1. 서 론

전 세계적으로 2050년 또는 2060년까지 탄소배출 net-zero 달성의 기조가 형성되면서 각 국가들은 이에 대한 구체적인 정책들을 제시하고 있다. 이를 실현할 수 있는 방법은 사회적 분야에 다양하게 제시되어 있지만 기술개발을 통해 억제할 수 있는 부분이 가장 크다. 특히 화석연료 연소를 통해 배출되는 양은 우리나라의 경우 전체 온실가스 배출량 중 87%를 차지하고 있다.⁽¹⁾ 따라서 연소에 사용되는 화석연료의 양을 줄이는 것이 탄소배출 저감에 가장 큰 영향을 미칠 수 있다는 점은 자명하다. 에너지 흐름 관점에서 연소 과정이 필요하다는 것은 사용 시스템에서 고온의 고밀도 열에너지가 필요하다는 것이며 시스템 관점에서 보면 연소를 통해 발생된 열에너지를 효율적으로 사용하는 것이 중요하다. IEA는 에너지효율 향상 방안이 재생에너지 사용, 온실가스 포집․저장 등 신기술보다 탄소배출 저감에 더 큰 기여를 할 것이라는 발표를 했다.⁽²⁾ 에너지 다소비 연소시스템의 효율 향상 방안 중 가장 큰 기여는 열손실을 줄이는 것이고, 이는 대량의 폐열을 효과적으로 회수하여 달성할 수 있다. 본 연구는 저장매체를 통한 열에너지저장(Thermal Energy Storage, 이하 TES) 후 활용하는 방안에 대해서, 특히 100-300℃ 고온의 배열원이 존재하는 시스템에서 상변화물질(Phase Change Material, 이하 PCM)을 사용하여 열에너지를 잠열로 직접 저장하고 사용하는 기술개발 현황에 대해 정리하고자 한다. 폐열 내지 잉여 에너지를 저장 후 사용한다는 개념은 연속 공정에 적용되기 보다는, 시스템 내 에너지가 필요한 곳에 필요한 양을 적시에 투입할 수 있다는 점에서 높은 유연성과 효율을 제공할 수 있다. 현열 저장은 열저장 물질의 상변화가 없는 상태에서 열을 저장하는 것으로 열 저장량이 늘어날수록 열저장 물질(돌, 물, 콘크리트 등)의 온도가 상승하는 것이 특징이다. 반면 매개 물질의 잠열을 이용해 열을 저장하는 경우 축․방열은 융점 부근의 좁은 온도 범위에서 발생되며 열 저장량은 고체-액체 상변화에 따른 엔탈피 변화에 비례한다. 따라서 잠열 저장 설비는 상변화물질을 이용한 시스템으로 현열과 잠열을 동시에 저장할 수 있어 열저장 물질 부피 대비 열 저장량이 크다는 장점이 있다. 앞서 게재된 Part 1 논문에서는 잠열에너지저장 기술개발의 배경과 타당성에 초점을 맞췄고, 100-300℃ 온도영역에서 사용할 수 있는 상변화물질의 특성에 대해 논하였다.⁽³⁾ 현재 Part 2 논문에서는 잠열에너지 열교환 설비가 상용화되기 위해서 필요한 핵심 요소기술로써 상변화 시 물리적 변화 고찰을 통한 열전도율 강화 및 열교환기 설계기술에 대한 개발동향을 정리하였고, 시스템 기술로써 축․방열 제어 및 영향에 대해 서술하였다. 마지막으로 화석연료 사용량을 저감하기 위해 연소시스템과 연계된 잠열에너지 저장기술의 실증사례들을 정리하고 앞으로의 연구개발 및 발전 방향에 대해 논의하였다. 본 논문은 다양한 연구들에서 수행한 잠열저장 매체의 열․물리적 메커니즘 일반화를 통해 유관 연구의 방향성 제시, 활용 대상 시스템의 확장이 가능하도록 구성하였다. 특히 국외 사례에 비해 상대적으로 국내에서는 본 주제와 관련된 체계적인 문헌이 없어, 국내 연구진에게 유용한 정보를 제공할 수 있도록 작성하였다.

2. 상변화 및 열전달 현상 고찰

잠열에너지저장 시스템의 상용화를 위해서는 에너지 저장 능력도 중요한 평가 기준이지만 에너지 전달 과정 역시 이해가 필요하다. 잠열저장 물질은 축․방열 시 주로 고체-액체 간 상변화를 동반하기 때문에 이에 대한 현상학적 고찰이 요구된다. 단순히 말하자면 (축열 시) 물질이 녹고, (방열 시) 굳음으로 표현할 수 있지만 다양한 형상의 용기와 열원 조건에 따라 다른 상황을 겪는다. 특히 축열(melting) 시 고체에서 액체로 상변화 할 때 열전달과 관련된 중요한 현상은 밀도차에 의한 상분리와 부력에 의한 대류 열전달이다. 고체 상태의 상변화물질은 초기에 전도에 의해 지배되어 열원에 가장 가까운 면이 녹기 시작하며 먼저 녹은 액체 상태의 물질은 밀도차에 의해 움직임을 갖고 자연대류에 의한 열전달이 발생한다. 따라서 Stefan’s 문제와 같이 1차원적 상변화 계면에 따른 균일한 상변화 과정은 발생하지 않는다는 것이 대부분의 실험적, 해석적 연구 결과이다.^(4-9) Fig. 1은 구형 캡슐에서 n-Octadecane 물질의 녹는 과정에서 계면 변화를 나타낸다.⁽¹⁰⁾ 구형의 전면적에서 동일한 온도의 열원을 받지만 자연대류에 의한 열전달이 활발해져 상부부터 녹는 과정을 보여주고 있다. Fig. 2는 수평/수직형 원통 용기에 담긴 물질의 상변화 과정을 나타낸다.^(11,12) 반면 방열(solidification) 시에는 전도에 의한 열전달이 지배적이라는 결과를 대부분의 연구자들이 제시하고 있다. 상변화물질을 열저장 매체로 활용할 때 단점 중 하나는 낮은 열전도율이다. 물질 종류에 따라 다르지만 용융염과 금속계 물질을 제외하고는 대부분 1 W/(m․K) 미만의 열전도율을 갖는다.⁽³⁾ 따라서 상변화 시 대류열전달 효과가 미미하다고 가정하여 100% 전도 열전달만 고려하여 수행된 연구들도 많이 존재한다. 연구 목적에 맞게 상변화 관련 현상학적 관점에서는 CFD 등 해석기법을 통해 과도상태의 변화를 탐구하는 것이 맞고, 시스템 또는 엔지니어링 관점에서 공정 설계 시에는 복잡한 열전달 관계를 단순화시키는 것도 타당하다고 생각된다.

Fig. 1 Melting phase fronts and heat transfer: (a-1) Constrained melting, (a-2) Natural convection in constrained melting, (b-1) Unconstrained melting, (b-2) Heat conduction and natural convection in unconstrained melting.(10)

Fig. 2 Melting phenomena of paraffin wax PCM: (a) RT-42 in a horizontal tube, (b) RT-35 in a vertical tube.(11,12)

3. 핵심 요소기술 개발동향

Part 1 논문에서 제시된 상변화물질의 종류 및 특성과 본 논문의 2장에서 언급한 잠열저장 물질의 현상학적 변화를 기반으로 잠열저장시스템의 실용화를 위해서 기술적으로 다양한 부분에서 연구개발이 이루어지고 있다. 크게 1) 열전달율 향상 기술, 2) 열교환기 설계, 3) 축․방열 시스템 제어 영역으로 나눌 수 있으며 관련 중점 연구항목과 내용들을 Table 1에 요약, 정리하였다.

3.1 열전달율 향상 기술

열전달 성능 향상을 위한 가장 쉬운 방안은 전열 면적을 넓히는 핀 튜브를 사용하는 것이다. 이 방안은 고전적인 방법으로써 잠열에너지저장 시스템에 응용한 사례들 외에 많은 연구결과들이 존재한다. 그 중에서 Fig. 3은 상변화물질 내 핀 튜브 사용 시 핀 형상에 따른 영향을 보여주는 대표적인 연구 결과들이다.^(13-15) 핀 튜브를 적용함으로써 열전달이 향상되는 점은 자명하지만,^(16-19) 잠열저장 열교환 시스템에 응용 시 핀 형상 및 개수 등의 최적 설계를 요구한다. 왜냐하면 내부에 설치된 핀은 전열면적 확장을 통해 열전달율을 향상시키는 반면 용융물의 유동을 방해하여 대류에 의한 열전달을 감소시킬 수 있기 때문이다. Park et al.⁽²⁰⁾은 동일한 전열면적 조건에서 핀 길이에 비해 개수 증가에 의한 전열 개선효과가 크다는 것을 확인했다. 다만 일정 개수 이상의 핀 설치 시 열유속이 오히려 감소하는 경향을 보여 최적의 핀 튜브 설계가 요구된다는 사실을 말하고 있다. 전열면을 넓히는 목적으로 다양한 형태의 핀 튜브를 설계할 수 있지만, 복잡한 형상은 가공의 어려움을 가져오고 이는 낮은 경제성으로 이어진다. 또한 실험적 연구를 위해 제작하는 것이 아닌 대규모 실증을 위해서는 많은 양의 금속이 사용되기 때문에 열전달 성능과 더불어 경제성은 함께 논의되어야 한다. 따라서 가성비를 고려한 적절한 설계안은 축방향 직선형 핀 형상이다. 핀의 역할은 축열 과정보다 방열 과정에서 더 중요하다. Rathod and Banerjee⁽²¹⁾는 동심관(shell-and-tube) 형태의 열교환기 내 축방향 직선형 핀 형상을 가지고 수행한 잠열저장 실험에서 핀이 없을 때 대비 녹는(축열) 과정에 소요되는 시간이 24.5% 감소한 반면 고형화(방열) 과정에 소요되는 시간이 43.6% 감소한다고 보고했다.

본 연구에서 고려하는 100-300℃에서 상변화 온도를 가지는 물질은 상대적으로 고온 영역이다. 따라서 이러한 환경에 적용하기 위한 소재 선택 및 핀의 접합 기술은 또 하나의 이슈이다. 알루미늄, 흑연, 철 등 다양한 핀 소재가 연구되고 있는데, 알루미늄은 높은 열전도도, 유연성, 낮은 부식성 때문에 350℃ 수준의 녹는점을 가지는 상변화물질에 적용하기 용이하지만 철과 비교하여 높은 열팽창 계수를 갖기 때문에 상대적으로 높은 응력 구배가 발생할 수 있다. 따라서 튜브와 핀 사이의 결합이 좋지 않을 경우 알루미늄 핀은 튜브에서 떨어지게 된다. 그 대안으로 반복되는 축․방열 시 서로 다른 열팽창 계수를 극복하기 위해 이종의 금속을 사용하여 핀 튜브를 설계하는 방안이 제안되었다.⁽²²⁾

Fig. 3 Enhanced heat transfer with various finned tube types: (a) Progress of the liquid-solid interface of n-Octadecane PCM during melting with and without fins, (b) Melting process of paraffin wax PCM in the unfin, straight fin, and bifurcated fin, (c) Dense fin structure using a hexagonal form used in NaNO3 PCM.(13-15)

3.1.1 핀 튜브 설계 및 영향

열전달 성능 향상을 위한 가장 쉬운 방안은 전열 면적을 넓히는 핀 튜브를 사용하는 것이다. 이 방안은 고전적인 방법으로써 잠열에너지저장 시스템에 응용한 사례들 외에 많은 연구결과들이 존재한다. 그 중에서 Fig. 3은 상변화물질 내 핀 튜브 사용 시 핀 형상에 따른 영향을 보여주는 대표적인 연구 결과들이다.^(13-15) 핀 튜브를 적용함으로써 열전달이 향상되는 점은 자명하지만,^(16-19) 잠열저장 열교환 시스템에 응용 시 핀 형상 및 개수 등의 최적 설계를 요구한다. 왜냐하면 내부에 설치된 핀은 전열면적 확장을 통해 열전달율을 향상시키는 반면 용융물의 유동을 방해하여 대류에 의한 열전달을 감소시킬 수 있기 때문이다. Park et al.⁽²⁰⁾은 동일한 전열면적 조건에서 핀 길이에 비해 개수 증가에 의한 전열 개선효과가 크다는 것을 확인했다. 다만 일정 개수 이상의 핀 설치 시 열유속이 오히려 감소하는 경향을 보여 최적의 핀 튜브 설계가 요구된다는 사실을 말하고 있다. 전열면을 넓히는 목적으로 다양한 형태의 핀 튜브를 설계할 수 있지만, 복잡한 형상은 가공의 어려움을 가져오고 이는 낮은 경제성으로 이어진다. 또한 실험적 연구를 위해 제작하는 것이 아닌 대규모 실증을 위해서는 많은 양의 금속이 사용되기 때문에 열전달 성능과 더불어 경제성은 함께 논의되어야 한다. 따라서 가성비를 고려한 적절한 설계안은 축방향 직선형 핀 형상이다. 핀의 역할은 축열 과정보다 방열 과정에서 더 중요하다. Rathod and Banerjee⁽²¹⁾는 동심관(shell-and-tube) 형태의 열교환기 내 축방향 직선형 핀 형상을 가지고 수행한 잠열저장 실험에서 핀이 없을 때 대비 녹는(축열) 과정에 소요되는 시간이 24.5% 감소한 반면 고형화(방열) 과정에 소요되는 시간이 43.6% 감소한다고 보고했다.

본 연구에서 고려하는 100-300℃에서 상변화 온도를 가지는 물질은 상대적으로 고온 영역이다. 따라서 이러한 환경에 적용하기 위한 소재 선택 및 핀의 접합 기술은 또 하나의 이슈이다. 알루미늄, 흑연, 철 등 다양한 핀 소재가 연구되고 있는데, 알루미늄은 높은 열전도도, 유연성, 낮은 부식성 때문에 350℃ 수준의 녹는점을 가지는 상변화물질에 적용하기 용이하지만 철과 비교하여 높은 열팽창 계수를 갖기 때문에 상대적으로 높은 응력 구배가 발생할 수 있다. 따라서 튜브와 핀 사이의 결합이 좋지 않을 경우 알루미늄 핀은 튜브에서 떨어지게 된다. 그 대안으로 반복되는 축․방열 시 서로 다른 열팽창 계수를 극복하기 위해 이종의 금속을 사용하여 핀 튜브를 설계하는 방안이 제안되었다.⁽²²⁾

Fig. 3 Enhanced heat transfer with various finned tube types: (a) Progress of the liquid-solid interface of n-Octadecane PCM during melting with and without fins, (b) Melting process of paraffin wax PCM in the unfin, straight fin, and bifurcated fin, (c) Dense fin structure using a hexagonal form used in NaNO3 PCM.(13-15)

3.1.2 미세 탄소입자 첨가를 통한 열전달율 향상

상변화물질의 열전달율 향상을 위해 그래파이트, 그래핀, 탄소나노튜브 등 열전도율이 높은 탄소계열 나노입자를 혼합하거나 캡슐화하는 등 다양한 방법들이 존재한다.^(23-34) 탄소계열 입자의 열전도율은 온도에 따라 변화하지만 보통 그래핀이 ~5,000 W/(m․K), 그래파이트가 2,000 W/(m․K)의 값을 상온에서 가진다.⁽²³⁾ 물론 입자의 형상과 크기에 따라 열특성이 변화한다는 점은 인지해야 한다. Fig. 4는 다양한 탄소계열 나노입자의 FE-SEM 사진을 보여주고, 이들의 혼합을 통해 기존 대비 향상된 열전도율 그래프를 나타낸다. Choi et al.⁽²⁴⁾은 지방산인 스테아르산에 탄소계열 나노입자를 0.001-0.1 vol.% 혼합하여 열전도율의 상승효과를 계측했다. 이 연구에서는 분산 안정제와 함께 그래핀을 0.1 vol.% 혼합했을 때 열전도율이 순수 스테아르산 대비 21.5% 상승하는 효과를 보여줬다. Al-Jethelah et al.⁽²⁵⁾은 코코넛 오일 물질에 금속계열 CuO 나노입자를 혼합했을 때 용융 과정을 가시화하여 열전도율 상승효과를 보고했다. 이러한 첨가제들을 사용했을 때 극복해야 할 점은 다음과 같다. 반복적인 축․방열 시 상변화물질 내 불균일한 혼합을 필연적으로 발생시키고, 이는 상변화물질의 위치에 따른 불균일성을 증가시켜 불안정한 축․방열 결과를 야기한다. 또한 시간이 지나면(van der Waals 힘 등에 의해) 서로 얽히는 응집력 때문에 상용 열저장 시스템에서 사용하기에는 어려울 것으로 생각된다. 실험적 연구에 더하여 흥미로운 시뮬레이션 연구방법은 분자단위에서 상변화물질의 열전달 특성을 도출하는 것이다. 실험적으로는 주로 분자간 작용하는 힘과 시간 스케일을 설정하고 시뮬레이션이 실행된다. 상변화물질에 그래핀(0.38 atom per Å2)을 혼합하는 것이 그래파이트(0.12 atom per Å2)를 혼합하는 것보다 더 큰 열전도율을 가지는데 이는 단위면적 당 탄소원자의 개수에 의한 것임을 밝혔다.^(35,36)

Fig. 4 Enhanced heat transfer with additives: (a) FE-SEM images of multi-walled carbon nanotube, graphite flake and graphene nano-powders, (b) Comparison of melting process between based-PCM and nano-PCM.(24,25)

3.2 열교환기 설계 유형 및 배열

상변화물질의 낮은 열전도율 극복과 효과적인 축․방열은 열교환기의 설계유형 및 배열과 직접적으로 연관된다. 가장 단순하면서 많이 사용되는 형태는 동심관 형태의 열교환기이다. 특히 연소시스템에서 동심관 형태의 열교환기는 70% 이상 사용된다. 이는 대부분 파이프로 증기 또는 응축수 등의 열전달 물질이 흐르고 이 배관이 그대로 열교환 설비로 유입되는데 유리하기 때문이다. 연소시스템과 연계하기 위한 잠열저장 설비 역시 고압 상태의 증기 등이 열전달 물질로 주입되기 때문에 동심관 형태의 열교환 시스템을 갖추는 것이 유리하다고 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 경제성과 성능을 고려한 현실적인 방안으로써 동심관 형태의 열교환기를 대상으로 논의하고자 한다. Fig. 5는 열교환기가 가질 수 있는 다양한 형태와 배열을 보여준다. 동심관 열교환기에서 튜브는 단일관 또는 다수관일 수 있으며 그동안 실용화된 형태는 단일관 중 실린더 형태의 열교환기이다.⁽³⁷⁾ 실린더 형태에서 상변화물질은 외부 동축관의 탱크 형태로 저장되어 있고, 내부 동축관으로 흐르는 열전달물질과 열교환을 한다. 이러한 형태의 열교환기는 수직형 또는 수평형으로 놓일 수 있다. 그리고 수직형 열교환기 중에서 열전달 물질은 상부 또는 하부에서 투입될 수 있다. 어느 경우가 최적 설계인지 판단할 수 있는 근거는 앞서 언급한 상변화물질의 상변화 시 겪는 물리적 현상을 기반으로 파악할 수 있다. 수평형 열교환기의 축열 과정에서 녹기 시작한 상변화물질은 부력에 의해 강한 재순환 영역을 형성시켜 대류열전달 효과는 강화된다. 하지만 시간이 지나 녹은 물질이 관 직경의 절반 이상 차지하게 되면 이 효과는 감소된다. 수직형 열교환기에서는 재순환 영역이 관의 반경 방향으로 펼쳐지기 때문에 수평형 대비 강한 대류 효과는 발생하지 않는다. 따라서 축열 과정에서는 대류 효과가 보다 더 활성화되는 수평형 열교환기가 적절하지만 방열 과정에서는 대류 효과를 무시할 수 있는 수준이기 때문에 수직/수평형에 따른 영향은 거의 없는 것으로 보고되었다.⁽³⁸⁾ 이는 물리적 현상을 기반으로 열전달 면에서 얻을 수 있는 타당한 결과이지만, 실제 현장에서 시공을 한다면 면적을 덜 차지하는 수직형 열교환기를 선호할 수 있다. 발전, 제철․제강 등 연소시스템을 필요로 하는 사업장은 우리가 기대한 만큼 넓은 부지를 찾기 어렵기 때문에 이에 대한 적절한 선택이 필요할 것이다. Longeon et al.⁽³⁹⁾은 수직형 열교환기에서 축․방열 시 열전달 물질의 투입 방향에 대해 실험적으로 연구하였다. 축열 과정에서 두 주입 방법 모두 자연 대류로 인해 열교환기 상단에서 용융이 시작되었다. 상단 주입은 축 방향을 따라 열적 구배가 상대적으로 크게 형성된 반면 하단 주입은 축 방향으로 구배가 생성되지 않았다. 따라서 열적 구배로 인해 상단 주입은 열전달을 향상시켰고 이런 이유로 상단 주입이 더 유리하다는 결론을 내렸다. 방열 과정에서는 액체에서 고체로 변화하는 과정에 발생되는 부피 변화로 인해 기공이 형성된다. 하단 주입 시 기공에 의한 공극을 중력에 의해 하강하는 액체 상변화물질로 채울 수 있는 반면 열전달 물질의 상단 주입 시 상변화물질의 상단 공극을 채울 수 없어 열전달율이 감소했다. 따라서 방열 과정은 하부 주입이 바람직하다고 보고했다. 마지막으로 이용하고자 하는 온도범위가 클 경우에, 하나의 상변화 온도(single-stage)만으로 열저장시스템을 구성하는 것보다 여러 온도대(multi-stage or cascade)의 상변화물질을 이용하여 열에너지 저장량을 극대화할 수 있다. 이때 각 단(stage)별 열교환과 후단 토출되는 온도에 맞는 상변화 온도를 선정하는 설계기술이 요구된다. 또한 다단 열에너지저장시스템은 단일 시스템 대비 열역학적으로 엔트로피 발생이 적다는 장점이 있다.⁽⁴⁰⁾

지금까지 위에서 언급한 다양한 열교환 설비 배열이 조합되어 실제로 고온의 증기생산을 위한 플랜트에 적용한 사례를 소개하고자 한다. 독일 DLR은 연소시스템과 연계는 아니지만 태양열 발전시스템에서 직접 증기를 생산하는 Direct Solar Steam 프로젝트를 시행하였다. Fig. 6에서 나타나듯이, 특징은 콘크리트를 활용한 현열저장 설비와 NaNO3를 상변화물질로 사용하는 잠열저장 설비가 직렬로 연결되어 기능을 한다는 것이다.^(41,42) 현열저장 설비는 예열과 과열증기 생산을 위해 활용되고, 잠열저장 설비는 증발을 위해 활용된다. 잠열저장 설비를 연계하여 직접 증기를 생산하는데, 열원 온도를 고려한 상변화물질의 최적 녹는점은 210-330℃ 사이에 있다. 증기생산을 목표로 방열 시 급수는 현열저장 예열기로 유입되고 잠열저장 증발기에서 드럼을 통해 순환하게 된다. 액체 상태의 물은 드럼에서 밀도차에 의해 강수관을 통해 내려오고 기체 상태의 증기는 현열저장 과열기에서 과열증기로 생산된다. 100 bar 수준의 과열증기 생산을 위해서 상변화물질로써 녹는점이 306℃인 NaNO3가 사용되고, 250℃ 이상의 온도에서 열교환이 이루어지기 때문에 핀 튜브에서 핀 소재는 알루미늄이 사용된다. 콘크리트는 2개 요소가 복합된 재료로써, 시멘트 반죽의 안정성은 콘크리트 힘의 결정적인 요소가 된다. 100 bar 수준의 과열 증기 생산을 위해 500℃ 까지 현열 열저장이 가능한 콘크리트를 사용하였다. 잠열저장 설비는 NaNO3를 사용하여 14톤이 충진되었다. 이는 680 kWh 용량을 가지고 있고 현열저장 설비와 다르게 수직관으로 배치된다. NaNO3는 녹을 때 (축열) 약 10%의 부피증가가 발생한다. 그렇기 때문에 이 여유 공간이 수직관 상부에 위치한다. 축열 모드에서는 약 320℃, 107 bar 조건의 증기가 설비로 들어온다. 축열 시에 증기는 상부에서 하부로 흐른다. 이는 중력에 의해 응축수가 떨어지게 하기 위함이다. 방열 시에는 81 bar, 295℃의 물이 열저장 설비로 들어오며 포화증기가 생산된다. 방열 시에 물은 하부에서 상부로 흐른다. 위 시스템은 스페인 Carboneras 지역에서 2010년 5월에 시운전이 실시되었다.

Fig. 5 Design considerations of PCM based heat exchanger for thermal energy storage: (a) Types, (b) Horizontal and vertical configuration, (c) Multiple PCM arrangement.(37)

Fig. 6 Three-part thermal energy storage system for direct steam generation: (a) Latent heat storage facility using NaNO3 PCM and sensible heat storage facilities using concrete, (b) Combination of latent heat storage module and low/high temperatures sensible heat storage modules.(41,42)

3.3 축․방열 시스템 제어

대상 시스템의 이해를 기반으로 한 적절한 상변화물질의 선택, 열교환기 설계 후에는 잠열저장 설비와 메인 시스템과의 연계가 중요하다. 결국 잠열저장 설비는 메인 시스템의 운영 목적과 기능 개선에 부합할 수 있도록 에너지를 공급하는 설비이기 때문이다. 이러한 축․방열 시스템의 최적 제어를 위해서는 정격 부하에서의 열정산을 수행한 후 동적 거동에 대한 해석이 필요하다. 낮은 열전도율을 가지는 상변화물질 특성 상, 열저장량과 더불어 열전달 성능이 설비의 축․방열 특성을 결정한다. 따라서 설계된 열교환기의 열적 특성을 이해하고 메인 시스템에서 필요한 에너지를 요구되는 시간 안에 전달할 수 있도록 제어로직을 설계해야 한다. 축․방열 과정 중 실제 플랜트 운영 면에서 더 중요한 과정은 방열 과정이다. 방열 과정은 메인 시스템에서 (화석연료 사용량 저감, 기동시간 단축, 피크부하 감소 등의 목적을 가지고) 요구하는 열량을 정해진 시간 안에 공급해야 하기 때문이다. 또한 정격부하에서 메인 시스템은 수요처에서 요구하는 일정 수준 이상의 품질과 조건을 가진 (증기와 같은) 제품을 지속적으로 생산해야하기 때문에 운영자는 열저장 설비의 에너지공급 한계치를 반드시 인지하고 있어야 한다. 잠열저장시스템은 축․방열 시 이론적으로 상변화가 발생하는 등온구간에서 열전달이 이루어지지만, 실제로 운영 시 액체 및 고체의 현열 구간 열에너지도 함께 사용할 수 있다. 상변화물질은 고체-액체 간 상변화 시 저장된 탱크 내부에서 열․유체역학적으로 균일한 변화를 할 수 없고, 앞서 언급한 듯이 사이클이 반복되면서 재현성이 떨어지기 때문에 시스템 연계 시 시간이 흐를수록 축․방열 시간이 변화하며, 이로 인해 열 회수율 및 에너지 효율이 낮아지게 된다. 따라서 잠열물질 저장탱크 내 온도 등의 계측 데이터를 기반으로 제어로직의 f(x)값을 설정하여 열전달 물질의 유량과 상태량을 조정해줘야 한다. 상변화물질은 흐름이 있는 유동이 아닌 고정된 열교환기 형상 내에 채워져 있기 때문에 현실적으로 제어할 수 있는 영역이 없고, 운전자가 제어할 수 있는 부분은 메인 시스템과 연결되어 흐르는 열전달 물질의 유량과 상태량이다. 하지만 열전달 물질의 상태량은 기본적으로 메인 시스템의 연속운전 중 발생하고 있기 때문에 이를 조정하기는 어렵다. 예를 들어, 증기 생산을 위한 보일러가 있을 때 생산되고 있는 증기의 온도, 압력 등 조건을 수시로 바꾸기 어렵다는 뜻이다. 따라서 연소시스템과 연계된 설비에서 더 제어하기 용이한 것은 열전달 물질의 유량이다. Fig. 7은 이러한 제어 개념을 표현한 개념도이다.

Fig. 8은 열전달 물질의 열교환기 입구 유량과 온도가 축․방열 소요시간에 미치는 영향을 그래프로 보여준다. 열전달 물질의 유량은 관내 레이놀즈 수에 영향을 미쳐 열전달에 직접적인 영향을 미치는 변수이다. 결과적으로 유량의 증가는 열전달 물질의 속도 증가와 열전달율을 강화시키고 에너지저장 성능을 향상시킨다.⁽²¹⁾ 하지만 열교환기 입․출구에서 열전달 물질의 온도차를 감소시키기 때문에 급수가열과 같은 곳에는 사용하기 어렵다. 따라서 최적 열전달 물질의 유량은 열전달율, 에너지저장, 열전달 물질의 온도변화 정도를 고려하여 정해져야 한다. 유량의 변화는 상변화물질의 녹는 과정(축열)에는 큰 영향을 미치나 고형화 과정(방열)에는 전도 효과가 지배적이어서 중요하지 않다는 주장도 있다.⁽⁴³⁾ 열전달 물질의 입구 온도는 유량 변화 대비 더 큰 영향을 미치는 변수이다. 열전달 물질의 온도와 상변화물질의 융점 차이가 클수록 열전달 효과가 상승하여 축․방열 시간이 단축되는 점은 물리적으로 당연한 결과이다.

Fig. 7 Conceptual diagram of HTF control.

Fig. 8 Effects of inlet conditions of HTF on PCM temperatures: (a) Measurement points in a shell-and-tube heat exchanger, (b) Effects of flow rates in melting condition, (c) Effects of inlet temperature in melting condition, (d) Effects of flow rates in solidification condition.(21)

4. 대형 연소시스템 연계 실증사례

4.1 열병합 발전 연계

Fig. 9와 같이 독일 DLR은 자국 내 Saarland 지역에서 복합화력 발전시스템과 잠열에너지저장 설비를 연계하여 화석연료 사용을 줄이는 반면 일정한 품질의 증기생산을 위해 실증사업을 진행 중이다.^(44-48) 실증 시스템은 가스터빈 1기, 배열회수보일러(HRSG) 1기, 보조(standby)보일러 2기로 구성된다. 증기는 가스터빈의 배열을 사용하여 배열회수보일러에서 압력 25 bar, 온도 350℃ 이상의 조건으로 시간당 8톤 생산된다. 가스터빈은 석탄의 채굴과정에서 발생되는 광산가스(주성분은 메탄과 이산화탄소)의 연소를 통해 운전되고 있는데, 광산가스 특성 상 메탄을 포함한 연료가스 조성이 상시 바뀌므로 가스터빈의 정지가 종종 발생하며 그에 따라 연속적인 증기생산이 중단되거나 증기의 품질이 저하된다. 수요처는 고품질의 증기가 연속적으로 필요하기 때문에, 발전소 운영사인 STEAG New Energies는 가스터빈 정지를 대비해 보조보일러를 최소부하(minimum load) 상태로 계속 가동한다. 가스터빈 정상가동 시에는 보조보일러에서 생산되고 있는 증기가 대기로 폐기되고, 이는 불필요한 화석연료가 대기상태로 인해 계속 사용되고 있다는 뜻이다. 가스터빈 정지 시 배열회수보일러가 잔여 증기를 생산할 수 있는 시간은 2분이고, 이 때 보조보일러는 부하 추종을 위해 2분 안에 정격부하까지 상승하게 된다. 따라서 정상가동 시 보조보일러에 사용되는 불필요한 화석연료 낭비를 막기 위해 DLR은 기존 보조보일러를 대체할 수 있는 잠열에너지저장 설비를 개발하여 적용하였고 현재 시운전 중이며 연간 5,000 MWh의 에너지 사용량 저감을 달성 중이다. 잠열저장 설비의 연계를 통해 보조보일러는 기존 최소부하에서 온열부하(warm load)로 연소부하가 감소될 수 있다. 최소부하와 비교하여 온열부하에서는 압력용기 내 증기조건만 유지하면 되기 때문에 훨씬 적은 양의 화석연료가 연소된다. 보조보일러는 온열부하에서 정격부하까지 올리는데 15분이 소요되며, 가스터빈 정지 시, 이 15분 동안 열저장 설비가 증기생산을 담당한다. 그러므로 보조보일러의 대기상태 부하 감소는 화석연료의 사용을 줄일 수 있는 것이다.

열저장 설비에서 생산되는 증기조건은, 급수 온도가 103℃로 공급될 때 온도 300℃, 압력 25 bar, 시간당 8톤의 증기 생산량을 갖는다. 이를 위해 잠열저장 설비는 6 MWth 축열용량을 가지고 있어야 하며, 이는 가스터빈 미작동 시 15분간 방열 과정을 겪게 되므로 1.5 MWh의 열량을 방출한다. 상변화물질은 단일 용융염인 NaNO3를 사용하고 충진양은 약 32톤 수준이다. NaNO3의 열전도율은 0.55 W/(m․K), 178 kJ/kg의 잠열 엔탈피, 306℃의 녹는점을 가진다. 따라서 300℃ 이상의 증기를 생산하기 위해 최소 이보다 높은 온도의 융점을 가진 물질을 사용했다는 점을 알 수 있다. DLR은 실증 전 파일럿 스케일 실험을 위해 Fig. 6과 같이 680 kWh 용량의 열저장 설비를 테스트하였다. 온도대별로 NaNO3-KNO3-NaNO2(142℃), LiNO3-NaNO3(194℃), NaNO3-KNO3(222℃)의 용융염 혼합물 및 NaNO3(306℃)의 단일 용융염을 사용하여 테스트를 완료하였다. 파일럿 실험 대비 실증 연구를 위해서는 용량이 증대되기 때문에 기존 DLR에서 테스트된 열교환기의 설계변경이 필요했다. 상변화물질(NaNO3)의 충진양은 기존 14톤에서 32톤으로 늘어나고, 보다 밀집된 튜브 간격 때문에 튜브 직경은 더 작아져야 했다. 따라서 효과적인 용접이 가능한 선에서 핀 설계 수정과 튜브 사이의 피치가 기존 160 mm 대비 70 mm로 좁혀졌다. 열교환기 전체 부피에서 핀, 상변화물질, 파이프가 차지하는 부피 비율은 각각 16.7%, 77.9%, 2.54%이다. 결과적으로 기존 테스트된 열교환기 부피와 같은 상태에서 더 높은 저장용량이 가능했고 튜브 내 유속 증가로 열전달율이 향상되었다. Fig. 3에서 나타나듯이, DLR은 실증 연구를 수행하기 전 다양한 온도대에서 핀 튜브 소재에 대해 연구하였다. 잠열저장 설비의 사용 온도대가 300℃ 이상의 고온영역이기 때문에 DLR이 개발한 핀 형상 면에서 소재의 팽창/수축에 관한 많은 고민을 한 것으로 보고된다.⁽¹⁵⁾ 250℃ 미만에서는 그래파이트 소재의 핀을, 350℃ 미만 영역에서는 알루미늄 소재의 핀을 사용하는 것이 적절하다고 평가되었다. Fig. 10과 같이 실증 연구에서 설계된 열교환기 크기는 2.5 m⨉1.5 m⨉8 m(튜브 높이는 6 m)이며, 852개의 알루미늄 핀튜브가 설치되었다. 축열은 배열회수보일러에서 생산된 증기(350℃, 25 bar)로 이루어지며 열저장 설비의 상단에서 유입된다. 상변화물질의 축열 완료까지 최소 10시간 이상의 시간이 필요한 것으로 보고되었다. 방열 시 급수는 103℃ 조건으로 열저장 설비의 하단에서 유입되며 상단에서 과열증기의 상태로 배출된다. 그래프에서 보이는 것처럼 방열 시 증기온도가 300℃ 미만으로 낮아지는 시점은 약 28분이므로 위 시스템은 충분히 15분 간 방열이 가능한 것으로 평가되었다.

Fig. 9 Integration of PCM-TES and CHP system: (a) Overview of demonstration site, (b) PCM heat exchanger module, (c) Schematic diagram of integration.(45)

Fig. 10 TES structure and simulation results: (a) PCM-TES heat exchanger facility, (b) Multi-tubes in the heat exchanger, (c) Temperature variation in melting(charging) and solidification(discharging) processes.(44,45)

4.2 소각로 폐열회수 보일러 연계

국내에서는 2021년 4월부터 2025년 12월까지 진행 중인 국가연구개발사업 ‘제조분야 온실가스 미세먼지 동시저감 기술개발사업’ 중 ‘예열연소 부하를 절감하는 배열회수 열에너지저장 시스템 개발’ 과제가 수행되고 있다. 본 연구에서는 최대 300℃의 상변화 온도를 가지는 고온 잠열 물질 개발과 축열 용량 1300 Mcal(=5442.8 MJ) 이상의 열에너지저장 시스템 개발과 실증을 목표로 한다. 최종 적용 산업군은 소각, 발전 등 연소시스템과 연계된 고온의 증기 생산업이며 시스템 예열 시 저장되었던 열에너지의 방출을 통해 예열에 필요한(LNG 등) 연료 사용량을 줄여 이 때 발생하는 온실가스와 미세먼지를 동시에 감축하는 것이 첫 번째 목적이다. 즉 증기 생산을 위한 연소시스템에 잠열에너지저장 설비를 도입함으로써 가스연료 연소를 통해 정상상태까지 가동되는 시간을 감축하는 것이 본 연구개발의 목표이다. 두 번째 목적은 저장되었던 열을 증기 수요가 많은 시간대에 사용하여 피크 부하 시 증기생산 시스템의 부담을 줄일 수 있는 역할에 사용하는 것이다. 지역별로 상이하지만, 산업 단지 내 증기생산 플랜트는 기동과 정지를 자주 반복하는 운전 특성을 가지며 기동 시 마다 고온 환경을 만들기 위한 예열연소 부하가 필요하기 때문에 본 연구에서 개발하고자 하는 잠열저장 설비가 유용하게 적용될 것으로 생각된다. Fig. 11은 실증 대상인 소각 폐열회수 보일러 시스템을 보여주고 있으며 잠열저장시스템의 연계 구조를 나타낸다. 한국생산기술연구원은 상변화물질 개발 및 열교환기 설계를 통해 연구실 스케일부터 파일럿 스케일까지 현장 실험을 실시 중이다. 그리고 한국에너지기술연구원은 설계된 잠열에너지저장 설비의 수학적 모델 개발부터 전체 플랜트 수준에서 1차원 과도상태 모델을 구성하여 공정 및 제어로직을 설계, 시스템의 최적화된 운전을 위한 방법을 연구개발 중이다.^(49-52)

실증 대상 소각로 시스템은 기동 시 예열을 위해 시간당 500 ㎥의 LNG 연료를 사용하고 있고, 정상상태에서 시간당 1.5톤의 폐기물을 연소시키고 있으며 폐열회수보일러를 통해 시간당 8톤의 증기를 생산하고 있다. 급수온도는 기동 시 20℃, 정상상태에서 80℃이며 상부(증기)드럼과 하부(물)드럼으로 구성된 2-드럼형 보일러에서 온도 170℃, 압력 8 bar의 포화증기를 생산한다. 잠열저장 설비는 보일러 기동 시 급수를 예열하는 절탄기 역할을 할 수 있으며 이에 해당하는 만큼 예열부하에 사용되는 보조연료 사용량을 저감한다는 것이 본 연구의 화석연료 사용량 저감과 온실가스 저감을 위한 기본 개념이다. 1,300 Mcal급 열저장시스템이 연간 축열 횟수 180회, 축열 이용율 90%일 때 1기의 플랜트에서 연간 온실가스 감축량은 50-60톤 CO2eq. 수준이다. 상변화물질의 종류에 따른 잠열 엔탈피마다 다르겠지만 1,300 Mcal 축열을 위해서는 (150-200 kJ/kg 잠열 엔탈피로 가정한다면) 약 30-40톤의 상변화물질이 열교환기에 충진되어야 한다는 이론적 계산결과가 도출된다. 본 연구에서는 앞서 언급한 열교환기 설계 유형 및 배열 중 다단 열에너지저장 열교환기 배열로 설계하였고 이를 통해 Fig. 12와 같이 여러 온도대의 상변화물질을 이용하여 열에너지저장량을 극대화하였다. 수직형 단일 동심관 열교환 시스템에서 실험을 통해 열교환 성능을 검증하였으며 핀의 유무에 따른 열유속을 실험한 결과, 핀 튜브일 경우에 열유속은 최소 12배 이상 증가함을 도출하였다. 독일 DLR과 열교환기 설계면에서 다른점은 상변화물질이 담겨진 탱크에 다수개의 열전달 물질이 흐르는 파이프가 설치된 형태가 아닌 각각의 실린더 형태의 열교환기가 다수개 설치되어 있다는 점이다(Fig. 5).

Fig. 11 Integration of PCM-TES and waste heat recovery boiler system: (a) Overview of demonstration site, (b) Waste incineration process, (c) Schematic diagram of integration.

Fig. 12 Design concept of heat exchangers: (a) Multi-stage modules for high, medium and low temperature ranges, (b) Single once-through type module, (c) Shell-and-tube latent heat storage unit using longitudinal fins.

5. 결론 및 기술의 발전 방향

본 연구는 화석연료 사용 및 탄소배출 저감을 위한 기술 중 잠열에너지 저장기술에 대한 이해와 활용성을 고도화하기 위해 기술되었다. 산업공정 내 고온 배열을 활용하기 위해 고온의 녹는점을 가지는 상변화물질이 개발되면서 발전소 또는 소각 등 연소시스템 등과 연계되어 실증․확장되고 있다. 현재 독일과 한국을 중심으로 실증연구가 수행 중이며 실 스케일에서 기술 검증을 통해 실질적인 화석연료 사용량 저감 및 관련 온실가스 배출 저감에 대한 효과가 입증될 것으로 기대된다. 재생에너지 중심구조로 편성되고 있는 발전산업에도 기존 기저부하 역할을 했던 석탄화력이 간헐적으로 필요시 마다 운전이 요구되는 상황으로 변하고 있어 잦은 기동과 정지 특성을 가질 것으로 예상된다. 유연운전이란 개념 아래 여러 방법들(기동시간 단축, 높은 부하변화율, 낮은 최저부하)이 고려되고 있어 이 역시 본 연구에서 개발하고자 하는 열저장 시스템의 적용 사례가 될 수 있을 것으로 판단된다. 최상위 시스템 관점에서 열저장 설비의 최적 연계를 위해서는 메인 시스템과 열저장 시스템의 열정산 및 동적 거동 특성을 매칭시켜야 한다. 이를 위해서는 본 논문의 Part 1에서 언급했던 적절한 상변화물질 선택을 바탕으로 단일 열교환기 설계 및 배열 최적화, 핀 튜브 등 열교환 성능 향상을 위한 설계, 내구성 테스트 단계를 거쳐야 한다. 이러한 엔지니어링 작업을 위해서 우선적으로 수행해야 하는 단계가 상변화 과정의 현상학적 이해와 열전달 특성에 대한 고찰이고, 이를 위해 현재 논문에서 각 항목들을 순차적으로 언급한 것이다. 대부분 연구결과는 용융(축열)과정에서 초기에는 열전도에 의한 영향이 지배적으로 작용하다가 이후 용융된 상변화물질의 대류에 의한 효과가 발생한다는 사실을 밝혔다. 또한 고형화(방열)과정에서는 대류 열전달은 무시할 수 있는 수준이고 전도에 의한 영향이 지배적이라는 사실을 보고하고 있다. 수직형 단일 동심관 실험을 통한 상변화물질의 온도구배도 축열 시에는 우리가 이론적으로 알고 있는 등온 구간이 뚜렷하게 나타나지 않은 반면, 방열 시에는 상대적으로 등온 구간이 명확하게 나타나는 점이 이러한 사실을 반영한 결과들이다. 대부분 기초 실험들은 100℃ 미만의 융점을 가진 파라핀 등의 상변화물질을 가지고 수행한 경우 많다. 왜냐하면 고온(100-300℃)영역의 융점을 가지는 상변화물질의 축․방열 특성을 도출하기 위해서는 융점 온도보다 더 높은 온도의 열전달 물질을 순환시켜야 하는데, 이를 위해서는 보일러, 압축기 등의 추가 설비가 필요하기 때문이다. 또한 상온 근처의 융점을 가지는 물질을 사용함으로써 가시화가 용이하고 실험설비 구축 시 열손실에 대한 부담을 줄일 수 있기 때문이다. 따라서 고온 영역의 융점을 가진 상변화물질의 열특성에 대한 연구가 추가적으로 필요하다는 점을 알 수 있다. 상변화물질의 낮은 열전도율은 핀 등을 활용하여 기술적으로 성능을 높일 수 있는 부분임은 많은 사례들을 통해 증명되었다. 현실적으로 고려되어야 할 점은 상변화물질의 가격이다. 현재 상변화물질의 비용은 상당히 높은 편이다. 예를 들어, 파라핀 제품은 톤당 4,000-5,000 달러이고, 염수화물 제품의 가격은 톤당 8,400-10,300 달러 수준이다. 이 가격에서 상변화물질의 적용은 연구 또는 실증 프로젝트로 제한된다. 그럼에도 불구하고 많은 기업들이 다양한 용도로 상변화물질 제품을 생산, 판매하고 있다. 대규모 상용화를 위해서는 잠열저장 제품의 비용이 톤당 2,000 달러 미만으로 낮아져야 한다. 따라서 상변화물질의 응용 연구에는 이러한 저급 상변화물질에 대한 연구가 포함되어야 할 것이다. 마지막으로, 2022년 하반기 LNG 수입가격은 여러 국제 환경적 요인으로 인해 톤당 1,000 달러 수준으로 역대 최고치를 기록했다. LNG 주요 소비국인 우리나라도 연료비에 대한 부담이 높아져 이에 대한 대응 기술이 요구된다. 이를 유도할 수 있는 용도로 열저장 시스템이 개발되어야 하고 산업 폐열을 저장할 수 있는 축열 매체로 상변화물질을 활용한다면 화석연료 사용량 저감 및 온실가스 배출 저감에 기여할 것으로 판단된다.