

가스 터빈의 작동 원리, 직면한 과제, 제조 공정 및 관련 공급망

이 글에서는 가스 터빈의 작동 원리, 제조 공정, 그리고 관련 공급망 참여자들을 살펴보고자 한다.
가스 터빈은 발전소에서 전기를 생산하는 데 매우 중요한 역할을 하며, AI 수요가 급증함에 따라 전력 공급 제약이 큰 화두로 떠오르고 있다.
예를 들어, 중국의 전력 생산량은 10,000TWh를 넘어서는 반면, 미국은 약 4,000TWh 수준이다. 이는 중국이 미국보다 약 2.5배 더 많은 전력을 생산한다는 의미다.

2025년 기준, 중국 전력 생산의 54.4%는 석탄에서 나오고 있지만, 풍력과 태양광 에너지의 확대에 따라 이 비중은 꾸준히 감소하는 추세다.

한편, 미국에서는 천연가스가 40%로 가장 큰 비중을 차지하는 주요 연료원이며, 태양광과 풍력의 비중도 점차 늘어나고 있다.

그럼에도 불구하고, 미국은 전력 생산에서 중국에 뒤처져 있으며, 이는 현 정부와 과거 정부들의 무책임하고 일관성 없는 에너지 정책에 상당 부분 기인한다. 한 나라가 전 국민을 위한 전력 공급에 집중하는 동안, 미국은 AI 데이터센터를 위한 전력을 생산할 적절한 인프라조차 갖추지 못한 상황이다.
이로 인해 미국은 서둘러 가스 발전소 건설 계획을 2024년 85GW에서 2025년 252GW로, 약 3배 가까이 늘리고 있다.

2026년에는 그 수치가 295GW로 더욱 높아졌으며, 기술 유형의 41%가 가스 터빈으로 구성되어 있다.

이것이 바로 내가 가스 터빈에 주목하는 이유다.
전력 생산에 대한 이러한 수요는 더 많은 발전소 건설로 이어졌고, 제조 업체들이 현재의 주문량을 소화할 만큼 적시에 생산 능력을 확충하지 못하면서 가스 터빈 제조 분야에 병목 현상을 초래했다.
가스 터빈이란 무엇이며, 어떻게 작동하는가?
발전소의 가스 터빈은 천연가스와 같은 연료의 화학 에너지를 기계 에너지로 변환하고, 이 기계 에너지가 발전기를 구동해 전기를 생산한다. 작동 방식은 제트 엔진과 유사한데, 공기를 흡입해 압축한 뒤 연료와 혼합하여 점화시키고, 이때 발생하는 고압의 배기가스로 터빈을 회전시키는 원리다.

가스 터빈은 대형 중장비다. 예를 들어 GE Vernova, 미쓰비시 중공업, 지멘스 에너지가 판매하는 가스 터빈의 크기(길이×폭×높이)와 무게를 살펴보자.
미쓰비시 중공업
H-100 터빈: 12.1 × 4.5 × 5.4m, 175~216톤
GE Vernova
사양 비공개 — 대형 산업용 기준 약 200~400톤으로 추정
지멘스 에너지
SGT5-9000HL: 13 × 5.3 × 5.3m, 516톤
위에 소개된 터빈들은 어디까지나 예시이며, 터빈의 종류에 따라 더 크거나 작은 제품도 존재한다.
https://www.youtube.com/watch?v=2Jm5RVHLlcQ

일반적으로 가스 터빈에는 3가지 사이클 방식이 사용된다:
단순 사이클
복합 사이클
재생 사이클

단순 사이클은 말 그대로 한 번으로 끝나는 방식이다. 연료가 투입되어 배기가스로 배출되면서 전기를 생산하는 가장 기본적인 방식으로, 우리가 일반적으로 떠올리는 전통적인 사이클이다.
반면 복합 사이클은 지멘스, GE, 미쓰비시가 점점 더 많이 채택하고 있는 고효율 방식이다. 복합 사이클 발전소는 폐열 회수 방식을 적용하는데, 가스 터빈에서 나오는 배기가스를 폐열 회수 보일러로 보내 회수된 열로 증기를 생성하고, 이 증기로 스팀 터빈을 구동해 추가적인 전기를 생산한다.

마지막으로 재생 사이클이다. 재생 사이클 가스 터빈은 고온의 배기가스에서 폐열을 포집하여 압축 공기가 연소기로 들어가기 전에 예열하는 데 활용함으로써 연료 효율을 향상시킨다. 이를 통해 최적의 연소 온도에 도달하는 데 필요한 추가 연료 소모량을 줄일 수 있다.
오늘날에는 복합 사이클 가스 터빈(CCGT)이 가장 널리 활용되고 있다.
가스 터빈은 공기를 작동 유체로 사용하여 연료의 화학 에너지를 기계 에너지로 변환하는 내연기관이다. 피스톤 엔진과 동일한 4가지 기본 단계, 즉 흡입, 압축, 연소, 팽창/배기를 따르지만, 결정적인 차이점이 있다. 피스톤 엔진은 이 4단계가 동일한 실린더 안에서 시간 순서대로 순차적으로 이루어지는 반면, 가스 터빈에서는 이 단계들이 엔진의 각기 다른 섹션에서 동시에 진행된다.
아래 설명은 항공기 엔진을 기준으로 하지만, 4단계 사이클 자체는 가스 터빈에도 동일하게 적용된다 (브레이턴 사이클).


이 과정은 다음과 같은 엔진 섹션들을 통해 이루어진다:
1. 흡입구 및 압축기 섹션
흡입 : 흡입구 섹션은 엔진 내부로 깨끗하고 원활한 공기 흐름을 공급한다.
압축 : 압축기는 공기를 흡입하여 "압축"함으로써 터빈에 고압 공기를 공급한다. 축류 압축기에서는 여러 단계의 회전 로터 블레이드와 고정 스테이터 베인을 통해 이 과정이 이루어진다.
로터 블레이드는 터빈의 기계 에너지를 가스 에너지로 변환하며, 주로 공기 속도를 높이는 역할을 한다.
스테이터 베인은 확산형 덕트 구조를 활용해 공기 속도를 낮추고, 이 속도를 더 높은 정압으로 변환한다.
디퓨저 : 최종 압축기 단계를 거친 공기는 디퓨저, 즉 고확산형 덕트로 유입된다. 디퓨저는 연소기로 들어가기 전 엔진 내에서 가장 높은 정압을 형성하기 위해 남은 공기 속도를 압력으로 변환한다.

2. 연소 섹션 (연소기)
연소 섹션에서는 연료가 분사되고 연소되어 시스템에 에너지가 추가된다.
에너지 변환: 연료의 화학 에너지가 극도로 높은 온도와 고속의 가스 에너지 형태로 변환된다.
공기 분배: 실제 연소에 사용되는 공기는 전체의 약 1/4에 불과하며, 나머지는 라이너 벽을 냉각하고 핵심 가스의 온도를 희석하여 금속 부품이 녹지 않도록 하는 데 사용된다.
전환: 연소기 후방에서는 수렴형 전환 섹션이 고온 가스를 터빈 쪽으로 가속시키기 시작한다.
3. 터빈 섹션
터빈의 역할은 고온·고압의 가스 흐름에서 에너지를 추출하여 압축기를 구동하고 출력 샤프트 동력을 제공하는 것이다.
에너지 추출: 압축기와 마찬가지로 터빈도 베인과 블레이드의 단계적 구조를 사용하지만, 순서가 반대다. 고정 베인(노즐)이 가스를 가속시키고, 회전 블레이드가 에너지를 추출한다.
에너지 재변환: 가스 에너지가 기계 에너지(샤프트 동력)로 다시 변환된다. 이 동력은 압축기를 계속 회전시키고 보조 장치나 프로펠러를 구동하는 데 사용된다.
4. 배기 섹션
터빈을 통과한 가스는 배기구를 통해 배출된다. 터빈에 의해 대부분의 에너지가 추출되었음에도 불구하고, 남은 가스는 수렴형 덕트를 통해 가속되어 작용·반작용의 원리에 따라 제트 추력을 생성하며 항공기를 전진시킨다.
위 내용이 다소 복잡하게 느껴진다면, 아래의 쉬운 설명을 참고하자.
압축기 섹션
강력한 폭발을 일으키기 전에, 공기 분자들을 촘촘하게 압축해야 한다. 엔진은 블레이드의 팀워크 시스템으로 이를 구현한다. 먼저 회전하는 블레이드 열이 고출력 팬처럼 외부 공기를 빨아들여 극도로 빠른 속도로 뒤쪽으로 밀어낸다. 각 회전 열 바로 뒤에는 고정 블레이드 열이 위치한다. 이 고정 블레이드 사이의 공간은 점점 넓어지는 깔때기 모양으로 설계되어 있다. 빠른 공기가 넓어지는 공간으로 밀려들면 자연스럽게 속도가 줄어들고, 뒤에서 계속 밀려오는 공기 분자들이 한데 뭉쳐 압축된다. 디퓨저라는 최종 병목 구간을 통과할 즈음에는 공기가 적절한 속도로 감속되어 엔진 내에서 가장 높은 압력 상태로 압축된다.
이렇게 고압으로 압축된 공기는 이제 연소기로 들어간다. 연소기는 일종의 첨단 용광로다.
여기서 연료가 고밀도 공기 속으로 지속적으로 분사되고, ...


가스터빈 산업이 필요로하는 고정밀 엔지니어링 수준은 엄청나군요.....많이 배웠습니다!