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폐열

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1. 개요

폐열은 에너지를 변환하는 과정에서 발생하는 사용하지 못하는 열로, 열기관의 작동 원리에 따라 불가피하게 발생한다. 이러한 폐열은 산업 공정, 수송 부문, 건물 부문, 생물학적 과정 등 다양한 곳에서 발생하며, 특히 정유, 제강, 유리 제조와 같은 산업 공정에서 막대한 양이 발생한다. 폐열은 전력 생산, 열병합 발전, 지역 난방 등 다양한 방식으로 활용될 수 있으며, 인공 폐열은 도시 열섬 현상과 지구 온난화에 영향을 미칠 수 있다. 하지만 폐열은 낮은 엑서지로 인해 활용에 제한이 있으며, 환경 문제 또한 야기할 수 있다.

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폐열
개요
열에너지 형태의 폐열
열에너지 형태의 폐열
정의에너지를 사용하는 기계에서 발생하는 열 부산물
설명폐열은 다양한 과정에서 발생하며, 에너지 효율을 향상시키기 위해 활용될 수 있음.
열병합 발전과 같이, 폐열은 유용한 목적으로 사용될 수 있음.
발생 원인 및 종류
산업 공정연소: 발전소, 산업용 보일러 등에서 연료 연소 시 발생.
화학 반응: 화학 공정에서 발열 반응으로 인해 발생.
마찰: 기계 장치 작동 시 마찰열 발생.
전기 저항: 전기 장비 작동 시 저항으로 인해 발생.
수송내연 기관: 자동차, 선박, 항공기 엔진에서 발생.
브레이크 시스템: 차량 제동 시 마찰열 발생.
상업 및 주거HVAC 시스템: 냉난방 시스템 작동 시 발생.
조명: 백열전구 등에서 빛과 함께 열 발생.
전자기기: 컴퓨터, TV 등 전자기기 작동 시 발생.
폐열 회수 기술
열교환기폐열을 다른 매체로 전달하여 재활용 (예: 열회수 환기장치).
열 펌프낮은 온도 폐열을 높은 온도로 끌어올려 난방에 활용.
랭킨 사이클폐열을 이용하여 증기를 생산하고, 터빈을 구동하여 전기를 생산.
열전 발전열에너지를 직접 전기에너지로 변환.
폐열 보일러폐열을 이용하여 증기를 생산하여 난방이나 발전에 사용.
열 저장 시스템축열: 남는 열에너지를 저장했다 필요할 때 사용 (예: 지열 에너지 저장).
수열: 지하수를 이용하여 열에너지를 저장.
폐열 회수 장치폐열 회수를 위한 다양한 장치.
폐열 활용의 장점
에너지 효율 향상에너지 소비 감소 및 비용 절감.
온실가스 배출 감소화석 연료 사용량 감소로 인한 환경 보호.
자원 순환버려지는 에너지를 재활용하여 자원 효율성 증대.
경제적 이점에너지 비용 절감 및 새로운 사업 기회 창출.
고려 사항
경제성 평가폐열 회수 시스템 설치 및 운영 비용과 에너지 절감 효과 비교.
기술적 타당성폐열원 특성 및 회수 기술 적용 가능성 검토.
환경 영향 평가폐열 회수 시스템이 환경에 미치는 영향 평가.
안전성 평가폐열 회수 시스템의 안전성 확보.
기타
관련 기술열에너지 재활용
산업 에너지 효율
지속 가능한 에너지
에너지 절약
관련 연구폐열 회수 기술 개발 및 효율 향상 연구.

2. 폐열의 발생 원인

폐열은 인간의 활동, 자연 활동, 모든 생물을 포함한 다양한 원인에 의해 발생한다. 열역학적 관점에서 보면, 폐열은 원래 에너지원보다 유용성이 낮아진 상태(엑서지가 낮아지거나 엔트로피가 높아진 상태)를 의미한다.

백열전구가 뜨거워지거나, 냉장고가 실내 공기를 데우는 것, 붐비는 건물 내부가 더워지는 것, 내연 기관이 고온의 배기 가스를 생성하는 것, 전자 부품 작동 중 열이 발생하는 것 등이 폐열 발생의 예시이다.

인위적인 폐열은 도시부의 열섬 현상의 원인이 되기도 한다. 자동차 등 수송용 기기에서 연료를 연소할 때 많은 폐열이 발생하며, 철강, 유리 등의 제조업 및 발전기 등과 건물의 외벽으로부터의 방사열 또한 폐열의 큰 원인이다.

에너지를 이용할 때는 필요에 따라 에너지를 난방, 환기, 공조, 역학적 에너지, 전력 등 다양한 형태로 변환한다. 대부분 이러한 에너지는 고온 열원에서 작동하는 열기관에 의해 생성되는데, 열역학 제2법칙에 따르면 열기관은 항상 여분의 저온 열, 즉 폐열을 생성한다.[27][28][29][30]

폐열(또는 냉각 시 발생하는 냉 폐열)은 다른 목적으로 사용하거나(예: 엔진 냉각수를 이용한 차내 난방), 열 회수 환기 시스템을 통해 필요한 열의 일부를 되찾는 형태로 재사용할 수 있다. 또한, 열이나 냉기를 단기적 또는 장기적으로 저장(축열)하여 폐열을 유효하게 활용하거나 낭비를 줄일 수 있다. 예를 들어, 야간 난방을 위해 공조 설비의 폐열을 버퍼 탱크에 저장하거나, 스웨덴의 한 공장처럼 계절 간 축열(STES)을 통해 열 교환기가 있는 암반에 수개월 후까지 저장하여 필요에 따라 난방에 사용할 수 있다. 캐나다 드레이크 랜딩 솔라 커뮤니티(DLSC)는 계절 간 축열에 필요한 열의 97%를 차고 지붕 위 태양열 집열기에서 얻고 있으며, 겨울철 저온을 지하에 저장하여 여름철 냉방에 활용하는 STES 운용 사례도 있다.

2. 1. 산업 공정

석유 정제, 제강, 유리 제조 등과 같은 공업은 폐열의 주요 원천이다.[9]

2. 2. 수송 부문

자동차, 선박, 항공기 등 열기관을 사용하는 수송 부문에서는 연료 연소 과정에서 많은 양의 폐열이 발생한다. 그러나 최근 전기 자동차, 하이브리드 자동차 등 친환경차 보급이 확대되면서 수송 부문의 폐열 발생량은 점차 감소하고 있다.[1]

2. 3. 건물 부문

일반적인 에어컨 시스템은 실내 공간을 냉각하면서 폐열을 실외로 방출하여 도시 열섬 효과를 악화시킬 수 있다.[5] 에어컨에서 발생하는 폐열은 패시브 냉각 건축 설계와 증발 냉각 및 패시브 주간 복사 냉각과 같은 제로 에너지 방식을 사용하여 줄일 수 있으며, 후자는 적외선 창을 통해 폐열을 직접 외계 공간으로 보낸다.[6][7]

데이터 센터는 컴퓨팅, 스토리지 및 네트워킹을 위해 전력을 소비하는 전자 부품을 사용하는데, 프랑스 CNRS는 데이터 센터가 마치 저항과 같으며 소비하는 에너지의 대부분이 열로 변환되어 냉각 시스템이 필요하다고 설명한다.[10] 마이크로칩 및 기타 전자 부품에서 발생하는 폐열의 처리는 팬, 방열판 등을 사용해야 하는 기술적 과제를 야기한다.

건물은 난방, 환기, 공조와 같이 유지에 필요한 에너지로 변환되는데, 열역학 제2법칙에 따르면 열기관은 손실이 없는 완전한 변환을 수행할 수 없다. 따라서 열기관은 항상 여분의 저온 열을 생성한다.

2. 4. 생물학적 과정

사람을 포함한 모든 동물은 신진대사의 결과로 열을 생산한다. 주위가 따뜻한 상태에서는 이 열이 항온동물의 항상성 유지에 필요한 수준을 초과하기 때문에 발한이나 헐떡임 등의 다양한 체온 조절법으로 폐열된다.[11] 모든 생물은 대사 과정의 일부로 폐열을 발생시키며, 주변 온도가 너무 높아 이 열을 배출할 수 없는 경우에는 죽음에 이르게 된다.

3. 폐열의 활용

에너지 변환 과정에서 발생하는 폐열은 다양한 방식으로 활용될 수 있다.


  • 전력 생산: 열전 소자, 열전지, 유기 랭킨 사이클(ORC) 등의 기술을 이용하여 폐열을 전기로 변환할 수 있다.
  • 열병합 발전 (CHP): 열병합 발전 시스템(코제네레이션 시스템)은 폐열을 수영장 온수 공급, 제지 공장 등에서 유용하게 사용하며, 흡수식 냉동기를 통해 냉각을 수행하는 경우도 있다. (트리제네레이션 또는 CCHP, 열병합 냉난방 발전)[8]
  • 지역 난방: 폐열은 지역 난방에 사용될 수 있으며, 히트 펌프를 사용하여 온도를 높이거나, 저온 지역 난방 시스템을 통해 저온의 폐열을 활용할 수 있다.[38]
  • 기타 활용: 산업 공정 예열에 폐열을 사용할 수 있다. 예를 들어, 배출되는 물의 폐열을 열 교환기를 통해 유입되는 물에 전달하여 예열하거나, 석유 정제, 제강, 유리 제조 등과 같은 산업에서 발생하는 폐열을 활용할 수 있다.[33]

3. 1. 전력 생산

석탄 화력 발전소. 이들은 화학 에너지를 36–48%의 전기로, 나머지 52–64%를 폐열로 변환한다.


에너지 변환을 통해 연료에 포함된 에너지를 기계적 일 또는 전기에너지로 변환하는 기계는 부산물로 열을 생성한다. 화력 발전소의 전기 효율은 입력 에너지와 출력 에너지의 비율로 정의되는데, 일반적으로 건물 난방에 열 출력을 활용하는 것을 고려하지 않으면 33%에 불과하다.[8]

열 에너지를 전기로 변환하는 데에는 여러 가지 접근 방식이 있으며, 이를 위한 기술은 수십 년 동안 존재해 왔다. 주요 기술은 다음과 같다.

  • 열전 소자: 열전 소자를 사용하는 것이다.[12] 반도체 물질의 온도 변화가 제베크 효과라고 알려진 현상을 통해 전압을 생성한다.
  • 열전지: 열전지를 사용하는 것으로, 온도 차이가 열갈바니 전지(Thermogalvanic cell)에서 전류를 발생시킨다.[13]
  • 유기 랭킨 사이클: 유기 랭킨 사이클(ORC)은 Ormat와 같은 회사에서 제공하며, 유기 물질을 물 대신 작동 유체로 사용하는 매우 잘 알려진 접근 방식이다. 이점은 이 프로세스가 일반적인 증기 랭킨 사이클보다 낮은 온도에서 열을 배출하여 전기를 생산할 수 있다는 것이다.[14]

3. 2. 열병합 발전 (CHP)

열병합 발전(CHP) 시스템은 코제네레이션 시스템이라고도 불리며, 폐열을 유효하게 이용한다. 폐열은 수영장 온수나 제지 공장 등에서 쓰인다. 경우에 따라서는 흡수식 냉동기를 사용하여 냉각을 수행할 수도 있는데, 이 경우 트리제네레이션(trigeneration) 또는 CCHP (Combined Cooling, Heat and Power, 열병합 냉난방 발전)라고 부른다.[8]

3. 3. 지역 난방

폐열은 지역 난방에 사용될 수 있다. 폐열의 온도와 지역 난방 시스템에 따라, 사용 가능한 온도로 높이기 위해 히트 펌프를 사용해야 할 수도 있다. 저온 지역 난방 시스템은 환경 온도에서 작동하므로, 공급 측에서 히트 펌프를 필요로 하지 않고도 저품위 폐열에서도 사용할 수 있기 때문에, 쉽고 저렴하게 폐열을 사용하는 방법이다.[38]

3. 4. 기타 활용

폐열은 산업 공정 예열에 사용될 수 있다. 예를 들어, 배출되는 물은 가정이나 발전소에서 가열되기 전에 열 교환기에서 유입되는 물에 폐열을 전달할 수 있다.[33] 석유 정제, 제강, 유리 제조 등과 같은 공업은 거대한 폐열원이다.[33]

4. 인공 폐열과 기후 변화

인위적인 열은 인간과 인간 활동에 의해 발생하는 열이다. 미국 기상 학회는 이를 "인간 활동의 결과로 대기 중으로 방출되는 열로, 종종 연료 연소를 포함한다. 산업 시설, 난방 및 냉방, 인간 신진대사, 차량 배기가스 등이 이에 해당한다."라고 정의한다.[16] 2020년, 전체 인위적 연간 에너지 방출량은 168,000 테라와트시였다. 지구 표면적을 고려할 때, 이는 전 세계 평균 인위적 열 방출률이 0.04 W/m2임을 의미한다.[17][18]

인위적인 열은 도시와 같은 인구 밀집 지역에서 더욱 중요해지며, 도시 열섬 현상의 한 요인이 된다. 다만, 알베도 변화나 증발 냉각 손실과 같이 인간에 의해 발생한 다른 영향은 인위적 열로 간주되지 않는다.[19] 인공 폐열은 도시부의 열섬 현상의 원인으로도 생각되고 있다. 단독 폐열의 최대 발생원은, 기계 (철강, 유리 등의 제조업 및 발전기 등)와 건물의 외장으로부터의 방사열이다. 또한, 자동차 등의 수송용 기기에 의한 연료의 연소도 폐열의 큰 원인이다.

인공 폐열

4. 1. 도시 열섬 현상

도시 열섬 효과는 도시 지역이 건물, 도로, 인공 구조물 등으로 인해 주변 농촌 지역보다 온도가 높아지는 현상이다. 이는 인공 폐열, 지표면 피복 변화, 대기 오염 등 복합적인 요인에 의해 발생한다.[40]

인공 폐열은 도시 열섬 현상의 주요 원인 중 하나로, 인간 활동의 결과로 대기 중으로 방출되는 열을 의미한다. 여기에는 산업 시설, 난방 및 냉방, 인간의 신진대사, 차량 배기가스 등이 포함된다.[16] 미국 기상 학회에 따르면, 도시에서 이러한 열원은 일반적으로 지역 열 평형에 15–50 W/m2를 기여하며, 추운 기후와 산업 지역의 대도시 중심부에서는 수백 W/m2에 달한다.[16]

일반적인 에어컨 시스템은 실내를 냉각하면서 폐열을 실외로 방출하여 도시 열섬 효과를 악화시킬 수 있다.[5] 마이크로칩 및 기타 전자 부품, 데이터 센터의 서버 등에서 발생하는 폐열도 도시 열섬 현상에 영향을 준다.[10] 아스팔트나 콘크리트로 지면을 덮는 것에 의한 알베도 변화나 증발 냉각의 감소 등은 인공 폐열로 간주되지 않는다.[40]

2005년 전 세계 인공 폐열은 인위적 온실 가스에 의한 열 에너지 증가의 약 1% 수준이었다.[42] 폐열은 지역 기후(기온)에 영향을 주는 것으로 나타났지만, 전 지구적 기후 변화에 미치는 영향은 온실 가스에 비해 훨씬 작다.[41]

4. 2. 지구 온난화에 미치는 영향

인위적인 폐열은 온실 가스보다 지구 온난화에 미치는 영향은 훨씬 적다.[20] 2005년 기준으로, 인위적인 폐열 플럭스는 전 세계적으로 인위적인 온실 가스에 의해 생성된 에너지 플럭스의 1%에 불과했다.[21] 그러나 폐열은 지역 기후에 영향을 미치는 것으로 나타났으며,[22] 특히 도시 지역에서 그 영향이 크다.[19]

폐열로 인한 기후 강제력은 일반적으로 최첨단 전 지구 기후 시뮬레이션에서는 계산되지 않는다. 하지만, 평형 기후 실험에 따르면 2100년 인위적 열(AHF) 시나리오에서는 통계적으로 유의미한 대륙 규모의 지표면 온난화(0.4–0.9 °C)가 발생할 수 있지만, 현재 또는 2040년 추정치에서는 그렇지 않다는 결과가 나왔다.[21]

인위적 열의 서로 다른 성장률을 적용한 단순한 전 지구적 규모의 추정에서는[23] 다음 세기에 온난화에 주목할 만한 기여를 할 수 있다는 결과가 나왔다.[24] 예를 들어, 폐열이 연간 2%씩 증가하면 2300년에는 최소 3도의 기온 상승을 유발할 수 있다.[25]

2008년 한 과학 논문에서는 인위적 열 배출이 현재 속도로 계속 증가하면 21세기에는 온실 가스 배출만큼 강력한 온난화의 원인이 될 것이라고 예측했다.[26]

5. 대한민국의 폐열 정책 및 현황

(이전 출력이 없으므로, 수정할 내용이 없습니다. 이전 출력과 원본 소스, 그리고 작성할 섹션 제목을 제공해주시면 지침에 맞게 수정하여 출력하겠습니다.)

6. 폐열의 문제점

저온의 열은 일을 할 수 있는 능력(엑서지)이 거의 없기 때문에 폐열로서 환경으로 배출된다.[1] 경제적으로 가장 유리한 것은 바다, 호수, 또는 의 물을 냉각수로 사용하는 것이지만, 충분한 냉각수를 사용할 수 없는 경우에는 냉각탑 또는 공기 냉각기를 설치하여 폐열을 대기 중으로 방출한다.[1] 경우에 따라서는 지역 난방의 형태로 폐열을 이용할 수 있다.[1]

6. 1. 낮은 엑서지(exergy)

저온의 열은 일을 할 수 있는 능력(엑서지)이 거의 없기 때문에 그 열은 폐열로서 환경으로 배출된다.[1] 경제적으로 가장 유리한 것은 바다, 호수, 또는 의 물을 냉각수로 사용하는 것이다.[1] 충분한 냉각수를 사용할 수 없는 경우에는 플랜트에 냉각탑 또는 공기 냉각기를 설치하여 폐열을 대기 중으로 방출한다.[1] 경우에 따라서는 지역 난방의 형태로 폐열을 이용할 수 있다.[1]

6. 2. 환경 문제

폐열은 온도가 높아 바다, 호수, 등으로 배출될 경우 수온을 높여 생태계를 교란시킬 수 있다. 따라서 폐열을 처리하는 과정에서 환경 문제를 야기할 수 있다. 경제적으로 가장 편리한 방법은 바다, 호수, 강의 물에 이러한 열을 버리는 것이지만, 충분한 냉각수를 사용할 수 없는 경우에는 냉각탑이나 공기 냉각기를 설치하여 폐열을 대기 중으로 배출한다.

참조

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