2.1 목재칩 유기냉매사이클(ORC) 열병합 시스템

ORC 방식 열병합 시스템은 증기터빈 랜킨사이클(Rankine cycle)과 유사하지만 증기 대신 유기냉매를 사용하여 전기를 생산하는 방식이다. ORC는 지열, 공장 폐열 및 목재 연료 연소열 등을 이용하여 전력을 생산할 수 있으며, 소형 ORC 시스템은 프랑스의 Enogia⁽⁷⁾, 이탈리아의 Zuccato Energia⁽⁸⁾, Turboden⁽⁹⁾ 등에서 생산 및 판매하고 있다. Table 1에 ORC 시스템을 생산 판매하는 회사들의 발전 용량 및 설치 대수를 나타내었다. Enogia와 Zuccato Energia는 500 kWe 이하의 소형 ORC 시스템을 판매하고 있으며, Turboden은 0.4 ~ 수 MWe의 다소 큰 규모의 ORC 설비를 판매하고 있다. 특히 이러한 소형 발전설비는 여러 대 병렬 설치하여 더 높은 발전량을 생산할 수 있다. ORC 발전 개략도를 Fig. 4에 나타내었다. ORC는 산업 폐열 또는 연소열을 이용하여 유기냉매에 열원을 공급한 후(Fig. 4에서 4,5) 터빈을 회전시켜 발전(Fig. 4에서 6)하게 된다. 증기 상태의 유기냉매를 응축시키는 과정에서 열을 회수 및 생산(Fig. 4에서 7,8,1)하게 된다.

Fig. 4 Schematic of organic rankine cycle (Turboden).(9)

전 세계 ORC 시스템이 설치되어 있는 현황을 알 수 있는 ORC world 사이트에 방문하면 2023년 현재 전 세계적으로는 1,451기의 ORC가 설치되어 있고, 국내에는 6군데 설치되어 있는 것을 알 수 있다.⁽¹⁰⁾ 울산과기대에 5 kWe 1기, 흑산도 등에 40 kWe 3기, 함양군 재활용 센터에 160 kWe 1기 및 광양에 1.2 MWe 1기가 설치되어 있다고 나와 있다. Lee and Jung⁽¹¹⁾은 2017년 흑산도 디젤엔진 배기가스와 냉각수 열원을 이용한 ORC 시스템에 대해 성능시험을 수행하였다. 1) 냉각수, 2) 배기가스, 3) 배기가스와 냉각수 및 4) 배기가스로 승온된 냉각수 열원을 사용하는 모드들에 대해 ORC 발전량을 측정하였으며, 3번째 모드에서 디젤 엔진 발전의 약 5.9%인 59.0 kW를 ORC시스템으로 발전하였다. 이는 버려지는 엔진의 냉각수 및 배기가스 폐열을 이용하여 전체 발전량을 약 6% 정도를 추가 생산할 수 있었다. 이러한 설치 사례에서 알 수 있듯이 ORC는 연료를 연소하지 않고 산업 또는 재생에너지 열원에서 생성되는 비교적 낮은 온도의 열원에서 열과 전기를 동시에 생산할 수 있다는 장점이 있다.

Chaiyat and Kiatsiriroat⁽¹²⁾은 25 kWe 급 ORC 열병합 시스템을 사용하여 열 및 전기 생산 특성을 확인하였다. 이들은 116℃ 온수 열원 약 243 kWth를 사용하여 전력을 21.5 kWe를 생산하여 시스템 효율이 약 8.7%인 것을 시험적으로 확인하였다. Moro et al.⁽¹³⁾은 전기는 최대 2 MWe, 열은 최대 8 MWth을 사용하고 전열비(power to heat ratio)는 약 0.15 ~ 0.40 정도인 가구공장을 대상으로 전기 1 MWe, 열 5.6 MWth 용량의 ORC 시스템에 대해 계절별 최적 운전 조건 등을 조사하였다. 낮은 전열비 사용조건인 가구 공장과 낮은 전열비 출력 특성을 가진 ORC 시스템 설치가 탄소 저감 및 경제성도 우수하다고 하였다. 하지만 낮은 전열비로 인해 과잉 생산된 열 에너지를 봄․가을에는 21.7%, 겨울에는 6.4%, 여름에는 33.0%를 버려야 하는 것으로 나타났으며, 연간 약 16.6%의 열에너지를 버려야 하는 것으로 예측하였다. Jang and Lee⁽¹⁴⁾는 2 kWe, 25 kWth 용량의 ORC 기반 바이오매스 소형 CHP 설계를 위한 최적의 작동 조건 및 성능을 하였다. 열물리적 특성 및 관련 환경 규정을 기준으로 사이클로펜탄 등 8개의 유기 작동 유체 적용하여 열병합 설비의 발전 특성을 시험하였다. 시험 결과 잠열이 큰 작동 유체일수록 ORC의 발전 효율이 높다고 하였고 이때 발전효율은 약 6.0 ~ 7.3%로 나타났다. Obernberger et al.⁽¹⁵⁾은 오스트리아 Lienz에 설치되어 있는 Turboden사에서 제작된 1 MWe급 ORC 열병합 시스템에 대해 성능 해석 및 경제성을 평가하였다. 설치된 ORC 시스템은 5,560 kW 에너지를 공급받아 1,000 kWe 전력과 4,440 kWth 열을 생산하는(열전비, heat to power ratio, 4.4) 열병합설비이다. 실제 가동하였을 때 80% 부하 이상에서 전력효율은 약 18%를 달성하였다. 또한 Lienz 지역에 지역난방 열을 공급하기 때문에 연간 열사용 부하가 높았으며 ORC에서 생산된 약 4,440 kWth 열에너지를 연간 약 5,770시간 동안 공급할 수 있을 것이다.

2.2 목재칩 가스피케이션 엔진 열병합 시스템

ORC 열병합 시스템은 약 150℃ 이상의 열이 있으면 이러한 열을 흡수하여 유기냉매사이클을 통해 전기를 생산하는 시스템이다. 그래서 ORC 시스템은 이러한 열을 연소를 통해 직접 생산하여 발전할 수도 있고, 배기가스 등 폐열을 이용하여 발전할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 목재칩 가스피케이션 엔진 열병합 시스템은 목재칩을 가스화하여 발생하는 연소가스로 엔진을 구동하여 열과 전기를 생산하는 시스템이다. ORC 열병합 시스템은 전기를 생산하는 데 있어 열을 회수하는 방법이 다양하다는 장점이 있지만 투입되는 열에너지 대비 전기 생산량이 낮다는 단점이 있다. 목재칩 가스피케이션 열병합 시스템은 목재칩만을 사용하여 열과 전기를 생산하지만 전기 생산비율이 높다는 장점이 있다. 이러한 열병합시스템은 목재칩을 산소가 부족한 고온의 가스화 설비에 투입하여 수소, 메테인, 일산화탄소 등 가연 가스를 생성시킨 후 가스 엔진을 구동하여 열과 전기를 생산한다.

Rajvanshi⁽¹⁶⁾는 목재칩 가스피케이션 엔진 열병합에 사용할 수 있는 바이오매스 가스피케이션에 대해 정리를 하였다. 바이오매스를 가스화하기 위해 상향식, 하향식 및 교차식 가스피케이션 방식에 대해 각각의 장단점을 소개하였고, 다양한 종류의 바이오매스에 대해 가스화된 후 가스 조성 및 발열량을 정리하였다. 또한 가스피케이션 공정시 연료의 밀도, 함수율, 먼지 및 타르 함량 등에 대한 조건 등을 제시하였다. Lee et al.⁽¹⁷⁾은 하향 방식의 가스피케이션 열병합 시스템에 소나무, 참나무, 카드보드 등 연료를 변경하며 시험을 수행하였다. 이들은 가스피케이션효율(81.7 ~ 84.6%), 엔진 효율(25.6 ~ 29.5%) 및 발전기 효율의 모두 고려한 시스템 전체 효율을 시험적으로 측정하였을 때 모든 연료에 대해서 15.8(카드보드) ~ 23.0%(소나무) 인 것을 확인하였다. Cirillo et al.⁽¹⁸⁾은 20 kWe급 우드칩 가스피케이션 열병합 시스템(CMD-ECO20x)을 사용하여 시험 및 시뮬레이션을 통한 설비 특성을 확인하였다. 이들은 설비의 전기 효율이 19.5%, 열효율은 21.7% 등 시스템의 총 효율이 약 41.2%인 것을 확인하였다. 또한 가스피케이션 설비에 공급되는 목재칩의 최적 함수율은 약 10%라고 제시하였다. Bolhàr-Nordenkampf et al.⁽¹⁹⁾은 함수율 20 ~ 30% 정도의 목재칩을 연료로 하는 오스트리아 귀씽(Güssing)에 설치되어 있는 2 MWe급 가스피케이션 엔진 열병합 발전설비를 소개하였다. 8 MW 연료를 공급하여 약 2 MWe 전력(25.0%)과 4.5 MWth 열(56.3%)을 생산하여 총 81.3%의 효율(열전비 2.3)을 가진다. 이 열병합 설비로 열배관 길이 약 20 km 정도 구성된 지역난방에 연결되어 약 300개 가정과 50군대의 공공기관에 열을 공급하였다. Ahrenfeldt et al.⁽²⁰⁾은 목재칩 등 바이오매스를 이용한 가스엔진 열병합, 고체산화물 연료전지(SOFC)와 마이크로가스터빈(MGT), 스팀터빈 등에 대한 특성을 조사하였다. 가스엔진 열병합의 경우 입열 조건이 70 kW, 1.5, 5.2 및 8 MW 용량이었고, SOFC+MGT는 0.5 MW 그리고 스팀터빈 발전의 경우 6 MW이다. 전기생산효율은 SOFC+MGT가 50%로 가장 높았으며 증기터빈 발전이 38% 그리고 가스엔진 열병합은 25 ~ 35% 순이였다. 열 사용까지 포함한 전체 시스템 효율은 증기터빈이 가장 높은 90%, 가스엔진 열병합이 71 ~ 90% 마지막으로 SOFC+MGT가 80%이라고 하였다. Malat’áková et al.⁽²¹⁾은 체코에서 사용할 수 있는 목재연료 가스피케이션 엔진에 대해 연료와 설비에 대한 경제성 등에 대한 평가를 하였다. 이들은 200 kWe 용량 이하의 열병합 설비에 대해 특성을 정리하였으며 이러한 열병합 설비에 대한 열전비(heat to power ratio)를 보면 Fig. 5와 같다. 가스피케이션 엔진 열병합 설비의 열전비는 발전용량이 증가할수록 낮아지는 것을 알 수 있다. 즉 발전용량이 증가할수록 열생산 대비 전기 생산량이 증가하는 것을 의미한다. 발전용량이 50 kWe 미만일 때에는 열생산이 전기생산보다 약 2배 이상인 것을 알 수 있으며, 발전용량이 200 kWe일 때에는 열생산이 전기생산의 약 1.5배로 낮아지는 것을 알 수 있다. Brynda et al.⁽²²⁾은 트윈 파이어와 2단계 가스화의 원리를 결합한 새로 개발된 유형의 고정층 다단계 가스화기 GP750를 사용하여 가스피케이션 엔진 열병합 시스템 특성을 조사하였다. 이들은 36% 발전효율을 가지는 710 kWe 발전기를 사용하여 7월부터 12월까지 시험을 하였으며 이때 발전 효율은 29.3 ~ 32.9% 인 것을 시험적으로 확인하였다. Rentizelas et al.⁽²³⁾은 그리스 지역난방에 겨울철에는 난방에너지를 여름철에는 흡수식 히트펌프를 사용하여 냉열을 공급하는 조건에서 ORC 열병합 시스템과 가스피케이션 열병합 시스템에 대해 설비운영특성과 경제성을 평가하였다. ORC 열병합 시스템과 가스피케이션 열병합 시스템에서 연간 동일한 약 14,700 kWh의 열에너지를 생산하는 동안 ORC의 경우 2,740 kWh의 전력을 가스피케이션 시스템은 6 980 kWh의 전력을 각각 생산하였다. 이때 가스피케이션 엔진 열병합 시스템은 전기효율 26%, 열효율 55%로 총 81%의 효율(열전비 2.1)을 가졌으며, ORC 열병합 시스템은 전기효율 14%, 열효율 75%로 총 89%의 효율(열전비 5.4)을 가졌다. 이들은 ORC 시스템의 경우 내부수익률이 약 14.8%, 가스피케이션 시스템의 내부수익률은 약 18.1%로 제시하였다. 또한 투자회수기간은 ORC 시스템과 가스피케이션 시스템에서 각각 9.9년과 7.8년으로 계산하였다. Gonzálezetal et al.⁽²⁴⁾은 바이오매스를 이용하는 소형 열병합 설비등에 대해 용량, 전력 효율 등등에 대해 조사하였다. 이들은 목재 칩을 전기와 열로 변환하는 다양한 기술들을 설명하고 1 MWe 이하의 소규모 발전에서 열병합 기술들의 효율성 측면에서 각각 성능을 검토하고 비교하였다.

Fig. 5 Dependence relation between thermal and electric output of small gasification CHP up to 200 kWe.(20)

Fig. 6 Electrical efficiencies of biomass conversion by gasification and ORC CHP system.(12, 14-15, 18-19, 21-23)

Fig. 6에 위 연구자들에 의해 제시된 ORC 열병합 시스템과 목재칩 가스피케이션 열병합 설비에 대한 전기 효율을 나타내었다.(12, 14-15, 18-19, 21-23) ORC 열병합 시스템의 경우 전기효율이 약 7 ~ 18%인 것을 알 수 있으며 조사된 시스템의 평균 전기효율은 약 11.4%였다. 이에 반해 목재칩 가스피케이션 열병합 시스템의 경우 전기효율이 약 10 ~ 36%였으며, 조사된 시스템의 평균 전기효율은 약 20.5%였다. ORC 열병합 시스템에 비해 목재칩 가스피케이션의 평균 전기효율이 약 44% 높은 것을 알 수 있으며, 두 열병합 시스템 모두 용량이 증가할수록 전기 효율이 증가하는 것을 알 수 있다.

2.3 목재칩 가스피케이션 열병합 시스템 사례 분석

본 논문에서는 독일 바이에른 주에서 소형(100 kW급 미만) 목재 가스피케이션 열병합 시스템을 개발, 판매하고 있는 Spanner Re2 GmbH사(이하 Spanner)의 목재 열병합 시스템의 특성 및 실제 운전 데이터 등을 소개한다. Spanner사는 2006년 설립되어 2008년 첫 번째 목재 연료를 사용하는 가스피케이션 열병합 설비를 상용 판매하기 시작하였다. 2010년에는 누적 판매량 100대를 달성하였으며 2020년까지 누적 900대를 목재칩 가스피케이션 엔진 열병합시스템을 설치하였다.

Fig. 7 Picture of woodchip gasification engine CHP system of Spanner Re2.(6)

Fig. 8 Electric, thermal output and heat of power ratio of woodchip gasification engine CHP system of Spanner Re2.(6)

HKA 300 모델은 전기 출력이 290 kWe이며 이는 하나의 290 kWe 엔진 열병합 시스템에 4개의 가스피케이션 설비를 연결하여 높은 출력을 달성하였다(HKA 700 모델은 하나의 700 kWe 엔진열병합 시스템과 10개의 가스피케이션 설비를 연결함). Fig. 8에 Spanner사에서 판매하고 있는 제품에 대한 전기, 열 출력 및 열병합 설비의 열전비를 나타내었다. HKA 70 모델을 예를 들어 설명하면 함수율이 10% 내외의 우드칩을 시간당 약 55.1 kg 공급하여 전력은 68 kWe 생산되며 이때 열은 144 kWth 생산되어 열전비는 약 2.1이다.

Fig. 9에 Spanner사 가스피케이션 설비에서 목재칩이 가스화되었을 때 대표적인 가스 함량을 나타내었다. 가연 가스로는 일산화탄소, 수소 및 메탄이 생성되고 연소에 사용되지 않는 이산화탄소도 약 9.5% 생성되는 것을 알 수 있다. 이러한 이산화탄소의 생성이 가스화 설비의 효율을 저감시키는 요인이 될 것이다.

HKA 70에 대한 상세 사양을 Table 2에 나타내었다. 가스피케이션 설비에 4.5 kWh/kg 우드칩을 시간당 55.1 kg을 공급하여 68 kWe 전력을 생산한다. 만일 이 설비가 연간 8,000시간 운전한다고 가정하면(91% 가동률) 연간 전력 생산량은 544 MWh, 열 생산량은 1,152 MWh이다. 이러한 우드칩 가스피케이션 설비에 대한 연간 가동률을 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 10에서 나타낸 설비는 HKA 30 2대와 HKA 14대 총 16대에 대해 설치년도와 2020년까지 가동률을 나타내었다. 16대에 대한 평균 연간 가동률은 91.3%이며 이는 설비에서 생산된 열과 전기를 공급할 수 있는 사용처가 충분하다면 설비를 90% 이상 가동할 수 있다는 것을 나타내고 있다. 전기의 경우 국내에서 출력제어 조치(전력 생산 가동중단제도)가 발생하지 않으면 전력 판매를 할 수 있지만, 열의 경우 열을 사용하지 않는 환경, 예를 들어 가정의 경우 여름철 난방을 하지 않는 시기 또는 공장의 경우 운영을 하지 않는 야간 또는 공휴일인 경우에는 열병합 설비에서 생산된 열을 버려야 된다. 이러한 열병합 설비를 운영할 때 열을 지속적으로 사용할 수 있는 열 수요처에 열을 공급하는 것이 중요하다.

Fig. 9 Typical gas contents of woodchip gasification outlet of Spanner Re2.(6)

Fig. 10 Yearly operation rate of wood gasification engine CHP of Spanner with respect of installation year.

Fig. 11에 실제 Spanner사에 설치되어 연속 운전되고 있는 HKA 70(정격 전기 출력 68 kWe) 가스피케이션 엔진 열병합 설비에서 생산되고 있는 전력과 엔진 회전수를 나타내었다. 엔진 회전수는 1,500 rpm으로 일정하게 유지되고 있는 것을 알 수 있다. CHP 설비에서 생산되고 있는 전력은 평균 약 65.2 kWe이다. CHP 설비에서 생산되는 전력 출력이 약 20분에 한 번씩 45 kWe 수준으로 순간적으로 떨어지는 것을 알 수 있다. 이는 일반 가스 열병합 설비에서는 발생하지 않는 현상이며 이를 확인하기 위해 다른 데이터를 확인해 보았다. Fig. 12에 목재칩 가스피케이션 입구의 압력과 가스화필터 청소 명령 출력을 나타내었다. 목재칩 가스화 설비에서 발생한 연소 가스에 타르 등 이물질이 발생하며 이러한 이물질들은 열병합 엔진에 공급되기 전에 필터를 통해 걸러지게 만들었다. 필터에 이물질이 많이 부착되면 고압 공기 노즐을 통해 필터를 청소해 주는 로직이 있는 것으로 판단된다. 이러한 필터 청소 모드일 때 열병합 설비의 전기 출력이 다소 낮아지는 것으로 확인된다.

Fig. 11 Electric power output and engine speed of wood gasification engine CHP of spanner.

Fig. 12 Pressure of inlet of gasifier filter and cleaning command of wood gasification engine CHP of spanner.

Fig. 13 Water temperature of wood gasification engine CHP of spanner.

Fig. 13에 열병합 설비에서 발생하고 있는 냉각수의 입출구 온도를 나타내었다. 열병합설비에서 공급되는 냉각수의 온도는 평균 91.5℃이고 열병합설비로 환수되는 온도는 1차는 77.8℃, 2차는 56.5℃인 것을 알 수 있다. 열병합설비에 온수 유량계가 설치되어 있지 않기 때문에 냉각수 평균 유량(환수측 유량을 동일하다고 가정함)을 예측해 보면 약 4,026 kg/h이다(114 kWth).