터빈의 운명은 어떻게 될까?

재생 에너지인 태양과 바람이 화석 연료인 석탄과 가스를 몰아내고 있다. 이들이 과연 대형 발전소와 터빈을 몰아낼 수 있을까? 제조사에 의하면 터빈은 결코 없어지지 않으며, 오히려 터빈으로 인해 재생 에너지가 더욱 확장할 수 있다고 한다. 이를 위해 터빈은 더욱 유연하게 제작되고 있다. 현재 터빈을 유연하게 제작할 수 있는 유럽 연구 프로젝트 2개가 진행되고 있다.

크리스타 프리들(Christa Friedl)

증기 터빈은 바이오매스 발전소와 태양열 시스템에서 재생 에너지 생성 시 에너지 전환을 담당한다.

EU 에너지 정책은 미래의 에너지 시스템을 위한 기준으로, 환경 친화적이고, 탄소 배출을 줄여, 재생 가능하고 네트워크로 연결하는 것에 초점을 맞추고 있다. 유럽 위원회의 „에너지 로드맵 2050“은 유럽 내 녹색 전력 비율을 2020년에 35%, 2050년까지는 최소 64%로 올린다는 계획이다. 이러한 비전에 화석 에너지와 그에 속한 인프라는 설 자리가 없어 보인다. „우리는 이제 석탄과 가스, 석유와 이별을 고해야 합니다.“ 스벤야 슐체 독일 환경장관이 브뤼셀에서 많은 에너지 및 기후 정책가들의 입장을 대변하며 강조하였다.

미래에도 일정한 전력을 유지하기 위해 건설되는 대형 화석 발전소를 필요로 하는 이는 누구인가? 출력, 회전 속도, 유량이 변하지 않을 때에 가장 경제적이고 효과적으로 작동하는 터빈을 필요로 하는 이는 누구인가? 달리 말하자면 유럽의 터빈 제조사들은 저배출 재생 에너지 생산에 대한 정책으로 자신들의 시장이 전력 시장에서 퇴출될까 봐 걱정하고 있다.

언뜻 보기에 그런 결과가 다가올지 몰라도, 재생 에너지의 붐이 유럽에서 터빈 시장의 끝을 의미하지는 않는다. 이 점에 대해서는 브뤼셀에 위치한 EU 터빈 제조업 협회 회장인 Dr. 미하엘 라드비히가 확신하고 있다. „화력 발전소는 에너지 공급을 일정하게 유지하고 보장하기 위해 계속 필요합니다.“ 이를 대변하는 몇 가지 근거가 있다. 첫째, 전문가들은 비용 효율적이고 효과적인 대규모 전기 저장 시설은 2030년 이후에야 제공될 것이라고 확신한다. 스마트 그리드, 발전기, 저장 장치, 전기 소비자가 통신 가능하게 네트워크로 연결되고 그와 함께 수요와 공급의 균형을 지능적으로 맞추는 것은 가까운 장래에는 감당할 수 있는 비용으로는 불가능하다는 말씀이다.

날씨에 좌우되는 제생 에너지 산업의 생명줄

„화력 발전소는 태양이 비추지 않고 바람이 불지 않을 때에 중요한 에너지 공급의 중추를 형성할 것입니다.“ (Dr. 알렉산더 비더만, MAN Energy Solution 가스 터빈 개발 시니어 매니저)

변동성 있는 태양열과 풍력 에너지원의 비율이 계속해서 증가하더라도 화력 발전소가 쓸모 없다고 폐쇄되지는 않을 것이다. „화력 발전소는 태양이 구름에 가려지고 바람이 불지 않는 경우에 에너지 공급의 중추를 담당하기 때문입니다.“ (Dr. 알렉산더 비더만, MAN Energy Solution 가스 터빈 개발 시니어 매니저) 이를 위한 전제 조건은 유연한 터빈, 즉 부하 변화에 대처할 수 있고 신속하게 상향과 하향 조절이 가능하며, 온도 변화 및 유량 변화가 물질에 영향을 끼치지 않는 그러한 터보기계이다. „새로운 발전소와 기존 발전소는 전부하로만 작동하는 종래의 시스템과 동일한 가용성과 수명을 갖도록 유연하게 가동할 수 있어야 합니다.“(알렉산더 비더만)

이는 간단한 문제가 아니다. 터보 기계는 매우 복잡하고 개별적인 적용 사례마다 꼭 맞게 재단해야 한다. 따라서 터빈을 플렉스 모드로 전환할 수 있는 효과적인 수단은 없다. 제 각각인 구성 요소들을 다양하게 변경해야 종합적으로 변동성 있는 에너지 공급에 적합한 기계가 탄생한다. 수단의 범위가 광범위할수록 유연성이 향상된다.

현재 플렉스터빈(Flexturbine)과 터보 플렉스(Turboreflex)라고 이름하는 EU의 연구 프로젝트 2개가 진행되고 있다. 이 두 프로젝트에서 제조사, 대학, 연구 기관들은 2020년까지 얼마나 어떤 방식으로 가스 터빈과 증기 터빈을 가볍고 변동성이 있는 바람과 태양에 맞서 전류 공급을 신속하고 일정하게 대응할 수 있는지 최적화하는 연구를 진행하고 있다. 또한 건강에 유해한 배기가스와 일산화탄소 배출을 줄이고, 가동에 필요한 비용을 효율적으로 유지하는 방법도 이 연구에 포함된다. 전체적으로 플렉스 터빈과 터보 플렉스에 유럽 10개 국가에서 34개 파트너가 참여하고 있으며, 그 가운데 터빈 제조사인 GE, Siemens, Ansaldo, MAN, Skoda와 한국의 두산이 포함되어 있다. 전체 예산은 1,880만 유로인데, 그 가운데 1,370만 유로는 후원금이다.

기술적 개선과 새로운 재료에 초점을 맞추다

터빈은 복잡하다. 완전히 제각각인 구성 요소들을 다양하게 변경해야 종합적으로 변동성 있는 에너지 공급에 적합한 기계가 탄생한다.

개발자와 연구원들은 3가지 사항, 즉 씰과 베어링 최적화와 떨림 저항성이 있는 블레이드 그리고 플렉스 모드에서 우수한 장기 피로 거동을 중심에 두고 있다. 전부하와 부분부하 사이의 잦은 변경은 증기 터빈에 큰 부담이 된다. 기계는 회전 속도가 변하면 부하와 함께 베어링의 샤프트가 진동하고 심한 스트레스를 받는 치명적인 상황을 반복적으로 겪는다. 이를 완화하기 위해 몇 가지 접근법이 있다. 변위 가능한 베어링의 변형된 기하 구조는 진동을 약화시킨다. 또한 고성능 폴리머나 폴리머 코팅과 같은 재료도 부품의 긴장을 줄인다. 여기에 댐핑 특성을 지닌 개량된 베어링 오일도 손상 방지에 도움이 된다.

교번 작동도 터빈 씰에 문제가 된다. 온도가 변하면, 스테이터와 로터가 각각 다르게 팽창하여 마모를 초래한다. 이에 대한 대안으로 각각의 가동 상태에서 최소한의 갭이 형성하도록 기하 구조가 설계된 자체 적응형 시스템이 있다. 이 외에 접촉 시 변경 회고 마찰력을 흡수하는 취성 금속 소재의 씰이 개발되었다. 열 팽창이 적은 위치에 목적에 따라 씰을 배치하는 옵션도 있다.

터빈도 빅 데이터 덕분에 효율성이 더욱 높아지고 있다

유연한 터빈에 대한 성장 시장은 고도로 효율적인 복합 사이클 발전소이다.

고속으로 회전하는 터빈 블레이드는 터빈 기계의 효율성과 수명에 결정적 요소이다. 터빈 블레이드는 하중 변화를 용납하지 않는다. 플렉스 모드에서는 질량 유량과 공기 역학적 부하가 변한다. 결과적으로 피크에서 떨기 시작하고, 임펠러가 리듬을 잃는 최악의 경우 블레이드가 파손될 수 있다. 블레이드가 길수록, 터빈이 크고 진동에 취약하다.

여기서 개발자는 블레이드의 강성을 증가시키고 플렉스 모드에서 안정성을 높이는 디자인을 사용한다. „시뮬레이션과 테스트 벤치에서 시험 결과는 전망이 좋습니다. 물론 모든 터빈에 맞는 기하 구조는 없습니다.“(알렉산더 비더만) 블레이드는 터빈 유형과 크기, 사용 범위에 따라 항상 새로이 최적화해야 한다.

세 번째 핵심적인 문제는 터빈 기계의 장기 피로 거동이다. 플렉스 모드에서도 재료와 부품에 부담을 주는 다양한 응력이 계속 통제되어야 한다. 그래야 터빈이 긴 수명을 유지하고 책정된 가동 비용으로 작동될 수 있다. 따라서 설계자와 재료 과학자들은 재료를 개선하거나 온도 구배를 적게 유지하여 잦은 부하 변동으로 응력 피크를 방지할 수 있는 방법을 찾고 있다.

기술적 최적화로만 터빈을 유연한 가동으로 적합하게 만드는 것은 아니다. 디지털 세계에서 대형 기계의 구조적 변경은 빅 데이터와 함께 진행된다. „빅 데이터를 통해 터빈과 발전소를 최대 20%까지 효율적으로 작동할 수 있습니다.“(MAN Energy Solution, 알렉산더 비더만) 에너지변환 시스템의 모든 구성 요소를 디지털로 네트워킹하면 최적의 조율과 친환경적인 유연한 가동이 가능하다. 따라서 연구원들은 EU 프로젝트 범위에서 가장 적절하게 댐핑되는 베어링, 블레이드 곡률, 재료 피로뿐만 아니라 디지털 도구와 시스템도 다루고 있다. 최신 온라인 모니터링으로 터빈에서 부품 레벨까지 작동 상태를 실시간으로 분석하고 기록하여, 오차를 즉시 감지하고 조기에 대처할 수 있다. 이는 구성 요소와 재료의 과부하를 방지하고, 정비와 수리 비용을 낮추고 가동 시간과 수명을 연장한다.

터빈의 역할은 변하겠지만, 여전히 핵심적인 구성 요소로 남을 것이다

„우리는 이제 화석의 이미지에서 멀어져야 합니다“, Dr. 미하엘 라드비히, EU 터빈 제조업 협회 회장 및 Scientific Collaboration 디렉터

EU 프로젝트의 목적은 수준이 높다. 전체적으로 향상된 부분부하 능력을 바탕으로 유연하고 디지털화된 터빈이 연간 시동 횟수를 1/3로 낮추는 것이다. 터빈 기계를 상향 및 하향 조절할 수 있는 속도는 배가시키고자 한다. 동시에 운영 비용은 최대 30%까지 낮출 수 있다. 무엇보다 터빈 기계가 연료를 절감하는 부분부하 모드로 긴 구간을 작동하고 정비 비용이 훨씬 줄어든다. 참여 업체들은 2030년까지 EU에 설치되어 있는 화석 발전소 용량의 약 10%를 유연하게 사용할 수 있다고 전제한다.

이에 대한 전제 조건으로 „우리는 화석에너지의 이미지에서 멀어져야 합니다“라고 EU 터빈의 라드비히는 강조한다. 터빈도 녹색 에너지의 측면을 갖고 있다. 터빈은 지금도 복합 사이클 발전소와 열병합 발전소에서 높은 수준의 효율을 가능하게 한다. 탈탄소화된 에너지 세계에서 터빈은 다른 역할을 맡게 되겠지만, 여전히 핵심적인 구성 요소라고 제조업 협회는 설명했다. 앞으로 가스 터빈은 바이오메탄과 수소와 같은 재생 에너지 분야에서 계속 사용될 것이다. 증기 터빈은 석탄뿐만 아니라 바이오매스로도 전기를 생산한다. 태양열 발전소에서는 증기 터빈이 태양 에너지를 전기로 변환한다. 증기 터빈은 열 저장소로부터 에너지 재공급을 유지하기 위해서 미래에도 계속 사용하게 될 것이다. 터빈 제조업 협회는 대규모 저장소와 화력 발전소의 상호작용을 연구하기 위해 또 다른 연구 프로젝트를 신청하였다. 소형 유닛은 산업 분야의 잔열을 이용하기에 적합하지 않아 이 분야는 지금까지 무시되어 왔었다.

그럼에도 불구하고 지속 가능하고 기후 친화적인 에너지 공급에 관한 공개적이고 정치적인 논쟁에 터빈과 화력 발전소는 거의 등장하지 않는다. 증기 터빈은 석탄 발전과 연결되어 있다고 간주되기 때문이다. 가스 터빈은 질량이 현저히 낮기 때문에 유연하게 제어할 수 있으나, 부분 가동에서는 종종 비경제적이다. 따라서 가스 화력 발전소는 태양과 바람이 자리를 차지할 때까지 필요 악이며 이행 기술로 간주될 것이다.

따라서 업계는 자신들의 시장을 지키기 위해, 미래 지향적인 재생 에너지원에 맞추어 제품을 전환하고, 재생 발전, 대규모 저장, 분산형 에너지 재전환 사업에 편입할 수 있도록 발전시켜야 한다. 이는 이 시대의 명령이며 입지를 지키기 위한 방법이다. 경쟁은 잠들지 않는다. EU 밖의 터빈 제조업체들도 유연성과 재생 연료를 새로운 기계 개발 시 핵심 주제로 삼고 있다. 또한 아시아 기업들의 경쟁 압박은 최근 몇 년간 엄청나게 증가하였다.