신규 사업 소개

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탄소중립 고효율 가스터빈 연소기술 에너지혁신연구센터

 

 

 우리 학과 김규태 교수와 신동혁 교수 공동 연구팀은 산업통상자원부(전담기관: 한국에너지기술평가원)의 ‘에너지혁신연구센터(가스터빈 분야)’ 구축사업의 주관기관으로 선정되었다. 본 에너지혁신연구센터(이하 센터)는 ‘탄소중립 고효율 가스터빈 연소기술’이란 주제로, 2027년까지 6년간 국비 60억원을 포함해 총 76여억원을 투입하여 가스터빈 연소 분야 글로벌 최정상급 인재양성을 목적으로 사업을 수행할 예정이다. 카이스트가 주관기관을 맡고 두산에너빌리티㈜, 한국항공대학교, 한국동서발전㈜, ㈜디엔디이가 공동으로 참여하며, 총 40여명의 석/박사과정 수혜학생과 산학 전문연구진들이 투입된다.

 

 

<그림 1. 수소 전소/혼소 반경 스테이징 계측>

 

 

가스터빈은 발전, 항공기 엔진 등에 폭넓게 활용되며, 세계적으로 가스터빈 기술을 보유한 국가가 희소한 고부가가치 산업이다. 이와 더불어 가스터빈 발전은 신재생에너지 발전의 간헐성 문제를 해소할 수 있고, 대표적 무탄소 연료인 수소/암모니아로의 연료전환 시 온실가스 배출량을 획기적으로 감축할 수 있는 전력원으로 주목받고 있다. 우리나라도 “2050 탄소중립” 추진전략에 따라 안정적인 전력공급을 위해 무탄소 연료를 활용한 발전원 병행 계획을 명시하였고, 현재 사용되고 있는 대부분의 천연가스 가스터빈을 수소/암모니아로의 연료전환 기술개발이 시급한 실정이다.

 

 

<그림 2. 고정밀 가스터빈 연소해석>

 

 

 연료전환이 시급함에도 불구하고, 천연가스와 비교하여 연소특성이 매우 상이한 수소/암모니아 연료를 기존 천연가스 기반 가스터빈에 곧바로 적용하는 것은 여러 심각한 운전성 문제들을 초래할 수 있다. 수소 연소의 경우, 천연가스 대비 최소 10배 이상 빠른 화염전파속도와 수십 배 짧은 점화지연시간으로 인하여 역화 및 자연발화에 더욱 취약해지며, 높은 반응성에 기인한 화염길이 감소는 고주파 연소진동을 야기할 수 있다. 반면 암모니아는 수소와 상반된 연소특성을 보이며, 특히 연료 분자에 결합된 질소 원자로 인하여 연소 시 상당한 양의 질소산화물이 생성된다. 위와 같은 이유로, 차세대 무탄소 가스터빈 개발의 핵심은 연소기 개발에 집중되어 있으며, 해외 가스터빈 제조사에서도 가장 난이도 높은 기술개발로 인식되고 있다.

 

 

<그림 3. 암모니아 가스터빈 다단 연소기 CFD-ERN>

 

 

 본 센터는 무탄소/저탄소 연료전환 기술개발 시 발생할 수 있는 문제들을 조속히 해결하고, 수소/암모니아 전소/혼소 다단연소기술, 고정밀 LES/DNS/RANS 수치해석, 상세화학반응 모델링, 인공지능/기계학습 데이터 기반 모델링 등의 선행 연구를 수행할 예정이다. 더불어, 해외 기관과의 교류 프로그램 및 산∙학∙연 역량강화 프로그램도 운영할 계획이다. 센터장 김규태 교수는 “전 세계적으로 지구온난화로 인한 기후변화가 큰 문제로 대두되고 있지만, 아직도 많은 전력원이 화석에너지에 의존하고 있다. 가스터빈은 신재생에너지의 단점을 보완해 줄 수 있는 전력원이며, 무탄소 연료로의 전환을 통해 온기가스 배출을 현격히 줄일 수 있다. 또한, 본 센터에서 배출된 인력들이 국내 가스터빈 기술을 세계적 수준으로 끌어올릴 수 있을 것이라 기대된다”고 설명하였다.

 

 

 

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원문           김규태[kt_kim@kaist.ac.kr]      

편집           이상길[sanggil.lee@kaist.ac.kr]