[기획] 이제는 복합 에너지원 시대
[기획] 이제는 복합 에너지원 시대
  • 홍시현 기자
  • 승인 2016.10.25
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점차 다양해지는 하이브리드시스템

[투데이에너지 홍시현 기자] 어느 순간부터 우리 주위에는 단일 에너지원이 아닌 복합 에너지원으로 작동하는 기기들이 늘어나고 있다. 기존에는 가스면 가스, 전기면 전기 등 단일 에너지원으로 사용하는 기기가 주류를 이뤘다. 하지만 이제는 석유와 전기, 신재생에너지 등이 복합적으로 결합돼 에너지로 작동되는 기기들이 이미 상용화됐거나 준비, 연구가 꾸준히 진행돼 상당한 결실을 맺고 있다.

우리는 이를 하이브리드라고 부른다. 하이브리드란 특정한 목적을 달성하기 위해 두 개 이상의 기능이나 요소를 결합한 것으로 서로 다른 요소의 장점만을 선택해 합친 것으로 성능이나 경제성이 뛰어나다. 대표적인 제품으로 전기 모터와 엔진을 사용해 효율을 높인 하이브리드 자동차가 있다.

이제는 자동차 이외에도 다양한 분야에 하이브리드시스템이 적용된 가정·산업용 제품들이 속속 등장하고 있다.
/편집자 주


▲ 경희대학교 건물에 설치된 태양열 집열판.

■ 태양열 하이브리드 제습냉방시스템

신재생에너지원 중심으로 하이브리드시스템 개발이 활발히 진행되고 있다. 최근 상용화에 박차를 가하고 있는 것 중 하나가 태양열 하이브리드 제습냉방시스템이다.

홍희기 경희대학교 교수는 이달 초에 기존 태양열 냉방보다 가격을 낮추고 빠른 냉방운전이 가능한 태양열 하이브리드 제습냉방시스템을 개발해 산·학·연 관계자들에게 공개하고 활성화 방안 등을 논의했다.

가장 일반적인 제습냉방시스템(RDCS)은 구동열원이 100% 폐열원에서 나오기 때문에 시스템 구성에 있어서 폐열원이 큰 비중을 차지한다. 폐열원 장치는 규모가 커 시스템 단위 부피당 냉방출력이 감소할 수밖에 없다는 단점이 있다.

이를 극복하기 위해 RDCS의 장점을 유지하면서 시스템 단위 부피당 냉방출력의 증대를 가져오게 하는 하이브리드 제습냉방시스템(HDCS)이 제안됐다.

태양열 제습냉방시스템에서는 RDCS에서 헌열로터가 담당하는 부분을 증기압축식냉방기(히트펌프)로 대체됐다. 출구 공기를 히트펌프의 증발기로 추가로 냉각함으로써 냉방 출력을 증가시키고 재생 흡입공기를 예열함으로써 재생에 소요되는 열량을 절감할 수 있다. 또한 히트펌프의 추가로 소비전력이 증가하지만 냉방출력이 증가하고 재생열량이 감소해 RDCS보다 총 에너지효율이 높다.

여름철 잉여열원인 태양열에너지를 제습냉방시스템에 적용하는 것은 집열기 과열로 인한 시스템 고장을 방지하고 냉방부하가 많은 주간에 HDCS로 온수를 지속적으로 공급할 수 있다는 면에서 태양열에너지와 HDCS의 연계성은 우수하다.

특히 삼온제어기와 상·하부 가열형 축열조를 적용한 고효율의 태양열시스템의 경우 상부코일을 통한 열전달로 축열조 상부를 집중적으로 가열시키고 이를 통해 HDCS에서 필요로 하는 온수를 빠르게 엎을 수 있다. 또한 이중투과체 평판형집열기는 고온영역(70~90℃)에서 높은 집열효율(평균 39%)과 집열운전시간을 약 8시간 동안 유지할 수 있다.

HDCS의 소비전력은 최소 60℃ 이상의 온수를 공급받아야 등급(5kW) 전기에어컨에 비해 시간당 0.3kW 이상 절약할 수 있다. 태양열 HDCS 평균 냉방능력은 5.2kW, 평균 재생열량은 5.3.kW를 보이고 있다.


▲ 태양열 하이브리드 제습냉방시스템 중 증발식냉각기.
하이브리드 데시칸트 제습

냉각방식이 주로 사용되던 제습분야에 데시칸트방식이 제습 시간단축과 에너지절감에 효과적이라는 연구결과가 제시되고 있다.

데시칸트 제습방식은 1차로 증발기에서 냉각제습을 하고 2차로 로터에서 응축기 폐열을 활용해 별도의 재생열원 없이 데시칸트제습을 하는 시스템이다. 재생온도를 60℃ 내외로 적용한다는 것이 특징이다. 즉 응축기 폐열을 이용함으로써 에너지절감의 효과를 볼 수 있다. 그리고 데시칸트 로터의 타입도 1:1 저온재생형 타입 적용으로 저온재생에서 제습 효율을 더 크게 할 수 있다.  

기존의 데시칸트 제습방식은 전기나 스팀과 같은 열원을 사용하는 반면 하리브리드 데시칸트 제습방식은 응축기에서 버려지는 폐열을 재생열원으로 사용해 별도의 재생열원을 필요로 하지 않아 제습기의 열사용량을 줄인다.

제습량은 기존 데시칸트 제습방식이 10.13kg/h로 하이브리드 데시칸트 제습방식 6.55kg/h보다 수치적으로는 많다. 하지만 사용하는 동력량을 기준으로 비교해보면 kW당 제습능력은 하이브리드 데시칸트 제습방식이 0.86kg/kWh로 기존 데시칸트 제습방식보다 2.05배로 월등히 높다. 또한 하이브리드 데시칸트 제습방식은 별도의 재생열원을 사용하지 않기 때문에 재생히터의 동력사용량 값은 ‘0’이다. 결국 총 동력사용량의 감소하고 kW당 제습능력이 향상된다.

하지만 하이브리드 데시칸트 제습방식의 에너지사용 효율을 높이기 위해서는 압축기 용량을 줄여야 한다. 이를 위해 공급공기와 외부공기 줄이고 데시칸트 로터 입구 온도를 최대한 낮게 해 에너지효율을 높이기 위해 다른 요소들과 유기적 관계를 고려해 설계 시 이를 반영해야 한다.


하이브리드건조기

2012년 농수산물건조용 열펌프 및 데시칸트 하이브리드건조기 개발은 산업통상기술혁신사업 연구개발로 시작됐다.

하이브리드건조기는 기존의 냉풍 건조기의 구성과 동일하게 컴프레서, 냉각코일, 응축코일, 재열코일, 급기팬 등으로 구성되고 데시칸트 로터 및 기어드모터, 재생팬 등이 추가적으로 구성된다. 주요한 점은 데시칸트 로터의 재생열원으로 응축열을 이용해 건조효율과 건조시간을 단축시킨다는 것이다.

농업기술실용화재단에서 성능시험에서 데시칸트 냉풍 건조 0.744kg/kWh, 25h, 냉풍 건조 0.526kg/kWh, 37.2h를 나타냈다. 소형 1HP(50kg), 2HP(100kg) 데시칸트 냉풍 건조기는 데시칸트 냉풍 건조, 냉풍 건조, 열풍 건조 3가지 건조를 할 수 있도록 제작했다. 동일 용량 냉풍 건조기보다 건조효율(계수) 30% 이상 향상과 건조시간 30% 단축되며 상온(15~35℃)에서 상대습도 20% 이하다. 또한 냉풍 건조와 데시칸트 건조로 제품 가격경쟁력이 있으며 냉풍 건조와 동일 건조시간 요구 시에는 데시칸트 냉풍 건조기 30% 용량 감소가 가능하다.

하이브리드건조기 신기술(NET)은 2014년 일본 특허등록, 2015년 미국 특허등록을 마쳤다.


삼중열병합발전 연계 하이브리드 흡수식냉동기

하이브리드 흡수식냉동기는 가스엔진 또는 가스터빈을 이용한 열병합발전에서 버려지는 폐열(엔진냉각수 및 폐가스)을 효과적으로 회수해 이를 이용하기 위한 방안으로써 1중효용 흡수식(엔진냉각수 열회수)과 2중효용 흡수식(폐가스 열회수) 사이클의 장점들을 보완한 하이브리드 사이클 기술이 접목됐다.

기존 열병합발전시스템은 엔진냉각수의 배열열을 이용해 34%의 냉방열을 이용하며 전기에너지 35%를 추가해 100%의 1차에너지를 이용해 총 69% 수준의 열 및 전기에너지를 이용하고 나머지 31%는 대기 중으로 열에너지로 배출된다. 삼중열병합발전시스템은 엔진냉각수의 배열 및 발전기의 폐가스로부터 60%의 냉방열을 이용하며 전기에너지 35%를 추가해 100%의 1차에너지를 이용해 총 95% 수준의 열 및 전기에너지를 이용한다. 종래 시스템대비 이산화탄소

배출량은 50% 저감 및 열에너지 이용률을 76%가 향상된다.

열병합발전에 일반적으로 사용되는 중온수 흡수식냉동기대비 하이브리드 흡수식냉동기는 온수 콘트롤밸브, 스팀 콘트롤밸브가 제어로직 기준으로 자동제어를 한다. 또한 스팀 전용모드, 온수 전용모드, 온수+스팀 혼합모드로 구성돼 별도의 밸브 조작 없이 모두 호환이 되는 것이 특징이다.

열병합발전에서 발생하는 폐열(온수/배가스)을 열원으로 하는 하이브리드 흡수식냉동기를 이용한 냉열 및 온열 제조기술 개발이 가능하며 대량의 냉열이 필요한 상업지역에 냉온열 및 전력공급이 가능하다. 청정에너지인 천연가스를 소형열병합발전에 이용해 석탄화력발전에서 발생하는 초미세먼지 발생을 근본적으로 해결할 수 있으며 종합효율을 90% 이상 수준까지 올릴 수 있다. 또한 엔진 냉각수 배열을 배제할 경우 현존하는 가장 높은 효율을 가지는 삼중효용 방식의 흡수식냉동기의 성적계수와 기기의 운전안정성·내구성에서 많은 장점을 지니고 있다.

 


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