가스터빈은 현대의 에너지 산업과 항공 분야에서 중요한 역할을 담당하고 있으며, 그 발전 과정은 오랜 연구와 기술의 진보를 통해 이루어졌습니다. 이번 글에서는 발전용 가스터빈의 역사와 발전 과정, 그리고 다양한 가스터빈의 종류에 대해 알아보겠습니다.
가스터빈의 역사
가스터빈 기술의 기초는 17세기 보일의 법칙과 같은 물리적 원리에 바탕을 두고 시작되었습니다. 이후 19세기 말부터 다양한 연구자들의 노력으로 엔진의 개념이 확립되었으며, 가스터빈의 기초가 되는 이론이 발전되었습니다. 스웨덴의 발명가 구스타프 브레이튼은 1897년에 가스터빈 엔진을 발명했는데, 이 엔진은 고압 가스를 이용해 피스톤을 움직이는 방식이었지만, 당시 효율성은 매우 낮았습니다. 그러나 이 엔진은 이후 가스터빈 기술 발전의 초석이 되었습니다.
20세기 들어서면서 가스터빈의 성능은 점점 개선되었고, 2차 세계대전 이후 발전과 항공용으로 본격적으로 사용되기 시작했습니다. 특히 21세기에 들어서면서 대형 가스터빈이 개발되었고, 현재는 단일 가스터빈만으로도 400MW에 이르는 용량을 구현할 수 있게 되었습니다. 우리나라에서도 두산에너빌리티가 2023년 자국산 가스터빈의 상용 운전 시험에 성공하며, 가스터빈을 생산할 수 있는 5대 국가에 이름을 올렸습니다.
가스터빈의 발전과 용도 변화
초기 가스터빈은 주로 항공 산업에서 사용되었지만, 이후 전력 생산을 포함한 다양한 산업 분야로 그 사용 범위가 확장되었습니다. 1970년대 중반까지 가스터빈은 주로 첨두부하 전원 및 비상 전원으로 사용되었고, 항공용 가스터빈이 발전용으로 활용되었습니다. 하지만 기술의 발전으로 가스터빈은 대용량 발전 설비로 진화하면서 점차 산업용으로도 널리 사용되었습니다.
특히 사우디아라비아와 같은 산유국에서는 가스터빈이 빠르게 보급되었는데, 이는 산유국에서 연료비가 저렴하고, 가스터빈이 대량의 냉각수를 필요로 하지 않기 때문에 적합한 발전 방식이었기 때문입니다.
가스터빈의 종류
1. 발전용 가스터빈 (Heavy Duty Gas Turbine)
발전용 가스터빈은 2차 세계대전 이후 1950년대에 처음으로 소개되었습니다. 이 가스터빈은 고정형으로 설계되어 중량이나 공간 제약을 받지 않으며, 주로 대형 발전소에 설치됩니다. 현대의 발전용 가스터빈은 압축비가 5:1에서 35:1까지 이르며, 가스터빈 입구 온도는 1600℃에 달해 열효율이 40% 이상을 기록합니다.
발전용 가스터빈은 긴 수명과 높은 신뢰성을 바탕으로, 소음이 적고 대형 설비에 적합한 구조를 갖추고 있습니다. 대규모 전력 생산에 필수적인 장치로 자리 잡았으며, 주요 제조업체로는 GE, Siemens, MHI 등이 있습니다.
2. 항공용에서 발전으로 개량된 가스터빈 (Aero-derivative Gas Turbines)
항공용 엔진을 개조한 가스터빈은 주로 석유화학 공장이나 원격 발전소에 사용됩니다. 항공 엔진을 발전용으로 전환하면서 가스 발생기와 동력 터빈이 두 가지 주요 구성 요소로 사용됩니다. 이 가스터빈은 설치비가 적게 들고, 소형 패키지 형태로 설계되어 쉽게 운반되고 설치됩니다. 또한 원격 조정이 용이하며, 정비 역시 간단하게 이루어집니다.
3. 산업용 가스터빈 (Industrial Gas Turbine)
산업용 가스터빈은 발전용 가스터빈과 설계가 유사하지만, 주로 석유화학 공장에서 사용됩니다. 이 가스터빈은 열효율을 높이기 위해 축을 분리하여 설계되며, 압축기는 주로 저소음 축류형을 채택합니다. 산업용 가스터빈은 재생기를 통해 배기가스를 재이용함으로써 열효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
결론
가스터빈 기술은 지난 수십 년 동안 눈부신 발전을 이루었으며, 현대 에너지 산업과 항공 분야에서 없어서는 안 될 기술로 자리 잡았습니다. 가스터빈은 빠른 기동 시간과 높은 효율성 덕분에 재생 가능 에너지와도 통합되어 미래 에너지 산업에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 앞으로도 가스터빈 기술은 지속적인 연구와 혁신을 통해 발전할 것이며, 탄소 중립 시대에도 필수적인 발전 장치로 남아 있을 것입니다.