에너지 전달현상 실험실

가정용 열병합

전기는 보통 발전소에서 대량으로 만들어 송전하는 방식으로 공급해 왔는데 송전 손실, 안전성, 전력 수요-공급 불균형 등의 문제가 있어 필요한 곳에서 필요할 때 전기를 만들어 쓰는 쪽으로 전력 공급의 방향이 변화하고 있습니다. 이를 '분산전원'이라고 하고 우리가 살고 있는 집이 그 분산 전원의 최소 단위가 되겠죠. 가정용 수준의 발전 시스템을 꾸미기 위해서 몇 가지 원동기가 제안되고 있는 데 Stirling 엔진은 가정용 기기에서 매우 중요한 소음, 공해 면에서 유리하여 유럽을 중심으로 보급이 되고 있습니다.

Stirling E/G

Stirling 엔진은 응용열역학 시간에 잠깐 들어보신 경험이 있으시겠지만 외연기관입니다. 그래서 바이오 매스나 태양열 같은 신재생 열원을 쉽게 이용할 수 있고 기존 연료를 사용해도 소음과 공해 면에서 유리합니다. 게다가 잘~ 만 만들면 (그런데 그게 굉장히 어렵습니다.) 이론적으로 카르노 사이클의 효율에 접근하니 기술의 무한한 진보를 믿는 엔지니어들의 도전정신을 자극하겠죠.

연구주제

제가 하고 있는 연구는 가정용 열병합 발전에 사용되는 Stirling엔진에 들어가는 재생기 - 일종의 열교환기인데 이 놈 덕분에 Stirling 엔진의 효율이 카르노 사이클에 접근합니다. - 와 연소기 - 가정에 설치되기 위한 저소음, 저공해는 주로 이 놈에 의해 결정 되겠죠. -에 관한 연구를 진행하고 있습니다. 좀더 복잡하게는 다공체 열교환기에서 다공체의 구조와 열교환 성능의 관계, 그리고 축열 방식의 표면 연소 문제를 연구하고 있습니다.  

PE & PP

우리나라의 에너지 소비량 중에서 신재생 에너지가 차지하는 비율은 어느 정도 될까요? 2009년 통계로1.4%, 세계최저수준이라고 합니다. 우리나라에서 사용되는 신재생에너지의 60%이상은 폐기물의 소각열입니다. 그렇게 생각하면 풍력, 태양광, 수력등은 참 비율이 작은 상태이죠. 저는 그 중에 폐플라스틱에 주목했었고 (석유 제품이라 열량이 높기도 하고 폐기물 중에 많은 비율을 차지하기도 하구요) 그 중에서도 탄소랑 수소로만 이루어진 폴리에틸렌과 폴리프로필렌에 주목했고 이러한 플라스틱들을 열분해 가스화 및 그러한 기능의 예연소기가 포함된 버너, 그 버너를 장착한 보일러 등을 이전에 근무했던 한국에너지기술연구원에서 연구했었습니다.

Bio Mass

최근에는 폐플라스틱보다 목재 펠릿에 조금 더 주목하고 있습니다. 일단 광합성을 통해 생성되는 신재생 연료입니다. 게다가 지구온난화예방에도 유리하다고 합니다. 신기하죠? 나무를 태우면 당연히 이산화탄소가 나올텐데. 그런데 나무를 썩게 놓아 두어서 발생하는 메탄이 이산화탄소보다 훨씬 강한 온실가스라 태우는 것이 유리하다고 합니다. 목재가 연소되는 과정은 의외로 복잡해서 해석하기가 매우 힘든데 현재는 목재의 연소 과정을 해석하기 위한 수치해석 기법 개발에 관한 연구를 진행하고 있습니다.

연소 시스템

폐기물이나 목재같은 고체연료는 기름이나 가스와는 다른 형태로 태우게 됩니다. 석탄 난로처럼 석쇠위에 올려 놓고 태우는 화격자 방식, 모래와 섞고 바람을 불어넣어 태우는 유동층 방식, 원통을 회전하면서 태우는 Kiln방식 등이 있는데 모두 해석이 까다롭고 기기 자체도 잘 설계되어야 오염물질의 발생도 줄일 수 있습니다. 연소를 통해 발생한 열을 효과적으로 활용하기 위한 열전달도 매우 중요하구요. 제가 연구하는 내용은 연소의 안정성, 원하는 부하로의 연소 제어 그리고 시스템을 구축하였을 때의 열전달 등에 초점이 맞추어져 있습니다.

CCS

요즘 기후 변화 문제로 주목을 받고 있는 키워드 중 하나가 CCS입니다. Carbon Capturing & Sequestration의 약자이고 번역하면 '탄소 분리 고정화'정도가 될 것 같으네요. 화석 연료를 연소하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 해양 또는 지중 저장을 하거나 하이드레이트 같은 물질로 변환하여 지구온난화를 막아보자는 기술입니다. 자동차나 가정집의 가스렌지, 보일러와 같은 모든 연소 기기에 이러한 기술을 적용하기는 어렵고 국가적으로 관리가 가능하고 이산화탄소 배출량이 집중적으로 많은 화력발전 설비에 이러한 기술을 적용하려고 하고 있습니다.

순산소연소

이산화탄소 발생이 없는 화력 발전 방식 중에 순산소 연소와 석탄 가스화 복합 화력 발전이 전 세계적으로 큰 사업으로 진행되고 있는데 둘 중에서 순산소 연소 쪽이 조금 더 연구비도 많이 투자되고 있고 실증 플랜트도 많이 건설되고 있다고 합니다. 왼쪽 사진은 제가 잠시 방문했던 독일 Cottbus부근에 Schwarz Pumpe의 실증 플랜트 이고 위쪽 사진이 시스템의 개요도 입니다. 기본적인 아이디어는 산소를 공급하여 석탄과 같은 연료를 연소시키고 발생한 이산화탄소를 따로 모아 저장하는 것입니다.

연구주제

제가 관심있는 분야는 순산소 연소에서 연소와 열전달 특성입니다. 공기대신 산소를 이용하여 연소를 시킬 때 질소 부분이 배제되어 연소 가스의 유량이 감소하게 되고 그때 일반적인 연소가 이루어 질 때와 열전달 특성이 어떻게 변화하냐 하는 것이죠. 기본적으로 모든 화력발전소를 철거하고 새로 지을 수는 없을 것이고 버너와 산소 공급장치, 후처리 설비 정도를 추가하여 개조하는 방식으로 사업을 진행하려고 할텐데 그러기 위해서는 열전달 특성을 맞추어 주는 것이 중요하겠죠.