압축기 없는 수소 터빈, NASA 기록을 경신

에너지 생산에 관해서, 우리는 오늘 지상에 혹은 궤도에 설치된 태양광 패널이 햇빛을 전기로 변환하고, 저녁에 에너지를 저장할 배터리 파크를 최종적으로 갖추는 미래 비전을 가지고 있습니다.

하지만 실제로 전기는 여전히 대형 회전 터빈에 의해 대부분 생산되며, 이는 화석 연료(가스, 석탄)를 연소하거나 핵반응의 열로 생성된 증기, 혹은 수력 발전소의 물 흐름에 의해 구동됩니다. 언젠가 구식이 될 수도 있지만, 이러한 설비는 여전히 우리 에너지 시스템의 핵심입니다.

그 이유는 이러한 터빈이 잘 알려진 기술일 뿐만 아니라 전력망 주파수를 안정화시키는 장점을 가지고 있기 때문입니다. 회전하는 터빈은 자연스럽게 장거리 전송에 사용되는 교류를 생성하고, 터빈 자체의 거대한 질량이 전력망 주파수에 관성을 제공합니다. 반면 태양광 패널은 직류 전력만 생산하므로 전력망을 안정화시킬 능력이 없습니다.

이는 구형 대형 회전 발전기가 태양광 패널로 대체되면서 전력망 주파수의 안정성이 감소하고 있다는 구형 대형 회전 발전기가 태양광 패널로 대체되면서 전력망 주파수의 안정성이 감소하고 있음을 보여주는 점점 중요한 주제이며, 이는 2025년 이베리아 (스페인 + 포르투갈) 전력망 대규모 붕괴의 핵심 문제였습니다.

하지만 핵은 여전히 논란이 많고 배치가 느리며, 많은 국가에서 수력 발전소 부지는 거의 고갈되었습니다. 따라서 언제든지 신뢰할 수 있고 가동 가능한 터빈이 전력망을 돕기를 원한다면, 우리는 수십 년 동안 천연 가스를 계속 사용해야 할 것처럼 보였습니다.

하지만 이는 곧 바뀔 수 있습니다. 독일 카를스루에 공과대학(KIT) 연구진이 수소를 연료로 하는 새로운 압축기 없는 터빈으로 기록적인 운전 시간을 달성했기 때문입니다. 녹색 수소는 재생 에너지로 생산될 수 있으므로, 햇빛이 비치지 않거나 바람이 충분히 불지 않을 때에도 전력망을 녹색 수소로 공급하는 길이 열릴 것입니다.

그들은 2026년 하노버 메세에서 연구 결과를 발표했습니다.

수소 활용 방법

수소를 에너지 시스템의 핵심으로 만들기 위해서는, 연구자들이 해결해야 할 두 가지 유형의 문제가 있습니다.

첫 번째는 화석 연료 및 기타 재생 에너지와 배터리 대안과 경쟁할 수 있을 만큼 저렴한 녹색 수소를 생산하는 것입니다. 이 분야는 빠르게 진전하고 있으며, 다양한 옵션 중에는 탄화규소, 코발트, 니켈, 혹은 루테늄, 실리콘 및 텅스텐 합금, 혹은 녹색 수소와 식수 동시 생산과 같은 저렴한 촉매를 사용할 수 있습니다.

다음 문제는 생산된 수소를 다시 에너지로 전환하는 방법입니다. 한 가지 방법은 연료 전지로, 수소를 전기화학 반응을 통해 직접 전기로 변환합니다. Plug Power가 생산한 것과 같이 (PLUG ). 이는 유망한 아이디어이지만, 종종 비싼 촉매와 복잡한 셀 설계가 필요합니다.

또 다른 옵션이자 어느 정도 간단한 방법은 수소를 천연 가스처럼 연소시키는 것입니다. 이는 가스 동력 엔진과 매우 유사한 내연 기관 차량에 적용할 수 있으며, 자세한 내용은 우리의 기사 “5개의 수소 연소 엔진, 기존 방식을 깨다“에서 확인할 수 있습니다.

이제 더 큰 연소와 대규모 전력 생산을 위해, 수소 터빈도 더욱 성숙한 기술로 자리 잡으며 수소 활용의 세 번째 옵션이 되고 있습니다.

다음 세대 터빈

전통 터빈의 비효율성

이 연구에서 사용된 기술은 수소 터빈에 특히 유용할 수 있지만, 특정 연료에만 국한되지 않습니다.

핵심 개념은 전통적인 가스 터빈이 작동을 위해 약 절반의 출력을 공기 압축에 사용한다는 것입니다. 이는 열 효율이 35%에서 40%에 불과하며, 배기 열을 이용해 2차 증기 터빈을 구동하면 55%–64%에 이릅니다.

“전통적인 가스 터빈은, 발전소나 항공기 날개 아래에서 사용되는 것처럼, 효율적인 연소에 필요한 고압 공기를 압축하기 위해 약 50%의 전력을 소비합니다—이 전력은 전기 생산에 사용할 수 없습니다,”
Professor Daniel Banuti, Director of the Institute of Thermal Energy Technology and Safety (ITES).

압축이 필요한 이유는 연료 점화를 위해 필요한 고압을 생성하기 위해서입니다.

압축을 대체하는 폭발(디톤레이션)

이 설계에서 연구진은 연소실 내부에 디톤레이션 파동을 도입하여 압축을 대체했습니다.

이 파동은 유체 역학적 불안정성에서 발생하여 가스 흐름에 파동과 와류 패턴을 형성합니다. 이를 통해 에너지를 많이 소모하는 기계식 압축기의 필요성을 완전히 없애며, 에너지를 절감하고 움직이는 부품 수를 줄이며 효율성을 높입니다.

또 다른 장점은 이 방법이 움직이는 부품 수를 감소시켜 설계와 유지보수가 보다 간단해진다는 점입니다.

이 설계는 수소 이외의 연료에도 적용될 수 있지만, 수소는 디톤레이션 터빈에 특히 적합합니다: 매우 빠르게 반응하고 안정적인 압력 상승을 생성할 수 있기 때문입니다.

디톤레이션 터빈의 복잡성

디톤레이션 터빈의 어려움은 이름 그대로: 일반 연소 과정이 아니라 터빈에 주입된 가스가 실제로 폭발하기 때문입니다. 따라서 터빈을 손상 없이 지속적으로 가동하는 것이 어려울 수 있습니다.

이 실험에서 연구진은 손상 없이 303초라는 기록적인 시간 동안 가동을 유지했습니다. 짧게 들릴 수 있지만, 5분 전체 가동은 이전에 몇 분의 1초만 지속된 테스트보다 훨씬 깁니다. 또한 수소를 사용하지 않은 NASA의 이전 기록인 250초보다도 깁니다.

또 다른 과제는 연소/디톤레이션을 전기로 변환하는 것입니다. 챔버 내부의 빠르고 강력한 반응으로 인해 에너지를 터빈에 안정적으로 전달하기가 어렵습니다. 안정적인 전달이 없으면 전력 생산에 필요한 안정적인 회전을 얻을 수 없습니다.

“이것은 챔버 내 매우 빠르고 강렬한 연소 과정 때문에 터빈에 안정적인 에너지 전달이 어려워 매우 어렵습니다. 우리는 이러한 터빈을 성공적으로 가동하고 전기를 생산한 최초의 팀입니다.”
Professor Daniel Banuti, Director of the Institute of Thermal Energy Technology and Safety (ITES).

잠재적 적용 분야

이 프로토타입의 핵심은 한 번에 세 가지 실험적 개념을 입증했다는 점입니다:

• 디톤레이션 터빈을 몇 분 동안 성공적으로 가동.
• 수소를 연료로 사용하여, 수소의 독특한 화학적 특성이 이 설계에 특히 적합함을 입증.
• 디톤레이션을 전기 생산과 결합하여 프로토타입의 실용성을 입증.

수소를 활용함으로써 이 디톤레이션 터빈 설계는 기존의 성숙하고 경제적으로 검증된 가스 터빈과 비교되는 것이 아니라 독자적인 분야에 속하게 됩니다. 이는 디톤레이션 터빈의 잠재적 약점, 즉 고압 및 연료의 극한 반응성 필요성을 강점으로 전환시킵니다.

동시에, 이 기술은 화석 연료가 단계적으로 사라지더라도 구식이 되지 않을 미래 지향적인 개념으로 자리 잡습니다.

장기적으로는 전력 생산을 넘어선 적용 가능성이 있습니다. 특히 항공 분야에서는 이미 화석 연료 기반 디톤레이션 터빈이 테스트되고 있으며,특히 램-로터 디톤레이션 엔진(RRDE)은 터보젯 및 램젯 엔진에 이어 항공 추진의 3세대가 될 수 있습니다.

전력 터빈 투자

GE Vernova

전력 생산에 사용되는 터빈에 관해서는, 이 기술이 처음 도입된 시점부터 현재까지 글로벌 리더인 기업이 있습니다: General Electric.

거대한 산업 대기업이 세 개의 별도 회사로 분할된 후, 터빈 및 전력 생산 기술을 이어받은 부문은 현재 GE Vernova라고 불립니다.

오늘날 이 회사는 회전하는 모든 분야의 전문가로, 현재 55,000대의 GE 풍력 터빈과 7,000대의 GE 가스 터빈을 운영하고 있습니다. 또한 많은 수력 및 원자력 발전소에도 GE 터빈이 장착되어 전 세계 전력의 약 25%를 생산합니다.

출처: GE Vernova

이는 GE가 가스뿐만 아니라 가스, 증기, 물 등 모든 연료 및 에너지원을 사용해 회전시키는 전력 터빈의 기준이 되게 합니다.

이는 GE의 전문성이 연료나 연소 처리에만 국한되지 않고, 터빈을 가능한 한 내구하고 효율적으로 만들면서도 비용을 절감하고 경량화하는 소재 과학에 있기 때문이며, 독자적인 특허와 가상 모델이 견고한 경쟁 장벽을 형성합니다.

따라서 GE Vernova 터빈은 전 세계 주요 유틸리티 기업들의 주요 선택이 되고 있습니다.

출처: GE Vernova

따라서 수소 전환은 예상되는 일이며, 회사는 이미 수소 압축기와 자체 설계 수소 터빈 등 분야에서 성장하고 있으며, 1천만 시간 이상의 운전 기록을 보유해 이 위험하고 활용이 어려운 가스를 다루는 기술력을 입증하고 있습니다.

“가스 터빈은 본질적으로 연료 유연성을 가지고 있어, 새로운 장치로서 녹색 수소 또는 유사 연료로 작동하도록 구성하거나, 기존 연료에서 장기간 운전 후에도 업그레이드할 수 있습니다. GE Vernova의 폭넓은 현장 경험은 엔지니어가 수소를 가스 터빈 연료로 사용할 때의 영향을 이해하도록 돕습니다.”

GE 투자자는 단기적으로 기존 풍력 및 가스 터빈, 그리고 수력 및 원자력 터빈에 집중해야 합니다. 이는 향후 10년 동안 회사 사업의 대부분을 차지합니다.

하지만 기존 설비를 장기적으로 수소로 업그레이드할 가능성은 사업을 본질적으로 회복력 있게 만들며, GE Vernova가 많은 연구개발을 투자하고 있는 탄소 포집, 소형모듈원자로(SMRs), 고전압 직류(HVDC), 에너지 저장, 전기 용광로, 산업용 열펌프 등 다른 기술들과도 연계됩니다.

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