지구온난화 주범 이산화탄소를 친환경 발전에 사용? 이산화탄소 초임계 유체 발전[고든 정의 TECH+]

이산화탄소는 지구 온난화의 주범으로 지목되면서 반드시 배출량을 줄여야 하는 대상이 됐지만, 그 자체로는 아무 잘못이 없습니다. 사실 온실효과도 지구 기온을 지금처럼 온화하게 유지하는 데 꼭 필요한 기능입니다. 단지 인간이 짧은 기간 동안 너무 많이 배출해서 문제가 된 것이죠.

따라서 과학자들은 이산화탄소 배출량을 줄일 뿐 아니라 이산화탄소 일부를 분리해 더 유용한 용도로 재활용하기 위한 연구를 진행 중입니다. 그 가운데서도 이산화탄소 초임계 변환 발전소 (Supercritical Transformational Electric Power, STEP)는 두 가지 문제를 한 번에 해결할 방법으로 주목받고 있습니다.

초임계 유체(supercritical fluid)는 특정한 고온 고압 상태에서 기체와 비슷한 성질을 지니지만, 액체와 비슷한 밀도를 지니는 특수한 물질 상태를 의미합니다.

이산화탄소는 상온인 섭씨 31도에서 초임계 유체가 되기 때문에 가장 먼저 상업적으로 사용됐습니다. 디카페인 커피가 바로 초임계 이산화탄소를 적용한 첫 사례입니다. 상온에서 기체처럼 낮은 점성을 지녀 커피 원두에 손상을 주지 않고 카페인만 녹여낼 수 있습니다.

과학자들은 현재 화력 발전에서 수증기보다 초임계 유체가 터빈을 효율적으로 돌리는 데 유리하다고 보고 초임계 발전기 상업화를 위한 연구에 박차를 가하고 있습니다.

초임계 유체가 수증기보다 유리한 특징 중 하나는 바로 밀도가 높다는 것입니다. 초임계 유체는 수증기처럼 기체처럼 움직이지만, 액체처럼 밀도가 높아 1/10 크기의 터빈으로 같은 출력을 낼 수 있습니다. 여기에 점성이 낮아 관련 기기의 마모를 덜 일으키고 효율도 높습니다. 작은 온도와 압력 변화에도 부피가 크게 변하는 것 역시 높은 효율과 반응 속도가 빠른 이유입니다.

하지만 물을 초임계 유체로 만들기 위해서는 섭씨 373도의 온도와 220bar의 고압 환경이 필요합니다. 반면 이산화탄소는 섭씨 31도의 온도와 74bar의 압력만 있으면 초임계 유체가 됩니다. 따라서 다루기 쉬울 뿐 아니라 더 낮은 온도에서 열에너지를 변환할 수 있어 효율이 우수합니다.

미국 사우스웨스트 연구소와 제너럴 일렉트릭 (GE), 미국 에너지부 등 여러 기관들은 이산화탄소 초임계 유체를 적용한 10MW급 STEP 발전소를 텍사스에 건설했습니다. 1억 5,500만 달러가 투입된 이 시범 발전소 사업은 초임계 유체 발전 기술 상업화의 중요한 단계로 여겨지고 있습니다. 

발전소에 사용된 터빈은 사진에서 볼 수 있듯이 매우 작은데, 발전 터빈의 가격은 크기가 커질수록 비싸지므로 매우 작은 크기를 지닌 초임계 유체 발전기 터빈은 대형 발전소에 적용할수록 더 경제성이 있을 것으로 기대됩니다.

하지만 과학자들이 가장 기대하는 부분은 높은 효율입니다. 이산화탄소 초임계 유체 발전기의 이론적 에너지 변환 효율은 증기 터빈보다 10% 이상 높은 50%에 달합니다. 같은 양의 천연가스나 석탄을 사용해도 더 많은 양의 전기를 얻을 수 있어 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있습니다.

마지막으로 중요한 장점은 반응이 매우 빠르다는 것입니다. 물을 끓여 만든 수증기를 이용한 증기 터빈은 정지 상태에서 발전까지 상당한 시간이 걸릴 수밖에 없습니다.

초임계 유체 이산화탄소 발전기는 2분 만에 발전 상태에 도달할 수 있습니다. 따라서 발전량이 불규칙한 풍력이나 태양광 같은 신재생 에너지의 백업 용도로 훨씬 적합한 방식입니다.

사실 초임계 유체 발전기는 미국만 연구하는 것이 아닙니다. 국내에서도 이미 2020년 한국기계연구원이 250kW급 이산화탄소 초임계 발전기 기술을 실증해 보이기도 했습니다.

우리는 물론 주요 선진국에서 관련 기술에 많은 투자를 한다는 것은 그만큼 유망한 기술이라는 이야기이기도 합니다. 앞으로 이산화탄소가 지구 온난화 문제를 극복하는 친환경 에너지 수단으로 거듭날 수 있을지 주목됩니다. 

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com