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670 … NICE, 제33권 제6호, 2015
신사업 소개
1. 개 요
인류의 무분별한 에너지의 사용은 기후변화라는
커다란 문제를 야기(惹起)하고 있다. 지구의 기온이
오르고 해수면이 상승하면서 발생하는 결과는 빈곤
이나 죽음으로 이어지기 때문이다. 이를 해소하기
위한 방안으로 각국의 정상들이 오는 12월 프랑스
파리에 모여 신기후체제 (Post-21)에 대한 구체적인
협상문안을 확정하기 위한 회의가 있을 예정이다.
또한 우리나라는 에너지의 97%를 외국으로부터 수
입하여 사용함에 따라 막대한 비용이 소요되고 있어
환경문제 뿐 아니라 에너지의 사용량을 줄이려는 많
은 노력이 필요한 실정이다. 본고에서는 일반적으로
산업체에서 버려지는 에너지를 새로운 기기를 융합
하는 시스템을 개발하여 지역난방 열로 이용하는 에
너지 회수사례에 대해 기술하고자 한다.
2. 지역난방사업 소개
지역난방사업이란 1개소 이상의 집중된 에너지
생산시설(열병합발전소, 열전용보일러, 자원회수시
설 등)에서 생산된 열을 주거, 상업지역 다수의 사용
자에게 일괄적으로 공급·판매하는 사업으로 에너
지 이용효율이 높은 열병합발전시스템을 적용함으
로써 에너지절감, 온실가스 배출량 감축 및 분산형
전원으로써 국가의 전력수급에도 크게 기여하고 있
다. 국내 지역난방 사업은 1970년대 초 울산, 여천 석
유화학 산업단지를 중심으로 처음 시작되었으며, 가
정용을 중심으로 본격적으로 도입되기 시작한 것은
1980년대 중반부터였다. 1970년대 두 차례 석유위기
를 겪은 후 에너지절약에 대한 절실함과 아울러 소
득향상에 따른 에너지사용량 증가로 대기환경 문제
가 부각되면서 지역난방에 대한 정책적 관심이 커진
것이다. 이후 1983년도 서울시 목동 및 신정동 일원
의 신시가지 개발 지역에 열병합을 이용한 지역난방
이 최초로 도입되었으며, 90년도 초반에 분당, 일산,
평촌, 중동 등 신도시 지역에 급속한 확산이 이루어
졌다. 최근에는 수도권 외 지방에서도 대규모 택지
개발지구를 중심으로 지속적인 확대 보급이 진행되
고 있다. 2014년 말 기준 31개 사업자가 56개소에서
약 234만세대에 공급 중이며, 11개 사업자가 11개소
에서 신규로 건설 중에 있다.
3. 미활용에너지
미활용에너지(Unutilized Energy)란 인간이 생활을
영위하거나 산업체의 생산 활동을 위해 사용한 에너
지 중 경제적 가치, 이용방법의 한계 등의 이유로 더
이상 사용하지 못하고 자연계로 최종 배출되는 에너
지(도시폐열)와 자연에 풍부하게 존재하는 자연에너
지 중 그 활용이 도시환경에 생태학적으로 크게 영
향을 주지 않는 에너지(온도차에너지)를 지칭한다.
도시폐열은 주로 쓰레기 소각장, 지하철, 하수처리
히트펌프를 활용한 미활용에너지
회수 기술
김승태
GS파워
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 33, No. 6, 2015 … 671
신사업 소개
장, 변전소, 발전소 등 도시기반시설 및 산업체로부
터 버려지고 있는 각종 폐열을 의미하며, 온도차에
너지(Temperature Difference Energy)란 그 수온이 통
상 여름철에는 대기온도보다 낮고 겨울철에는 대기
온도보다 높은 하천수, 하수, 해수 등을 말한다. 이러
한 저온 또는 고온의 열에너지를 공정 또는 시스템
계통내에서 가치가 있는 유효한 에너지로 최대한 회
수하고, 이용 효율을 올리기 위해 열교환기 등 각종
열회수 장치 도입은 필연적이며, 에너지 절감 측면
에서 매우 중요한 관점이 되고 있다. 폐열은 열에너
지의 온도수준, 형태, 물질특성에 따라서 다양한 형
태와 방법으로 열회수 장치를 도입하여 열을 회수할
수 있다.
일반적으로 사용되고 있는 열 회수장치의 종류는
·히트펌프 설치 (흡수식, 압축식 등)
·잉여 또는 공정폐증기 이용장치
·증기터빈 (폐증기 이용 복수터빈, 감압터빈 등)
· 응축수 회수장치 (Flash Vessel, 탈기기시스템, 고
온고압펌프 등)
· 폐열보일러 (공정폐열회수, 소각폐열회수, 가열로
배가스열회수)
· 폐열열교환기 (공기예열기, 절탄기, 축열식 열교
환기 등)
4. 폐열회수 장치 소개
가. 히트펌프
물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며, 낮은 곳의
물을 높은 곳으로 이송하는 기기를 일반적으로 펌프
라 칭한다. 히트펌프는 반대로 낮은 온도에서 높은
온도로 열을 끌어 올리는 역할을 한다. 처음에는 냉
장고, 냉동고, 에어컨과 같이 압축된 냉매를 증발시
켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발되었으나, 지금
은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원(
熱源)을 고온으로 전달하는 냉방장치, 고온의 열원
을 저온으로 전달하는 난방장치, 냉난방 겸용장치를
포괄하는 의미로 쓰인다. 히트펌프는 구동 방식에
따라 전기식과 흡수식으로 구분된다. 작동원리는 난
방용의 경우, 압축기에서 고온·고압으로 압축된 냉
매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열
을 온도가 낮은 바깥쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하
도록 구성되어 있다. 냉방용은 이와 반대로 응축기
는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어
응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로써 냉
방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만들도록 시
스템이 구성되어 있다. 최근 히트펌프는 용량을 크
게하여 산업체 등에서 버려지는 미활용에너지를 회
[지역난방 열 생산 및 공급 개념도]
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신사업 소개
수하는 기기로 새로운 주목을 받고 있다. 히트펌프
의 구동 동력에 따라 전력을 사용하는 전기식과 열
을 사용하는 흡수식으로 구분된다. 전기식의 경우
상대적으로 높은 효율로 미활용에너지를 회수할 수
있으나 2차 에너지인 전력을 소모하게 된다. 따라서
1차 에너지 또는 폐열로 구동되는 흡수식 히트펌프
의 시스템 개발이 활발히 진행되고 있다.
5. 히트펌프를 적용한 미활용에너지 회수 사례
가. 염색폐수 미활용에너지 회수
반월공단에 위치한 염색업체에서 버려지는 대량
의 염색폐수에 함유된 미활용에너지(동절기 평균온
도 34.5℃)를 흡수식히트펌프를 이용하여 유용한 에
너지로 전환 후 인근 지역난방 사업자에게 공급함으
[흡수식 히트펌프의 작동 개념]
[전기식 히트펌프의 작동 개념]
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신사업 소개
로써 에너지의 사용량을 줄이고 이에 따른 온실가
스 배출량 감축 및 악성의 염색폐수 처리에 필요한
화학약품과 에너지의 사용량을 절감함으로써 염색
폐수 업체와 지역난방사업자가 윈윈 할 수 있는 모
범적인 사업으로 평가받고 있다. 본 사업에 대한 효
과는 시간당 19.8Gcal의 미활용에너지를 회수함으
로써 연간 약 1,700TOE의 에너지사용 (LNG 기준
1,935kNm3) 을 절감할 수 있으며, 이에 따른 온실가
스 배출량은 이산화탄소 기준으로 연간 약 4,000톤의
절감효과를 이룰 수 있었다.
나. 발전소 배기가스 미활용에너지 회수
일반적으로 발전소 및 산업체 보일러의 굴뚝을
통해 버려지는 에너지는 전체 연료로 주입된 에너지
의 약 10%가 해당한다. 이렇게 대기로 버려지는 에
너지의 양을 최소화 하기 위해 절탄기(Economizer)
를 설치하여 배기가스폐열의 온도를 약 85℃까지 회
수하고 있다. 본 프로젝트에서는 저온 현열회수는
물론 잠열 영역까지 회수하기 위하여 판형관구조의
특수 열교환기를 보일러 후단에 설치하고, 저온으로
회수된 열을 효용 가치가 있는 지역난방 열로 활용
[사업 개념도]
[사업 개념도]
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신사업 소개
하기 위하여 히트펌프를 설치하였으며, 또한 경제성
을 극대화하기 위하여 지역난방수를 히트펌프 구동
열원으로 사용하였다. 본 사업에 대한 효과는 시간
당 약 12Gcal의 미활용에너지를 회수함으로써 연간
약 2,700TOE의 에너지사용 (LNG 기준 3,100 kNm3)
을 절감할 수 있으며, 이에 따른 온실가스 배출량은
이산화탄소 기준으로 연간 약 6,700톤의 절감효과를
이룰 수 있다.
� 에너지회수량 산정 이론적 근거
85MW급 가스터빈 열병합기준으로 1차 배기가
스 현열회수를 거치고 배기가스 온도 85℃에서 40
℃까지 2차 열 회수를 실행 할 경우 열 회수량을 아
래와 같이 산출할 수 있다. 아래 그림과 같이 배기가
스 중의 수분 함량 5.5%를 기준으로 배기가스의 dew
point(B)는 43.5℃이다. 배기가스 온도 85℃로부터
열을 회수할 경우, dew point에 의해 현열회수구간
(A→B)과 잠열 회수구간(B→C)으로 나뉘게 된다. 현
열구간에서 85℃의 배기가스 엔탈피(55.5 kcal/kg)와
43.5℃배기가스 엔탈피(44.5 kcal/kg)의 차는 11 kcal/
kg이다. 잠열구간에서 43.5℃ 배기가스 엔탈피(44.5
kcal/kg)와 40℃배기가스의 엔탈피(38 kcal/kg)차는
6.5 kcal/kg이다. 배기가스의 량이 700 t/h라고 가정
할 때 현열구간에서 7.7 Gcal/h, 잠열구간에서 4.6
Gcal/h, 총 12.3 Gcal/h의 열을 회수할 수 있다. 아래
그림에서와 같이 배기가스의 수분함량은 5.5w%에서
4.6 w%로 내려가면서 6.6 t/h의 응축수가 발생하게
된다. 2차 잠열회수에서 배기가스 최종단 온도(℃)와
관련하여 열회수용 열매의 온도가 낮을수록, 배기가
스열교환기의 전열효율이 높을수록 더 낮은 온도를
얻을 수 있으며 따라서 회수할 수 있는 잠열의 양도
상승하게 된다.
6. 맺는 말
정부는 지난 6월 30일 2030년 배출전망치(BAU) 대
비 37% 감축하겠다는 국가 온실가스 감축목표를 확
정 발표했다. 이에 따라 국내 산업계의 대규모 에너
지 사용자를 중심으로 온실가스 배출 감축을 위한 다
양한 방안이 검토되고 있다. GS파워는 산업단지, 발
전설비, 지역난방사업자 등의 열 생산 시설에서 버려
지는 미활용에너지를 회수할 수 있는 사업모델을 지
속적으로 발굴 실행하여 국가적인 차원의 에너지절
감은 물론 이에 따른 실질적인 온실가스의 감축이 이
루어 질 수 있도록 적극적으로 추진하고자 한다.
[습공기 선도]
