ORC 시스템의 폐열 회수를 통한 청정 발전

 

그러나 세계적으로 주요 에너지 생산을 살펴보면 열 부산물을 2차 에너지원으로 이용하는 것에 거의 관심을 두지 않고 있었습니다. 가장 비용 효율적이지만 개발되지 않은 자원은 바로 폐열입니다.

많은 산업 공정에서는 엄청난 에너지가 소비되며, 방대한 양의 배기가스와 폐수를 방출합니다. 공정 비효율성과 폐열을 회수할 수 있는 기존의 기술 부재로, 현대 산업에서 사용되는 엄청난 양의 에너지가 대기중으로 직접 또는 냉각 시스템으로 손실됩니다. 폐열로부터 에너지 생성의 효율은 폐열원의 온도에 좌우되기 때문에 현재까지 대량으로 폐열을 회수할 수 있는 실용적이거나 경제적인 방안이 없었습니다. 현재 기술은 폐열의 대부분이 150°C 미만이기 때문에 매체의 열원에 대한 공정을 고온(260°C 이상)으로 제한합니다. 그러나 더 낮은 온도에서 가능하게 해주는 신기술이 출현하고 있습니다.

ORC: 재정적으로 실현 가능

이와 같이 새롭게 출현하는 기술 중 하나인 ORC(Organic Rankine Cycle)는 온도에 대한 요구 사항을 낮춰 폐열의 회수와 전기로의 전환을 경제적으로 실현 가능하게 만들어줍니다. ORC의 작동 원리는 발전소에서 증기 터빈 작동을 기술하는 안정적인 랭킨 사이클과 동일합니다. 폐쇄 회로로 국한되는 동작 유체가 먼저 보일러 즉 증발기로 보내져서 증발됩니다. 터빈으로 통과할 때 유기 증기 유체는 평창되고, 최종적으로 다시 응축되는데, 일반적으로 쉘&튜브 열교환기를 증발기 및 응축기로 사용하여 왔습니다. 응축된 유체가 다시 증발기로 펌프되면 열역학 사이클이 완료됩니다. 증발은 고온/고압 측에서 발생하며, 응축은 정상적인 냉동 사이클의 정반대인 저온/저압 측에서 이루어집니다.

축상 터빈에서부터 피스톤 또는 방켈 익스팬더까지 다양한 종류의 동작 유체(탄화수소 또는 냉매)와 에너지 컨버터를 사용할 수 있어 폭넓은 온도 범위에 대해 양호한 성능을 제공하는 시스템 설계가 가능해졌습니다. 또한 열교환기 생산업체에게는 유량계수, 압력 강하에 극히 민감한 시스템 내의 압력과 온도의 복잡한 조합을 해결해야 하는 과제를 안겨줍니다. 역사적으로 이 때문에 고가의 비용이 들고 세부적인 부분이 조정된 솔루션이 요구되었습니다. 오늘날, 대부분의 사례는 대량 생산되는 모듈식 브레이징 판형열교환기로 해결될 수 있습니다. 이러한 기술적 진보 덕분에 단순 시작/중지 절차, 자동 작동, 최소한의 유지보수, 부분 부하에서 우수한 성능, 매우 안정적이면서 조용한 작동이 가능해졌습니다.

일본의 쓰레기 소각장에서 청정 전력 생성

ORC 시스템을 위한 열교환기 구성품의 개발은 지난 몇 년 동안 가속화되었습니다. 특히 이러한 현상은 일본에서 극명히 나타났으며, 핵발전의 의존도 감소와 함께 기술 진보, 산업 발전을 위한 에너지 필요가 그 원동력이 되었습니다. 일본에 근거지를 둔 업체인 Daiichi Jitsugy가 Ertec의 새로운 쓰레기 소각장에 ORC 시스템 설치를 요청했을 당시, 회사의 엔지니어는 기존의 것이 아닌 새로운 열교환기가 필요할 것이라는 점을 알았습니다. 자연스럽게 이들의 선택은 SWEP이었습니다. Daiichi와 Ertec은 2011년 후반부터 SWEP을 알아왔으나, 수년 동안 SWEP은 미국 기반 업체인 Access Energy와 협력해왔습니다. 이 업체는 발전소 ORC 시스템의 핵심 부품의 제조를 맡아왔습니다. “우리의 협업은 2012년 4월에 시작되었습니다. 그때가 최초의 ORC 데모 발전소였죠.” Daiichi의 프로젝트 책임 엔지니어인 Osamu Ito가 이렇게 말합니다. “Ertec에서 최초 테스트 장치는 B500s를 사용한 것이었습니다.” SWEP Japan 세일즈 매니저인 Seiichiro Misaki의 말입니다. 야마나시현의 민영 소각 시설에서는 이제 소각 공정에 의해 생성되는 뜨거운 연도 가스 열로부터 청정 전력을 생성하고 있습니다. ORC 시스템은 연도 가스로부터 열을 제거하고 전기 전력으로 전환하는 데 사용되며, 이 전력은 시설내에서 사용되거나 해당 지역에 판매될 수 있습니다.

“테스트 장치의 결과가 아주 우수했기 때문에 Daiichi는 75 KW에서 125 KW로 용량 증가를 원했고, 훨씬 더 향상된 성과를 원했습니다.” Seiichiro Misaki는 이렇게 설명합니다. SWEP은 그와 같은 결과를 전달할 수 있었습니다. “우리는 최적의 BPHE를 계산해 선택할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다.” Seiichiro Misaki는 이렇게 말하며, “또한 최적 용량의 BPHE를 보유하고 있습니다. 많은 프로젝트에서 우리는 경쟁사보다 월등히 높은 성과를 실현하고 있으며, 우리의 예측치와 선택 옵션에 대해 가장 근접한 성과를 입증해 보일 수 있었습니다.”고 설명했습니다. 이 특정 발전소에서는 SWEP에서 가장 큰 열교환기인 B649가 채택되었습니다. “이 프로젝트는 상대적으로 작은 발전소이지만, 많은 전력을 생산하고 있습니다.” Osamu Ito의 말입니다. “우리는 더 많은 전기 생산에 끊임없이 중점을 두고 있습니다.”

보통을 뛰어넘는 용량을 갖춘 열교환기

최소 두 배의 용량을 전달하는 B649는 현재 시중에 나와 있는 동급의 모든 열교환기 중에서 가장 강력한 솔루션입니다. 컴팩트한 크기 덕분에 공간을 절약할 수 있고, 필요한 배관과 커플링 수가 줄어듭니다. 핵심 부품이 스웨덴에서 생산되는 B649는 지역 냉난방 네트워크, HVAC 및 산업용 프로젝트를 위해 제작됩니다. 간단히 말해 높은 작동 압력에서 긴밀한 온도 접근을 지원하는 효율적인 컴팩트 BPHE가 필요한 모든 분야가 해당됩니다. B649는 부품의 마모나 찢어짐 없이 가스켓 판형열교환기와 같은 대용량을 대체할 수 있습니다. 지지 장비, 프레임 등을 위해 많은 재질을 사용하는 다른 기술과 비교해서, B649의 재질 중 95%는 열을 전달하는 데 사용됩니다. 25 bar의 높은 압력 등급을 포함해 3가지의 압력 등급으로 사용할 수 있는 B649는 예비 부품, 공간, 에너지 소모, 운송 및 설치 면에서 비용을 절약해줍니다.

열교환기가 최초로 상업적으로 생산되었으나, 신규 모델 중 하나인 SWEP은 설치 시점에서 KHK(The High Pressure Gas Safety Institute of Japan, 일본 고압 가스 안전 기관)으로부터 승인을 획득할 수 있었습니다. “대량의 플레이트도 충분히 지태할 수 있었습니다(294개, 390개 플레이트).” Seiichiro Misaki는 이렇게 설명합니다. 결과는 지금까지 아주 성공적입니다. 2013년 11월 말, Ertec 발전소에서 성대한 파티가 열렸습니다. “많은 고객들을 현장에 초대했습니다.” Osamu의 말입니다.

“열광적인 분위기 속에서 모든 사람들이 발전소의 성공을 축하하였습니다. SWEP은 신뢰할 수 있는 파트너이자 공급업체입니다.”

끊임없는 개발

 

ORC는 액상 폐열원을 주로 이용하지만, 이제 Daiichi는 높은 온도와 압력을 염두에 두고 대신 스팀원을 사용합니다. 열원은 같을 수 있으나, 전기 생산의 우선순위가 높기 때문에 시스템이 고온에서 에너지를 보관합니다. 시스템은 계단식 공정을 통해 에너지를 공급받는데, 여기서 스팀이 전체 또는 부분적으로 응축되고 동작 유체가 증발됩니다. 일반적으로 스팀 작동 온도는 130-180°C 범위이나, 원칙적으로는 상한이 없습니다. 최대한의 에너지 효율을 구현하고 뛰어난 시스템 성능을 전달하기 위해 설계된 모든 SWEP BPHE는 60-70°C의 낮은 온도에서도 사용될 수 있습니다. 따라서 태양열 발전과 같은 온도가 제한된 재생 에너지원에 대해 완전히 새로운 가능성을 가져다 주므로 SWEP은 명실상부 미래의 개발을 함께할 믿음직한 파트너인 것입니다.