중국, 140년 만에 증기의 첫 경쟁자 가동

주요 내용

• 140년의 왕에게는 도전자가 있습니다: 증기 터빈은 1884년 이후 세계 전력의 80%를 공급해 왔습니다. 중국은 이를 대체하기 위해 설계된 최초의 상업용 기계를 최근 배치했습니다.
• 10배 더 작고, 10% 더 효율적: 초임계 CO₂(sCO₂) 터빈은 동등한 증기 시스템 크기의 1/10 크기 패키지에서 약 50%의 열 효율을 달성합니다.
• 미국이 발명했습니다. 중국이 먼저 건설했습니다.: 에너지부는 sCO₂ 연구에 수십 년 동안 1억 6900만 달러를 투자했습니다. 중국의 CNNC는 30메가와트 상업용 유닛을 전력망에 연결했고, 미국 파일럿 플랜트는 여전히 첫 번째 4메가와트를 생산하고 있었습니다.
• 군용 와일드카드: 증기보다 10배 작은 터빈은 단순한 산업용 도구가 아닙니다. 잠수함, 항공모함, 해군 추진 기술인데, 중국은 이미 연구 중이다.

세상을 움직이는 기계

증기 기반 발전은 세계 전기의 80%를 생산합니다. 다시 읽어보세요. 집 조명, 공장 가동, 휴대폰 충전에 사용되는 5와트 중 4개의 전력은 찰스 파슨스가 1884년 최초의 다단계 반응 터빈을 발전기에 장착한 이후 원칙적으로 변하지 않은 기본 기술에서 나옵니다.

Parsons의 원래 기계는 7.5kW를 생성했습니다. 현대의 후손들은 50,000킬로와트 이상을 생산합니다. 그러나 기본 물리학(물 끓이기, 스핀 블레이드, 응축, 반복)은 근본적으로 동일합니다. 엔지니어들이 부르는 랭킨 사이클은 142년 동안 화력 변환 분야에서 경쟁의 여지가 없는 챔피언이었습니다. 원자력 발전소는 그것을 사용합니다. 가스복합발전소에서는 이를 사용한다. 석탄 발전소는 그것을 사용합니다. 집중형 태양열 발전소가 이를 사용합니다. 지열발전소가 이를 이용한다.

2025년 12월 20일, 중국 구이저우성 류판수이의 한 철강공장에서 차오탄원(Chaotan One)이라는 기계가 그리드에 연결됐다. 물을 끓이지 않습니다. 증기를 사용하지 않습니다. 이 장치는 임계점(31°C 및 7.37메가파스칼)을 넘어 이산화탄소를 가스도 액체도 아닌 초임계 유체로 압축하고 이를 폐쇄형 브레이튼 사이클을 통해 실행하여 철강 공장의 폐열에서 전기를 생성합니다.

세계 최초의 상업용 초임계 CO2 발전기입니다. 핵심 터보기계는 교체하도록 설계된 대성당 규모의 증기 시스템 크기의 일부에 불과합니다.

물리학: CO₂가 증기를 능가하는 이유

증기에 비해 초임계 이산화탄소(sCO2)의 장점은 밀도와 압축성으로 귀결됩니다.

CO2가 임계 온도 및 압력 이상으로 유지되면 액체의 밀도는 있지만 가스의 흐름 특성을 갖는 유체처럼 거동합니다. 온도와 압력의 작은 변화는 에너지 밀도의 큰 변화를 가져옵니다. 실제 결과는 sCO2 터빈이 증기 터빈보다 유체 단위당 더 많은 에너지를 추출하고 이를 수행하는 데 훨씬 더 적은 장비를 사용한다는 것입니다.

샌안토니오에 있는 SwRI(Southwest Research Institute)의 엔지니어인 Jeff Moore는 솔직하게 표현했습니다. 전체 sCO₂ 터빈은 “동일한 양의 전력을 생산하는 공장 크기의 대략 10분의 1 크기”입니다. 증기 터빈에는 일반적으로 10~15개의 로터 스테이지가 필요합니다. sCO₂ 터빈에는 4개가 필요합니다.

NETL(National Energy Technology Laboratory)의 Richard Dennis는 프로토타입 터빈 로터 샤프트에 대해 다음과 같이 설명했습니다. “직경 4인치, 길이 4피트로 1,000가구에 전력을 공급할 수 있습니다.”

효율성 향상은 상당하지만 마술적이지는 않습니다. SwRI의 테스트에 따르면 sCO2 사이클은 기존 증기 발전소보다 약 10% 더 효율적으로 실행되어 열 효율이 50%에 접근하는 것으로 나타났습니다. 맥락에 따라 대부분의 기존 증기 터빈은 35~40% 효율로 작동합니다. 이러한 개선은 임계점 근처에서 실행되는 Brayton 사이클의 열 특성에서 비롯됩니다. 임계점에서는 초임계 CO2가 밀도가 높아서 증기보다 압축하는 데 훨씬 적은 에너지가 필요하기 때문에 압축기 작업이 급격히 떨어집니다.

작동 유체 자체도 더 실용적입니다. CO2는 값싸고 무독성이며 쉽게 구할 수 있고 고온 증기보다 부식성이 적습니다. CO2를 초임계 상태로 전환하는 데는 물을 증기로 전환하는 것보다 적은 에너지가 필요합니다.

$\eta_{\text{Brayton}} = 1 - \frac{1}{r_p^{(\gamma-1)/\gamma}} \quad \text{vs.} \quad \eta_{\text{Rankine}} \approx 35\text{-}40\%$

이상적인 Brayton 사이클 효율은 작동 유체의 압력비($r_p$)와 열용량비($\gamma$)에 따라 달라집니다. 임계점 근처에서 CO2의 밀도는 압축기 작동을 크게 줄여 실제 사이클 효율성을 50%로 끌어올립니다. 실제 sCO2 플랜트는 손실을 최소화하기 위해 배기열을 다시 포착하고 재압축 단계를 수행하기 위해 복열 장치를 추가하지만 방향은 분명합니다. 더 많은 에너지를 내보내고, 더 적은 장비를 투입하고, 지상에 차지하는 공간을 줄이는 것입니다.

조탄원: 중국이 실제로 만든 것

중국국가원자력공사(CNNC)의 자회사인 중국원자력연구소(NPIC)는 이 기술을 개발하는 데 10년 이상을 투자했습니다. 2019년에 NPIC는 실험실 환경에서 안정적인 최대 전력 sCO2 생성을 달성했습니다. 6년 후, Chaotan One은 상업화되었습니다.

사양:

CNNC는 Chaotan One이 기존 폐열 증기 회수 시스템에 비해 85% 이상 더 높은 발전 효율과 50% 이상 더 높은 순 전기 출력을 제공하는 동시에 물리적 부지 면적을 절반으로 줄인다고 주장합니다.

여기서는 “발전 효율”과 “열 효율”의 차이가 중요합니다. 차오탄원은 1차 발전소가 아닙니다. 이는 제철소에 볼트로 고정된 폐열 회수 시스템으로, 그렇지 않으면 대기로 배출될 열을 포착합니다. 85% 개선은 기존의 유기 랭킨 사이클(ORC) 및 증기 기반 폐열 시스템과 비교한 것이며 전체 규모의 가스 터빈 복합 사이클과의 비교는 아닙니다. 그러나 폐열 회수의 경우 그 증가 폭이 상당합니다.

CNNC는 철강공장에만 머물지 않는다. 2024년에 회사는 중국의 5차 주요 최초 에너지 장비로 선정된 “용융염 에너지 저장 + 초임계 CO2 발전” 실증 프로젝트를 시작했으며 2028년까지 완료될 예정입니다.

미국식 접근 방식: 1억 6,900만 달러 및 계속 증가 중

미국은 2017년에 sCO2를 전략적 개척 기술로 식별했습니다. MIT Technology Review는 이를 2018년 “10대 혁신 기술” 중 하나로 선정했습니다. 에너지부는 텍사스 주 샌안토니오에 있는 Southwest Research Institute의 1억 6900만 달러, 10메가와트 파일럿 플랜트인 초임계 변환 전력(STEP) 실증 프로젝트에 자금을 쏟아부었습니다.

2024년 10월 7일 STEP은 1단계 테스트를 완료했습니다. 터빈은 27,000RPM에서 최대 작동 속도에 도달했고, 500°C 및 250bar에서 작동했으며 단순 사이클 구성에서 4MW의 그리드 동기화 전력을 생성했습니다.

2025년에 시작될 것으로 예상되는 2단계는 발전소를 RCBC(Recompression Brayton Cycle)로 재구성하고 터빈 입구 온도를 715°C로 증가시킬 것입니다. 이는 원자로 및 집중형 태양열의 1차 발전에 필요한 더 높은 효율성을 향한 중요한 단계입니다.

중국과의 대조는 극명하다. 미국은 파일럿 구성에서 4MW를 생산하기 위해 1억 6900만 달러를 지출했습니다. 중국은 30메가와트를 상업적으로 배치했습니다. 그러나 액면 그대로 비교하면 오해의 소지가 있습니다. STEP은 원자력 및 태양열 애플리케이션을 위해 715°C에서 1차 전력 사이클 작동이라는 더 어려운 목표를 쫓고 있습니다. Chaotan One은 철강 공장에서 더 낮은 온도에서 폐열을 회수하고 있습니다. 중국이 첫 번째 경주에서 승리했습니다. 미국은 더 어려운 것을 위해 훈련하고 있습니다.

태양 플레이북, 반복

패턴은 틀림 없습니다.

1950년대에 Bell Labs는 현대적인 실리콘 태양전지를 발명했습니다. 미국 연구자들은 수십 년 동안 광전지 과학을 지배했습니다. 2010년까지 중국은 전 세계 태양광 패널 제조를 장악했습니다. 2025년 기준으로 중국은 기반 기술이 전혀 발견되지 않았음에도 불구하고 전 세계를 합친 것보다 더 많은 태양광 패널을 생산합니다.

sCO₂는 동일한 궤적을 따릅니다. 이 개념은 1960년대 후반 이탈리아와 미국 엔지니어들에게까지 거슬러 올라갑니다. Sandia National Laboratories는 적어도 2000년대 초반부터 sCO2 연구 프로그램을 운영해 왔습니다. 기초과학은 압도적으로 미국적이다. 첫 번째 상용 배포는 중국어입니다.

CleanTechnica의 Michael Barnard는 “돌을 느끼면서 강을 건너는” 중국의 접근 방식이 “귀중한 학습을 ​​낳지만 많은 막다른 골목을 낳기도 한다”고 관찰합니다. 중국은 실험 기술을 대규모로 배포하고 실제 성능 저하 데이터를 수집하고 반복합니다. 미국은 상용화하기 전에 국립 연구소에서 구성 요소를 검증합니다.

태양광에서는 배치 우선이 결정적으로 승리했습니다. 여기서 승리할지 여부는 sCO₂ 시스템이 지속적인 산업 운영의 처벌을 견딜 수 있는지 여부에 달려 있습니다.

2차 폭탄: 군사적 소형화

터빈이 증기 등가물보다 10배 작다면 그 의미는 철강 공장을 훨씬 넘어서는 것입니다.

원자력 잠수함과 항공모함은 현재 증기 랭킨 사이클을 사용하여 원자로 열을 추진력과 전력으로 변환합니다. 이러한 증기 시스템은 거대하고 복잡하며 엄청난 양의 선박 공간을 필요로 합니다. 부피의 10분의 1로 동일한 전력을 생산하는 sCO2 Brayton 사이클은 근본적으로 해군 구조를 재구성할 것입니다.

연구원들은 이미 기존의 2차 루프 증기 랭킨 사이클을 재생식 sCO2 전력 사이클로 대체하는 항공모함용 통합 원자력 sCO2 시스템 설계를 발표했습니다. sCO2 Brayton 사이클과 결합된 용융염 원자로를 사용하는 소형 모듈형 원자로 설계는 최대 50%의 예상 사이클 열 효율로 선박 추진용으로 특별히 평가되고 있습니다.

차오탄 원(Chaotan One)을 건설한 조직인 CNNC는 중국의 국영 원자력 기업으로 해군 추진 프로그램과 깊은 관계를 맺고 있습니다. 철강 공장의 폐열 회수 데모가 눈에 보이는 팁입니다. 2028년을 목표로 하는 용융염 + sCO2 실증 프로젝트는 소형, 고효율 해군 원자로로 향하는 길에 직접적으로 놓여 있습니다.

미 국방부도 이 사실을 알고 있습니다. DOE의 STEP 프로그램 파트너에는 미 해군용 추진 시스템을 구축하는 모회사인 GE Vernova가 포함됩니다. 그러나 시계는 작동하고 있습니다. 중국은 sCO2 시스템에 대한 실제 운영 데이터를 생성하고 있으며 미국 프로그램은 여전히 ​​4MW에서 확장되고 있습니다.

회의론자의 사례: “거의 준비” 80년

그렇게 빠르지는 않습니다.

sCO2 전원 주기는 1946년부터 제안되었습니다. 80년 동안 “거의 준비”가 되면 누구나 잠시 멈칫할 것입니다. 기술의 장점은 현실적이지만 실패 모드도 마찬가지이며 단순하지 않습니다.

Barnard는 다섯 가지 중복되는 성능 저하 메커니즘을 식별합니다.

1. 열교환기 침탄: 고온의 CO2는 강철 부품의 탄화물 형성 및 취성을 유발합니다.
2. 씰 성능 저하: 압력을 가하면 초임계 CO2가 씰 재료에 용해되어 명백한 고장이 아닌 효율성 손실로 나타나는 점진적인 누출이 발생합니다.
3. 불순물로 인한 부식: 물, 산소 또는 황 오염으로 인해 접합부에 구멍이 생깁니다.
4. 확산 결합 실패: sCO₂ 시스템을 작게 만드는 소형 인쇄 회로 열 교환기(PCHE)도 가장 약한 고리입니다. 결합된 인터페이스의 성능이 저하되면 전체 장치를 교체해야 합니다.
5. 산업 오염원으로 인한 오염: 철강 공장 배기 가스에는 시간이 지남에 따라 열 전달을 감소시키는 미립자, 금속 산화물 및 황 화합물이 포함되어 있습니다.

Barnard는 중국 배치의 경우 25년 내에 심각한 열교환기 성능 저하가 발생할 확률을 4070%로 추산하고, 특히 철강 공장 응용 분야에서는 오염 문제가 발생할 확률을 60~85%로 추정합니다.

학술 문헌은 이러한 과제를 확인시켜 줍니다. 임계점 근처에서 작동하는 sCO2 시스템은 작은 편차에도 민감하므로 흐름 불안정을 방지하기 위해 빠르고 정확한 제어 전략이 필요합니다. 고온에서 CO2는 부식성이 강하고 수십 년 동안 환경을 견딜 수 있는 까다로운 재료가 됩니다.

Barnard는 다음과 같이 주장합니다. “15MW에서 시작하여 유지 관리 비용이 증가하면서 몇 년 후에 13MW를 제공하는 시스템은 획기적인 것이 아닙니다. 이는 성숙한 증기 기반 대안에 비해 폐열을 회수하는 비용이 많이 드는 방법입니다.”

회색 영역: 배포 및 학습과 검증 후 배포

두 접근 방식 모두 합리적입니다.

중국은 성능 저하 데이터를 포함한 실제 운영 데이터가 어떤 실험실 시뮬레이션보다 더 가치 있다고 확신합니다. Chaotan One이 실행될 때마다 CNNC는 테스트 벤치가 복제할 수 없는 씰 마모, 열 교환기 오염 및 제어 시스템 동작에 대한 정보를 수집합니다. 시스템 성능이 저하되면 어떻게 저하되는지, 어디에서 오류가 발생하는지, 무엇을 고쳐야 하는지를 배웁니다. 수업 비용은 30MW 데모 1회입니다. 장점은 학습 곡선에서 10년 앞서 시작한다는 것입니다.

미국에서는 신중한 구성 요소 검증을 통해 내구성이 더 뛰어난 제품이 생산될 것이라고 확신합니다. STEP 프로그램의 세심한 접근 방식(715°C로 확장하기 전에 500°C에서 테스트, 국립 연구소의 장기 부식 테스트에서 재료 검증)을 통해 5년이 아닌 30년 동안 안정적으로 작동하는 시스템을 얻을 수 있습니다. 그러나 내구성을 위해 속도를 희생합니다. 그리고 태양광 경쟁에서는 불완전한 패널을 먼저 배치한 국가가 가장 빠르게 학습하고 가장 빠르게 반복하며 한 세대 동안 세계 시장을 지배했습니다.

Barnard의 분석에 따르면 Chaotan One은 5년 이내에 성능이 저하될 수 있습니다. 하지만 CNNC는 이유를 알게 될 것이며 다음 버전은 더 나아질 것입니다. 한편, STEP 프로그램은 재료 과학이 지속된다면 혁신적인 결과를 제공할 수 있는 근본적으로 더 엄격한 목표(원자로의 경우 715°C의 1차 전력 주기)를 목표로 하고 있습니다. 문제는 어떤 접근 방식이 “옳은가”가 아닙니다. 문제는 어떤 접근 방식이 먼저 상업적 지배력을 창출하느냐 하는 것입니다.

다음에 나올 내용

sCO2가 대규모로 작동한다면 그 의미는 폐열 회수나 해군 추진에만 국한되지 않습니다. 지구상의 모든 화력 발전소(원자력, 가스, 석탄, 지열, 집중 태양열)는 이론적으로 증기 사이클을 10% 더 효율적이고 90% 더 작은 sCO2 사이클로 바꿀 수 있습니다.

이는 업그레이드 가능한 1884년 기술을 기반으로 하는 세계 전력 생산량의 80%에 해당합니다.

증기 터빈은 죽지 않았습니다. 그것은 142년 동안 문명에 활력을 불어넣어 왔으며 하루아침에 사라지지 않을 것입니다. 그러나 1884년 이후 처음으로 믿을 만한 상업적 경쟁자가 생겼고, 그것을 만든 나라는 그것을 발명한 나라가 아니다.

중국은 미국이 발명한 태양전지 기술을 받아들여 10년 만에 제조 독점국으로 만들었습니다. 이제 문제는 초임계 CO가 동일한 경로를 따르는지, 아니면 미국의 환자 검증 접근 방식이 중국의 배치 우선 전략과 비교할 수 없는 결과를 낳는지 여부입니다.

차오탄원이 달리고 있습니다. 시계가 시작되었습니다.

출처 (12)

• en.cnnc.com.cn CNNC: World's First Commercial Supercritical CO2 Power Generator
• scientificamerican.com Can Carbon Dioxide Replace Steam to Generate Power?
• cleantechnica.com China Built A Supercritical CO2 Generator
• powermag.com POWER Magazine: STEP Demo Completes Phase 1
• gti.energy STEP Demo Phase 1 Milestone
• tpr.org Texas Public Radio: Steam Turbines Will Be Things of the Past
• interestingengineering.com Chaotan One
• netl.doe.gov DOE/NETL: Increasing Efficiency With Supercritical CO2
• mdpi.com MDPI Energies: Supercritical CO2 Power Technology
• collection.sciencemuseumgroup.org.uk Science Museum: Parsons Steam Turbine Generator 1884
• pmc.ncbi.nlm.nih.gov Supercritical CO2 System for Aircraft Carrier Nuclear Power
• newsreleases.sandia.gov Sandia National Labs: Brayton Cycle Turbines