연구개발

연구분야 미래기술 연구개발

초전도 케이블 및 한류기 기술개발 및 실증

세계 최초 송전급 80kV 직류 초전도케이블 실증 완료

새로운 송전선로 확보와 대도시 지하 공간 활용 어려움 등 현실적인 제약 속에서 전력수요 증가에 효과적으로 대응하기 위해, 기존 케이블 대비 5배 이상의 송전이 가능한 80kV 500 MW급 직류 초전도케이블 시스템을 2014년 10월 제주 한림-금악 변환소 구간에 500m 설치하여 2개월간의 실계통 실증을 성공적으로 완료하였다. 본 실증은 세계 최대 용량으로서 한전의 기술력을 보여 주었을 뿐만아니라 2016년 예정인 154kV 초전도 케이블 실증의 기반이 되었다. 현재 154kV 초전도케이블 개발 및 실증을 위한 연구를 진행 중이다.

154kV 단상 초전도 한류기의 개발 및 운전

고장전류 문제 해결과 송전계통 안정도 향상을 위해 154kV 초전도 한류기 개발을 진행하여 세계 최초로 단상 154 kV 저항형 초전도 한류기를 고창에 설치하고, 3개월 이상의 냉각운전을 실시하였다. 주요 성과물로 154kV, 2000A 정격으로 50kA의 고장전류를 40% 제한하도록 설계, 제작하여 750kV의 정·부극 10회 뇌충격 시험을 통과하였다. 향후 초전도 소자를 담고 있는 냉각조의 부피를 20% 이상 축소 제작함으로써 현장 적응성을 개선하고 6개월 이상의 154kV 가압 운전을 실시할 예정이다.

제주 금악C/S 초전도센터

DC 80kV 초전도 케이블 시스템 준공식
154kV 단상 초전도 한류기 설치 전경

이산화탄소(CO2) 포집 기술 개발 및 실증

세계 최고 수준의 건식 CO2 포집 기술 실증

고체 흡수제와 유동층 공정을 이용하는 건식 CO2 포집기술은 2014년 4월 세계 최초, 최대 규모인 10MW 연소후 건식 CO2 포집 플랜트를 한국남부발전 하동화력 8호기에 준공하였다. 본 플랜트는 2012년 8월 착공하여 2013년 9월 완공 후 다양한 조건의 운전 변수 시험을 거쳐 2014년 9월 1,000시간 연속운전을 통한 Track record를 확보하였다. 또한 플랜트 운전을 통해 건식 CO2 포집기술의 경제성 평가 및 300MW급 건식 CO2 포집플랜트 기본설계서(FEED)를 완성하였다. 기술적 성과로 공정의 CO2 포집율 80±5%, CO2 순도 90% 이상, 재생에너지 5.0GJ/ton-CO2 등 기술개발 목표를 달성하였다. 현재 건식 CO2 포집기술 상용 Package 개발을 위한 2단계 연구를 수행중이다.

습식 CO2 포집 상용화를 위한 Track Record 확보

10MW 연소후 습식 CO2 포집 기술은 파일럿 설비의 1,000시간 무고장 연속운전에 성공하였다. 국내 최대 규모로 보령화력 8호기에 2013년 5월 완공된 습식 CO2 포집 파일럿 설비는 하루 200톤, 연간 약 7만톤 이상의 이산화탄소를 포집할 수 있는 설비이다. 독자개발 고효율 저에너지 소비 신흡수제(KoSol: Korea Solvent)를 적용한 본 설비는 장기연속운전에서 CO2 포집효율 90% 이상, 순도 99% 이상, 에너지 소비량 2.8GJ/ton-CO2 이하의 좋은 성과를 보였다. 본 결과를 바탕으로 압축/액화공정과 연계한 습식 CO2 포집기술의 상용패키지 개발연구를 수행중이다.

10MW 건식 CO2 포집플랜트 - 하동화력

10MW 습식 CO2 포집플랜트 - 보령화력
독자개발 습/건식 흡수제

이산화탄소를 활용한 부가가치 증대 기술개발

염수 전기분해와 연계한 CO2 고부가화 기술 개발

본 기술은 염수전기분해와 CO2의 탄산화반응을 통해 중탄산나트륨, 수소, 염소, 고순도 염화수소 등의 고부가화합물을 생산하는 기술로서, 전력연구원에서는 2kgCO2/day 규모의 고효율 탄산화 반응기의 개발을 통해 CO2 포집율 90%이상, 생산된 중탄산나트륨 순도 97%의 성능을 얻었다. 또한 저에너지 소비형 염수전기분해기술(C-A process)을 개발함으로써 기존 기술 대비 20% 이상의 에너지를 저감할 수 있는 기술을 확보하였다.

생체모방 효소를 활용한 CO2 광물화 기술 개발

CO2 광물화기술은 화력발전소에서 배출되는 CO2를 가장 많이 활용하는 기술 중의 하나로서, 별도의 CO2 포집과 저장이 불필요한 미래형 혁신기술이다. 본 기술은 소 혈청에서 추출한 생체 모방효소를 이용, CO2로부터 석회석을 생산하는 기술로서 현존 기술중 에너지소비량 (350kWh/t-CO2)이 가장 적은 강점을 가지고 있다. 전력연구원은 생체모방효소 반응, 0.1MW 파일럿플랜트 개념설계 등 원천기술을 개발을 완료하고, 관련 지식재산권을 확보하였다. 추가 격상 연구를 통한 실증연구가 완료되면, CCUS 분야의 세계 선도적 경쟁력 확보가 기대된다.

CO2 전환 합성가스 제조를 위한 고온전해조 기술 개발

CO2를 전환, 재활용하는 연료화기술 연구를 미래부 KCRC1)사업단 과제로 추진중인데, 1단계로 고효율 고온 직접전환기술의 핵심기술인 일체형 고온전해조 개발을 수행중이다. 고온전해기술은 고체산화물 전해셀(Solid Oxide Electrolysis Cell)을 이용하여 고온에서 스팀과 동시에 전기분해 하여 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 주성분인 합성가스(연료화)로 전환하는 기술이다. 특히 본 연구 에서는 고집적도의 평판형 전해셀을 개발하기 위해 세라믹-메탈 접합기술을 전해셀 제조 공정에 적용함으로써 금속지지체식 일체형 전해셀 개발에 성공하였으며 이로부터 우수한 고온 공전해 특성과 약 83%이상의 전해(전류)효율를 얻었으며, 약 1,012시간의 장기 연속 성능시험에 성공 하였다.

생산된 중탄산나트륨(순도 97%)
염수전기분해와 연계한 CO2 고부가화기술
생체모방효소를 활용한 CO2 광물화 기술

‘가스터빈 운전 중 연소코팅 기술’ 국내 실증시험 및 해외 마케팅

미래기술연구소는 한국중부발전(주)와 한국남동발전(주)의「1100/1300℃급 가스터빈 고온부품 in situ 코팅을 통한 성능개선 기술개발」협약과제를 통해서, 분당복합발전처의 80MW급 가스터 빈인 Alstom GT11N과 보령화력본부의 150MW급 GT24를 대상으로, 2011년 3월부터 2014년 12월까지 가스터빈 운전 중 연소코팅 실증시험을 성공적으로 완료하였다. 코팅 실증시험의 효과 검증을 위해서, 분당복합발전처에서 제공한 코팅 전후의 고온부품과 가스터빈 운전데이터를 바탕 으로 고온부품의 잔여수명을 진단하고 가스터빈 효율을 평가하였다. 그 결과, 고온부품의 열차폐 및 내산화 특성 향상으로, 고온부품의 잔여수명은 >50% 이상 향상되었고 가스터빈 단기효율은 평균 +0.34%p 향상되었으며, 최대 +0.64%p까지 증가하였다. 가스터빈의 효율이 +0.34%p 증가 하면, 발전소의 연료비는 약 1% 절감되는 경제적 효과가 있다.
동시에 우리 R&D 기술의 국내외 사업화를 위한 기술 마케팅을 추진하였다. 약 2천여대의 상업용 가스터빈을 보유한 중동지역에서‘가스터빈 고온부품의 내구성 향상’에 대한 요구가 증대됨에 따라, 이란 전력청(Tavanir)과 터빈 제작사(Oil Turbo Compressor Co.) 그리고 사우디 전력청 관계자를 대상으로‘가스터빈 운전 중 연소코팅 기술’현지 사업화 실무협상을 추진하고 있다. 또한 국내 포스코에 확대적용을 위해서 기술협상을 병행 추진하였다. 포스코에서 운영 중인 수익공유제도(Benefit Share Program)를 이용한 조기 기술사업화를 목표로 하고 있으며 2015년에 포스코 내의 가스터빈에 안정적으로 기술이 적용되면, 차년도부터 정비비 절감과 효율 증가로 인해 연간 약 10억원의 수익 창출이 가능할 것으로 판단된다.

운전 중 코팅기술 및 코팅제 독자개발

복당복합 현장 실증시험
가스터빈 실증시험 및 평가
가스터빈 효율 및 내구성 향상 입증
사우디 전력청 사업화 마케팅
이란 전력청 기술 마케팅

해상구조물 최적 부식관리 기술 개발 및 적용

본 기술은 해상구조물에 첨단 센서기술을 적용, 부식 억제 및 최적 관리로 수명을 현재 대비 10배 이상 연장하는 기술이다. 전력연구원은 서남해 해상풍력구조물의 안전성 확보 및 유지관리 비용 절감을 위한 최적 부식관리기술을 독자개발하였으며, 센서, 진단, 모니터링시스템 등 핵심기술을 개발하였다. 최적부식관리의 핵심기술인 모니터링 센서는 벨기에, 덴마크 등 국외 상용제품 대비 약 8% 능가하는 98%의 정확도를 보이고 있다. 또한 센서가 포함된 해상구조물의 전반적인 수명을 확인할 수 있는 부식 진단시스템을 개발하였다. 이와 같은 센서, 진단기술이 포함된 종합 모니터링 시스템을 통하여 구조물 도장의 열화상태, 구조물 자체의 부식상태 등을 원격 실시간 으로 확인할 수 있게 되며, 이상 발생시 즉시 조치가 수행된다. 본 기술은 지식재산권을 출원하여 권리를 확보하였고, 향후 서남해 해상 현장에서 실증시험을 거쳐 최종 현장에 활용되면 1,000 MW 풍력발전설비 기준으로 연간 100억원 이상의 운영비용이 절감될 것으로 기대된다. 아울러 해상변전소뿐만 아니라 육상변전소의 건전성 제고를 위한 품질관리에 확대 적용됨으로써, 국내 육해상 구조물의 수명연장 분야에 국가적 기여가 예상된다.

KEPCO 해상풍력 부식 모니터링 시스템 설계안

부식모니터링 센서 설계
부식모니터링 센서 시작품
부식모니터링 센서 현장 시험
해모수 1호기 현장조사

폐자원 에너지 생산 및 혼합 연소 기술개발

개미산의 수소화 및 연료전지 촉매 개발

CO2를 재활용하여 생산된 대량의 개미산을 고밀도 에너지 저장매체로서 활용하기 위한 개미산 이용 연료전지 기술을 개발하기 위한 연구과제를 2014년 9월에 착수하였다. 개미산 연료전지의 core/shell 촉매 및 개미산 수소화-연료전지 연계 촉매에 필요한 탄소지지체 기반의 Pt(shell)@Au(core) 촉매 제조와 실리카 기반 다공성 지지체를 사용한 팔라듐 기반 수소화 촉매 제조에 대한 핵심 기술을 확보하였다. 현재 개미산 연료전지 막-전극 접합체(MEA, Membrane-Electrode Assembly) 제조 및 수소화 반응기 제작 등 상용화에 필요한 핵심 기술을 개발하기 위한 연구를 진행 중이다.

국내 최초 5MW급 가스터빈용 바이오가스 전처리시스템 개발

유기성폐기물의 혐기성소화과정에서 발생되는 바이오가스는 석탄 대비 온실가스 배출량이 10% 수준에 지나지 않는 탄소 중립적인 에너지원이지만, 설비 손상 등의 원인이 되는 황화수소/실록산 등 유해성분을 포함하는 단점이 있다. 2014년 7월에 수도권매립지 음폐수 처리시설에서 발생되는 바이오가스를 전력으로 변환하기 위한 5MW급 가스터빈용 바이오가스 전처리시스템의 개발 및 현장 실증을 성공적으로 완료하였으며 실록산화합물의 분석기술과 흡착특성 데이터를 확보하였다. 2015년 3월에는 재생형 실록산 제거기술 개발에 착수하여, 바이오가스 활용기술 고도화 및 사업화를 위한 노력을 지속적으로 기울이고 있다.

천연가스-디젤 혼소발전시스템 개발 및 실증

도서 지역에서 운영 중인 디젤 발전시스템의 경우, 발전단가가 높고 이산화탄소를 비롯한 오염 물질의 배출이 높은 단점을 가지고 있는데 천연가스 혼합연소를 통하여 연료비 절감 및 친환경 연소에 의한 오염물질을 저감하기 위한 기술개발을 수행 중에 있다. 현장 기술 조사 및 디젤 발전 시뮬레이션 시스템 구축을 완료하였으며, 2014년 11월에는 인도네시아 해외사업 진출을 위한 천연가스 혼소발전 시범사업에 대한 MOU를 체결하였다. 향후 혼소발전 시뮬레이터 구축 및 300kW급 디젤 발전기를 Retrofit하여 혼소 발전시스템 제작/시험 등의 기술 개발을 통해 백령도 1.5MW급 디젤 발전기를 대상으로 천연가스-디젤 혼합연소 발전시스템의 성공적으로 실증을 수행할 계획이다.

core/shell 신개념 개미산 산화 촉매의 제조 / 개미산 수소화 촉매 및 연료전지 파워팩

5MW급 가스터빈용 바이오가스 전처리 시스템
실록산 특성 분석 시험 설비 개요
천연가스 혼소발전 실증부지(백령도)
디젤발전 시뮬레이터개발‘( 14.6)

자연에너지 이용 기술개발

200kW급 유압식 풍력시스템 기술개발

유압식풍력기술은 기존 풍력발전기술의 동력전달장치로 사용된 기어박스를 유압식 동력전달 장치로 대체·적용한 기술로 발전기 및 주요부품을 지상으로 설치함으로써 유지보수 편의성 등을 높인 기술이다. 2014년 10월에 설치 장소별 다양한 평균 풍속에 적합한 모델을 선택하여 발전량을 제고할 수 있도록 200kW급 동력전달시스템 5개 모델 기본 설계를 완료하였다. 이를 달성하기 위해 핵심기기(펌프 및 모터) 용량 배분, 에너지 손실 최소화를 모터-발전기 용량 분리 배치하였 으며 발전기 공유시켜 설비원가 저감 및 효율을 제고하도록 설계하였다. 또한 200kW급 동력전달 시스템의 상세설계를 작성하였는데 상세설계 주요 방향은 시스템 안전성과 신뢰성을 극대화하는 것이다. 현재 200kW급 유압식동력전달장치 제작하여 시험하고 있으며 이와 동시에 시뮬레이션을 수행하고 있다. 이 연구결과를 토대로 향후 MW급 유압식풍력 시스템 개발을 수행할 예정이다.

10kW급 플랜트 배열이용 해양복합 온도차 발전시스템 준공 및 실증

기존 해수온도차 발전기술은 표층수와 심층수의 온도차를 이용하여 발전하는 기술이나, 중위도 지방에서는 적도지방보다 온도차 조건이 불리하여 이를 보완하는 새로운 형태의 해양복합 온도차 발전기술을 제안하였다. 본 기술은 발전소 복수기 배열과 해수의 온도차를 이용하여 발전하는 기술로, 2014년 3월에 10kW급 플랜트 배열 이용 해양복합 온도차 발전시스템을 영동화력 1호기 (한국남동발전)에 세계최초로 준공하고 실증을 수행하였다. 실증을 통하여 21.7℃온도차(복수기 온도 29.9℃, 해수온도 8.2℃)로 출력 9.6kW, 시스템 효율 3.6%를 달성하였다. 향후 시스템 최적화에 따른 효율 향상을 통해 10 kW의 출력을 달성할 예정이다.

200kW급 유압식 풍력 기본설계

200kW급 동력시스템 상세설계 개발
10kW급 해양복합온도차 설비
10kW급 해양복합온도차 설비