1. 서 론

시멘트 산업은 국제 산업 부문 에너지 소비와 온실가스 배출에서 대표적인 에너지 다소비 산업으로 알려져 있다. 시멘트 제조 공정은 채광, 분쇄, 소성, 클링커 분쇄 단계로 구성되며, 이 중 소성 공정은 전체 에너지 소비의 90 % 이상을 차지하는 에너지 집약적인 공정이다(Fig. 1)¹⁾. 특히 소성 공정 내 예열, 탈탄산, 소성 및 냉각 과정에서는 다량의 고온 배기가스와 열풍이 발생하며, 이는 공정상 필연적으로 발생하는 폐열 형태로 외부로 방출된다. 시멘트 공장의 경우 투입되는 총 열에너지의 약 33 %가 예열기 및 클링커 냉각기로부터 발생하는 배출가스를 통해 손실되는 것으로 보고되고 있으며, 이러한 폐열은 회수 여부에 따라 공장 전체 에너지 효율에 중대한 영향을 미친다²⁾.

Fig. 1.

Schematic diagram of cement production and greenhouse gas emissions¹⁾.

시멘트 산업에서는 폐열회수발전(Waste Heat Recovery, WHR)을 통해 버려지는 열에너지를 전력 에너지로 전환하는 기술 발전이 진행되었다. 현재까지 가장 널리 적용된 방식은 증기 랭킨 사이클(Steam Rankine Cycle, SRC)로, 예열기 배출가스와 클링커 냉각기에서 발생하는 고온의 폐열(약 320 ℃ 이상)을 열 회수 보일러에서 증기로 전환하여 터빈을 구동하는 시스템이다. SRC는 기술 개발 수준이 높고 대형 공장 적용 운용 경험이 충분하다는 장점이 있으나, 시멘트 공정에서 실제로 회수 가능한 폐열의 온도 범위가 SRC의 최적 운전 조건보다 낮은 경우가 많아 발전 효율이 제한되는 한계를 가지고 있다. 이외에도 저온 조건에서의 증기 발생, 터빈 블레이드의 침식 위험 및 수냉식 응축기 의존도 등은 시멘트 공장의 운전 및 유지관리 측면에서 문제점으로 작용해 왔다^3,4,5).

이와 같은 한계를 보완하기 위한 대안으로 유기랭킨사이클(Organic Rankine Cycle, ORC)이 주목받고 있다. ORC는 끓는점이 낮은 유기 작동유체(Working fluid)를 사용함으로써 중·저온 폐열(약 150~300 ℃)에서도 비교적 안정적인 발전이 가능하며, 팽창 과정에서 액적 응축이 억제되어 터빈 운전 안정성이 높다는 특징을 가지고 있다. 또한 공랭식 응축기 적용 운전이 가능하다는 점에서 시멘트 공정에 적합한 기술로 평가된다. 시멘트 공정에서 발생하는 폐열은 대체로 200~450 ℃ 범위에 분포하며, 이 온도 영역은 SRC와 ORC의 적용 구간이 일부 중첩된다. 특히 상대적으로 중·저온 구간에서는 ORC의 적용성이 높고, 고온 구간에서는 SRC가 경쟁력을 가질 수 있다^3,5).

본 논문에서는 SRC 및 ORC 시스템의 기술적 특성, 국내·외 시멘트 산업에서 발생하는 폐열의 특성과 이를 활용하여 전력으로 전환하는 기술을 분석하였으며, 에너지 생산 효율 향상을 위해 진행되고 있는 해외 연구 사례를 조사하여 시멘트 산업의 에너지 효율화 및 저탄소 전환을 위한 향후 대응 방안을 도출하고자 하였다.

2. 시멘트 산업의 폐열 특성

폐열이란 에너지를 생산하거나 소비하는 과정에서 사용되지 못하고 버려지는 열을 의미한다(Fig. 2)^6,7). 시멘트 공정에서의 폐열은 주로 냉각기(Clinker cooler)와 예열기(Preheater)에서 발생하며, 이러한 폐열을 활용한 WHR 시스템이 도입되고 있다. 시멘트 공정의 경우, 투입되는 총 에너지의 약 33 %가 예열기 및 클링커 냉각기에서 배출되는 가스로 손실되는 것으로 보고되고 있다(Fig. 3)⁸⁾. 일반적으로 예열기 배기가스의 열량은 클링커 1톤당 750~1,050 MJ이며, 클링커 냉각기 배출 가스에서는 클링커 1톤당 300~540 MJ의 열이 발생한다. 이와 같이 공정 전반에서 상당한 부분이 폐열로 손실되며, 이 양은 전체 에너지의 최대 40 %에 이를 수 있다. 이러한 폐열을 회수에 발전에 활용하면 공장 에너지 소비량의 약 20 %를 자체적으로 확보할 수 있다²⁾.

Fig. 2.

Utilization of process with change of waste heat temperature⁷⁾.

Fig. 3.

The average heat/energy balance of a typical cement plant⁸⁾.

시멘트 소성로에 적용되는 WHR 시스템은 일반적으로 SRC를 기본 원리로 한다. SRC는 기존 화력발전소에서 널리 사용되는 대표적인 열역학 사이클로, 작동유체인 물에 열을 가해 고압의 증기로 만든 뒤, 이를 팽창시켜 전력을 생산하는 방식이다. 시멘트 공정에서는 예열기에서 배출되는 고온의 배기가스와 클링커 냉각기에서 발생하는 뜨거운 공기를 열원으로 사용한다. 이 열원은 폐열회수 보일러(Heat Recovercy Stream Generator, HRSG)에서 작동유체를 가열, 기화시키는 데 활용된다. 시멘트 공정에서는 작동유체로 물을 사용하는 SRC뿐 아니라, 저비점의 유기 화합물을 사용하는 ORC도 적용될 수 있다²⁾.

3. SRC 및 ORC의 기본 원리 및 특성

SRC는 외부 열원을 이용하여 열에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이를 다시 전기에너지로 전환하는 대표적인 열역학적 발전 사이클이다. SRC에서는 먼저 증발기에서 과냉각된 액체 상태의 물이 일정한 압력 조건에서 열을 공급받아 포화 액체를 거쳐 포화 증기, 나아가 과열 증기로 전환된다. 이렇게 생성된 고온·고압의 과열 증기는 터빈으로 유입되어 이상적으로는 엔트로피가 일정한 조건에서 팽창하면서 터빈을 구동하고, 이 과정에서 발생한 기계적 에너지는 발전기를 통해 전기에너지로 변환된다. 터빈을 통과한 후의 증기는 압력과 온도가 낮아진 상태로 응축기에 도달하며, 여기서 일정한 압력 조건하에서 열을 방출하면서 다시 액체 상태로 응축된다. 응축 과정을 거쳐 회수된 포화 액체는 펌프에 의해 고압으로 압축되어 과냉각 액체 상태로 전환된 후 다시 증발기로 공급됨으로써 사이클이 반복된다. 시멘트 공장에서 SRC는 예열기와 클링커 냉각기에서 발생하는 고온의 폐열을 HRSG에서 직접 증기로 전환하여 활용한다. Fig. 4는 시멘트 공정에서의 SCR 온도-엔트로피(T-S) 그래프를 나타낸다⁹⁾. 다수의 연구 사례에서 SRC 기반 WHR 시스템은 약 4~10 MW 수준의 전력 생산이 가능함이 보고되고 있다.

Fig. 4.

Conventional SRC process scheme⁹⁾.

SRC는 기술 발전도가 높고 동일 출력 기준으로 설치 비용이 비교적 낮아 고온 열원이 충분한 대형 시멘트 공장에 적합한 특징을 가지고 있으나, 시멘트 공정에서 회수가능한 폐열의 온도가 상대적으로 낮은 경우에는 적용이 제한적인 단점을 가지고 있다. 이외에도 저온 조건에서는 터빈 내 증기 응축으로 인한 블레이드 부식 위험이 있고, 공랭식 응축기와 급수 조절 시스템이 필요한 단점이 있다. 이러한 운전 및 유지관리 측면의 제약은 SRC의 적용 범위를 제한하는 요인으로 작용한다²⁾.

ORC는 끓는점이 낮은 유기 작동유체를 이용하여 비교적 낮은 온도(약 150~300 ℃)의 열원으로부터 전력을 생산하는 열역학적 발전 기술이다. 시스템은 펌프, 증발기, 터빈 및 응축기로 구성되어 있다⁴⁾. Fig. 5는 ORC 시스템의 대표적인 공정 구성도와 T–S 그래프를 나타낸다⁵⁾. ORC는 외부 열원으로부터 공급된 열에너지를 기계적 동력으로 전환한 뒤 다시 순환시키는 폐쇄형 사이클로 구성된다. ORC 공정에서 작동유체는 먼저 펌프에 의해 가압되어 증발기로 공급된다. 이후 예열기 배기가스나 기타 저온 열원으로부터 열을 전달받아 온도와 엔트로피가 증가하면서 기체 상태로 전환된다. 이 단계에서 공급되는 열에너지는 작동유체의 온도를 변화시키는 현열 및 상태를 변화시키는 잠열 증가에 사용되며, 사이클 전체의 에너지 입력을 형성한다. 기화된 작동유체는 터빈을 통과하면서 팽창하고, 이 과정에서 발생하는 압력 차에 의해 기계적 에너지가 생성된다. 생성된 에너지는 발전기에 전달되어 전기에너지로 변환된다. 터빈을 통과한 이후 작동유체는 압력과 온도가 낮아진 상태로 응축기로 유입되며, 외부로 열을 방출하면서 다시 액체 상태로 응축된다. 응축된 작동유체는 다시 펌프를 통해 증발기로 공급되어 사이클이 반복된다^2,4,5). 이러한 ORC의 작동 원리는 기본적으로 SRC와 유사하지만, 물 대신 저비점의 유기 작동유체를 사용한다는 점에서 차이를 가진다. ORC의 작동유체는 일반적으로 Butane(C₄H₁₀)이나 Pentane(C₅H₁₂) 같은 고분자량 유기 작동유체를 사용한다¹⁰⁾. 특성으로는 인체에 대한 독성이 없어야 하며, 사용 및 취급이 용이해야 한다. 또한 대기 중 방출 시 오존층 파괴 가능성이나 온실가스 배출 영향이 낮은 물질이 선호된다. 열역학적 관점에서 볼 때, 작동유체의 밀도가 클수록 동일한 질량 유량 조건에서 터빈 내 에너지 전달이 유리하며, 증발 잠열이 클 경우 더 많은 열에너지를 흡수하여 터빈 출력 향상에 기여할 수 있다. 여기서 증발잠열은 액체 상태의 작동유체가 기체로 상 변화할 때 온도 변화 없이 흡수하는 에너지를 의미하며, 이는 사이클 내 주요 에너지 입력을 형성한다. 다만, 과도한 잠열은 기화에 필요한 열량을 증가시켜 시스템 설계 및 운전에 불리하게 작용할 수 있으므로, 작동유체 물성 간의 균형이 중요하다⁵⁾.

Fig. 5.

Conventional ORC process scheme & Conventional ORC T-S diagram⁵⁾.

Table 1은 시멘트 산업에서 SRC와 ORC를 비교한 것으로, ORC 방식의 장점으로 팽창 과정 중 액적 응축이 발생하지 않아 터빈 블레이드 침식 위험이 낮고, 상대적으로 낮은 압력 조건에서 운전이 가능하다. 또한 공랭식 응축기 적용이 용이하여 수자원 제약이 있는 지역에서도 높은 적용성을 가진다. 반면, ORC는 작동유체의 밀도가 낮아 동일 조건에서 터빈 출력이 SRC 대비 낮을 수 있으며, 설치 비용이 SRC 시스템에 비해 높은 단점이 있다. 이러한 이유로 폐열 특성 및 경제성을 종합적으로 고려한 적용이 필수적이다²⁾.

4. 국내 시멘트 산업의 폐열 발전 적용 사례

국내 시멘트 산업에서 폐열회수발전 설비는 주로 SRC 중심으로 도입되어 왔다. 그 이유로는 초기 도입 시점에서 SRC의 기술력이 상대적으로 높았으며, 국내 시멘트 공장의 폐열회수 대상이 예열기 배기가스와 클링커 냉각기 열풍 등 비교적 고온의 대용량 열원에 맞추어 설계되어 왔기 때문이다. 반면 ORC는 국내 시멘트 산업에서는 아직 경제성 및 설비 적용 경험이 충분히 축적되지 않은 것으로 판단된다. 따라서 향후 ORC의 도입을 위해서는 공정별 열원 특성, 경제성, 그리고 기존 설비와의 복합 운전 가능성에 대한 선행 검토가 필요하다.

국내 시멘트 산업의 폐열 회수 발전 현황을 살펴보면 각 업체에서는 시멘트 제조 공정에서 발생하는 고온 배가스 및 열풍을 회수하여 전력을 생산함으로써 외부 전력 의존도를 낮추고, 에너지 비용 절감과 온실가스 배출 저감을 동시에 달성하고 있는 것으로 나타났다. A~D 업체 사례를 종합하면, 폐열 회수 발전은 단순한 보조 설비를 넘어 공장 에너지 운영 체계 내에서 실질적인 자가 발전원으로 기능하고 있으며, 일부 업체에서는 전체 전력 사용량의 약 20~30 %를 대체할 수 있는 수준의 효과와 함께 이로 인한 온실가스 감축효과는 연간 약 111,667 tCO₂-eq로 확인되었다. 또한 운영 방식 측면에서는 자체 설비 운영뿐 아니라 외부 전문기업과의 협력 모델도 활용되고 있다. 이러한 결과는 폐열 회수 발전이 국내 시멘트 산업의 에너지 효율 향상과 탄소중립 대응을 위한 실효성 높은 수단임을 알 수 있다(Table 2)^11,12,13,14).

5. 해외 시멘트 산업의 ORC 적용 사례

국외 시멘트 산업의 ORC 적용 사례를 종합한 결과, 각 기업은 시멘트 제조 공정에서 발생하는 예열기 배가스와 클링커 냉각기 열풍 등의 폐열을 회수하여 전력을 생산함으로써 외부 전력 의존도를 낮추고, 에너지 비용 절감과 간접적인 CO₂배출 저감에 기여하고 있는 것으로 나타났다. 적용 규모는 약 1 MW급부터 10 MW 이상의 대형 설비까지 다양하며, 일부 공장에서는 전체 전력 사용량의 약 20 %를 대체할 수 있는 수준의 효과도 보고되었다(Table 3)^{15,16,17,18,19,20,21,22)}.

대표적인 해외 시멘트 산업의 ORC 적용 사례로는 미국, 일본, 스위스 및 사우디아라비아가 있으며, 미국의 경우 ORC 기반의 발전 전문 기업인 Ormat(Ormat Technologies, Inc.)에서 지열발전과 폐열 회수를 중심으로 3,500 MW 이상의 ORC 발전 자산을 보유하고 있으며 독일 및 인도 시멘트 공장에 설치하였다. 이 중 독일 소재의 Heidelberg 시멘트 공장에서는 클링커 냉각기에서 배출되는 고온 공기를 열원으로 활용하여 약 1.2 MW 규모의 ORC 발전시스템이 운영되고 있다. 인도 UltraTech 시멘트 공장은 탄소 저감을 위한 노력의 일환으로 WHRS를 운영하고 있으며, 약 4.8 MW 규모의 ORC 발전 설비를 운영하고 있다^15,16).

일본의 Turboden는 500 KW에서 2 MW이상에 이르는 다양한 ORC 장치를 제조하고 판매하는 기업이다. 주로 바이오매스 회수 시스템 분야에서 100개 이상의 시스템을 운영하고 있으며, 주로 유럽에서 사업을 진행하고 있다. Holcim romani 시멘트 공장에서는 4 MW 규모의 열을 회수하고 있고, Holcim slovakia와 북미 비공개 공장에도 각각 5 MW, 7 MW 규모로 열을 회수하고 있다¹⁷⁾.

스위스의 ABB(Asea Brown Boveri) 업체는 전기화 및 자동화를 주력으로 하는 기업이며, 시멘트 산업에서는 ORC 적용 효과가 비교적 명확하게 보고된 기업이다¹⁸⁾. ABB가 공급한 ORC 시스템의 경우, 시멘트 예열기 폐열을 활용하여 약 1.9 MW의 전력을 생산하거나, 예열기와 클링커 냉각기 폐열을 동시에 회수하여 약 2.6 MW의 전력을 생산한 사례도 보고되고 있다^15,17). 스위스에 있는 Holcim untervaz 시멘트 공장에서는 저온 폐열을 활용한 ORC 시스템을 도입함으로써 공장 전체 에너지 효율이 최대 약 20 % 향상된 것으로 보고되었다. 이 과정에서 ORC는 전력 생산 설비로서의 기능뿐 아니라, 공정 전반의 에너지 이용 효율 개선에 기여한 것으로 평가된다¹⁵⁾. 해당 사례에서는 전력 생산과 함께 물 사용량 절감 및 간접적인 CO₂배출 저감 효과도 함께 언급되어 있다. 이는 ORC가 단순한 전력 회수 수단을 넘어 시멘트 공정의 운영 효율과 환경 성능을 동시에 개선할 수 있음을 보여준다.

스위스 빌데그(Wildegg, AG)에 위치한 Jura 시멘트 공장은 ABB가 개발한 ORC 기반 폐열 회수 시스템을 도입하였다. 해당 시스템은 예열기 및 공정 배기가스에서 발생하는 폐열을 전력으로 전환하는 설비로, 연간 약 14,400 MWh의 전력을 생산한다. 이는 공장 전력 소비의 약 20 %를 대체하는 수준으로, 에너지 비용 절감과 간접 CO₂배출 저감 효과가 보고되었다. 본 프로젝트는 EKZ GETEC 및 스위스 연방 에너지청의 지원을 받아 추진되었으며, 발전 설비는 시멘트 생산 공정에 통합된 턴키 방식으로 설치되었다¹⁹⁾.

사우디아라비아에서는 최근 시멘트 산업을 중심으로 ORC 기술 적용이 본격적으로 확대되고 있다. Riyadh 시멘트 회사에는 약 13 MW 규모의 ORC 기반 폐열 회수 발전 시스템이 설치되는 프로젝트가 진행 중이며, 이는 사우디아라비아 최초의 ORC 적용 사례이자 대형 상용 프로젝트에 해당한다. 이 프로젝트는 시멘트 예열기와 두 대의 클링커 냉각기에서 발생하는 폐열을 동시에 활용하는 복합 열원 기반 ORC 시스템으로 구성되어 있다. 수자원이 제한적인 지역 특성을 고려하여 공랭식 응축기가 적용되었으며, 물 사용을 최소화하거나 제거한 운전 방식이 채택되었다. 또한 무인 자동화 운전이 가능하도록 설계되어, 대규모 시멘트 공장의 운영 부담을 줄이는 방향으로 ORC 기술이 활용되고 있다. 이 사례는 ORC가 건조 환경과 같은 제약 조건에서도 적용 가능한 산업용 폐열 회수 기술로 활용되고 있음을 보여준다²⁰⁾. 추가로 독일의 시멘트 제조업체인 Schenk는 클링커의 냉각기에서 발생하는 폐열을 활용하여 Orcan Energy 회사와 협력하여 모듈형 ORC 시스템을 통해 폐열을 친환경 전기로 변환하고 있다. 연간 8,500 MWh 이상의 에너지와 13,200톤 이상의 CO₂를 절감하고 있다²¹⁾.

해외 시멘트 산업의 ORC 적용 사례들은 외부 전력 의존도 저감, 에너지 비용 절감, 간접 CO₂배출 저감, 저온 폐열 활용 및 물 사용 절감 등의 공통적인 장점을 보여준다. 그러나 기존 단일 ORC는 하나의 압력 수준과 증발 과정만을 사용하므로, 실제 산업 폐열과 같이 온도 범위가 넓고 변동성이 큰 열원 조건에서는 열원과 작동유체 간 온도 불일치에 따른 엑서지 손실이 발생한다. 이에 따라 최근에는 열원 활용도를 높이고 시스템 효율 및 순출력을 향상시키기 위한 ORC 고도화 기술이 함께 검토되고 있다.

6. ORC 고도화 연구

기존의 단일 단계 ORC는 구조가 단순하고 운전 안정성이 높다는 장점을 가지지만, 열원의 온도 범위가 넓거나 시간에 따라 변동하는 산업 폐열 조건에서는 열원과 작동유체 사이의 온도 부조화로 인해 엑서지(Exergy) 손실이 증가하는 한계를 지닌다. 엑서지 손실이란 열에너지가 비가역 과정에 의해 일로 전환 가능한 최대 잠재 능력을 상실하는 것을 의미하며, 특히 열교환 과정에서 큰 온도 차이가 존재할수록 증가한다. 이러한 제약은 평균 열 흡수 온도를 제한하고, 결과적으로 시스템의 발전 효율과 출력 향상을 어렵게 만드는 요인으로 작용한다. 이에 따라 최근 해외에서는 열원의 에너지 품질을 보다 효과적으로 활용하고 열역학적 비가역성을 최소화하기 위한 다양한 고도화된 ORC 구성 방식을 다양한 방식으로 연구 및 제안하고 있다. 대표적으로 다단 압력 수준을 적용하는 Two-stage ORC, 비(非) ORC 사이클과 결합하는 Hybrid ORC, 그리고 작동유체를 초임계 영역에서 운전하는 초임계 ORC 등이 있으며, 이들 시스템은 열원 특성에 따라 기존 ORC 대비 더 높은 효율과 출력을 달성할 수 있는 대안으로 평가된다(Table 4)^{22,23,24,25,26,27,28)}.

6.1. Two-stage ORC의 성능 특성

단일 단계 ORC는 하나의 압력 수준과 하나의 증발 과정을 사용하기 때문에, 열원의 온도 분포와 작동유체의 온도 변화 사이에 불일치가 발생하기 쉽다. 이러한 온도 불일치는 열교환 과정에서 비가역 손실을 증가시키며, 특히 열원 온도 범위가 넓은 경우 전체 사이클 효율을 제한하는 요인으로 작용한다. 이러한 한계를 극복하기 위한 방안으로 2단 유기랭킨사이클(Two-stage ORC)이 제안되었다.

Two-stage ORC는 서로 다른 압력 및 온도 수준에서 작동하는 두 개의 ORC를 직렬로 구성하여, 열원의 고온부와 저온부를 단계적으로 활용하는 구조를 가진다. 이와 같은 구성은 열원과 작동유체 간의 온도 불일치를 개선하고, 평균 열흡수 온도를 증가시키는 효과를 가진다. 기존 해외 연구들에 따르면, Two-stage ORC는 단일 단계 ORC 대비 열효율을 최대 약 20 %까지 향상할 수 있으며, 순출력 또한 최대 약 26 %까지 증가할 수 있는 것으로 보고 되었다(Fig. 6)²²⁾.

Fig. 6.

2-stage ORC schematic²²⁾.

6.2. Hybrid ORC의 성능 특성

Hybrid ORC는 ORC를 단독으로 적용하는 대신, 가스를 작동유체로 쓰는 열기관 사이클인 Brayton 사이클이나 다른 열역학 사이클과 결합하여 구성된 시스템을 의미한다. 이러한 Hybrid 구성에서는 열원의 고온 영역에서 비(非) ORC 사이클을 먼저 적용하고, 이후 저온 영역에서 ORC를 적용함으로써 열원의 온도 범위 전반을 더욱 효율적으로 활용한다.

기존 연구에서는 Brayton 사이클과 ORC를 결합한 Hybrid 시스템은 기본 ORC 대비 최대 19.2 % 효율이 향상된다고 보고되고 있다. 이는 고온 영역에서 엑서지 활용도가 높은 사이클을 적용하고, 저온 영역에서 ORC의 장점을 결합함으로써 전체 시스템의 열역학적 손실을 최소화할 수 있기 때문이다. 다만 이러한 Hybrid ORC는 매우 높은 열원 온도를 요구하며, 적용 가능성은 열원의 온도 수준과 시스템 구성 조건에 크게 의존한다. 따라서 Hybrid ORC는 이론적 관점에서 매우 우수한 성능을 보이지만, 실제 산업 적용에서는 열원 특성과 시스템 복잡성을 함께 고려할 필요가 있다(Fig. 7)²²⁾.

Fig. 7.

Hybrid ORC schematic²²⁾.

6.3. 초임계 ORC(Supercritical Organic Rankine Cycle, sORC)

초임계 ORC 발전(sORC)은 기존의 ORC 발전과 같이 230 ℃ 이하의 중·저온 폐 열과 유기 냉매를 이용하지만, 작동유체가 초임계 조건으로 터빈에 유입되어 팽창되는 특징이 있다. 기존 연구들에 따르면, sORC는 작동유체가 임계점 이상의 조건에서 터빈으로 유입되어 팽창함에 따라, 기존 ORC 대비 열원과 작동유체 간의 온도 적합성이 향상되고 열전달 과정에서의 엑서지 손실이 감소하는 특성을 보인다^23,24). 이러한 특성은 특히 중·저온 열원을 대상으로 한 발전 시스템에서 성능 향상 가능성을 제시하였다.

한편, sORC는 작동유체가 임계 조건을 초과한 상태에서 터빈으로 유입되는 구조를 가지므로, 기존의 ORC 시스템에 비해 터빈 입구 온도와 압력이 상대적으로 높게 형성된다. 이러한 운전 특성으로 인해 sORC는 열역학적 관점에서 더 높은 성능 향상 가능성을 갖는 것으로 평가된다. 그러나 높은 온도와 압력 조건에서 안정적으로 운전 가능한 터빈 및 고온 열교환기와 같은 핵심 구성 요소의 기술적 난이도가 크기 때문에, 현재까지는 상용 적용 사례가 제한적인 수준에 머물러 있다.

성능 해석 및 비교 연구에서는 기존 ORC와 sORC 시스템을 대상으로 열역학적 분석이 수행되었으며, 초임계 조건에서 열전달 특성이 개선됨에 따라 엑서지 손실이 감소하는 원인이 규명되었다²³⁾. 또한 약 150 °C 수준의 저엔탈피 지열 자원을 대상으로 한 연구에서는 기존 ORC와 sORC 시스템의 성능을 비교하였고, 10종 이상의 유기 작동유체를 적용하여 열원 조건 변화에 따른 순출력 및 효율 최적화 특성이 평가되었다²⁴⁾.

sORC 시스템의 구성 요소와 관련해서는, 작동유체의 임계점 특성을 고려한 고온용 열교환기의 설계 변수에 대한 연구가 수행되었으며²⁵⁾, 18종의 유기 작동유체를 적용한 성능 비교 분석을 통해 상대적으로 높은 출력을 나타내는 작동유체가 제시되었다²⁶⁾.

실험적 및 실증적 연구 사례는 기존 ORC 시스템에 비해 제한적이지만, 수 KW급 ORC 실험 시스템을 통해 약 3 KW의 발전 출력과 약 70 %의 터빈 효율이 실험적으로 확인된 바 있으며²⁷⁾, 지열 자원을 활용한 500 KW급 초임계 ORC 발전 시스템의 제작 및 성능 시험 결과도 보고되었다²⁸⁾. 이러한 선행 연구들은 sORC가 기존 ORC 대비 우수한 성능 잠재력을 가지는 동시에, 고온·고압 조건에 적합한 터빈 및 열교환기와 같은 핵심 구성품 기술 확보가 상용화를 위한 중요한 과제임을 보여준다(Fig. 8)^{23,24,25,26,27,28,29)}.

Fig. 8.

Supercritical ORC schematic²⁹⁾.

7. 결 론

시멘트 산업에서 발생하는 폐열의 특성과 발전 기술을 중심으로 SRC와 ORC의 기술적 특성과 적용 사례를 분석하였다.

폐열 회수를 위한 SRC방식은 고온 폐열 기반 기술로 높은 기술 성숙도와 안정적인 운전 실적을 보유하고 있으며 대형 시멘트 공장에서 활용되고 있다. 그러나 실제 회수 가능한 폐열은 최소 260 ℃ 이상의 온도 영역의 비중이 크며, 이 조건에서는 효율 저하, 습증기 발생에 따른 터빈 손상 가능성, 수냉식 응축기 의존성 등의 제약이 존재한다.

ORC 방식은 150 ℃ 수준으로 SRC 방식에 비해 상대적으로 낮은 중·저온 폐열에 대한 적용성이 높고, 공랭식 응축기 적용과 간접 열교환 구조를 통해 운전 안정성과 유연성을 확보할 수 있다. 해외에서는 MW급 상용 운전을 통해 자가 발전 확대와 전력 사용 저감 효과가 축적되고 있으며, 이는 외부 전력 대체를 통한 간접 CO₂배출 저감으로 이어지고 있다. 또한, 기존 ORC 시스템의 한계인 작동유체의 낮은 밀도에 따른 터빈 출력저하와 높은 설치 비용을 개선하기 위해 Two-stage ORC, Hybrid ORC, 초임계 ORC 등 다양한 고도화 구성이 제안되어 효율 개선 가능성이 보고되고 있으나, 시스템 복잡성 증가와 경제성 검증은 여전히 과제로 남아 있다.

ORC의 상대적으로 낮은 터빈 출력과 높은 설치비는 국내 시멘트 산업 적용 시 제약 요인이 될 수 있으나, 기존 SRC 설비와의 복합 구성, 미회수 중·저온 폐열 중심의 단계적 적용 등의 고도화 기술 검토를 통해 보완이 가능할 것으로 기대된다. 또한 초기 투자비뿐 아니라 공랭식 응축기 적용, 용수 사용 저감, 운전 단순화에 따른 유지관리를 포함한 종합적 경제성 평가가 병행될 필요가 있다.

지금까지 국내 폐열 회수 설비는 SRC 중심으로 구축되어 왔으나, 중·저온 폐열 활용 확대와 전력 자립도 향상 필요성을 고려할 때 ORC 또는 복합 구성에 대한 기술적 검토가 필요하다고 생각된다. 공정 특성에 기반한 열원 분석과 경제성 평가가 병행될 경우, ORC는 국내 시멘트 산업의 에너지 효율 개선과 간접 탄소 배출 저감에 기여할 수 있는 대안으로 판단된다.