공장 폐열은 주로 어디에 활용하나요?

가장 흔한 쓰임은 같은 공정의 연소 공기나 원료를 미리 데우는 예열과, 폐열 보일러로 스팀을 만드는 것입니다. 그 밖에 온수를 지역난방망에 보내거나, 히트펌프로 저온 폐열의 온도를 끌어올리거나, 유기 랭킨 사이클(ORC)로 전기를 만들거나, 흡수식 냉동기로 냉방에 쓰기도 합니다.

온도가 낮은 폐열도 쓸 수 있나요?

쓸 수 있습니다. 공정에 그대로 되돌리기 어려운 저온 폐열은 히트펌프로 온도를 끌어올려 난방이나 저온 공정에 쓰거나, 끓는점이 낮은 유체를 쓰는 ORC로 전기를 만들 수 있습니다. 흡수식 냉동기처럼 비교적 낮은 온도의 열로 냉수를 만드는 방법도 있습니다.

폐열 활용 방법은 어떻게 고르나요?

폐열의 온도와 형태, 그리고 그 열을 받아 쓸 곳이 가까이 있는지가 기준입니다. 고온의 배기가스라면 예열이나 폐열 보일러가 먼저 검토되고, 온도가 낮은 냉각수라면 히트펌프나 흡수식 냉동기가 후보가 됩니다. 같은 부지에 열이나 냉방이 필요한 곳이 있는지도 함께 따져야 합니다.

폐열 활용 설비를 갖췄는데도 폐열이 버려지는 이유는 무엇인가요?

대부분의 폐열 활용 방법은 열이 나오는 그 순간에 써야 하기 때문입니다. 폐열이 나오는 시간에 그 열을 받아 쓸 곳이 없으면, 설비가 있어도 열은 그대로 흘려보낼 수밖에 없습니다.

공장 폐열, 어떻게 쓰고 있을까 — 대표적인 활용 방법 6가지

공장에서 버려지는 폐열의 규모는 생각보다 큽니다. 미국 에너지부는 산업에 투입되는 에너지의 약 20~50%가 배기가스와 냉각수, 설비 표면을 통해 폐열로 빠져나간다고 봅니다. 국내 산업단지에서만 한 해 640만 toe의 폐열이 나온다는 추정도 있습니다.

폐열이 무엇이고 얼마나 버려지는지는 이전 글에서 정리했습니다. 이번에는 그다음 질문, 그렇다면 폐열은 지금 어떻게 쓰이고 있는지를 살펴봅니다.

산업 폐열이란? 공장에서 버려지는 에너지의 규모와 회수

산업 폐열은 공장이 투입한 에너지의 20–50%에 이릅니다. 얼마나 버려지는지, 왜 그동안 회수하지 못했는지, 열에너지 저장이 어떻게 이를 자원으로 바꾸는지 정리했습니다.

폐열을 쓰는 방법은 "무엇을 만드느냐"로 나뉜다

폐열을 활용한다는 것은 결국 그 열로 무언가를 만든다는 뜻입니다. 같은 공정에 되돌려 쓸 뜨거운 공기일 수도 있고, 다른 공정에 보낼 스팀이나 온수일 수도 있으며, 전기나 차가운 물일 수도 있습니다.

폐열 활용 방법 6가지를 정리한 도식. 예열은 뜨거운 공기와 급수를, 폐열 보일러는 스팀을, 직접 공급은 온수를, 히트펌프는 더 높은 온도의 열을, ORC는 전기를, 흡수식 냉동기는 냉수를 만든다. 공통점은 지금 바로 쓰지 못하는 폐열은 버려진다는 점이다

① 예열 — 같은 공정에 되돌려 쓴다

예열: 가열로나 보일러의 배기가스가 공기 예열기나 절탄기를 지나며 연소 공기와 급수를 데우고, 데워진 공기와 물은 같은 공정으로 되돌아가 연료 사용을 줄인다

배기가스의 열로 연소 공기나 보일러 급수를 미리 데워, 같은 공정에 되돌려 쓰는 방법입니다. 열을 멀리 옮길 필요가 없어 가장 먼저 검토되지만, 되돌려 쓸 수 있는 양은 그 공정이 받아들이는 만큼으로 정해집니다.

② 폐열 보일러 — 스팀을 만든다

폐열 보일러: 가열로나 소각로의 고온 배기가스로 물을 끓여 스팀을 만들고, 그 스팀을 살균·건조·세척 같은 다른 공정으로 보낸다

고온 배기가스로 물을 끓여 스팀을 만드는 방법입니다. 스팀은 공장 안에서 열을 실어 나르는 가장 흔한 수단이라, 폐열을 같은 공정이 아닌 다른 공정의 열로 바꿔 줄 수 있습니다.

③ 직접 공급 — 온수를 다른 곳으로 보낸다

직접 공급: 공정에서 나온 폐열로 열교환기를 통해 물을 데우고, 그 온수를 배관으로 지역난방망이나 이웃 시설에 보낸다

폐열로 데운 온수를 배관으로 지역난방망이나 이웃 시설에 보내는 방법입니다. 독일 알루미늄 제련소 TRIMET은 폐열로 데운 약 130°C의 물을 700m 배관으로 도시 난방망에 보내고 있습니다.

④ 히트펌프 — 온도를 끌어올린다

히트펌프: 냉각수나 배수 같은 저온 폐열에 전기를 더해 온도를 끌어올리고, 더 높은 온도의 열을 난방이나 저온 공정에 쓴다

그대로는 쓰기 어려운 저온 폐열에 전기를 들여 온도를 끌어올리는 방법입니다. 버려지던 냉각수의 열도 난방이나 저온 공정에 쓸 수 있게 되지만, 끌어올리는 만큼 전기가 듭니다.

⑤ ORC 발전 — 전기를 만든다

ORC 발전: 중·저온 폐열로 끓는점이 낮은 유기 유체를 증발시켜 터빈과 발전기를 돌리고, 만든 전기를 공장 전력으로 쓴다

물 대신 끓는점이 낮은 유기 유체를 써서, 중·저온 폐열로도 터빈을 돌려 전기를 만드는 방법입니다(ORC, 유기 랭킨 사이클). 다만 열을 전기로 바꾸는 과정에서 손실이 커서, 근처에 열을 그대로 쓸 곳이 있다면 열로 쓰는 편이 대체로 유리합니다.

⑥ 흡수식 냉동기 — 열로 냉방한다

흡수식 냉동기: 중·저온 폐열을 구동원으로 써서 냉수를 만들고, 그 냉수를 냉방과 공정 냉각에 쓴다

전기 대신 폐열을 구동원으로 써서 냉수를 만드는 방법입니다. 난방 수요가 없는 여름에도 폐열을 쓸 곳을 만들어 준다는 점이 장점입니다.

여섯 가지 방법의 공통점

폐열은 나오는 즉시 써야 합니다. 그때 쓸 곳이 없으면 그대로 버려집니다.

예열은 가열로가 돌고 있을 때만 의미가 있고, 폐열 보일러가 만든 스팀은 그 시간에 스팀을 쓰는 공정이 있어야 쓸모가 있습니다. 지역난방은 여름이면 수요가 줄고, 흡수식 냉동기는 겨울이면 할 일이 줄어듭니다.

그런데 공장의 폐열은 생산 일정에 따라 나옵니다. 배치 단위로 돌아가는 공정, 하루에도 여러 번 서고 도는 설비에서는 폐열이 쏟아지는 시간과 그 열이 필요한 시간이 자주 어긋납니다. 활용 설비를 갖춰도 폐열이 여전히 버려지는 이유입니다.

결론

폐열을 쓰는 방법은 이미 여러 가지가 있고, 온도와 쓰임에 따라 고를 수 있습니다. 다만 지금까지의 방법은 대부분 나오는 그 순간에 바로 쓰는 것을 전제로 합니다.

그렇다면 바로 쓰지 못하는 폐열은 어떻게 해야 할까요? 답 가운데 하나는 담아 두었다가 필요한 시간에 꺼내 쓰는 것입니다. GIGAette가 개발하는 IsoTES®도 이 방향에서 출발한 정온 열에너지 저장 시스템이며, 폐열을 저장해 쓰는 방법은 다음 글에서 이어서 다룹니다.

우리 공장의 폐열에 어떤 활용 방법이 맞을지 함께 짚어보고 싶으시다면 기술 미팅을 신청해 주세요.

출처

Waste Heat Recovery: Technology and Opportunities in U.S. Industry — U.S. Department of Energy (2008) — 산업 투입 에너지의 20~50%가 배기가스·냉각수·설비 및 제품 표면을 통해 폐열로 손실
폐열 회수 워크숍 발표 자료 — National Academies — 열교환기, 원료 예열, 발전, 히트펌프를 이용한 저온 기술 등 폐열 회수 방식의 분류
연소 또는 소각 과정에서 발생하는 배기가스의 폐열 회수 설계 방법에 관한 연구 — 한국과학기술정보연구원(KoreaScience) — 폐열 보일러의 절탄기·증발기·과열기 구성
박상규·오세신, 「산업단지 열 소비 특성 분석 및 폐열 잠재량 산정 연구」, 에너지경제연구원 기본연구보고서 23-11 — 국내 산업단지 폐열 연간 640만 toe
대표 이미지: Mikhail Ilin / Unsplash (색 보정)