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버려지는 에너지를 다시 사용하다! ‘폐열 에너지’

  • 2015.08.21.
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여러분은 공장이 많은 지역에 가본 적이 있으신가요?

공장 밀집 지대에 가보면 굴뚝에서 뜨거운 수증기가 나오는 것을 쉽게 볼 수 있습니다. 대부분의 공장에서 생산되는 제품에는 열처리 과정이 필요한데요. 이런 열처리 과정에서는 많은 에너지가 소모되기 마련이죠. 하지만 문제는 뜨거운 열기가 제품 제조 이후에 그냥 버려진다는 점입니다.

과거에는 이런 버려지는 에너지를 대수롭지 않게 생각했지만 최근에는 이렇게 버려지는 에너지를 다시 활용하는 것을 폐열에너지가 주목받고 있습니다.

 

◆ 폐열 에너지란

일반적으로 발전소에서는 물로 수증기를 만들고 수증기의 압력을 이용해 발전기의 ‘터빈’을 돌려서 전기를 만들고 물을 끓이기 위해 석탄이나 석유를 쓰는 것이 화력발전이며, 우라늄의 핵분열에서 나오는 열을 이용하는 것이 원자력발전소입니다.

그런데 연료를 따로 태우지 않고 다른 곳에서 버려지는 열을 이용하여 발전기를 가동시킬 수도 있습니다. 에너지기술연구원에 따르면 국내 총에너지 소모량의 44%를 산업체가 사용하고 있는데 이 중에 5% 정도가 폐열로 버려지는 것으로 알려져 있습니다.

산업체에서 폐열로 버리는 에너지의 15%만 다시 전기로 바꾸어도 시간당 9200GW(기가와트) 정도의 전기를 얻을 수 있는데요. 이만한 에너지를 화력발전으로 치면 매년 석유 220만 t 이상을 수입해야 하는 양이고 원전으로는 고리 1호기 발전량의 약 두 배에 달합니다.

 

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◆ 폐열에너지 현실가능성이 있을까?

그러나 폐열에너지도 문제가 있습니다.

현실적으로는 폐열이 내는 수준의 열로는 발전기를 가동시킬수야 있지만, 경제성이 떨어져서 제대로 활용하기 어렵습니다. 열원을 이용한 대부분의 발전기가 물을 끓여서 수증기의 압력으로 터빈을 돌리는 방식이라 물을 한 번에 확 끓어오르게 할 만큼 높은 온도가 아니면 효율이 떨어집니다.

폐열발전이 개념상으로는 그리 어려운 것이 아님에도 아직 상용화되지 않은 이유는 이러한 한계 때문입니다. 이를 극복하려면 특수한 기술이 필요합니다. 가장 핵심은 물 대신 터빈을 돌릴 물질을 만들어내는 것입니다.

물보다 낮은 온도에서 기화하면서도 기체가 되었을 때 부피가 크게 늘어나서 강한 힘으로 터빈을 돌릴 수 있는 물질만 개발한다면, 폐열발전도 그리 어려운 일은 아닐 것입니다.

 

◆ 폐열에너지 개발을 위한 노력

에너지기술연구원이 2012년 개발한 ‘저온 터보 발전기는 물이 아닌 ‘R245fa’라는 복잡한 이름의 화학물질로 터빈을 돌립니다.

이 물질은 ‘프레온가스’와 성질이 비슷해 가전제품 등에 냉매로 쓰이지만, 오존층을 파괴하지 않을 뿐 아니라 15도에서 기체로 바뀌는 특징이 있습니다. 따라서 70∼100도의 열만 있어도 충분히 발전이 가능합니다. 발전에 쓰인 화학물질은 외부로 배출하지 않고 일단 발전기 안에 다시 모은 후 다음 발전 때 계속 사용할 수 있습니다.

발전소에서 사용하는 높은 온도의 열이 아니라도 어느 정도 수준의 ‘열원’만 있으면 24시간 에너지 공급이 가능한 것으로, 이러한 기술은 현재 미국, 이탈리아, 독일, 벨기에 정도만 보유하고 있습니다.

 

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◆ 폐열에너지의 미래

저온 발전기는 보통 공장에서 발생하는 100∼200도 정도의 수증기를 이용하지만 약간만 변형하면 온천과 기존 발전소 등에서 터빈을 식히고 쏟아져 나오는 뜨거운 물(온배수)로도 가동할 수 있습니다.

먼저 열을 흡수하는 ‘서멀오일’이란 기름을 데운 다음 뜨거워진 기름으로 다시 전기를 만들기 때문에 안정적입니다. 일본 등 온천수가 풍부한 나라에서는 이 장치를 이용해 대규모 발전시설을 설립하는 것도 가능하기 때문에 ‘저온 발전소 수출’도 기대해볼 수 있습니다. 특히 국내 기술은 미국이나 유럽의 저온 발전기에 비해 효율면에서 전혀 뒤처지지 않기 때문에 해외 시장에서도 충분한 경쟁력이 있을 것으로 기대됩니다.

폐열에너지 적용이 유력한 곳은 공장이라고 할 수 있는데요. 각종 산업현장에서 나오는 막대한 양의 폐열을 이용하면 공장에 필요한 전력 일부를 자체 공급할 수 있습니다.

다만 발전 원리는 기존의 대형 발전기와 비슷하지만 세세한 설계가 모두 바뀌기 때문에 처음부터 다시 제작해야 하므로 상용화에는 시간이 필요하겠죠?

 

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