히트펌트에서 수력발전까지 에너지기술의 총집합

히트펌트에서 수력발전까지 에너지기술의 총집합

 

 

 

 

 

8. 스터링(Stirling) 엔진

 

스터링엔진(Stirling Engine)이란 실린더와 피스톤으로 이루어진 공간 내에 수소나 헬륨 등 작동가스를 밀봉하고 이를 외부에서 가열 냉각시킴으로써 피스톤을 상하로 움직여 기계적에너지를 얻게 되는 외연기관(External Combustion Engine)이다.

실제로는 실린더 내의 작동가스를 가열기, 재생기, 냉각기로 구성된 열교환기를 통해 가열 또는 냉각시킴으로써 그 팽창과 수축에 따라 피스톤이 상하운동을 하게 하여 동력을 얻게 된다.

이것은 가솔린 엔진 등 내연기관에 비하여 열효율이 더 높고 소음과 진동이 적다. 연료로는 석유류 외에 천연가스와 석탄, 신탄 등의 고체연료 또 공장폐열과 태양열 등도 다양하게 이용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.

스털링엔진의 역사는 매우 오래되었고 그 원리는 1816년 영국의 목사 스털링이 발명한 것으로 알려졌다. 그러나 이것은 한동안 증기기관과 내연기관의 빠른 발전 때문에 거의 자취를 잃어버렸다.

그러다가 근래에 와서 관련 기술, 특히 내열재료와 씰(Seal)기술의 발전, 그리고 에너지절약과 대체에너지의 중요성이 강조되면서 이 엔진의 개발이 다시 시작되었다.

이것은 엔진으로서 열역학적 이론상 가장 높은 효율을 가지며 또 연소할 때 폭발행정이 없어서 엔진의 진동, 소음이 낮고 또 폐가스의 정화도 유용하며 뿐만 아니라 외연기관이기 때문에 석유, 천연가스를 비롯하여 목질계 연료, 공장폐열, 태양열 등 여러 가지 열원을 이용할 수 있는 특징이 있는데 이 엔진은 공조(Air Conditioning)시설의 동력원과 산업분야의 여러 용도에 쓰일 이동식 동력원 등으로 응용될 것으로 기대되고 미국과 일본에서 연구개발이 진행되고 있어 머지않아 열효율 35% 및 엔진 수명 10년까지 달성될 것으로 보인다.

이 밖에도 주택밀집지역의 열병합발전시스템으로도 유망해 보이고 태양열발전용 및 인공심장의 동력원 등 특수용도까지 매우 광범위하게 이용될 전망이다.

 

 

 

 

9. 지역난방

 

일개의 도시 또는 일정한 지역 내의 주거용, 상업용, 공공용 수용가에 집중된 열원시설에서 그들이 필요로 하는 난방, 급탕 및 냉방에 필요한 열을 개별의 열 생산시설(유류, 가스보일러 등)을 갖추지 않고 집중화된 대규모 열 생산시설로부터 경제적으로 생산된 열을 배관망을 통하여 공급하는 방식이다.

지역난방열의 공급은 다음과 같은 과정을 통해서 이루어진다. 열생산시설에서 만들어진 지역난방 열매를 보온이 양호한 배관망을 통해 수용가 열교환기실까지 공급한다.

열교환기실까지 공급된 지역난방 열매는 별도의 수용가용 열교환기를 통하여 수용가 내부 순환 온수에 열을 전달한 뒤 다시 열생산시설로 회수된다. 열교환기실에서 열을 전달받은 수용가 온수는 각 세대 또는 빌딩의 각 층에 공급된다.

 

 

 

 

10. MVR 시스템

 

기계적증기재압축시스템(Mechanical Vapor Recompression System)이라 불리는 이 시스템은 제품생산공정에서 발생하는 저온 폐열의 자기증발증기나 간접 열교환에 의한 열 매체 증발증기를 모터 또는 터빈구동방식의 압축기로 흡입, 압축시켜 생산공정의 가열 열원으로 재사용하는 기술이다.

이 시스템은 원래 증발공정의 배출증기를 재압축하는 데서 시작된 것으로 기계적 압축을 위한 전기에너지(전력)와 회수증기(유류)와의 가격대비로 그 경제성이 결정되고 식품 및 석유화학산업의 증발 및 증류공정 등에서 적용 효과가 크다고 하나 응용방식의 다양성과 적용공정에 따른 시스템 제어기술의 난이성으로 일반화된 시스템 개발에는 어려움이 있다.

또한 시스템의 주기기인 압축기의 국내설계 및 제작기술이 아직은 미흡하므로 낮은 효율 및 과다한 초기 투자비가 확대 보급에 문제점으로 지적되고 있는 바, 설계와 제작기술의 확보가 우선으로 선행되어야 할 것이다.

 

 

 

   

 

11. MVR을 이용한 해수담수화 기술

 

해수담수화란 바닷물에 녹아있는 염분을 제거하여 사람이 먹고 사용할 수 있는 담수로 바꾸어 주는 기술로 가장 간편하고 오래된 방법은 바닷물을 끓여 생긴 수증기를 응축시켜 담수를 얻는 방법이다. 이는 1953년 R. Hawkins가 신대륙 항해 시 증발기를 사용하여 해수를 담수화한 것이 그 시초이며 본격적인 해수담수화 시설은 1960년 중동의 쿠웨이트에 설치한 하루 4,000m3 용량의 플랜트였다. 이후 증발법을 포함하여 역삼투막(RO)법, 전기투석법, 냉동법 등 다양한 해수담수화 기술들이 개발됐으나 현재까지 가장 주목받고 있는 기술은 증발법과 역삼투막법이라고 할 수 있다.

그러나 증발법은 단순하고 유지관리가 용이하지만 단위생산 수량당 에너지비용이 너무 비싸다는 단점을 가지고 있으며 역삼투막법은 에너지소비량은 비교적 낮지만 막의 성능 및 수명을 유지하기 위한 주기적인 세척과 필터교환 등 전처리과정이 복잡하여 유지관리가 불편한 단점을 가지고 있다.

이에 따라 한국에너지연구소에서는 기존 증발법의 장점은 그대로 유지하면서 역삼투막 기술과 비슷한 수준의 낮은 에너지소비량을 갖는 증기재압축(MVR)식 해수담수화시스템을 개발하기 위하여 지난 10여 년간 전(前) 과학기술부와 전(前) 산업자원부 지원으로 연구소 내에 설치된 다목적용 MVR Pilot Plant를 이용한 해수담수화시험 운전 결과, 저에너지비용의 새로운 해수담수화 기술의 상용화 가능성을 확인하였다.

MVR 증발법은 기존의 증발방식의 장점을 그대로 유지하면서 보일러의 생증기 대신에 자체발생 증기의 재압축에 필요한 약간의 전력만을 필요로 하므로 아래에서처럼 기존 증발방식들과 비교하면 에너지의 대폭 절감은 물론 추가적인 보일러 시설 및 응축에 필요한 냉각수가 필요없는 기술로 보수유지 및 자동제어가 용이하다.

원래 이 기술은 1, 2차 Oil Shock 시 주로 식품공장의 물엿, 포도당, 과당, 맥즙농축 공정의 에너지절약기술로 도입되었고 근래에는 펄프공장의 흑액농축 및 주정공장의 주정폐액 처리, 도금폐액처리, 음식물쓰레기 탈수여액처리, 농·축산 및 생선가공 배출액처리 등 각종 산업분야의 에너지절약형 환경기술로 그 응용범위가 확대되고 있다. 특히 대형 보일러시설이 필요 없고 자동제어가 용이하며 설치면적이 작아서 섬지역이나 군부대시설, 중소형 단위공장에서 풍력 또는 디젤발전을 이용한 On-Site 용 담수화 또는 공업용수화 분야에 그 응용 잠재력이 매우 높은 기술이다.

최근 한국에너지기술연구소에서는 이와 같이 다양한 응용분야에 적합한 최적 MVR증발시스템을 개발하기 위해 연구소 내에 시간당 증발량 0.4톤 규모의 다목적용 MVR증발 Pilot Plant를 건설하여 각종 수요조건에 대비한 최적설계자료를 확보하고 있으며 1차로 해수담수화 운전을 성공적으로 완료하였다.

 

 

 

 

12. TVR시스템

 

열 압축시스템(Thermal Vapor Recompression System)이란 Jet Pump(Ejector)의 여러 기능 중에서 고압의 증기를 구동원으로 하여 저압의 폐증기를 흡입·압축한 후, 압축된 토출 증기를 공정의 가열 열원으로 재사용하는 기능(열압축기: Thermo Compressor)을 이용한 폐열회수 시스템이다.

원래 시스템의 주기기인 Steam Ejector는 고진공도를 요하는 단위조작에 주로 이용하며 시설투자비가 낮고 기기의 설치 및 운전의 용이성으로 석유화학 및 식품 등 각종 산업공장에서 발생하는 저온 폐열을 회수하기 위한 목적으로 그 종류 및 응용범위가 매우 다양하다.

대표적인 응용분야로써는 석유화학, 식품, 제지, 제철, 화력발전 등의 증기순환(페열회수) 및 진공장치로 이용된다.

 

 

  

13. IGCC(석탄가스화 복합 발전)

 

석탄을 연소하면 일반적으로 산성비를 유발하는 유황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)이 발생하며 석탄회분에 의한 분진 등이 발생하고 있어 미국, 일본, 호주 등 선진국에서는 석탄을 깨끗하게 사용하기 위한 석탄 청정이용기술을 적극적으로 개발하고 있다.

이러한 석탄 청정이용기술 가운데 석탄가스화 복합 발전(Intergrated Gasification Combined)은 재래식 미분탄 방식과 비교하면 환경보전 측면에서 매우 우수한 특성을 지니고 있으며 경제적인 측면에서도 2000년대 초 미분탄 발전소와 경쟁할 수 있을 것으로 예상한다.

이 방식은 석탄을 가스화하여 정제한 후 가스터빈 연료로 사용하여 발전하고 그 배열을 이용하여 증기를 발생시킴으로써 증기터빈을 구동하는 복합발전시스템으로 석탄처리설비, 석탄가스화설비, 가스정제설비(탈황, 탈분진), 복합발전설비 등으로 구성되어 있다.

우리나라에서는 정부의 대체에너지 개발사업으로 출연 연구기관 및 대학에서 이 기술을 개발하고 있으며 미분탄 화력발전보다 공해문제 및 지구 온난화 문제 등 환경 측면에서 유리하기 때문에 발전소 건설에 따른 입지선정 등에 어려움이 적을 것으로 예상된다.

또한 핵심기술의 국산화를 통하여 연관된 첨단기술 분야의 기계, 시스템, 재료, 설계 등과 같은 분야에서 국제 경쟁력을 배양할 수 있고 석탄으로부터 화학 공업원료를 추출하는 기술의 기반확립에 많은 도움을 줄 것으로 보고 있다.

 

 

 

 

14. CWM(석탄, 물 혼합연료)

 

석탄슬러리 연료는 Oil과 같은 방법으로 탱크저장, 펌프에 의한 배관수송, 버너에 의한 연소가 가능하도록 제조된 것으로써 석탄(65%)+물(35%)+첨가제(미량)를 분쇄, 혼합 및 안정화 과정을 거쳐 유체상의 연료로 만든 것을 말한다.

이 연료의 특성을 살펴보면 액체연료와 같은 방법으로 저장, 수송, 연소할 수 있으며 선박에 의한 수송 시 부두 하역시설이 크게 간편한 이점이 있다.

또한 석탄의 수송, 저장, 분쇄 시 발생하는 비산분진에 의한 환경공해가 없고 화재의 위험이 없으며 다른 석유대체연료에 비해 비교적 빠른 시기에 실용화할 수 있고 대량의 석유대체와 경제성이 높다.

 

 

 

 

 

15. 석탄 액화 기술

 

석유자원은 지역적으로 상당히 편재되어 있다는 점 때문에 공급 및 가격의 불안정성을 충분히 내포하고 있다. 최근 석유수급이 비교적 원활하여 에너지수급이 원만하지만 중·장기적으로는 원유의 증산이 한계에 이르고 생산량 감소 현상이 일어나게 되므로 세계적으로 액체연료가 부족하리라 예상된다.

석탄 액화 기술의 기본원리는 고체상태인 석탄을 액체연료로 전환하기 위해 고온(430~460℃) 및 고압(약 100~280기압)의 반응조건하에서 수소를 첨가해서 생성물의 수소/탄소 비를 1.5~2.0 정도로 증가시킴으로써 에너지 밀도가 높고 수송 및 보관이 용이한 청정 인조원유를 제조하는 기술을 의미한다.

이 기술은 이미 2차 세계대전 중에 독일에서 자국의 부족한 항공기 및 휘발유 연료를 충당하기 위하여 최초로 개발되었으며 현재는 미국, 일본, 영국, 서독 그리고 캐나다와 같은 선진국을 중심으로 경제성 향상을 위하여 국가적인 차원하에서 반응조건의 완화와 품질개선을 위한 연구가 중점적으로 수행되고 있다.

특히 대표적인 석탄 액화 공정으로 미국은 촉매이단공정인 CTSP(Catalytic Two Stage Process)과 일본의 NEDOL 공정으로써 각기 DOE 및 New-Sunshine 계획의 지원으로 Pilot 규모로 개발되어 연구되고 있으며 주요개발 대상 핵심기술로는 반응효율의 극대화 및 최적화를 위한 고활성 신촉매 개발기술 및 공정 최적화라 할 수 있다.

현재 석탄 액화 기술은 배럴당 35달러 정도가 되지만 핵심기술개발 및 주변기술(고/액 분리효율 상승)을 통해 배럴당 25달러 정도로 낮추기 위한 연구를 수행 중에 있으며 국내는 한국에너지기술연구소에서 1kg/hr 용량의 연속식 액화 시험설비를 통해 반응 및 공정효율 개선연구가 수행되고 있다.

[출처] Special Report - 1부 인류를 살리는 23가지 에너지기술 ② (월간 전기산업) |작성자 무지개별