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일본 독립행정법인 신에너지 산업기술종합개발기구(NEDO)에서는 산학관의 최첨단 기술을 결집해 진행하고 있는 고효율 화력발전 플랜트용 철강 재료의 개발에 대하여, 장시간 특성인 크리프 파단 강도를 기존보다 25~50% 향상시킨 미세 조직의 변화 메카니즘을 세계 최초로 해명하여, 세계 최고 강도를 달성하는 신규 철강 재료의 합금 설계 지침을 확립했다.

동시에 플랜트 기기 설계에 필요한 10만시간(12년)의 강도를 정확도 높게 예측하는 기술도 개발하여 지금까지 검출과 예측이 곤란했던 플랜트의 운전에 의한 장시간 사용중 재료 열화를 쉽게 진단하는 것이 가능하게 되었다.

따라서, 화력 발전의 효율은 약 5%의 향상이 전망되어 CO2 배출 저감과 자원 절약에 크게 기여하고, 고효율 화력 발전소의 안전한 운영과 안정적인 전력 공급에 대한 지원이 가능하게 된다.

이 성과는 2012년 1월 12일, 13일에 개최하는 "NEDO 철강 재료의 혁신적인 고강도, 고기능화 기반 연구 개발 프로젝트" 제2회 심포지엄 (장소:일본과학미래관)에서 발표된다.

1. 배경

화력 발전소의 운전 온도를 수십도 올리면, 막대한 CO2 감축은 물론, 연료 비용도 대폭 줄일 수 있기 때문에 환경 대책과 에너지의 안정적인 공급 양 측면에서 화력 발전소의 효율화가 강하게 요구되고 있다. 그러기 위해서는 기존보다 높은 온도에서 안심하고 사용할 수 있는 고강도 재료의 개발이 세계적으로 요구되고 있다.

그러나, 온도 상승은 사용되는 재료에 있어서 가혹하고, 고강도 철강 재료와 그 강도 수명을 정확히 예측하는 방법을 확립할 필요가 있었다.

2. 성과

(1) 미래의 700℃급 고효율 화력 발전용 고강도 철강 재료의 설계 지침 확립

고온에서 사용되는 철강 재료(내열강, 내열 합금)에 관해, 산학관의 최첨단 기술을 결집하여 장시간 특성인 크리프 파단 강도에 미치는 미세 조직 변화기구, 합금 조성과의 관계를 해명한 결과, 기존 재료에 비해 25~50% 크리프 파단 강도를 향상시키는 합금 설계 지침을 확립했다.

개발한 철강 재료는 강화기구가 다른 세 가지 유형, 즉 페라이트계 내열강, 오스테나이트계 내열강 및 Ni 합금이 있는데, 이들 모두 세계 최고의 강도를 실현했다. 화력 발전소 기기의 재료 비용을 절감하기 위해서는 강도가 높은 고가의 Ni 합금 사용량을 줄이고 상대적으로 저렴한 페라이트계 내열강 및 오스테나이트계 내열강 사용량을 늘리는 것이 요구되고 있으며, 이번 성과에 따라 향후 700℃급 고효율 화력 발전의 실현이 기대된다.

(2) 화력 발전소의 안전, 안심 운영에 필요한 내열강의 수명 평가 플랫폼 개발

내열 금속 재료가 고온 크리프 변형으로 생기는 작은 손상, 조직 열화를 감지해 정량적으로 진단할 수 있는 새로운 플랫폼의 개발에 성공했다. 이 플랫폼을 이용하여 기기의 설계 수명 10만 h(12년) 후 재료의 열화 정도를 20% 이내의 높은 정밀도로 예측하는 것이 세계 최초로 가능하게 되었다. 따라서 화력 발전의 효율은 약 5%의 향상이 전망되며, CO2 배출 저감과 자원 절약에 크게 공헌할 수 있어 미래의 에너지 안정 공급 가능성이 크게 높아졌다.

3. 향후 계획

향후 설계 제안, 시제작한 모델 강철, 합금과 수명 예측 플랫폼의 실용화를 목표로 한다. 또한 완성도 높은 페라이트 강철은 2014년 말을 목표로 국제 표준 등록 및 화력 발전소의 실용화를 목표로 한다. 완성된 플랫폼을 사용하여 기존에 설치되어 있는 시설 및 신설 공장에서 사용되는 보일러 강관의 정밀 수명 예측을 실시하여 화력 발전소의 안전·안심 운영에 기여할 예정이다.


출처: 경기과학기술진흥원

원본출처: nedo.go.jp