영광군과 한수원, 전남도는 한빛원전 6기에서 발생하는 온배수 잔열을 농업 등 에너지원으로 활용하는 업무협약을 체결하고 관련 사업을 구상 중이다. 이에 본지는 전남을 비롯해 제주도, 충북, 충남 지역의 산업폐열 활용사례를 바탕으로 대안을 제시하고자 한다. <편집자 주>

남제주화력발전소 온배수 활용시스템은

온배수에서 열을 흡수하기 위한 열교환기는 온배수(바닷물)의 부식성과 제작비용을 고려하여 PE(폴리에틸렌)파이프로 제작하고 PE파이프 열교환기는 온배수의 온도와 히트펌프의 용량에 따른 설계기준을 결정하기 위해 밸브를 설치하여 열교환기 용량을 변화시킬 수 있도록 제작했다.

화력발전소 폐열 회수 히트펌프시스템 작동원리

1. 발전소 온배수 덕트에서 지상 노출형 PE 재질 온배수 배관을 통해 온배수를 퍼올려 열교환탱크에 채은다.

2. 열교환탱크의 온배수 온도가 낮아지면 다시 바다로 방류한다.

3. 열교환탱크 내에 설치된 PE파이프 열교환기에서 온배수로부터 열을 흡수한다. 열교환탱크에는 온배수(바닷물)가 저장되어있고, PE파이프 열교환기 내부에는 지하수, 수돗물 등 일반 물이 흐른다.

4. 온배수로부터 열을 흡수한 일반 물은 온수배관을 통하여 이동, 히트펌프의 증발기 내부를 흐르는 냉매에 열을 준다.

5. 온배수로부터 열을 얻은 냉매는 히트펌프의 컴프레서(compressor)에서 압축되어 온도가 높아진 상태에서 응축기로 보내진다.

6. 온도가 높아진 냉매는 응축기에서 온수저장탱크(축열조)와 응축기를 흐르는 물에 열을 주어, 온수저장탱크에 있는 물의 온도를 높인다.

7. 온수저장탱크에 담겨진 따뜻한 물(40∼50℃)은 관로를 통하여 온실로 보내져서 팬코일(FCU) 등으로 온실을 난방한다. 온배수에서 열을 흡수한 일반 물이 흐르는 온수배관을 여러 개 설치해 보다 많은 온실, 즉 보다 넓은 면적의 난방이 가능하다.

히트펌프 시스템 난방에너지 비용절감 분석

▲ 시험기간 : 2010년 10월 15일부터 2011년 2월 28일(약 5개월)

▲ 장소 : 서귀포시 안덕면 행복나눔영농조합법인(온실면적 : 0.53ha(5,265㎡), 재배작물 : 시설감귤, 망고)

▲ 히트펌프 시스템 전력사용량=226,641 kWh

▲ 히트펌프 시스템 난방비용=9,975,124원

사용전력 : 농사용(병) / 기본요금=1,070원/kW / 전력요금=36.4원/kWh)

▲ 히트펌프 시스템이 온실에 공급한 열량

전력사용량 × 히트펌프 시스템 성능계수

226,641 kWh × 3.0=679,923 kWh

679,923 × 860kcal=584,733,780 kcal

(히트펌프 시스템 성능계수=3.0 / 1.0kWh=860kcal)

▲ 경유난방기 사용시 소요되는 경유량

히트펌프 시스템이 온실에 공급한 열량 / (경유발열량 × 경유난방기 열이용 효율)= 584,733,780 kcal / (9,050 × 0.85)=76,013 L

(경유발열량=9,050 kcal/L, 경유난방기 열이용 효율=0.85)

▲ 경유난방기 사용시 난방에너지 비용 = 경유난방기 사용시 소요되는 경유량 × 면세경유가격= 76,013 L × 1,000원/L=76,013,000원 (시험기간 면세경유가격 평균값=1,000원/L)

▲ 경유난방 대비 화력발전소 폐열 이용 히트펌프 시스템의 난방에너지 비용 절감 효과=((면세경유난방비용-히트펌프 시스템 난방비용)/ 면세경유난방비용) × 100

= ((76,013,000원 - 9,975,124원) / 76,013,000원) × 100= 87%

▲ 발전소의 폐열을 난방에너지원으로 재활용함으로써 48%의 이산화탄소 배출 저감 효과

▲ 기타 효과

화력발전소 폐열 패러다임의 변화, 폐열의 농업적 활용에 대한 인식 제고, 이산화탄소 배출 저감, 지자체와 발전소 등의 화력발전 폐열 활용 관심 유도, 폐수 온도 상승 등으로 인한 환경영향 관련 민원 해소

▲ 2016년 현재 행복나눔영농조합은 1.5ha로 규모가 커졌으며, 발전소 온배수 덕트에 설치한 PE파이프 열교환기를 영농조합 내에 설치하고, 온배수를 직접 온실까지 끌어들이는 시스템으로 변경함

▲ 현재 국내에서 화력발전소 온배수를 농업적으로 활용하는 사례는 행복나눔영농조합 1곳임

<온배수 배관 (폐열회수파이프)>

2010년 당시 온배수와 열교환하여 온도가 높아진 일반물이 흐르던 배관이었으나, 현재는 온배수가 흐름

<열교환탱크>

콘크리트 구조물로 온배수 배관을 통해 유입된 온배수를 모아 놓은 일종의 수조로 열교환탱크 내부에 PE파이프 열교환기가 설치됨

<PE파이프 열교환기>

온배수로부터 열을 흡수하기 위한 롤형태의 열교환기로 열교환탱크 내부에 설치되며, PE파이프 열교환기에는 지하수, 수돗물 등 일반 물이 흐름

<히트펌프 및 배관>

온배수의 열을 이용하여 40∼50℃의 난방수(온수)를 만들어 온수저장탱크(축열조)로 보냄

<온수저장탱크>

히트펌프가 만든 40∼50℃의 온수를 저장해 놓은 탱크로 열을 저장해 놓았다고 하여 축열탱크 또는 축열조라고도 부름

<방열기(팬코일유니트)>

온수저장탱크의 40∼50℃의 온수가 흐르고 팬으로 송풍하여 온수가 가지고 있는 열을 온실 내부로 방열하며, 팬과 코일형상의 배관으로 구성되어 있어 팬코일유니트 (FCU)라고도 함

<온수배관>

열교환탱크에서 온배수로부터 열을 얻은 일반 물이 흐르는 관로(폐열회수파이프)로 다른 온실에 있는 히트펌프에 열을 공급하며, 이를 통해 여러 동의 온실에 온배수의 열을 공급할 수 있어 확장성이 커짐