Special 극한환경 대응 고온 세라믹 복합소재 기술 개발 동향(1)

수소가스터빈용 소재·부품 및 열차폐 코팅 개발동향

김도현_한국재료연구원 극한소재연구소 선임연구원

1. 기술 개요

1-1. 열차폐 코팅의 정의 및 역할
열차폐 코팅은 발전용 또는 항공용 가스터빈 엔진 등의 초고온 환경으로부터 전달되는 열을 차폐하여 모재를 보호하기 위한 코팅으로써 일반적으로 가스터빈용 열차폐 코팅(TBC, thermal barrier coating)은 Ni계 초내열 합금 상에 밀착력 향상을 위한 금속계 본드코팅과 그 상부에 증착하는 열차폐를 위한 저열전도성 다공성 세라믹계 탑코팅으로 구성된다. 본드코팅은 NiAl 또는 (Ni,Pt)Al과 같은 확산 알루미나이드(aluminide) 코팅 또는 MCrAlY계열(M: Ni and/or Co)의 오버레이(overlay) 코팅이 사용되고 있으며, 모재에 내산화성 부여, 탑코팅과의 열응력 완화 등의 특성이 요구된다. 고온 노출시 본드코팅 조성에 포함된 알루미늄(Al) 성분이 산소와 반응하여 안정적인 α-alumina(TGO, thermally grown oxide)를 형성하여 고온에서 금속 모재의 산화를 방지하는 역할을 하게 된다. 탑코팅은 저열전도도, 다공성, 초고온 상안정성 등의 특성이 요구되며, 일반적으로 8YSZ(6~8 wt.% yttria stabilized zirconia)가 가장 많이 적용되고 있지만, 최근 성능향상을 위해 첨가제를 추가하여 고온 상안정성을 높이고 미세구조적으로 열전달을 억제하는 구조를 확보하기 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 대표적으로 열차폐 코팅이 적용되는 가스터빈 부위별 소재 및 열차폐 코팅구조는 그림 1과 같다.

그림 1. 발전용 가스터빈의 적용 소재, 온도환경 및 열차폐 코팅의 구조[1]

 
1-2. 수소가스터빈의 정의 및 특징
수소가스터빈은 LNG를 활용한 기존 가스터빈과는 달리 수소의 혼소(LNG+수소 혼합연료) 또는 전소(100% 수소 연료)를 활용하는 가스터빈을 의미하며, 청정에너지원을 사용함에 따라 CO, CO2 등 온실가스 배출을 저감하고 발전효율을 높여 전력생산과 함께 탄소중립 구현에 기여가 가능한 발전기술이다. 수소의 혼소 비율이 30%, 50%로 증가하면 각각 CO2 발생량을 10%, 22%로 저감할 수 있으며, 수소 전소시 Zero-CO2 수준으로 대폭 저감할 수 있다. 가스터빈은 터빈입구온도(TIT, turbine inlet temperature)가 높을수록 발전효율이 높아지며, 미국 GE(General Electric)의 최신기종의 가스터빈(9HA.02)의 발전효율은 43%, 복합발전 효율은 64% 수준[2]으로 보고하였으며, 일본 MHI사는 LNG 전용으로 개발된 가스터빈이지만 수소 30% 혼소로 전환가능한 가스터빈(M501 JAC)을 개발하여 64% 수준의 복합발전 효율과 함께 세계 최초로 터빈입구온도 1,650℃(2020년)를 달성[3]하였다.

그림 2. 수소 혼소 및 전소에 따른 CO2 방출 저감 효과[3]

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