대기오염 물질 0%, 필요한건 폐열원: 유기 랭킨 사이클(ORC)

대기오염 물질 0%, 필요한건  폐열원:  유기 랭킨 사이클(ORC)

R.E.F 16기 곽준우

 

세계적으로 온실가스 배출에 의한 지구 온난화 문제에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다. 자동차, 선박 등에 사용되는 내연기관은 연료 에너지의 약 40%만이 크랭크축을 작동시키는 유용한 일로 사용되고, 나머지 60%는 엔진 배기가스, 엔진 냉각수, 차량 냉각장치 및 윤활계통의 형태로 대기로 버려진다. 적절한 폐열 회수 시스템을 적용하면 이러한 폐열에서 유용한 일을 추가로 회수하여 열기관의 효율을 상승시킬 수 있다. 내연기관으로부터 발생하는 폐열을 활용하는 기술 중에서 유기 랭킨사이클(ORC) 시스템은 엔진 폐열 회수를 위한 가장 적절한 해결책이다. 특히 에너지 다소비 업종인 철강, 석유화학산업계에서는 공정에서 발생하는 폐열을 회수하여 재이용하는 기술의 개발이 중요이슈로 부각되고 있다. 현대 제철 공정 폐열 중 350℃ 이하의 저온 폐열은 경제성, 수요처 부족 등의 문제로 재사용 되지 않고 그대로 대기로 버려져 환경오염을 일으키고 있다. 그 양은 연간 18만 가구의 난방에 이용 가능한 규모이기 때문에 350℃ 이하 저온 폐열에 대한 회수 및 활용 기술 개발이 필요하다. 현재 유럽 등 선진국에서는 지역난방 중온수와 같이 열원 온도가 낮은 경우 유기 랭킨 사이클을 이용하여 발전에 적용하고 있다.

 

 

[자료1. 현대제철 당진공장의 굴뚝 연기]

출처: 오마이뉴스 최효진 기자

 

유기 랭킨 사이클(ORC) 발전이란??

 

유기 랭킨 사이클은 연료를 사용하지 않으며  미활용 열에너지를 이용해 소규모 전력 및 화력을 생산하는 폐회로 설비로, 대기오염물질 배출이 없는 청정 발전시스템이다. 태양열, 지열 등과 같은 친환경 에너지원들과 제철, 쓰레기 소각장, 선박 폐열 등 다양한 산업체의 미활용 열에너지가 유기 랭킨 사이클의 열원이 될 수 있다.

 

유기 랭킨 사이클 원리

 

유기 랭킨 사이클은 기본적으로 랭킨 사이클과 원리와 동일한데 '펌프-보일러, 과열기-터빈-응축기' 이렇게 4단계로 구성되어있다.

 

[자료2. 랭킨 사이클 개념도]

출처: 누리텍

 

1-2. 펌프가 작동 유체(물)를 끌어올려 열 교환기(보일러, 과열기)로 전달

2-3. 열 교환기에서 고온 증기를 생산(보일러는 물을 증기로, 과열기는 증기에 추가적인 열량을 가해 고온의 증기 만드는 역할)

3-4. 고온의 증기는 터빈으로 들어가 일을 생산. 이를 전력 생산에 사용

4-1. 터빈에 일을 공급한 고온 증기는 응축기로 들어가 냉각수에 의해 다시 유체로 변환

5. 위 사이클을 반복

 

위 과정에서 미활용 열 에너지원은 열 교환기의 보일러 단계에서 주입되어 작동유체를 기화시킨다. 단, 랭킨 사이클과 유기 랭킨 사이클의 주요 차이점은 작동 유체가 물(증기)인 랭킨 사이클과 달리, 유기 랭킨 사이클은 유기 물질을 사용한다는 것이다. 작동 유체를 물이 아닌 유기물을 사용하는 목적은 낮은 온도의 열원으로부터 에너지를 획득하기 위한 것으로, 물의 경우는 끓는점이 대기압에서 100℃이지만 압력이 증가하게 되면 상당히 높아진다. 따라서 높은 온도를 갖는 열원이 있어야만 운전이 가능하다. 하지만 작동 유체를 물이 아닌 유기물을 사용하게 되면 물질에 따라서 높은 압력에서 기화하는 온도가 100℃ 이하의 낮은 온도를 갖게 된다. 이러한 장점으로 인하여 산업체에서 발생하는 낮은 온도를 갖는 폐열로 작동 유체를 가열해 전기를 얻을 수 있다. 여기서 저온의 열원은 70~350℃ 범위를 가진다.

 

유기 랭킨 사이클의 효율

 

유기 랭킨 사이클은 대기로 배출하던 미활용 에너지를 사용해 환경오염을 줄여줄 뿐 아니라 폐회로에서 작동하는 시스템으로 이산화탄소와 같은 대기오염을 발생시키지 않는 매우 친환경적인 시스템이다.

하지만 가장 중요한 점인 효율이 낮다는 단점이 있다. 아래 그래프에서는 온도에 따른 여러 작동 유체의 효율을 보여준다. 350℃ 이하의 저온에서 여러 유기물질이 최대 2000J 가까이 열량을 생산하며 효율성이 있음을 보여준다. 400℃에서는 물이 유기물질보다 몇 배 이상 많은 열량을 생산하며 유기물보다 뛰어난 효율을 보여준다. 얼핏 저온일 때도 물이 유기물보다 더 많은 열량을 생산하는 듯 보이지만 랭킨 사이클이 요구하는 고압의 조건에서 물은 더 높은 끓는점을 요구한다는 점을 잊어선 안된다.

 

 

[자료3. 온도에 따른 물과 여러 유기물의 효율]

출처: ASME 2014

 

현재 유기 랭킨 사이클의 전반적인 효율은 8~22% 수준이며, 상용화된 태양광 발전 효율이 20~30% 수준에 비하면 낮은 에너지 효율임을 알 수 있다. 발전용량이 100KW~5MW로 소규모 발전이라는 단점 또한 가지고 있다.

 

국내외 상황 및 발전 가능성

 

미국, 유럽, 호주 등 선진국을 중심으로 가정ㆍ업소용 소규모 발전장치로 널리 보급되는 추세다. 해외 시장 점유율 현황으론 미국의 ORMAT(30%)가 가장 높으며, Pratt&Whitney(유럽, 25%), Turboden(유럽, 25%), GE(미국, 10%), G-TET(호주, 5%) 및 Turbolina(유럽, 5%)이다.

 

 

[자료4.  미국 ORMAT의 ORC발전 시스템]

출처: ORMAT

미국

미국은 과거부터 세계적으로 유기 랭킨 사이클(ORC) 시장 개발과 설치에서 우위를 점하는 선진국 중 하나다. 미국의 엄청난 지열 매장량의 존재는 ORC 시장에서 우위를 점하고 있기 때문에 시장을 움직이는 결과를 가져왔다.

 

유럽

유럽 지역의 ORC 시장은 터키가 지열 적용 부문으로 주도하고 있다. 또 독일 프랑스 크로아티아 등 각국은 2014년부터 2019년까지 지열 발전 프로젝트를 설치했다. 한 예로 Turboden은 2018년에 크로아티아에 17.5MW급의 지열 발전 프로젝트를 건설했다.

 

아시아

아시아 태평양은 인도네시아 및 뉴질랜드를 포함한 아시아 태평양 국가에 220MW와 110MW급의 대규모 ORC 기반 지열 프로젝트를 설치하여 2018년에 가장 큰 점유율을 차지했다.

 

한국

2016년 한국 전력공사는 10KW급 ORC 개발에 착수했다. 2018년까지 디젤발전기의 배기가스와 냉각수 등 80~100℃ 범위의 중저온 폐열을 이용해 발전 출력 10KW, 열효율 9%를 갖는 ORC 발전시스템을 개발했다. 설비의 실증 및 안전성을 확보한 한국 전력공사는 2018년 광주시와 ‘산업 폐열 이용 ORC 발전기술 확대적용을 위한 업무협력 협약’을 맺었다. 그리고 가장 최근 2019년 한국중부발전은 두산퓨어셀과 ORC를 이용한 7.48KW급 연료전지 폐열회수 청정 시스템 사업을 추진, 에너지공단은 연말 에너지 진단 컨퍼런스에서 최신 기술 중 하나로 유기 랭킨 사이클을 소개하며 뜨거운 관심을 보이고 있다.

 

 

[자료5. 유기랭킨 사이클의 열원 비율]

출처:Organic Rankine Cycle Market Size, Share & Trends Analysis Report By Application

 

세계 유기 랭킨 시스템 (ORC) 시장 규모는 2018년에 4억 9,700만 달러로 평가되었으며 2019-2025년 예측 기간 동안 연평균 9.7 %로 성장할 것으로 예상된다. 위 선진국 사례와 그림을 볼 때 ORC 에너지원의 비중을 보면 폐열원보다 지열 에너지 비중이 상당한 편이다. 하지만 결코 산업체에서 버려지는 미활용 열에너지를 무시할 수 없다. 산업체에서 버려지는 미활용 열 에너지원들은 대기로 나가 대기오염을 시킬뿐더러 현대제철에서 내보내는 미활용 열 에너지원만 해도 연간 18만 가구의 난방을 제공할 수 있는 양이다. 산업체 입장에서도 버려지는 미활용을 이용해 경제적 이득 취득 및 친환경 기업이라는 타이틀을 달 수 있어 ORC 연구 및 설치를 꾸준히 장려하는 것이 바람직하다는 의견이다. 비록 효율이 낮다는 단점이 있지만 태양, 바람 등과 같이 환경적인 영향도 받지 않고 폐회로 내에서 시스템이 작동해 환경오염물질을 배출시키지 않는다는 점에서 주목해야 할 기술임은 틀림없다. 

 

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참고문헌

 

1. ‘산업 폐열을 이용한 열저장 및 운송 시스템 개발’ 현대 제철 에너지 기술개발 팀 & 한국산업단지공단 충남 EIP사업단 이도연 외 4명, 2016년

 

2. ‘지역난방 중온수를 이용한 유기랭킨 사이클의 성능 특성‘ 한양대학교 대학원 박우진, 2016년 2월

 

3.'가스엔진용 유기랭킨 사이클으 설계 및 제작', 부산대학교 기계공학부 한국가스공사 가스기술연구원, 이민석 외6명 2016.12.15.

 

4. Turboden, Exergy, 누리텍 회사 ORC시스템 소개 참조

 

5. "충남도, 현대제철 비상밸브 임의개방 검찰 고발", 오마이뉴스, 2019.05.11

 

6. '저온 폐열을 이용하기 위한 유기랭킨 사이클의 작동유체 선정에 관한 연구', 경상대학교 조수용, 조정현 교수, 2014.12

 

7. '태양광 발전의 효율, 그리고 온도와의 관계' ,대학생 신재생 에너지 기자단, 양찬미 외 4명 2018.08.03

 

8. ' USING THE PENG-ROBINSON EQUATION OF STATE TO EXPLORE WORKING FLUIDS FOR HIGHER TEMPERATURE ORGANIC RANKINE CYCLES', ASME 2014 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, Vincent D. Romanin 외 3명, 2014.11

 

9. 'ORC 발전시스템 소개', HTDR KOREA 열교환기술개발소, 2011

 

10. 'Global Auto News 연비 향상을 위한 친환경 기술 동향', 채영석, 2012.01.30

 

11. '유기 순위 사이클 (ORC) 시스템 시장 2019 크기, 상태 및 산업 전망 2025', maeilhk, Tejas More, 2020.01

 

12. 'Organic Rankine Cycle Market Size, Share & Trends Analysis Report By Application (Geothermal, Biomass, Waste Heat Recovery), By Region, And Segment Forecasts, 2019 - 2025', 2019.12

 

13. 'Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems', Sylvain Quoilin외 4명, 2013.06