[외신 번역/자체 번역] 에너지의 역사: 발전(發電) 산업의 역사 3부
원문 기사: https://www.powermag.com/history-of-power-the-evolution-of-the-electric-generation-industry/
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가스 발전의 시대가 도래하다
이 시기 석탄 발전 기술은 급증하는 전력에 대한 수요와 급성장하는 광업으로 빠르게 발전해나가기 시작합니다. 오늘날 미국에서 가장 빠르게 발전하고 있고, 또 가장 큰 비중을 차지하는 천연가스는 이 당시에는 미개척지와 다름없었습니다. 가스 터빈 엔진의 필수 요소들은 1791년 영국의 발명가 존 바버(John Barber)가 이미 특허를 냈지만, 이 개념이 실제로 이용되기까지는 1세기 이상의 시간이 더 걸렸습니다.
1903년 엔지니어이자 연구원, 발명가인 노르웨이인 옌스 윌리엄 아이기디우스 엘링(Jens William Aegidius Elling)은 자체의 부품들을 움직이는 데에 필요한 전력보다 더 많은 전력을 생산하는 최초의 가스 터빈을 제작합니다. 엘링의 첫 번째 설계는 로터리 압축기와 터빈을 모두 사용하여 약 8kW를 생산하였습니다. 이후 그는 몇 년 동안 이 기계를 계속해서 개선해나갔고 1912년에는 별도의 터빈 장치와 압축기가 직렬로 연결된 가스 터빈 시스템을 개발, 이 조합은 오늘날 가장 일반적인 모델로 자리를 잡습니다.
가스 터빈 기술은 다양한 국가의, 다양한 개척자들의 손에 계속해서 향상되었습니다. 1930년 영국의 프랭크 휘틀(Frank Whittle)은 제트 엔진 디자인을 특허로 내어놓습니다. 헝가리의 기오르기 젠드라식(Gyorgy Jendrassik)은 1937년 부다페스트에서 휘틀의 설계를 시연해 보였지요. 1939년 독일 하인켈 HE 178 항공기는 한스 폰 오앵(Hans von Ohain)이 설계한 엔진을 달고 성공적으로 하늘을 납니다. 추진을 위해 가스 터빈의 배기가스를 사용하는 엔진이었습니다. 같은 해 브라운 보베리 사(Brown Boveri Co.)는 스위스의 뇌샤텔 주에 발전용으로 사용될 최초의 가스 터빈을 설치하였습니다. 휘틀과 본 오앵의 첫 번째 제트 엔진 모두 원심 압축기를 기반으로 하고 있었습니다.
그러나 항공기 기술의 혁신과 두 차례의 세계 대전은 공학 및 제조 발전은 가스 동력의 기술을 새로운 차원으로 끌어올리기에 충분한 계기가 되었습니다. 일례로 GE에서는 제트 엔진 개발에 참여한 엔지니어들이 이후 산업용, 유틸리티 서비스용 가스터빈 설계에도 참여한 것을 꼽을 수 있습니다. 1948년 가스 터빈 전기 기관차를 개발한 GE는 1949년 7월 오클라호마 가스 & 전기(Oklahoma Gas & Electric)가 소유한 벨 아일 스테이션(Belle Isle Station)에 발전용 최초의 상용 가스 터빈(3.5MW 대형 장치)을 설치했습니다(그림 4). 일부 전문가들은 이 장치가 증기 터빈 장치의 급수 가열을 위해 배기열을 사용했으므로, 기술적으로 세계 최초의 복합화력 발전소라고 주장하기도 합니다. 같은 해 웨스팅하우스(Westinghouse)는 미시시피의 리버 퓨얼 사(River Fuel Corp.)에 1.3MW 장치를 가동합니다.
그 후 대형 가스 터빈 기술은 급속도로 발전하기 시작했습니다. 1950년대 초반 소성 온도(Firing temperatures)는 화씨 1,300도에, 1950년대 후반은 1,500도까지 치솟았고, 1975년에는 2,000도에 도달합니다. 1957년에는 가스 터빈 장치 크기가 꾸준히 증가함에 따라 최초의 가스 터빈용 열 회수 증기 발생기(HRSG)가 만들어졌고, 1965년 무렵 최초의 완전 연소 보일러 복합 사이클 가스 터빈(CCGT) 발전소가 가동되었으며, 1968년에 이르러 최초로 HRSG가 탑재된 CCGT가 등장합니다. 한편 1960년대 후반은 가스 터빈 공급업체가 사전 설계된 표준 CCGT 발전소를 개발하기 시작한 것도 특징적이라 할 수 있겠습니다. GE는 STAG(증기 및 가스) 시스템을 개발하였는데요. 당시 웨스팅하우스는 PACE(결합 효율 전력) 시스템을 갖추고 있었고 지멘스(Siemens)는 GUD(가스와 증기) 시스템을 사용하고 있었습니다.
지난 수십 년 동안 매우 유연하고 효율적이면서도 수소를 포함한 여러 연료를 연소할 수 있는 대형 가스 터빈의 확산이 광범위하게 이루어졌습니다. 이러한 개발은 1990년 "희박한 사전 홉한 연소 과정"을 가능케 한 획기적인 연소 기술에 바탕을 두고 있는데요. 초창기 DLN 기술의 터빈 흡기 온도(TIT)가 섭씨 1,350도~1,400도(빈티지 F 클래스)가 일반적이었던 것과 비교하면, 이제는 이 TIT가 1,700도를 돌파하는 경지에 올랐습니다. 고급 가스 터빈 기술의 시대이지요.
고급 가스 터빈 기술은 또한 CCGT의 효율성 및 가스 터빈 출력에서 새로운 세계 기록들의 달성으로 이어지기도 했습니다. 구체적으로는 2018년 3월 GE 파워는 GE 7HA 가스 터빈과 도시바 에너지 시스템즈 & 솔루션 사(Toshiba Energy System & Solutions Corp.)의 증기 터빈과 발전기 기술이 함께 녹아든 니시-나고야 발전소가 세계에서 가장 효율적인 복합 사이클 발전소로 인정되어 기네스북에 등재되었다고 발표하였습니다. 총 효율이 무려 63.08%에 이른다고 합니다. 2022년 8월, 지멘스 에너지의 SGT6-9000HL로 구동되고 있는 듀크 에너지(Duke Energy)의 링컨 연소 터빈 스테이션(Lincoln Combustion Turbine Station)은 "가장 단순하면서도 가장 강력한 단순 사이클 가스 발전소"라는 명목으로 기네스북에 등재되었습니다.
4부에서 계속됩니다
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