산업계에서는 지구상 전체 에너지의 약 40%를 사용하며, 비효율적인 에너지 전환 공정으로 인해 이 에너지의 약 20~50%가 폐열로서 대기로 방출된다. 탈탄소의 트렌드에 따라 이러한 중저온의 가스를 에너지원으로 사용하여 전기를 생산하는 clean WHRS 기술이 점차 확대 적용되고 있다.
이 기술은 이미 오래 전에 개발되었지만 경제성의 문제가 해결되지 않아 사용에 한계가 있어 왔지만 신재생 에너지 개발 추세에 따라 향후 시장 성장 잠재력이 매우 높은 기술 중 하나가 되었다.
이에 발맞추어 전세계적으로 활발한 연구활동이 진행되어 그간 기술적 한계 및 경제성의 문제들이 저비용, 고효율 기술 개발로 인해 점차 보급이 확대되고 있으며 미국이나 유럽에서는 상용화가 활발히 진행중이다.
ORC는 Organic Rankine Cycle의 약자로서 중저온의 waste gas를 회수하여 전기를 생산하는 시스템이며, closed loop내에는 물보다 증발 온도가 낮고 증기압이 높은 유기 열매체를 작동 유체로 사용한다.
외부 열원으로는 바이오매스, 지열, 태양열 등 renewables이거나 공장내 폐열 등이며, ORC의 작동 원리는 발전소에서 증기 터빈을 작동하는 안정적인 랭킨 사이클과 동일하다.
랭킨 사이클은 외부 고온의 열원을 이용하여 고압에서 물을 스팀으로 전환하고 이 스팀을 터빈에 공급하여 팽창을 통해 회전시키면서 전기를 생산한다. 다만 유기 랭킨 사이클은 물 대신 증발온도가 낮은 유기물질을 사용한다는 차이점만 다르다.
ORC는 전력 생산 1MW이하에서 steam rankine cycle보다 효율이 더 높고, 그 이상에서는 효율이 비슷하다고 알려져 있다. ORC와 RC의 장단점은 아래와 같다. (RC는 steam Rankine Cycle임)
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장점
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단점
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ORC
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낮은 온도의 열원으로부터 회수 가능
작동 유체의 높은 증발압력
터빈의 낮은 운전온도
Deaerator나 수처리가 필요없음
설치가 간단하고 설치면적이 크지 않음
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작동 유체 가격이 높음
작동유체의 지속적 관리
작동유체의 flammability
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RC
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발전용량이 커질수록 효율이 높음
작동유체 (수증기) 가격이 저렴
작동유체 취급이 용이
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350도 이상의 고온 열원 필요
터빈 운전 온도가 높음
설치 면적이 넓음
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이들 유기물질들은 주로 냉매 혹은 C4, C5 등 HC이 많이 사용되며, 이외에도 사용되는 organic fluid는 아래와 같고 이들을 혼합하여 사용하기도 한다.
closed loop로 국한되는 작동 유체가 먼저 보일러 즉 증발기로 보내져서 증발된다. 터빈을 통과할 때 유기 증기 유체는 팽창되고, 최종적으로 다시 응축되는데, 일반적으로 shell & tube 열교환기를 증발기 및 응축기로 사용하여 왔다. 응축된 유체가 다시 증발기로 펌프되면 열역학 사이클이 완료되며 증발은 고온/고압 측에서 발생하며, 응축은 정상적인 냉동 사이클의 정반대인 저온/저압 측에서 이루어진다.
발전 효율은 20%이하로 낮고, 발전 용량도 5MW이하로 제한되며, 반면 설치 면적은 넓게 요구된다. 주요 maker로는 ORMAT, Pratt & Whitney (MHI에 merging), Turboden (MHI에 merging), GE, g-TET, Turbolina 등이다.
현재 많이 활용되고 있는 폐열 회수발전 시스템의 경우 고온의 폐열을 이용하기 때문에 일반적인 증기터빈을 활용한 전력생산이 가능하지만, 대부분 버려지는 300℃ 이하의 중저온 폐열은 증기터빈을 이용할 경우 시스템 효율이 낮아 경제성이 떨어졌다. 따라서 동일한 rankine cycle을 이용하되 낮은 온도의 열원을 이용하기 위해 유기 랭킨 사이클 (Organic Rankine Cycle, ORC)을 이용하며, 이는 낮은 에너지 열원에서 작동해야 하므로 steam rankine cycle과는 다르다.
ORC 발전시스템은 그간 버려져 왔던 중저온 열원을 이용하여 고급에너지인 전기를 생산할 수 있다는 점과 전기 생산 과정에서 오염 물질 및 온실 가스가 방출되지 않아 친환경적이며, 시스템 구성이 간단하고 설계 및 유지보수가 상대적으로 용이하다는 장점을 갖고 있다.
일반적인 ORC 발전시스템은 펌프, 증발기 (열교환기), 팽창기 (터빈) 그리고 응축기로 구성되어 있으며, 이상적인 사이클의 각 과정은 펌프에서의 압축 과정, 증발기에서의 흡열 과정, 터빈에서의 팽창 과정, 응축기에서의 방열 과정으로 구성된다.
ORC 발전시스템 관련 기술개발은 저온 열원에서도 높은 성능을 구현할 수 있는 에너지 효율을 향상시키는 기술과 다양한 열원에 적용할 수 있는 응용분야를 확대하는 방향으로 진행되고 있다. ORC 발전시스템의 성능 향상에서는 팽창기 설계 혹은 작동 유체의 물질구성, 처리 등에 따른 기술과 증발기, 응축기에 사용되는 열교환기 관련 기술 등이 있으며, 연료전지, 태양열, 지열 발전시스템 및 내연기관 자동차의 연비향상 등 다양한 응용 분야로의 확대를 위한 신기술 개발이 진행되고 있다.
선박의 diesel engine heat recovery concept은 아래와 같다.
ORC system을 적용하기 전 다음과 같은 절차에 따라 검토가 진행된다.
1. 미활용 열원 조사: 열원의 종류, 온도, 열량, 비열 등을 조사한다.
2. 사업 타당성 분석: 터빈-발전기 용량 산출, 경제성 검토 및 정부, 지자체 지원 확인
3. ITB 작성
4. 설계 및 제작
5. 시공 및 시운전
ORC system 적용을 통해 온실가스 배출을 줄일 수 있고, 에너지 효율을 높일 수 있다. 아울러 탄소배출권 등록이 가능하여 이에 따른 수익을 창출할 수 있고, 친환경 전기를 생산할 수 있어서 경제적 가치뿐만 아니라 기업의 친환경 이미지 개선에 기여할 수 있다.
Generator는 터빈의 기계적 에너지를 받아 전기로 전환을 한다. Gear reducer를 통해 고속의 터빈이 저속의 4pole generator를 운전하도록 하여 효율을 개선하고 vapor 사용량을 줄이거나 전기생산을 더 늘림으로써 cost를 절감할 수 있다.
Protection device로서 mechanical overspeed trip을 적용하여 회전속도가 set치를 초과하게 되면 trip logic을 통해 터빈 전단의 main stop valve를 close하여 shut down시킨다. 그 외에 온도를 감시하여 터빈 성능의 변화를 확인할 수 있고, mis-alignment나 bearing마모를 감지하는 vibration monitoring도 고려한다. bearing 윤활이나 마찰열을 제거하기 위한 oil system monitoring도 적용한다.
Turbine에 couple된 고속 alternator를 통해 효율적으로 에너지를 전환시킬 수 있다. Modular design을 하여 integration을 simple하게 할 수 있으며, variable speed 운전을 통해 최적화된 사이클 효율로 운전을 할 수 있다.
열원의 온도에 무관하게 ORC는 작은 크기의 발전에 가장 적합하다. 간단하고 compact하며 터빈의 효율이 높고 turn down ratio에서도 높은 효율이 가능하여 기존 rankine cycle에 비해 경제적이다. 반면 고온의 폐열원일 경우 ORC를 적용하면 오히려 conventional rankine cycle보다 효율이 더 낮을 수 있다.
ORC module인 폐열회수 시스템을 통해 산업플랜트에서 배출되는 exhaust gas로부터 intermediate fluid를 이용하여 thermal power를 추출한다. Exhaust gas로부터의 폐열이 ORC evaporator내에 존재하는 organic fluid에 전달되어 이를 증발시킨 후 turbine으로 이송한다. turbine에서는 이 vapor가 팽창을 하여 turbine을 회전시키면서 동시에 shaft로 연결된 generator로부터 전기를 생산한다. 이후 에너지가 전달된 vapor는 condenser에서 응축이 되며 pump에 의해 다시 가압이 된 후 evaporator로 보내지면서 cycle이 완성된다.
아래와 같이 기본적으로 2개의 간단한 ORC WHRS이 있으며, 일반적으로 engine exhaust waste heat recovery에 적용된다.
특히 아래의 경우 추가적인 액-기 열교환기가 설치되며 이를 recuperator라고 하고 이를 통해 더 높은 power output이 가능하고 condenser heat rejection을 줄일 수 있지만, 설비추가에 따른 투자비 증가 및 modular size가 커질수 있으므로 경제성 평가가 필요하다.
PRC PFD
ORC process
ORC는 효율성 측면에서 주로 저온/중온의 열원을 이용하며 규모도 작을 경우 경제성이 있다. 작동유체 선정에 따라 expander 설계에 영향을 주며 V-L critical point와 분자구조는 시스템 설계에 영향을 주게 된다.
ORC process
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