국내 최초 영하 183℃ 이하급 극저온 터보 팽창기 개발, 

대체 에너지 저장 기술의 새 지평 열다!

- 기계연, 극저온 팽창기 설계부터 시험까지 원천기술 확보로 기술 자립 -

- 극저온 액체 저장을 통한 대체 에너지 저장 효율성 대폭 향상 -

□ 국내 최초 영하 183℃ 이하급 극저온 터보 팽창기 개발로 대체 에너지 저장 기술의 새로운 전환점이 마련됐다. 수소, 천연가스 등 대체 에너지를 극저온 상태에서 효율적으로 저장할 수 있는 핵심기술을 국산화한 것으로, 국내외 극저온 냉각시스템 시장에서 해외 의존도를 크게 줄일 것으로 기대된다.

□ 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 에너지저장연구실 임형수 책임연구원 연구팀은 Zero GWP* 냉매를 사용한 무급유 방식의 극저온** 터보 팽창기를 개발하고 천연가스 액화용 팽창기의 실증 시험을 마쳤다. 

  * GWP(Global Warming Potential, 지구온난화지수): 지구온난화에 영향을 미치는 지표이며, Zero GWP는 지구온난화에 영향을 주지 않음을 의미. 대표적으로 네온, 헬륨, 공기 등이 있음

  ** 극저온: 절대온도 123K(영하 150℃) 이하부터 절대온도 0K(영하 273℃) 사이의 온도

□ 극저온 터보 팽창기는 고압 상태의 기체를 임펠러로 팽창시켜 온도를 낮추는 원리를 이용해 수소, 천연가스, 공기 등 대체 에너지를 액화 저장하는 데 필요한 장비다. 기계연 연구팀은 대체 에너지를 영하 183℃ 이하의 극저온 상태로 냉각하기 위해 임펠러, 무급유 베어링, 축, 케이싱 등을 독자 개발하고, 회전 안정, 출력 제어, 단열 설계 기술*** 등 핵심기술을 확보했다. 이를 활용해 Zero GWP 냉매인 네온을 상온 조건에서 영하 183℃ 이하로 냉각시키는 데 성공했다.

  *** 회전 안정 기술 : 극저온 터보 팽창기의 축이 안정적으로 고속 회전할 수 있도록 하기 위한 기술
      출력 제어 기술 : 팽창기에서 발생된 출력이 계획된 로직에 맞게 제어될 수 있도록 하는 기술
      단열 설계 기술 : 팽창기 내부에 형성된 극저온 부품과 상온 부품 사이의 열전달 감소 설계 기술

□ 1분에 수만에서 수십만 번까지 회전하는 극저온 터보 팽창기는 그동안 대부분을 해외 수입에 의존해 왔으나, 이번 기계연의 기술 개발로 국산화 가능성을 마련했다. 다양한 대체 에너지 적용을 위해서는 기존 개발된 영하 163℃급보다 더 낮은 온도의 팽창기가 필요했는데 연구팀은 영하 183℃급까지 달성했다.

□ 또한 기존의 팽창기가 베어링에 오일을 공급하는 윤활 방식으로 별도의 오일 공급 장치가 필요하고 구조가 복잡했던 반면, 기계연에서 개발한 팽창기는 무급유 방식을 적용, 구조가 간단하고 크기가 작아 소규모 산업 현장에서도 적용이 쉽다. 

□ 연구팀은 이 같은 기술을 이용해 수소 액화용 팽창기와 천연가스 액화용 팽창기, 공기 액화용 팽창기를 각각 개발했다. 이 중 천연가스 액화용 팽창기는 영하 183℃급에서 냉동능력 7~10kW의 용량까지 가능하며, 기업과 상용화 절차를 진행 중이다. 

□ 기계연 임형수 책임연구원은 “대체 에너지인 수소 등을 극저온 상태의 액체로 저장하게 되면 에너지 밀도가 대폭 증가해 저장 설비 크기를 획기적으로 줄일 수 있다”며, “극저온 터보 팽창기 핵심기술 개발로 기후변화 대응을 위한 대체 에너지 저장 시스템의 국산화가 가능해질 것”이라고 밝혔다.

□ 본 연구는 기계연 기본사업(대용량 액체공기 에너지저장 핵심기계기술 개발, 반도체 제조공정용 터보-브레이튼 초저온 냉각시스템 개발) 및 국토교통부 국토교통과학기술진흥원(상용급 액체수소 플랜트 핵심기술 개발 사업, 공기액화 기반 에너지 저장 및 활용 시스템 기술개발)의 지원을 받아 수행되었다.

한국기계연구원 에너지저장연구실 임형수 책임연구원(왼쪽)이 공기 액화용 극저온 터보 팽창기에 대해 설명하고 있다.