기호설명

1. 서 론

지구온난화가스 배출에 의한 기후 변화에 대응하기 위해 전 세계적으로 기후 협약이 진행되고 있고, 이에 따라 지구온난화가스 배출 저감을 위한 세계 각국의 노력이 지속되고 있다. 특히 최근 세계 주요국가에서는 탄소중립 달성을 위한 로드맵을 발표하고 있으며, 한국 정부도 지난 2020년 2050 탄소 중립 달성을 위한 전략을 발표하였다.⁽¹⁾ 한국에너지공단에서 발표한 자료⁽²⁾를 살펴보면, 산업, 상업, 수송 분야에서 각각 국내 전체 온실가스 배출량의 60, 15, 25% 정도가 배출되고 있다. 이를 통해 산업 분야에서의 온실가스 배출량 저감이 탄소 중립 달성을 위해 매우 중요하는 것을 알 수 있다. NREL 보고서⁽³⁾에 따르면 상업과 수송 분야 대비 산업 공정에서의 탈탄소화 난이도가 높다고 알려져 있다. 이 보고서에 따르면 전기화를 통해 탈탄소화를 진행할 경우, 높은 시설 투자 비용과 상대적으로 비싼 연료(전기) 비용이 탈탄소화의 난이도에 증가를 야기한다고 한다. 그럼에도 불구하고 산업공정에서 탈탄소화를 위해서는 산업 공정에서 사용되는 기존 화석 연료 기반의 열생산 시설의 전기화가 반드시 필요하다.

전기를 이용하여 열에너지를 생산하는 대표적인 기술은 전기 히터, 전기보일러, 히트펌프 등이 있다. 이 중 히트펌프는 전기에너지 투입량 대비 더 많은 열에너지를 생산할 수 있는 특징을 갖고 있으며, 이에 따라 다른 전기화 기술 대비 고효율로 열에너지를 생산할 수 있다. 현재 히트펌프 기술은 건물용 냉난방에 많이 활용되었고, 이에 따라 산업 공정에서 요구하는 열에너지의 온도 대역보다 낮은 온도 대역의 기술 수준에 머물러 있다. Arpagaus et al.⁽⁴⁾에 따르면 산업 공정에서 요구하는 열에너지는 다양한 온도 대역이 있으며, 제지, 식품, 화학, 금속, 재료, 섬유 등의 산업에서 100 ~ 200℃ 열에너지를 광범위하게 사용 중에 있다고 한다. 따라서 이렇게 높은 온도 대역의 산업 공정에 적용하기 위한 고온 히트펌프 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 고온 히트펌프 기술 개발은 주로 일본과 유럽을 중심으로 진행되었다. 일본의 고베 스틸에서는 히트펌프를 활용하여 100 ~ 120℃의 증기를 생산하고, 이를 증기 압축기와 연계하여 최대 135 ~ 175℃의 증기를 생산할 수 있는 시스템을 개발하였다.^(5,6) 이 시스템에서는 작동 유체로 R134a, R245fa를 적용하였으며, 시스템 용량은 최대 약 660 kW 수준이다. Mitsubishi에서는 R134a를 작동 유체로 하는 130℃ 고압수를 생산하는 히트펌프 시스템을 개발하였으며, 최대 난방 용량은 약 600 kW 수준이다.⁽⁷⁾ COMBITHERM에서는 최대 용량 3.3 MW로 120℃ 고압수를 생산할 수 있는 히트펌프를 개발하였으며, 이 제품에는 지구 온난화 지수가 낮은 R1233zd(E) 냉매를 적용하였다.⁽⁸⁾ 국내에서는 한국에너지기술연구원에서 R245fa 냉매를 적용하여 약 109℃의 온수를 생산하고 이를 flash tank에서 123℃의 증기를 생산하는 시스템을 설계하였다.⁽⁹⁾ 이 외에도 Dürr Thermea, Ochsner, GEA 등의 회사에서 산업 공정에 적용하기 위한 고온 히트펌프 개발을 진행하고 있다고 한다.⁽¹⁰⁾

앞서 정리한 것과 같이 전 세계적으로 산업용 히트펌프 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 하지만 기존에 개발된 시스템 중 대부분은 지구온난화지수가 높은 냉매를 적용하였다. 키갈리 개정서를 통해 지구온난화 지수가 높은 HFC 계열의 냉매 사용 규제가 2016년도에 채택되었다.⁽¹¹⁾ 따라서 지구온난화지수가 낮은 냉매를 기반으로 산업용 히트펌프 시스템을 개발해야 한다. 기존에도 R1233zd(E) 냉매를 활용하여 고압수를 생산하는 시스템 개발이 진행되었지만, 많은 산업 공정에서는 증기를 활용하기 때문에 증기를 생산하는 히트펌프 시스템에 대한 개발이 요구되고 있다.

산업용 히트펌프의 경우 증발기 열원으로 산업 공정에서 발생하는 폐열을 적용할 수 있다. 산업 공정에서 필요로 하는 증기의 온도가 정해졌을 때, 증발기로 공급되는 폐열의 온도에 따라 히트펌프 시스템에 요구되는 승온 수준이 달라진다. 기존 연구를 살펴보면, 히트펌프로 고온을 바로 생산하는 경우도 있지만 히트펌프를 Mechanical vapor recompression(MVR)과 연계하여 고온의 증기를 생산하는 경우도 있다. 일반적으로 히트펌프에 요구되는 승온이 높을 경우 cascade 시스템^(12,13)을 적용하는 경우가 있으며, 산업용 히트펌프 중 히트펌프와 MVR을 연계한 시스템은 Fig. 1과 같이 cascade 시스템의 한 형태로 볼 수 있다.

본 연구에서는 지구온난화 지수가 낮은 R1233zd(E) 냉매를 적용한 히트펌프와 MVR을 연계한 시스템을 대상으로 히트펌프에서 생산하는 증기의 온도(중간 온도)에 따라 히트펌프/MVR 연계 시스템의 성능이 어떻게 변화하는지 정량적으로 분석하였다. 히트펌프로 공급되는 폐열의 온도와 히트펌프/MVR 연계 시스템에서 생산해야 하는 증기의 온도를 변화하며, 다양한 조건에 따른 최적 중간 온도를 제시하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of Heat pump/MVR System for Industrial process.

2. 히트펌프/MVR 연계 시스템 사이클 해석 방법 및 조건

본 연구에서 고려한 히트펌프/MVR 연계 시스템은 Fig. 2와 같다. Fig. 2에서 히트펌프 시스템은 4개의 압축기와 3개의 Economizer로 구성된 시스템을 고려하였다. 히트펌프의 각 압축기의 압력비는 동일하도록 설정하였다. 히트펌프의 증발기로 산업 공정에서 폐열을 회수하여 공급하고, 히트펌프의 응축기로는 Flash tank로부터 가압수를 공급한다. 이때 응축기로부터 열에너지를 전달받은 가압수가 Flash tank 전단의 팽창 밸브에서 팽창하여 가압수 중 일부가 스팀으로 변환한다. Flash tank에서는 기체와 액체가 분리되고, 상단의 증기를 MVR로 공급한다. Flash tank의 증기 압력과 산업 공정에 공급하고자 하는 증기의 압력비를 바탕으로, MVR은 1대 당 최대 압축비 1.4를 초과하지 않는 총 MVR 대수를 도출하여 사이클 계산에 적용하였다. 이때 각 MVR의 압축비는 동일하게 설정하였다. 예를 들어 Flash tank의 증기 온도가 130℃이고 생산하고자 하는 증기의 온도가 180℃일 때, 증기의 총 압력비는 3.71이다. 압축비 1.4의 MVR을 3대 적용할 경우의 총 압축비는 2.74이고, 4대 적용할 경우의 총 압축비는 3.84이다. 따라서 MVR은 총 4대 적용하게 되고, 이때 각 MVR의 압축비는 1.39가 된다. 이러한 방식으로 MVR의 대수를 선정하였다. 각 MVR에서 증기를 압축하는데, 이때 각 MVR 출구 온도는 입구 온도보다 증가하게 된다. 일반적으로 MVR을 통과하는 증기 온도 설계 한계가 있다. 본 연구에서는 MVR 최대 증기 온도를 230℃로 설정하였고, MVR의 마지막 단을 제외한 각 단의 MVR 토출 온도가 230℃ 이상이 되면 다음 단 MVR 입구에서의 증기 과열도가 5℃가 되게 물을 분사하도록 하였다. Fig. 2는 MVR 3단 출구 온도가 230℃ 이상이 되어 MVR 4단 입구에 물을 분사하여 입구 과열도가 5℃가 되는 조건에 대한 개략도이다. 최종적으로 생산된 증기는 산업 공정으로 공급되고, 산업 공정에서는 공급된 증기가 모두 사용되어 포화액 상태로 배출되는 경우와 Flash tank의 액체 상태의 엔탈피와 동일한 엔탈피 조건까지 사용되어 배출되는 경우에 대해 해석을 수행하였다. 산업 공정에서 토출되는 액체 상태의 고압수는 팽창 밸브를 통과하여 Flash tank로 돌아온다. 히트펌프의 응축기에서의 과냉도와 증발기에서의 과열도는 모두 0℃로 설정하여 해석을 수행하였으며, 3개의 Economizer에서는 기상과 액상 냉매가 완벽하게 분리되는 것으로 가정하였다.

사이클 해석에 적용된 증발기 및 응축기의 approach temperature, 압축기 및 MVR의 등엔트로피 효율, 펌프의 등엔트로피 효율, 터보기기 기계 효율은 Table 1과 같다. 증발기와 응축기 2차측 유체의 유량은 각 2차측 유체의 입․출구 온도 차이가 5℃가 되도록 하는 유량으로 설정하여 해석을 수행하였다. 사이클 해석에서 히트펌프 작동 유체인 R1233zd(E) 냉매와 물의 물성치는 REFPROP 10을 통해 계산하였다.

Fig. 2 Schematic diagram of heat pump/MVR system.

3. 히트펌프/MVR 연계 시스템 사이클 해석 결과

본 연구에서는 해석 조건으로 Fig. 2의 증발기 측 Waste heat inlet 온도 범위를 40 ~ 100℃로 설정하였고, 산업 공정으로 공급되는 증기의 포화 온도를 165 ~ 210℃로 설정하였다. 이때 응축기 측 Water inlet 온도(중간 온도)를 50 ~ 150℃로 변화하며 해석을 수행하였다.

제2장에서 설명한 방식으로 사이클 해석을 수행하였고, 증발기로 공급되는 폐열의 온도, 응축기 측 Water inlet 온도, 생산 증기 온도가 각각 40, 110, 180℃이고 산업 공정 출구에서 증기 공급 압력의 포화액 상태로 배출되는 경우의 사이클 선도는 Fig. 3과 같다. 히트펌프는 4단 압축 시스템으로 각 압축기의 압력비가 동일하다. MVR은 전체 압축비를 바탕으로 압축 단수를 도출하였다. Fig. 3(b)를 보면, 이 조건에서 MVR 시스템은 총 6단 압축 시스템으로 구성된 것을 확인할 수 있다. Fig. 3(b)에서 검은색 점선은 증기 온도 230℃ 등온선이며, MVR 토출 온도가 이 온도보다 높은 조건에서는 액상 고압수를 공급하여 과열도를 5℃로 낮추게 된다. Fig. 3의 조건에서는 3단 출구와 5단 출구에서 증기 온도가 230℃ 이상이 되어, 4단 입구와 6단 입구에서 고압수를 공급하는 조건으로 해석하였다. 다른 해석 조건에서도 위와 같은 방식으로 해석이 진행되었고, Fig. 3과 유사한 형태의 P-h 선도를 도출할 수 있다. Fig. 3에서 히트펌프의 압축기 소요 동력, MVR의 압축기 소요 동력, 물을 순환하기 위한 펌프의 소요 동력을 바탕으로 시스템 전체 소요 동력을 산출하였다. 또한 Fig. 3(b)의 최후단 MVR의 압력 조건에서의 포화액 엔탈피와 최후단 MVR 토출 증기의 엔탈피 차이를 바탕으로 스팀 열량을 계산하였고, 이를 전체 소요 동력으로 나누어 히트펌프/MVR 시스템의 COP를 도출하였다. 히트펌프 시스템과 MVR 시스템 그리고 히트펌프/MVR 시스템의 COP를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

Fig. 3 P-h diagrams of heat pump and MVR system(Waste heat temperature: 40℃, Water inlet temperature of condenser: 110℃, Steam temperature: 180℃, Saturated water discharge condition).

Fig. 4 COP of heat pump and MVR system for various operation conditions(Saturated water discharge condition).

Fig. 4(a)와 Fig. 4(b)는 각각 중간 온도 변화에 따른 히트펌프와 MVR 시스템의 COP 변화를 나타낸다. 일반적으로 히트펌프 시스템의 COP는 저온부와 고온부의 온도차이가 증가할수록 낮아진다. Fig. 4(a)는 저온부 온도가 40 ~ 100℃일 때, 히트펌프의 고온부(중간 온도)의 온도가 증가함에 따라 COP가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 반대로 Fig. 4(b)를 보면 MVR 시스템에서 생산하는 증기의 포화 온도가 165 ~ 210℃ 일 때, MVR 시스템의 저온부(중간 온도)가 증가함에 따라 MVR 시스템의 저온부와 고온부 온도 차이가 감소하여 COP가 증가하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 4(a)와 Fig. 4(b)의 특성을 고려할 때 히트펌프/MVR 연계 시스템의 COP는 중간 온도가 증가함에 따라 통합 COP가 단순 증가, 단순 감소 또는 최적이 되는 중간 온도가 있을 수 있다. 따라서 통합 COP를 도출하였고, 이는 Fig. 5와 같다.

Fig. 5(a) ~ Fig. 5(d)는 각각 증기 포화 온도가 165, 180, 195, 210℃ 일 때, 중간 온도 변화에 따른 시스템 COP 변화를 나타낸다. Fig. 5의 각 범례는 Waste heat inlet 온도를 나타낸다. 본 해석에서 고려한 모든 온도 조건(폐열 온도 및 생산 증기 온도)에 대해 중간 온도가 증가함에 따라 히트펌프/MVR 연계 시스템의 COP가 증가하다 감소하는 경향을 보인다. 이는 일반적인 Cascade 시스템에 대한 기존 문헌에서의 연구 결과^(12,13)와 유사한 경향이다. Fig. 5의 (a)를 보면 폐열의 온도와 생산 증기의 온도가 각각 40, 165℃일 때, 히트펌프를 통해 약 90 ~ 110℃의 증기를 1차적으로 생산하고 이를 MVR로 승압하여 사용할 때 가장 COP가 높은 것을 알 수 있다. 최적 설계점의 위치는 다르지만 모든 해석 조건에 대해 COP가 최대가 되는 중간 온도가 존재하기 때문에, 이를 바탕으로 운전 조건을 고려하여 히트펌프를 통해 1차적으로 생산할 증기의 온도를 결정해야 히트펌프/ MVR 시스템을 최대한 경제적으로 운영할 수 있다. Fig. 5를 보면 알 수 있듯이 대부분의 폐열/생산 증기 온도 조건에 대해 히트펌프로 생산하는 중간 증기의 온도가 약 100 ~ 120℃일 때, COP가 최대가 된다. 따라서 산업 공정용 히트펌프 제작자가 다양한 온도 대역의 폐열을 바탕으로 100 ~ 120℃ 온도의 증기를 생산할 수 있는 히트펌프 시스템을 제작할 경우, 165 ~ 210℃의 증기를 생산하는 히트펌프/MVR 연계 시스템의 최적 운전이 가능한 히트펌프 시스템을 공급할 수 있다.

Fig. 5 COP of heat pump/MVR coupled system for various operation conditions(Saturated water discharge condition, legend: Waste heat inlet temperature).

다른 해석 조건은 위와 동일하지만, 산업 공정에서 포화액 상태가 아닌 Flash tank의 액체 상태의 엔탈피 조건까지 열에너지를 사용하고 배출되는 경우의 사이클 선도는 Fig. 6과 같다. Fig. 3과 비교할 때, 압축기 토출 조건에서 과냉 조건까지의 엔탈피 차이가 크기 때문에 동일 유량 조건에서 열량 높으며 이에 따라 COP가 증가할 것을 예측할 수 있다. 이러한 조건에 대해 폐열 온도, 생산 증기 온도, 중간 온도에 따른 COP를 계산하였고, 그 결과는 Fig. 7과 같다. Fig. 7을 보면, 산업 공정에서 열에너지를 Flash tank의 포화액 조건까지 사용할 때는 히트펌프에서 생산하는 중간 스팀의 온도가 증가함에 따라 히트펌프/MVR 연계 시스템의 통합 COP가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 열에너지 사용 특성이 이와 같은 경우, 히트펌프와 MVR을 연계하는 것보다 MVR을 단독으로 사용하는 것이 COP 관점에서는 유리하다.

Fig. 6 P-H diagrams of heat pump and MVR system(Waste heat temperature: 40℃, Water inlet temperature of condenser: 110℃, Steam temperature: 180℃, Subcooled water discharge condition).

Fig. 7 COP of heat pump/MVR coupled system for various operation conditions(Subcooled water discharge condition, legend: Waste heat inlet temperature)

본 연구에서의 해석 결과를 기존 문헌의 해석 결과와 비교하면 Fig. 8과 같다. Fig. 8에서 ‘COP(saturated water discharge)’는 Fig. 5의 결과를 표기한 것이고, ‘COP(subcooled water discharge)’는 Fig. 7의 결과를 표기한 것이다. ‘KOBELCO’는 Arpagaus et al.⁽⁴⁾에서 정리한 KOBELCO의 연구 결과를 표기한 것으로, KOBELCO의 사이클 구성이 본 연구의 사이클 구성과 유사하기 때문에 KOBELCO의 연구 결과와 본 연구의 연구 결과를 비교하였다. KOBELCO의 연구 결과와 본 연구의 연구 결과의 경향은 비슷한 것을 확인할 수 있다. KOBELCO 결과를 보면 동일한 승온 조건(95℃)에서도 COP가 2 ~ 2.5로 차이가 있을 수 있음을 알 수 있으며, 이는 본 연구 결과에서도 유사한 수준의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서 제시한 COP는 KOBELCO 연구 결과와 유사하거나 약간 높다. 이 정도 오차는 해석에서 가정한 터보기기 및 열교환기 효율에 따라 발생할 수 있다. 전반적으로 본 연구에서 제시한 연구 결과가 기존 문헌 결과와 유사한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8 Comparison with existing literature.

4. 결 론

본 연구에서는 히트펌프/MVR 연계 시스템의 사이클 분석을 통해 폐열 온도, 중간 온도, 생산 증기 온도에 따른 히트펌프/MVR 연계 시스템의 통합 COP를 분석하였다. 생산된 증기를 산업 공정에서 포화액까지 사용하는 경우와 Flash tank의 액체 상태 엔탈피 조건까지 사용하는 경우에 대해 각각 사이클 분석을 수행하였다. 우선 산업 공정에서 증기가 포화액 상태로 배출되는 경우에 대해 사이클 분석을 수행한 결과, 폐열 온도 40 ~ 100℃, 생산 증기 온도 165 ~ 210℃의 범위의 모든 폐열/생산 증기 온도 조합에 대해 히트펌프/MVR 통합 시스템의 COP가 최적이 되는 중간 온도가 존재함을 확인하였다. 이를 통해 이 온도 범위에서는 히트펌프 시스템 또는 MVR 시스템을 단독 적용하는 경우 대비 두 시스템을 연계할 때 더 높은 효율로 열에너지를 생산할 수 있음을 확인할 수 있었다. 폐열/생산 증기 온도 조건에 대해 최적 중간 온도는 변화하나, 대부분의 경우 히트펌프로 생산하는 중간 증기의 온도가 약 100 ~ 120℃일 때 히트펌프/MVR 시스템의 통합 COP가 최대가 되는 것을 확인할 수 있었다. 히트펌프/MVR 연계 시스템의 최적 COP는 1.69 ~ 3.27 범위 내에서 형성되는 것을 확인하였다. 산업 공정에서 증기를 Flash tank의 액체 상태 엔탈피 조건까지 사용하는 경우에 대해 사이클 분석을 수행한 결과, 폐열 온도 40 ~ 100℃, 생산 증기 온도 165 ~ 210℃의 범위의 모든 폐열/생산 증기 온도 조합에 대해 중간 온도가 높아질수록 통합 COP가 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 산업 공정 조건에서는 MVR을 단독으로 적용하는 것이 COP 관점에서는 유리하다. 위와 같은 해석 결과를 바탕으로 산업 공정에서 열에너지를 활용하는 특성에 따라 산업 공정의 전기화 시, 히트펌프/MVR 연계 시스템으로 설계할지 아니면 MVR 단독 시스템으로 설계할지 결정할 수 있다.