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증기 터빈 보다 효율이 훨씬 높은 이산화탄소 초임계 유체 발전기




 (Credit: Southwest Research Institute)

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석탄, 석유, 천연가스를 사용하는 화력 발전소나 원자력 발전소는 사실 모두 비슷한 방법으로 전기를 만듭니다. 바로 물을 끓여 만든 고온 고압의 수증기를 이용해 터빈을 돌리는 것입니다. 오래된 방법이지만, 사실 경제성과 효율성에서 아직 가장 좋은 방법이기도합니다.

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하지만 공학자들은 항상 더 좋은 방법을 찾기 위해 노력해왔습니다. 초임계 변환 발전소 Supercritical Transformational Electric Power (STEP)도 그런 노력 중 하나입니다.

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지난 10월 27일 텍사스에서 오픈한 10MW급 STEP 파일럿 발전소는 수증기 대신 초임계 유체 이산화탄소 ( supercritical carbon dioxide)를 사용합니다. 사우스웨스트 연구소와 GE를 포함한 미국 내 여러 기관들(Southwest Research Institute (SwRI), GTI Energy, GE Vernova, and the U.S. Department of Energy)이 협력해서 개발했습니다.

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초임계 상태는 특정한 고온 고압 상태에서 기체와 비슷한 성질을 지니지만, 액체와 비슷한 밀도를 지니는 특수한 물질 상태를 의미합니다. 이산화탄소는 31 °C의 온도와 74 bar (1,070 psi)의 압력에서 초임계 상태가 되는데, 디카페인 커피를 만드는데 처음 사용됐습니다. 상대적으로 낮은 온도에서 커피에 손상 없이 카페인만 녹일 수 있기 때문입니다.

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초임계유체: https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5810559&cid=60217&categoryId=60217

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초임계 유체 이산화탄소는 매우 작은 압력 변화에도 부피가 크게 변하고 물보다 더 낮은 온도와 압력에서 (물은 373 °C (703 °F) 의 온도와 220 bar (3,191 psi)의 압력에서 초임계 상태가 됨) 초임계 상태에 이르기 때문에 에너지를 더 많이 전기로 변환할 수 있습니다. 물이 증발하지 않을 정도의 저온에서도 급격한 압력 변환이 가능하기 때문입니다.

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따라서 초임계 유체 이산화탄소 발전기의 효율은 일반적인 가스 터빈보다 10% 높은 50%에 달하며 크기도 1/10에 불과합니다. 여기에 한 가지 더 중요한 특징은 반응 속도가 매우 빠르다는 것입니다.

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일반적인 증기 터빈이 정지 상태에서 발전까지 도달하는데 최소 30분 이상이 걸리는 반면 초임계 유체 이산화탄소 발전기는 2분에 불과합니다. 초임계 유체의 민감한 부피 변화 덕분으로 풍력, 태양광 같은 신재생 에너지의 백업 용도로 훨씬 적합한 특징입니다.

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다만 신기술인 만큼 실제로 안정적으로 작동할 수 있는지 소규모 프로토타입 발전소를 통해 입증해야 합니다. 1억 5500만 달러가 투입된 파일럿 발전소가 기대한 성과를 보여줄 수 있을지 주목됩니다.

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참고

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https://newatlas.com/energy/supercritical-co2-turbines/

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https://www.swri.org/press-release/swri-gti-energy-ge-celebrate-mechanical-completion-of-155-million-supercritical-co2

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