독일 칼스루에 공과대학(KIT) 연구팀은 최근 공기를 기계적으로 압축하지 않고도 가스터빈을 안정적으로 구동해 전기를 생산할 수 있는 무압축 가스터빈 기술에 획기적인 발전을 이루었다고 발표했다. 이번 실험은 연속 실행시간이 5분 이상으로 기존의 단기 착화만 가능했던 기술적 병목 현상과 연소실 과열로 인한 급격한 고장을 깨뜨렸다.
이번 결과는 미래의 CO2 중립 에너지 시스템을 향한 핵심 단계로 간주됩니다. KIT의 열에너지 기술 및 안전 연구소(ITES) 소장인 다니엘 바누티(Daniel Banuti) 교수는 이번 진전이 효율적이고 유연한 수소 에너지 활용을 실현하고 화석 연료 없는 에너지 시스템을 구축하는 데 중요한 기술 지원을 제공한다고 말했습니다.
거대한 기계식 압축기에 의존하는 기존 가스 터빈과 달리 이 새로운 시스템은 압축기가 전혀 필요하지 않습니다. 즉, 점화 전에 공기를 고압으로 사전 압축할 필요가 없습니다. 현재 일반적인 가스 터빈에서는 발전소 장치이든 항공기 엔진이든 출력 전력의 약 절반이 압축기를 구동하여 공기를 고압으로 압축하여 효율적인 연소를 유지하는 데 사용됩니다. 이 전력 부분은 유효 전력 출력으로 변환될 수 없습니다. 새로운 디자인은 근본적으로 이러한 에너지 "내부 소비" 링크를 우회합니다.
가스 터빈은 소위 "압력 이득 연소" 원리를 사용합니다. 즉, 기계식 압축기에 의존하는 대신 연소실 내부의 폭발 파동을 사용하여 필요한 압력을 생성합니다. 이러한 폭발 파동은 유체 역학적 불안정성, 즉 소용돌이 구조와 연소실 내에 자연적으로 겹쳐지는 파동의 상호 작용으로 인해 발생하며 움직이는 부품 없이 가스 압력을 증가시킵니다. 연구팀은 이 방법이 에너지 손실을 줄일 뿐만 아니라, 시스템 구조를 단순화시켜 전체적인 효율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다고 지적했다.
연료 선택 측면에서 시스템은 어느 정도 다양성을 갖추고 있지만 수소가 가장 이상적인 옵션으로 간주됩니다. 수소는 빠르게 반응하므로 매우 짧은 시간 내에 안정적인 압력 상승 과정을 완료하는 데 도움이 되어 고효율 연소를 지원합니다. 이는 이 원리를 기반으로 하는 미래의 가스터빈이 발전 분야에서 더 가볍고 저렴한 설계를 달성할 수 있을 것으로 예상되며, 항공 추진과 같은 수요가 더 높은 응용 시나리오로 확장될 가능성이 있다는 것을 의미합니다.
진짜 어려움은 이렇게 격렬하고 빠른 과급 연소 과정을 터보 기계에 안정적으로 연결하고 에너지를 전기 출력으로 안정적으로 변환하는 데 있습니다. Banuti는 연소실의 연소 강도가 매우 높고 시간 규모가 매우 짧기 때문에 유동장의 안정성을 파괴하지 않고 가용 전력을 추출하고 터빈을 구동하는 것은 매우 어려운 엔지니어링 작업이라고 지적했습니다. 그는 이 분야 최초의 무압축 시스템에서 터빈을 성공적으로 구동하고 실제로 전력을 생산하는데 앞장섰다고 강조했다.
연구팀은 이 비압축 가스터빈을 2026년 4월 20일부터 24일까지 열리는 하노버 박람회에서 공개적으로 전시할 계획입니다. 부스는 11번 홀 부스 B06에 위치하여 미래 수소 발전 및 탄소 제로 에너지 시스템에서의 응용 가능성을 업계에 선보일 예정입니다.