가스터빈 연구 미래 산업 불 밝힌다  

▲ 한국기계연구원은 산하에 설립된 가스터빈연구센터를 통해 가스터빈 연구에 박차를 가하며, 국내 산업계의 경쟁력을 확보하기 위해 노력하고 있다. 사진은 KIMM개발 저NOx 연소기의 국내 발전소 장착 전경. 한국기계연구원 제공

한국기계연구원은 국가 및 산업계의 발전에 기여하기 위해 설립된 기관으로서, 국민이 공감할 수 있는 연구개발로 미래기술을 선도하고 있다. 1976년 상공부 산하의 한국기계금속시험연구소로 설립돼, 현재는 미래창조과학부 산하의 정부출연연구기관이다. 기계연은 나노크기의 정밀하고 미세한 연구에서부터 자기부상열차, 플랜트 기술 등 거대과학에 이르기까지 기계기술 분야의 핵심기술 개발에 연구 역량을 집중하고 있다. 또한 산업계와 사회 곳곳에 도움이 되는 최첨단 융복합 기계기술을 개발하고, 이를 적용함으로써 국민의 생활을 좀 더 편리하고 행복하게 만들고자 하는 것이 기계연의 목표다. 기계연은 특히 세계 에너지 환경에서의 가스터빈 산업의 중요성을 인지해 2013년 가스터빈연구센터를 설립, 국가적 역량 결집과 관련 기술 개발에 매진하고 있다.

◆청정화력으로 주목받는 ‘가스터빈’

가스터빈이란 고압의 공기와 연료의 혼합으로 발생된 고온·고압의 연소 가스로부터 동력을 만들어 내는 장치로써 천연가스 발전의 핵심 주기기에 해당된다. 가스터빈은 2차 세계대전 당시 군용 전투기 엔진으로 개발됐다가 그 후 군용뿐만 아니라 민간용 항공기로 널리 적용돼왔고, 1980년대 이후 본격적으로 발전설비에도 그 응용영역이 확대됐다. 가스터빈을 기반으로 한 천연가스 발전설비의 발전효율은 최근 60%이상에 이르면서 40%대의 석탄발전에 비해 월등한 성능을 보이고 있다. 따라서 석탄발전에 비해 가스터빈 기반 천연가스 발전의 경우 상대적으로 탄소함량이 적은 천연가스를 사용해 이산화탄소를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 고효율 발전특성으로 인해 연료소모량이 상대적으로 작기 때문에, 그에 비례해서 이산화탄소가 더욱 줄어들어 지구온난화 시대에 화석연료 기반 발전설비의 유일한 수단으로 자리 잡고 있다. 발전용 가스터빈은 최신 모델인 270MW급을 기준으로 대당 6500만불(약 750억원) 수준으로, 전 세계 시장규모는 연간 54GW로서 경제적으로 환산하면 연간 150억불(약 17조 3000억원) 규모이다. 이는 신규 설치 시장 규모만을 계산한 것이고 설비 설치 이후 20~30년 운전 기간 동안의 부품교체 등으로 인한 추가 시장을 고려할 경우 천문학적 규모이다. 우리나라의 경우 발전 5사 및 민자발전사들을 중심으로 현재 158기의 가스터빈이 운전 중이며, 매년 부품 교체 비용 1800억원을 포함한 약 5000억원 규모의 시장을 형성하고 있다. 현재 세계 발전용 가스터빈 시장은 미국 GE, 독일 Siemens, 일본의 Mitsubishi 등 3개 회사가 각각 시장 점유율 49.5%, 21.1%, 17.0%을 차지하고 있어 그야말로 선진국형 독점적 사업 구조를 형성하고 있다. 우리나라의 경우 1970년대 이후 중화학 공업 육성 정책의 일환으로 발전산업에 대한 투자가 시작됐으나 그동안 해당 산업체들의 선진사 제품 면허생산 중심 등 단견적 사업 구조로 인해 가스터빈 제조사 대열에 아직도 진입하지 못하고 있다. 다만 최근 들어 국내 중공업이 중심이 돼 발전용 가스터빈 독자모델 개발을 추진하고 있어 귀추가 주목되고 있다.

◆국가산업 신성장 동력으로 부상

가스터빈과 같은 대규모 투자가 필요한 산업의 경우 일개 정부출연연구원 단독으로 산업을 육성시키거나 기술 개발을 독자적으로 추진할 수 없다. 한국기계연구원은 이러한 상황을 고려해 국내 가스터빈 산·학·연 역량을 결집하기 위해 노력해오던 중 지난해 국가과학기술연구회로부터 산업선도형 가스터빈 선도형 기술 융합 클러스트를 유치하게 됐다. 이 사업을 통해 가스터빈연구센터는 국내 가스터빈 산업과 기술의 발전을 위한 전략 수립의 구심점 역할을 수행해오고 있다. 특히 현재 국가적 제조업의 위기상황을 타계하기 위해 가스터빈과 같은 기술집약적 산업이 기존의 노종집약적 산업으로부터의 전환을 위한 유용한 도구가 돼야 한다는 것이 기계연의 판단이다. 기계연은 이에 따라 국내 가스터빈 산업의 목표를 오는 2020년대 중반까지 가스터빈 완제품 개발 업체의 세계 시장 진입, 부품 및 기술 개발 업체들의 글로벌 공급체인 진입으로 설정했다. 가스터빈연구센터는 또 국가 정부출연연구기관의 역할에 충실하기 위해 국내 가스터빈 산업체의 지속가능한 성장을 위한 선행 기술 개발에 역량을 집중하고 있다. 즉 제품 및 부품개발은 산업체가 주도적으로 추진하고, 가스터빈연구센터는 산업체의 지속적 성장에 필요한 핵심기술의 선행 개발을 추진해 오고 있다.

◆국내 가스터빈 연구 성과 잇따라

가스터빈연구센터의 연구성과는 크게 저NOx(질소산화물) 연소기술 개발, 터빈공기냉각 기술 개발, IoT기반 상태진단 기술 개발 등을 들 수 있다. 먼저 저NOx(질소산화물) 연소기술은 연소기 내에서 연료인 천연가스와 고압공기의 적절하고도 안정정인 혼합 및 연소과정의 최적화로 NOx를 포함한 공해물질을 저감시키는 데 필요한 핵심기술이다. 가스터빈연구센터 김한석 박사팀은 연구원 패밀리 기업인 ㈜성일터빈, 한국남동발전과의 공동 연구를 통해 국내 최초로 국내 설계기술을 적용한 발전용 가스터빈 연소기를 분당복합화력발전소에 설치했다. 김한석 박사팀이 개발한 연소기는 연료와 공기를 균일하게 공급해주는 방법으로 연소실 내부의 고온부 발생을 제어함으로써, 기존 연소기와 비교해 공해성 물질을 30% 저감시키는 데 성공했다. 터빈공기냉각 기술을 개발도 눈에 띄는 성과다. 가스터빈의 고온 작동 특성으로 일반적으로 고온고압의 연소가스는 금속의 용융온도 보다 700도 이상 높은 온도를 유지하면서 터빈 블레이드 사이를 통과하게 된다. 이 경우 초내열 합금으로 제작된 블레이드가 고온의 연소가스를 견뎌내기 위해서는 특수한 터빈 공기냉각기술을 적용해야만 한다. 그러나 가스터빈의 고효율화를 추구할수록 연소가스 온도는 더욱 더 상승하게 돼 기존 냉각기술이 한계에 부딪혀 있는 상황이다. 가스터빈연구센터는 이러한 상황을 타계하기 위해 다공성 물질을 기반으로 한 혁신적인 개념의 터빈 공기냉각기술 개발에 집중하고 있다. IoT기반 상태진단 기술 개발도 가스터빈연구센터의 연구성과다. 최근 IT를 기반으로 한 사물인터넷 기술의 발달은 발전설비에도 적용이 가능하다. 이러한 기술을 이용해 기 설치돼 운전 중인 설비상태를 정확히 진단해 이를 기반으로 운전을 최적화시키면 추가 연료 투입이 없이도 출력증대가 가능하기 때문에 온실가스 저감에 크게 기여할 수 있다. 가스터빈연구센터에서는 이를 위해 운전 중인 가스터빈의 내부 상태를 정확히 예측 가능한 '모델기반 성능예측기술'을 개발했으며, 이를 빅데이터 개념의 데이터 처리기술과 접목시킨 실시간 상태진단 기술 개발에 역량을 집중하고 있다.

◆세계시장도 주목하는 ‘가스터빈’

세계 온실가스 배출량 7위인 우리나라는 유엔으로부터 자발적 온실가스 감축계획안 제출을 요구받아, 범부처적인 협의를 거쳐 2030년까지 온실가스 배출량의 37%를 감축하겠다는 안을 제시했다. 이는 2030년 우리나라 온실가스 예상 배출량 850백만톤 t 중 315백만t을 감축해야 하는 수준으로 결코 만만한 목표가 아니다. 정부는 올해 초부터 범부처적인 미션 이노베이션 위원회를 발족해, 온실가스 감축안 실현을 위한 에너지 R&D의 새 판 짜기를 시도하고 있다. 유엔이 규제하고 있는 6종의 온실가스 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 것은 이산화탄소로, 이산화탄소 배출의 가장 큰 이유는 17세기 산업혁명 이후 지속적으로 증대되어 온 인류의 화석연료에 대한 의존도 때문이다. 국제에너지기구에서 발표한 자료에 따르면 인류가 사용하는 연료의 70~80%는 화석연료가 차지하고 있으며, 앞으로 재생에너지 보급 확대에 따라 규모는 다소 줄어들지 모르지만 그래도 당분간 60% 이상을 차지할 것으로 예상된다. 또 전세계 에너지의 45%를 전기를 생산하는 발전설비에서 소모하고 있기 때문에, 발전설비의 청정화 없이는 온실가스 저감 목표 달성은 요원할 수밖에 없다. 그러면서 전 세계적으로 주목받는 것이 바로 가스터빈이다. 가스터빈을 기반으로 한 천연가스 발전은 기존 연료 중에서도 우리나라도 최대 온실가스인 이산화탄소의 배출량이 가장 적다는 점에서, 산업계의 큰 관심을 받고 있다. 가스터빈연구센터도 이러한 가스터빈의 이점에 따라 국가성장의 새 동력으로 가스터빈을 주목, 관련 연구를 지속해서 펼쳐나갈 계획이다.

손정락 가스터빈연구센터장은 “가스터빈연구센터는 지구온난화 문제 해결, 국내 산업체의 경쟁력 확보에 기여하기 위해 가스터빈 관련 연구에 최선을 다하고 있다”며 "향후에도 센터가 가스터빈 관련 산·학·연 역량을 결집하는 매개체가 돼 미래 기술의 선행개발에 집중하고자 한다”고 말했다.