과 같이
액체 CO2로 인한 압축기 설계상의 문제점, CO2의 상태 변화(액상)에 따른 발전 효율
변화 및 핵심 기기의 부식과 변형 등에 관한 연구실적을 보유하고 있다.
[참고 2] SwRI (출처 : http://www.swri.org/)
SwRI(Southwest Research Institute)는 비영리 연구 개발기구로서, 텍사스 주 샌안토니오에
본부를 두고 있으며, 2,800 명의 직원을 두고 지난 68년동안 정부와 산업 전반에 걸쳐 연구를
펼쳐오고 있다. SwRI는 응용 물리학, 전력시스템, 지능형 시스템, 화학 및 화학 공학, 지구과학
및 공학, 기계 공학, 자동차 공학 연구부서(엔진, 배출 가스 및 차량 연구 및 연료 및 윤활유
연구), 국방 및 정보 솔루션, 우주 과학 및 공학의 9개 부서로 구성되어 있으며 4,000개 이상의
프로젝트를 진행하고 있다.

< 미국의 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발 동향 >
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< 그림 4. SwRI의 10MWe Full-scale Test-loop >
출처 : http://www.swri.org/9what/releases/2016/supercritical-sco2-power-plant.htm#.WDbrhtKLS7A
< 표 1. SwRI의 초임계 CO2 압축기 설계 >
Component Design Challenge
Aerodynamic Design
- 액체상태에서 작동할 시 효율 감소 및 소요 전력 증가
- 표면 부식
Mechanical Design
- 스프링 및 댐핑의 변형
- 압축기의 축 방향 진동
- 스러스트 하중 증가
Mechanical Design
- 고압에 의한 기밀성
- 기밀구성요소들의 보호
- 기밀구성요소의 드라이아이스(Dry ice)형성 방지
출처 : Liquid CO2 Formation, Impact, and Mitigation at the Inlet to a Supercritical CO2 Compressor,
Proceedings of ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition
GT2016 June 13 . 17, 2016, Seoul, South Korea
□ SwRI는 <그림 5>와 같이 터보기계의 설계를 위하여, 대기압이 작용하는 터빈
스테이지와 베어링 사이의 샤프트(shaft) 기밀부와 버퍼 기밀부 사이에서 소기용
압축기(Scavenge compressor)에 의해 재압축되는 기술을 제안하였고, 최근에는
터보기계의 누설(Leakage)을 방지하기 위한 연구와 함께 압력을 받는 베어링면에
대한 힘-균형 분석 및 이를 통한 최적 베어링 설계를 수행하고 있는 것으로
파악된다.

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Schematic of one End of a Turbine with
End Seal, Buffer Seal and Bearing
Cross-section of a Utility-scale Supercritical
CO2 Turbine Face Seal (Note that all
dimensions are normalized by the bearing
face radial height)
< 그림 5. SwRI의 터보기계 설계 >
출처 : Low-Leakage Shaft End Seals for Utility-Scale Supercritical CO2 Turboexpanders, Proceedings of
ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2016 June
13-17, 2016, Seoul, South Korea
5 맺음말
□ 초임계 CO2를 이용한 발전시스템은, 기존의 증기 발전시스템에 비하여 높은
발전효율에 기인한 온실가스 감축 및 핵심기기의 소형화에 의한 제작비용 절감
등의 장점과 더불어, 소규모 분산발전에 최적화가 가능한 발전시스템이라는
인식으로 인하여, 차세대 발전기술로 전 세계적인 각광을 받고 있다. 특히 이러한
초임계 CO2 발전기술은 많은 폐열이 발생되는 시멘트나 철강 등 산업 플랜트 발전
설비용으로 주목받고 있고, 선박 추진용으로도 활용될 수 있으며, 열원의 규모에
제약이 거의 없어 소규모 분산전원에서부터 대규모 발전까지 그 활용범위의 확대가
가능하다. 또한 폐열, 화력, 태양열, 원자력, 고온 연료전지 등 초임계 CO2
발전시스템의 적용이 가능한 열원의 종류 및 연계 열원도 광범위하다.
□ 이에 우리나라 정부도 미래성장동력-산업엔진 종합실천계획을 발표하여 초임계 CO2 발전시스템을 개발하여 에너지산업의 국제 경쟁력을 확보하는 전략을 발표한 바
있다. 아직은 해외의 GE와 SwRI를 비롯한 몇 개의 선진 기업 및 연구기관만이

< 미국의 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발 동향 >
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상용화를 추진하고 있으나, 두산중공업과 미국 에코젠파워시스템과의 기술협약과
한전-현대중공업 컨소시엄의 선박 엔진 연계 초임계 CO2 발전 시스템 개발 계획 등
국내에서도 초임계 CO2 발전시스템을 상용화하여 에너지산업의 국제 경쟁력을
확보하기 위한 전략적 R&D를 추진 중에 있어, 향후 초임계 CO2 발전 기술에 대한
좋은 결과가 있을 것으로 기대한다.
[참고 자료]
- http://www.electimes.com/article.php?aid=1427268390122266004
- https://ehsmanager.blogspot.kr/2016/04/ge-has-prototype-10-megawatt.html
- https://www.technologyreview.com/s/601218/desk-size-turbine-could-power-a-town
- http://www.swri.org/9what/releases/2016/supercritical-sco2-power-plant.htm#.WDdo8dWLTmE
- Liquid CO2 Formation, Impact, and Mitigation at the Inlet to a Supercritical CO2 Compressor, Proceedings
of ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2016, June
13-17, 2016, Seoul, South Korea
- Low-Leakage Shaft End Seals for Utility-Scale Supercritical CO2 Turboexpanders, Proceedings of ASME
Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition GT2016 June 13-17, 2016,
Seoul, South Korea
- High Inlet Temperature Combustor for Direct Fired Supercritical Oxy-Combustion, 2015 University
Turbine Systems Research Workshop November 3, 2015

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GT 심층분석보고서
미국의 초임계 이산화탄소 발전시스템 개발 동향
발 행 일 : 2016년 12월 1일
발 행 처 : 한국산업기술평가관리원
가 격 : 비 매 품