[인사이트코리아=노철중 기자] 탄소중립 시대에 액화천연가스(LNG)발전은 재생에너지, 수소 등과 함께 주요한 에너지 생산 방식이다. 지난 3월 열린 ‘합리적 탄소중립 에너지정책 방향 제언’ 토론회에서 전문가들은 탄소중립 이행과정의 현실적 대안으로서 LNG발전 활용률을 좀 더 높여야 한다고 제언한 바 있다.

하지만 현재 국내 전력생산의 한 축을 담당하고 미래에 더 큰 역할을 할 LNG발전기의 핵심 부품인 가스터빈 고온부품을 국내에서는 전량 수입에 의존하는 실정이다. 대형 가스터빈은 고부가가치의 기술집약적 산업으로 미국 GE, 독일 SIEMENS 등 선진국 주요 기업이 기술과 시장을 독과점하고 있다. 국내 LNG 발전소는 가스터빈 고온부품의 교체를 위해 매년 1000억원 규모의 구매비용을 지출하는 것으로 알려졌다.

장성용 한국전력공사 전력연구원 발전기술연구소 IDPP연구실 책임연구원은 가스터빈 고온부품의 국산화 관련 기술을 연구하고 있다. 세계 최초로 실시간 운전데이터 기반 ‘가스터빈 고온부품 사용수명 산출기술’을 개발했으며, 한국공학한림원의 ‘2025년 미래 100대 기술 및 그 주역 리스트’에 ‘초내열 소재의 합금 설계 및 제조 기술’로 선정되기도 했다.

장 책임연구원은 가스터빈 기술 자립과 국산화 개발에 기여해왔으며, 2021년부터 380MW(메가와트)급 대용량 가스터빈에 적용하기 위해 가스터빈 기반 복합발전소 운영 최적화 기술을 개발하고 있다. <인사이트코리아>는 지난 7월 22일 서면 인터뷰를 통해 LNG 발전용 가스터빈 고온부품에 관한 자세한 얘기를 들어봤다.

‘초내열 소재의 합금 설계 및 제조 기술’에서 어떤 역할을 하고 있으며 이 프로젝트를 수행하게 된 계기는 무엇이었나.

“초내열 소재는 고온의 환경에서 사용되면서도 기계적으로 강도를 어느 정도 유지할 수 있도록 하는 Co(코발트), Ni(니켈) 등을 기본으로 하는 합금강이다. 해당 소재들의 합금 설계 기술은 1930년대 이전 Fe(철) 또는 Ni(니켈)를 기본으로 Cr(크롬)을 첨가해 내산화성을 가지도록 하는 것에서 출발했으며, 이후 초내열 소재가 내산화성뿐만 아니라 고온의 환경에서도 기계적인 강도를 가질 수 있도록 Mo(몰리브덴), Ti(티타늄), Ta(탄탈럼), W(텅스텐), Al(알루미늄), Zr(지르코늄) 등의 원소들을 미량으로 첨가해 초내열 소재의 합금을 설계하고 그 특성들을 발전시켜 왔다.

제가 맡은 분야는 초내열 소재 합금강을 활용해 고온부품을 제조하고, 그 특성을 평가하는 신뢰성 평가기술과 연관이 있다. 우리나라도 다양한 공학분야에서 어느 정도 기술력을 보유하고 있다고 생각했었는데, ‘왜 가스터빈 고온부품은 기술력이 없어서 전량 수입할까?’라는 의문을 품게 됐다. 그러한 호기심에서 출발해 2005년도부터 가스터빈 고온부품의 국산화와 관련한 프로젝트들을 수행하게 됐다.”

‘가스터빈 고온부품 사용수명 산출 기술’은 무엇이고 왜 중요한가.

“가스터빈은 고온·고압의 연소 가스를 이용해 고온부품인 베인(연소 가스 유도)과 블레이드(회전)를 이용해 발전을 하게 된다. 현재 최신 가스터빈 기준 연소 가스의 온도는 1600℃ 정도인데 매우 가혹한 환경에서 고온부품이 사용되는 만큼 가스터빈 설치 후 유지관리를 수행하는데 많은 비용이 발생하고 있다. 가스터빈 고온부품은 일정 시간 사용 후 재생정비를 해서 재사용하거나 불가피한 경우 신품으로 교체해 사용한다.

가스터빈 고온부품의 공급과 관련해 제작사들과 장기서비스계약(LTSA)을 맺은 최신 기종의 가스터빈을 제외하고는 운영비용을 줄이기 위해 각 발전사마다 노력하고 있으나, 대부분의 운영사는 가스터빈 제작사가 제시하는 부품의 교체주기 기준인 EOH(Equivalent operation hour), ES(Equivalent Startup), EBH(Equivalent Base Load Hour) 등과 같은 조건을 준수해 고온부품의 정비와 교체를 결정하고 운영하고 있다.

가스터빈 고온부품의 운전이 기저부하 조건에서 운영됐는지, 아니면 부분부하 조건에서 운전이 많이 됐는지에 따라 고온부품의 수명이 달라지는데도 불구하고 이러한 실제 운전조건을 반영하지 않은 상태에서 무조건 제작사가 제시하는 고온부품의 운영주기만을 따르는 실정이다. 이 경우 고온부품의 수명이 더 남아 있는 데도 불구하고 폐기돼 운영비를 증가시키거나, 수명이 다 소진됐는데도 계속 사용함으로써 대형사고를 야기할 수 있으므로, 가스터빈 고온부품의 사용수명을 산출하는 것이 매우 중요하다.

전력연구원에서는 가스터빈 고온부품의 실제 운전데이터를 활용해 고온부품의 사용수명 산출 기술을 개발했으며, 해당 기술을 활용해 1300℃급 실제 사용 고온부품 기준 약 95%의 수명산출 정확도를 달성했다. 그 결과를 바탕으로 해당 기술을 사업화 했다.”

가스터빈 고온부품의 국산화를 추진하게 된 배경은 무엇이고 현재 상황은 어떠한가.

“가스터빈 고온부품의 국산화는 제작사의 일방적인 구매조건이나 요구들이 빈번함에 따라 기술적인 종속을 탈피하고자 진행돼왔다. 가스터빈 고온부품의 국산화를 위해서는 역설계기술, 주조기술, 가공기술, 냉각설계 기술, 코팅기술, 신뢰성평가기술과 같이 다양하고 복잡한 기술들을 필요로 한다. 이에 전력연구원은 2002년 1100℃급 가스터빈 고온부품을 시작으로 한전KPS, 한국로스트왁스, 성일터빈, 한화테크윈, STX중공업, 기계연구원 등 여러 기관과 함께 국산화 기술을 개발해왔다. 앞서 언급한 바와 같이 제작사와 장기서비스계약이 돼 있는 최신 가스터빈 기종들을 제외하고는 국산화를 위한 기반기술을 보유하고 있는 상황이다.”

가스터빈 고온부품 국산화를 위해 다양하고 복잡한 기술들을 필요로 한다고 했는데 이 기술들에는 어떤 차이가 있나.

“가스터빈 역설계기술은 기존 부품을 동일하게 제작하기 위해 형상을 3차원으로 모델링하는 기술이다. 고온부품의 외부와 내부를 형상화하는 기술이라고 할 수 있다. 주조기술은 말 그대로 고온부품을 제작하기 위한 주형제작에서부터 잉곳(Ingot)을 용해하고 주입하는 과정을 거쳐 최종적으로 고온부품을 열처리해 원하는 특성을 가질 수 있도록 하는 기술이다. 가공기술은 고온부품을 제작한 후 기계적인 방법이나 기계화학적인 방법을 통해 요구되는 외형가공이나 내부 냉각 홀 가공을 수행하는 것이다. 냉각설계기술과 코팅기술의 경우 고온에서 사용되는 고온부품이 실제 겪는 온도를 낮추어 주기 위해 사용되는 기술로써 냉각설계를 최적화하는 기술과 고온부품의 외부를 열차폐하는 코팅을 개발하고 적용하는 것을 가리킨다.

마지막으로 신뢰성평가기술은 고온부품이 최종적으로 제작된 고온부품에 대해 재료적 특성에서부터 기계적 특성에 이르기까지 전반적으로 테스트해 실제 환경에서 사용될 만큼 품질이 확보됐는지를 평가하는 기술이다. 가스터빈 국산화는 역설계기술에서부터 신뢰성평가기술에 이르기까지 모든 기술들이 유기적으로 결합돼야만 성공적인 개발이 이뤄질 수 있다.”

기술 자립화는 어느 정도 이뤄졌다고 볼 수 있나. 또 국산화한 가스터빈으로 실제 에너지를 생산할 수 있는 시기가 궁금하다.

“가스터빈 산업은 부가가치가 높지만 기술 진입 장벽 또한 매우 높아 미국 GE, 독일 SIEMENS, 일본 MHI, 이탈리아 ANSALDO와 같은 외국 제작사가 가스터빈의 원천기술 보유하고 있었다. 우리나라는 2019년에 270MW급 대형 가스터빈 독자 모델을 개발했다. 가스터빈 메이저(Major) 제작사는 가스터빈 핵심 설계 기술을 자체적으로 확보해 지속적으로 성능개선을 추진할 뿐만 아니라, 이를 활용한 설계와 최적 운전을 위한 제어 분야까지 올인원(All-in-One) 전략을 추구하고 있는 실정이다. 또한, 해외 선진사들은 대규모 투자와 기술적 가치가 높아 정부 주도하에서 10년 이상의 국책과제로 가스터빈 기술개발을 진행하고, 전략기술로 분류해 엄격히 기술보안을 유지하고 있다.

국내에서도 정부 지원으로 2013년부터 진행한 산·학·연 공동연구개발(R&D) 국책연구과제를 통해 H급 가스터빈 모델(출력 270MW·터빈입구온도 1500℃·터빈효율 40%) 개발을 완료하고, 핵심 기술 개선을 통해 차세대 대용량, 고효율 가스터빈(출력 380MW·터빈입구온도 1650℃·터빈효율 43%) 개발을 추진 중에 있다. 최초 국산화한 가스터빈은 한국서부발전 김포열병합발전소에 적용해 2023년 7월부터 2025년 7월까지 2년간 전력계통 연결을 통해 실제 발전해 에너지를 생산하는 현장 실증을 진행할 예정이다.”

탄소중립으로 한발 더 나아가기 위해서는 수소를 활용한 발전도 필요하다는 얘기가 나오고 있다. 수소 관련 연구도 진행하고 있나.

“전력연구원은 가스터빈의 온실가스 저감을 위해 수소 등 무탄소 연료를 적용하는 연구를 수행 중에 있으며, 정부 정책과 발전사의 요구를 종합해 실증을 추진하고자 한다. 전력연구원이 수행하는 연구는 현재 운영 중인 가스터빈을 활용해 무탄소 연료를 혼소(동일한 연소기로 다른 연료를 연소시키는 것)하여 보다 빠르고 저렴하게 수소 가스터빈을 실증하는 것을 목표로 하고 있다.

기존 가스터빈의 연소기를 변경하지 않을 경우 혼소율은 제한적이지만, 수소 수급에 유연하게 대응하고 안전 등 기반기술을 조기 확보하며, 설비 활용성을 높이는 등 수소혼소 발전 기술의 부재를 보완함과 동시에 본격적인 수소터빈의 마중물 역할을 할 수 있다. 기존 설비를 활용한 조기 수소혼소는 안정적인 수소 수요처를 제공할 뿐만 아니라, 발전사가 운영 중인 74기는 국가 수소망 구축지역과 연계돼 있어 정부의 수소경제 활성화 정착의 기틀이 될 수 있다.

특히 전력연구원은 수소뿐만 아니라 암모니아 혼소 그리고 수소·암모니아 혼소에 대한 연구를 병행하고 있으며, 이를 통해 무탄소 발전 시대에 종합적으로 대응하고자 한다. 현재 구축 중인 수소·암모니아 가스터빈 시험센터를 중심으로 주요 가스터빈 기종에 대해 시험과 전산해석 연구를 수행해 저농도 수소혼소 가이드를 개발하고, 2024년부터 실증을 추진하는 것을 목표로 하고 있다. 이외에도 정부 정책과 발전사의 요구를 종합해 산학연 협력체계를 통해 50% 이상 고농도 수소혼소 기술의 개발과 실증에도 기여하고자 한다.”

전력연구원은 4차 산업혁명과 미래 에너지 전환이라는 시대적 흐름 속에서 이를 어떻게 대처하고 있나.

“전력산업은 4차 산업혁명과 미래 에너지 전환이라는 큰 흐름에 따라 빠르게 변화하고 있다. 탄소중립 목표 달성을 위해 전력 에너지 부문의 탈탄소화, 에너지 전환 분야의 R&D를 통한 기술혁신이 필수적이며, 탄소중립 실천을 위한 연대와 협력을 강화하는 것이 중요하다. 전력연구원은 크게 연료전환 분야에서 무탄소 에너지원인 수소, 암모니아를 발전에너지원으로 활용하는 기술과 화석연료 연소 시에 발생되는 CO₂ 포집, 저장 등 유용한 물질로 전환하는 기술개발을 수행하고 있다.

재생에너지 확대 분야에서는 수소를 에너지원으로 사용하기 위한 수소 생산·운송·저장기술과 해상풍력·태양광과 같은 재생에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 기술개발을 진행하고 있다. 지능형 전력 그리드 분야에서는 전력망의 유연성과 안정도 향상을 통한 재생에너지 수용력 증대 기술을 개발하고 있다. 에너지 효율화 분야에서는 전기자동차의 충·방전을 제어해 자원으로 활용하는 기술을 개발하고 있다. 마지막으로 경영 효율화 분야에서는 기후위기에 대한 기업 책임 강화와 의무이행 강조를 위해 전력 분야의 안전과 관련된 기술, 온실가스 배출 저감을 위한 친환경·저탄소 전력기기를 개발하고 있고, AI·빅데이터 분석을 통한 설비상태 예측, 운영 효율 향상 기술을 개발하고 있다.”

향후 연구 계획은.

“국내에서 정부 지원을 통해 개발된 380MW급 대용량 가스터빈이 2025년부터 실증될 예정이다. 가스터빈의 국산화에 따라 2021년부터 해당 가스터빈 기종에 적용하기 위해 가스터빈 기반 복합발전소 운영 최적화 기술을 개발하고 있다. 최적 운영기술은 가스터빈 성능감시·진단·평가, 발전량 예측, 압축기 성능 최적화, 고온부품 운영관리, 이상진단 예측, 시뮬레이션 기술을 포함하고 있다. 이러한 운영기술은 가스터빈의 운영자가 모니터링이 가능하도록 ‘IDPP Hub-pop for GEN 플랫폼’을 기반으로 연계 운영할 수 있는 연구개발을 진행하고 있다. 이러한 기술은 최종적으로 2025년까지 개발이 이뤄진 후 실증될 예정이며, 현장에 적용한 후 추가적으로 최적화 및 안정화를 위해 후속연구를 수행할 계획이다.”