폐열 회수의 기술: 지속 가능한 미래를 위한 에너지 활용

지속 가능성과 에너지 효율성에 대한 관심이 점점 높아지는 세상에서 폐열 회수(WHR)라는 개념이 상당한 주목을 받고 있습니다. WHR은 산업 공정, 발전 또는 기타 활동의 부산물로 환경으로 방출되는 열을 포착하고 재사용하는 것을 포함합니다. 이렇게 회수된 열은 전기를 생산하거나 건물을 난방하거나 다른 산업 공정에 전력을 공급하는 등 다양한 용도로 사용될 수 있습니다. 이 블로그 게시물은 WHR의 원리, 기술 및 글로벌 응용 분야를 자세히 살펴보고 산업을 혁신하고 보다 지속 가능한 에너지 미래에 기여할 수 있는 잠재력을 탐구합니다.

폐열이란 무엇입니까?

폐열은 공정 중에 생성되어 해당 공정에서 직접 사용되지 않고 일반적으로 대기 또는 냉각 매체(예: 물)로 방출되는 열에너지입니다. 이는 다음을 포함한 다양한 부문에 걸쳐 널리 퍼져 있는 현상입니다.

• 산업 제조: 제철, 시멘트 생산, 유리 제조 및 화학 처리와 같은 공정은 상당한 양의 폐열을 생성합니다. 예를 들어, 시멘트 가마에서 나오는 배기 가스 온도는 300°C를 넘을 수 있습니다.
• 발전: 기존 발전소(석탄, 천연 가스, 원자력)는 냉각 시스템을 통해 에너지 투입량의 상당 부분을 폐열로 방출합니다.
• 운송: 차량의 내연 기관은 배기 가스와 냉각 시스템을 통해 연료 에너지의 많은 부분을 열로 발산합니다.
• 상업용 건물: HVAC(난방, 환기 및 공조) 시스템은 특히 냉방이 주도적인 기후에서 열을 환경으로 배출하는 경우가 많습니다. 데이터 센터도 상당한 폐열을 생성합니다.

폐열의 양은 상당합니다. 전 세계적으로 총 에너지 소비량의 상당 부분이 결국 폐열로 손실되는 것으로 추정됩니다. 낭비되는 에너지의 일부만 회수해도 에너지 소비를 줄이고 온실 가스 배출량을 낮추며 전반적인 효율성을 개선할 수 있는 엄청난 잠재력이 있습니다.

폐열 회수의 원리

WHR의 기본 원리는 열역학 법칙에 기반합니다. 에너지는 생성되거나 파괴될 수 없으며 변환될 뿐입니다. 따라서 폐열은 활용하고 재사용할 수 있는 귀중한 에너지 자원을 나타냅니다. WHR 시스템의 효과는 여러 요인에 따라 달라집니다.

• 온도: 일반적으로 온도가 높은 폐열은 회수 및 활용이 더 쉽고 비용 효율적입니다.
• 유량: 사용 가능한 폐열의 양(열 전달 매체의 유량과 관련됨)은 중요한 요소입니다.
• 거리: 잠재적인 사용자 또는 응용 분야에 대한 폐열원의 근접성은 운송 및 인프라 비용에 영향을 미칩니다.
• 가용 시간: 효율적이고 안정적인 WHR 시스템을 설계하려면 폐열 가용성의 일관성과 지속 시간이 중요합니다. 간헐적이거나 계절적인 폐열원은 저장 솔루션이 필요할 수 있습니다.
• 구성: 폐열 스트림(예: 연도 가스)의 구성은 사용할 수 있는 WHR 기술 유형에 영향을 미칠 수 있으며 오염 물질을 제거하기 위한 사전 처리가 필요할 수 있습니다.

폐열 회수 기술

폐열을 회수하고 활용하기 위해 다양한 기술을 사용할 수 있으며 각 기술은 특정 응용 분야 및 온도 범위에 적합합니다. 다음은 가장 일반적인 기술 중 일부입니다.

열교환기

열교환기는 가장 기본적인 WHR 기술이며 널리 사용됩니다. 직접 혼합하지 않고 한 유체에서 다른 유체로 열을 전달합니다. 일반적인 유형은 다음과 같습니다.

• 쉘 및 튜브 열교환기: 견고하고 다재다능하며 고압 및 고온 응용 분야에 적합합니다.
• 플레이트 열교환기: 열 전달 효율이 높고 깨끗한 유체에 적합합니다.
• 공기 예열기: 보일러와 용광로에서 배기 가스의 열을 회수하고 들어오는 연소 공기를 예열하여 효율성을 높이는 데 사용됩니다.
• 폐열 보일러: 폐열에서 증기를 생성하여 발전 또는 공정 난방에 사용할 수 있습니다.

예: 제강 공장에서는 쉘 및 튜브 열교환기를 사용하여 용광로의 배기 가스에서 열을 회수하여 연소용으로 들어오는 공기를 예열하여 연료 소비를 줄입니다.

유기 랭킨 사이클(ORC)

ORC 시스템은 특히 저온에서 중간 온도 소스(80°C ~ 350°C)에서 열을 회수하는 데 적합합니다. 물보다 끓는점이 낮은 유기 유체를 사용하여 전기를 생성합니다. 유기 유체는 폐열에 의해 증발되어 발전기에 연결된 터빈을 구동합니다.

예: 아이슬란드의 지열 발전소는 ORC 기술을 활용하여 비교적 낮은 온도의 지열 자원에서 전기를 생성합니다. 지열원에서 나오는 뜨거운 물은 유기 유체를 증발시켜 터빈을 구동하여 전기를 생산합니다.

열 펌프

열 펌프는 저온 소스에서 고온 싱크로 열을 전달합니다. 작동하는 데 에너지가 필요하지만 저급 폐열을 유용한 온도로 효과적으로 업그레이드할 수 있습니다. 열 펌프는 난방 및 냉방 응용 분야에 모두 사용할 수 있습니다.

예: 스웨덴의 지역 난방 시스템은 대규모 열 펌프를 사용하여 하수 처리장에서 폐열을 회수하고 인근 주거용 건물에 난방을 제공합니다.

열병합 발전(CHP)

열병합 발전은 단일 연료원에서 전기와 열을 동시에 생산하는 것을 포함합니다. CHP 시스템은 발전 중에 생성된 전기와 폐열을 모두 활용하기 때문에 매우 효율적입니다. CHP 시스템은 산업 시설, 병원 및 대학에서 자주 사용됩니다.

예: 캐나다의 한 대학 캠퍼스는 천연 가스를 사용하여 전기를 생산하고 폐열을 포착하여 캠퍼스 건물에 난방 및 냉방을 제공하는 CHP 시스템을 운영합니다. 이를 통해 대학의 전력망 의존도를 줄이고 탄소 발자국을 줄입니다.

열전 발전기(TEG)

TEG는 제백 효과를 사용하여 열을 직접 전기로 변환합니다. TEG는 다른 WHR 기술에 비해 효율성이 낮지만 작고 안정적이며 원격 또는 소규모 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 배기 시스템 또는 고온 산업 공정에서 발생하는 폐열을 직접 전기로 변환하는 데 특히 적합합니다.

예: 일부 자동차 제조업체는 차량 배기 시스템에서 폐열을 회수하고 전기를 생성하여 보조 시스템에 전력을 공급하여 연료 효율성을 개선하기 위해 TEG 사용을 모색하고 있습니다.

기타 기술

기타 WHR 기술은 다음과 같습니다.

• 흡수 냉각기: 폐열을 사용하여 냉각 응용 분야에 사용할 냉수를 생산합니다.
• 직접 사용: 공정 난방, 예열 또는 건조 응용 분야에 폐열을 직접 활용합니다.
• 열 저장: 나중에 사용하기 위해 폐열을 저장하여 간헐적인 폐열 가용성 문제를 해결합니다.

폐열 회수의 글로벌 응용

WHR 기술은 전 세계의 광범위한 산업 및 지역에서 구현되고 있습니다.

• 산업 부문: 독일에서는 수많은 산업 시설에서 WHR 시스템을 활용하여 에너지 소비를 줄이고 경쟁력을 높입니다. 예를 들어, 철강 산업은 다양한 공정에서 열을 회수하기 위해 고급 WHR 기술을 구현하여 에너지 절약에 크게 기여했습니다.
• 발전: 가스 터빈과 증기 터빈을 모두 활용하는 복합 사이클 발전소는 발전 분야에서 WHR의 대표적인 예입니다. 가스 터빈에서 나오는 배기열은 증기를 생성하는 데 사용되며, 이는 증기 터빈을 구동하여 플랜트의 전체 효율성을 높입니다.
• 지역 난방: 덴마크 및 기타 스칸디나비아 국가의 도시에는 발전소, 산업 시설 및 폐기물 소각장에서 나오는 폐열을 활용하여 가정과 기업에 난방을 제공하는 광범위한 지역 난방 네트워크가 있습니다.
• 운송: 열전 발전기 및 랭킨 사이클 시스템을 포함하여 차량용 WHR 기술을 개선하기 위한 연구 개발 노력이 진행 중입니다.
• 건축 부문: 지열 열 펌프는 전 세계 건물에서 지구에서 열을 회수하고 난방 및 냉방을 제공하는 데 사용됩니다.

폐열 회수의 이점

WHR의 이점은 다양하고 광범위합니다.

• 에너지 효율성 향상: WHR은 에너지 수요를 충족하는 데 필요한 1차 에너지의 양을 줄입니다.
• 에너지 비용 절감: 에너지 소비량 감소는 기업과 소비자에게 에너지 요금 절감으로 이어집니다.
• 온실 가스 배출량 감소: 화석 연료에 대한 필요성을 줄임으로써 WHR은 기후 변화를 완화하는 데 도움이 됩니다.
• 대기 질 개선: 화석 연료 연소 감소는 대기 오염 물질 배출량 감소로 이어집니다.
• 자원 활용도 향상: WHR은 자원의 효율적인 사용을 촉진하고 폐기물을 줄입니다.
• 경쟁력 향상: 에너지 비용 절감은 산업의 경쟁력을 향상시킬 수 있습니다.
• 에너지 안보: WHR은 수입 에너지원에 대한 의존도를 줄일 수 있습니다.
• 경제 성장: WHR 기술의 개발 및 배포는 새로운 일자리를 창출하고 경제 성장을 촉진할 수 있습니다.

과제와 기회

WHR은 상당한 잠재력을 제공하지만 광범위한 채택에는 다음과 같은 과제도 있습니다.

• 높은 초기 투자 비용: WHR 시스템을 구현하는 데 드는 초기 비용은 특히 중소기업(SME)에 대한 장벽이 될 수 있습니다.
• 기술적 복잡성: 효과적인 WHR 시스템을 설계하고 구현하는 것은 기술적으로 어려울 수 있습니다.
• 공간 제약: 일부 WHR 기술은 상당한 공간을 필요로 하며, 이는 기존 시설에서 제약이 될 수 있습니다.
• 경제적 타당성: WHR 프로젝트의 경제적 타당성은 에너지 가격, 정부 인센티브 및 자금 조달 가능성과 같은 요인에 따라 달라집니다.
• 인식 부족: 일부 기업과 정책 입안자들 사이에서는 WHR의 잠재적 이점에 대한 인식이 여전히 부족합니다.

그러나 이러한 과제는 다음을 통해 극복할 수 있습니다.

• 정부 인센티브: 세금 공제, 보조금 및 보조금과 같은 재정적 인센티브를 제공하면 WHR 프로젝트의 초기 투자 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 기술 발전: 지속적인 연구 개발 노력은 보다 효율적이고 비용 효율적인 WHR 기술로 이어지고 있습니다.
• 대중 인식 캠페인: WHR의 이점에 대한 인식을 높이면 채택을 촉진하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 협력 및 파트너십: 기업, 연구원 및 정책 입안자 간의 협력은 WHR 기술의 배포를 가속화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
• 에너지 감사: 에너지 감사를 수행하여 WHR 기회를 식별하면 기업이 에너지 효율성 투자에 대해 정보에 입각한 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있습니다.

폐열 회수의 미래

WHR의 미래는 밝습니다. 에너지 가격이 계속 상승하고 기후 변화에 대한 우려가 심화됨에 따라 WHR 기술에 대한 수요가 크게 증가할 것으로 예상됩니다. 몇 가지 추세가 WHR의 미래를 형성하고 있습니다.

• 스마트 그리드와의 통합: WHR 시스템은 스마트 그리드와 통합되어 유연하고 안정적인 에너지 공급을 제공할 수 있습니다.
• 첨단 소재 개발: 열 전달 특성이 개선된 첨단 소재 개발은 보다 효율적인 WHR 시스템으로 이어지고 있습니다.
• WHR 기술의 소형화: WHR 기술의 소형화는 주거용 건물 및 차량과 같은 소규모 응용 분야에서 사용할 수 있도록 합니다.
• 저급 열 회수에 집중: 활용하기 어렵지만 종종 풍부한 저온 소스에서 열을 회수하는 기술 개발에 대한 관심이 높아지고 있습니다.
• 디지털화 및 IoT: 디지털 기술과 사물 인터넷(IoT)을 사용하면 WHR 시스템을 원격으로 모니터링하고 제어할 수 있어 효율성과 안정성이 향상됩니다.

결론

폐열 회수는 에너지 효율성을 개선하고 온실 가스 배출량을 줄이며 보다 지속 가능한 에너지 미래를 창출할 수 있는 중요한 기회를 나타냅니다. 현재 낭비되고 있는 에너지를 활용함으로써 화석 연료에 대한 의존도를 줄이고 에너지 비용을 낮추며 환경을 개선할 수 있습니다. 과제가 남아 있지만 지속적인 기술 발전, 지원적인 정부 정책 및 증가된 대중 인식은 광범위한 산업 및 부문에서 WHR 기술의 광범위한 채택을 위한 길을 열고 있습니다. 폐열 회수의 기술을 수용하는 것은 단순한 환경적 명령이 아닙니다. 이는 기업, 지역 사회 및 지구 전체에 이익이 될 수 있는 현명한 경제 전략입니다. 보다 지속 가능한 세상을 위해 노력함에 따라 폐열 회수는 의심할 여지 없이 에너지 환경을 형성하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.