히트펌트에서 수력발전까지 에너지기술의 총집합

1. 히트(열)펌프

열은 그 자신만으로는 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동할 수 없으며 열의 이동에는 반드시 일(Work)이 소요된다. 펌프가 물을 낮은 위치에서 높은 위치로 퍼올리는 기계라는 의미와 마찬가지로, 열펌프란 열을 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이동시킬 수 있는 장치를 의미한다. 사이클의 구성과 작동방법은 냉동기와 같으며 단지 저온열의 사용을 목적으로 할 때에는 냉동기, 고온열의 사용을 목적으로 할 때에는 열펌프(Heat Pump)가 되는 것이다.

열펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류되며 그중 가정용으로 많이 적용되는 형식은 압축식 열펌프이다. 이 압축식 열펌프는 에어컨이라 불리는 냉방장치의 역사이클로 생각하면 된다.

즉, 냉방전용의 에어컨은 실내에 설치된 실내기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실외에 설치된 실외기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리이며 열펌프는 반대로 실외기의 열교환기에서 열을 흡수하여 실내에 설치된 실내기의 열교환기를 이용하여 열을 방열시키는 원리다.

압축식 열펌프 사이클의 기본적인 구성요소는 저온부 열교환기인 증발기, 압축기, 고온부 열교환기인 응축기, 팽창변의 4개 요소로 구분되며 작동유체인 냉매는 증발, 압축, 응축, 팽창의 변화를 계속하면서 순환한다. 저온저압의 습증기상태의 냉매는 증발기에서 증발되면서 주변에서 증발잠열을 흡수하며 증발된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매로 배출된다. 증발기에서 배출된 저온저압의 건조포화증기상태의 냉매는 압축기에서 단열압축하여 고온고압의 과열증기상태의 냉매로 되어 응축기로 유입된다.

응축기로 유입된 고온고압의 과열증기상태의 냉매는 응축잠열을 방출시키며 고온고압의 포화액체상태의 냉매로 되어 팽창변으로 유입된다. 고온고압의 포화액체상태의 냉매는 팽창변에서 엔탈피 팽창을 하고 저온저압의 습증기상태의 냉매로 증발기로 유입된다. 일반적으로 저온부 열교환기인 증발기는 실외에 설치되며 고온부 열교환기인 응축기는 실내에 설치된다. 저온부 증발기는 실외에 설치되어 주변에서 열을 흡수하게 되며(열원이라 하며 가정용으로는 공기가 일반적으로 많이 적용된다), 고온부 응축기는 실내에 설치되어 주변으로 열을 방출(히트싱크라 하며 공기가 일반적으로 많이 적용된다)하여 난방에 사용하게 된다.

2. 집단에너지 시스템

주거, 상업지역 또는 공업지역과 같이 다수의 열수용가에 개별적인 난방용 열원시설을 갖추지 않고 1개소 또는 수 개소의 집중된 열원설비로부터 에너지를 일괄 공급하는 시스템을 말한다.

열생산은 열병합 발전방식이나 소각로, 상업폐열, 히트펌프(Heat Pump) 등을 이용하는데 주 방식은 열병합 발전방식으로 우리나라의 목동이나 서울화력발전소도 이에 해당한다. 집단에너지 공급사업은 크게 나누어 공단지역의 열병합 발전사업과 주거지역에 대한 지역난방사업, 소집단 지역난방 및 자가용 열 병합발전 등을 들 수 있다.

3. 소집단 지역난방

통상 엔진 발전기 및 가스터빈 발전기는 액체 또는 기체연료를 사용하는 것으로써 발전효율이 30∼40%이므로 고온의 배기가스열(엔진인 경우에는 냉각열 포함)의 손실이 필연적으로 수반된다. 이와 같은 손실에너지는 폐열회수장치를 부착하여 증기 또는 온수형태로 회수해 사업주가 다른 인근 건물이나 산업체에 공급하는 공동소유 설비를 일본 및 구미 일부 국가에서는 소집단 지역난방(C.E.S.: Community Energy System)이라고 부른다.

4. 열병합 발전

일반 발전소는 발전효율은 35~40%에 불과하다. 즉 100이라는 에너지(연료: 석탄, 석유, 가스 등)가 투입되어 실제 전기로 생산되는 에너지는 35~40 정도의 효율밖에 얻지 못하고 나머지는 보일러의 배기가스로 방출(10 이내)되고 대부분(50~55)은 강물이나 바닷물과 같은 냉수를 이용하여 강제로 열을 빼앗아 버려야만 발전사이클이 돌아가 전기를 생산할 수 있게 되는 시스템이다.

이때 만약 발전소를 열 수요가 있는 즉, 열이 필요한 도시 근처나 공장이 밀집한 곳에 지어서 바닷물이나 강물을 이용하여 버려지는 열을 회수하여 사용토록 하면 전기로 나오는 에너지가 35~40%가 될 것이며 열로써 이용되는 에너지는 50% 정도가 되어 효율은 최대 85~90%까지 올라갈 수가 있다. 이와 같이 열과 전기를 같이 사용하여 에너지를 효율적으로 쓰는 발전소를 열병합 발전소라 일컫는다.

우리나라에도 20여 곳의 산업체에서 개별로 또는 산업공단에서 단체로 열병합 발전소를 운영하여 전기와 함께 공장에서 필요한 증기를 동시에 생산하여 사용하고 있으며 남서울과 3~4곳의 신도시에서 열병합 발전에 의해 전기를 생산함과 동시에 고온수를 생산하여 난방과 급탕 등의 열로 활용되고 있다. 이렇게 열병합 발전을 할 때 증기나 열을 상당히 저렴한 값으로 생산할 수 있으므로 경제적이며 국가적인 차원에서도 상당한 에너지를 절약할 수 있는 좋은 방안이다.

5. 자가 열병합 발전

산업체의 자가사용 및 빌딩, 호텔, 종합병원, 센터 등 대형 건물에 설치되는 동일건물용 열병합 발전 설비를 말한다. 최근 정유공장 등 산업체 열병합 발전사업 생산공정에서 부수적으로 발생하는 에너지(부생가스를 이용한 가스터빈을 설치하여 자가 발전함으로써 공정에 소요되는 전기를 충당하고 가스터빈 발전기에서 배출되는 고온의 폐가스(연소 배기가스))를 열 분해로에 공급하거나 혹은 폐열 보일러를 이용하여 증기형태로 회수, 공정에 활용하는 방식이 많이 도입되고 있다.

6. LNG 냉열(冷熱)발전

LNG는 산지에 따라 그 조성이 조금씩 다르지만 주성분인 메탄의 비점이 영하 162℃로 kg당 약 200kcal의 냉열을 가지고 있어 액화산소 및 액화질소의 제조, 폐타이어 등의 분쇄, 식품의 냉동보존, 식품의 분쇄 및 드라이아이스 또는 액화 탄산가스와 제조 등에 이용된다. LNG를 가스화시키는 기화기 속에서 해수와 화력발전소의 열교환을 시키는데 이때 방출되는 에너지를 이용하여 발전하는 것이 냉열발전으로 화력발전소의 보일러와 중기 응축기 역할을 열매체의 기화기와 LNG기화기가 각각 하는 셈이다. 일본은 1974년 11월 출력 400kW의 시험발전소를 건설하여 세계 최초의 냉열발전에 성공한 데 이어 오사카 가스는 발전능력 1,450kW의 실용발전소를 건설하였다.

7. 열교환기

열교환기는 산업용 요로(窯爐)에서 배출되는 통로에 설치하여 버려지는 폐열(廢熱)을 회수하는 장비로, 일반적으로 열교환기의 전열관 외부로 폐열이 지나가고 전열관 내부로는 공기 또는 물이 통과되어 폐열로부터 열을 빼앗아 이들의 온도를 상승시킨다.

이렇게 가열된 공기 또는 물은 다시 버너로 투입되어 연소(燃燒)용 공기로 사용되거나 온수난방장치 혹은 뜨거운 물을 사용하는 현장 등에 활용하여 그만큼의 에너지 사용량을 줄이는데 기여한다.

열교환기의 종류는 분류방식에 따라 여러 종류가 있으나 재료적인 측면에서 금속재료를 사용하는 금속재열교환기와 세라믹재료를 사용하는 세라믹열교환기, 금속재와 세라믹재를 혼합하여 사용하는 혼합열교환기가 있으며 금속재는 부식(腐蝕), Creep 현상과 내열성(耐熱性) 등에 의하여 섭씨 800℃ 이하에서 사용할 수 있다. 세라믹재료는 부식에 강하고 내열성, 고온 강도 등이 우수하여 800℃ 이상 1,400℃까지의 고온폐열회수에 사용된다. 열교환기 설치에 따른 에너지절약 효과는 산업용 요로에서 나오는 폐열에 의하여 열교환기를 통과한 공기 온도가 상온보다 100℃ 높아질 때 약 5% 정도의 에너지절약 효과가 있다.