ORC 폐열 발전 시스템의 개념과 시장 동향

문서 내 토픽

1. ORC(Organic Rankine Cycle) 폐열 발전의 개념

ORC는 미활용 열에너지를 이용해 소규모 전력을 생산하는 폐회로 설비로, 대기오염물질 배출이 없는 청정 발전시스템입니다. 물을 사용하는 일반 랭킨 사이클과 달리 유기물을 작동 유체로 사용하여 70~350℃의 저온 열원에서 에너지를 획득합니다. 제철소 등에서 버려지는 저온 폐열을 활용하는 유효한 방법으로, 폐열 회수 시스템을 적용하면 열기관의 효율을 상승시킬 수 있습니다.
2. ORC 시스템의 작동 프로세스

ORC는 열을 전기로 변환하는 열역학적 프로세스로, 증기 터빈 시스템과 유사합니다. Freon, Toluen, Iso-pentane, R245 등의 유기 냉매를 사용하여 지열 또는 폐열을 열원으로 폐쇄 루프에서 유기 유체를 증발시킵니다. 생성된 증기는 터빈을 통해 팽창되어 전기를 생성하고, 터빈 통과 후 냉각되어 액체로 응축된 후 다시 열 교환기로 펌핑되어 공정을 반복합니다.
3. ORC 시장 동향 및 국내 개발 현황

세계 ORC 시장 규모는 약 5억 달러이며, 미국의 ORMAT(30%)가 시장을 주도하고 있습니다. 지열 에너지 비중이 폐열원보다 높으며, 지열이 풍부한 미국과 터키가 주도하고 있습니다. 국내에서는 한국전력공사가 80~100℃ 범위의 중저온 폐열을 이용한 10KW급 ORC 발전시스템을 개발했고, 한국중부발전은 두산퓨어셀과 협력하여 7.48KW급 연료전지 폐열회수 청정 시스템을 추진 중입니다.
4. ORC의 특징 및 증기 터빈과의 비교

ORC 시스템의 효율성은 8~22% 수준으로 태양광 발전(20~30%)보다 낮으며, 발전용량이 100KW~5MW의 소규모 발전입니다. 장점은 낮은 온도의 열원을 사용할 수 있고 다양한 유기 유체 선택이 가능하다는 점입니다. 단점은 증기 터빈보다 복잡하고 특수 부품이 필요하며, 높은 온도 차이에서 효율이 낮습니다. 그럼에도 불구하고 소규모 발전을 위한 효율적이고 환경 친화적인 대안입니다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. ORC(Organic Rankine Cycle) 폐열 발전의 개념

ORC 폐열 발전은 저온의 폐열을 활용하여 전기를 생산하는 혁신적인 기술로서 매우 실용적인 가치를 지니고 있습니다. 기존의 스팀 사이클로는 활용하기 어려운 100-300°C 범위의 중온 폐열을 유기 작동유를 통해 효율적으로 변환할 수 있다는 점이 핵심 강점입니다. 산업 현장, 지열 발전소, 태양열 시스템 등 다양한 분야에서 버려지는 에너지를 재활용함으로써 에너지 효율을 높이고 환경 부하를 줄일 수 있습니다. 다만 유기 작동유의 선택, 시스템 최적화, 경제성 확보 등이 실제 적용 시 고려해야 할 중요한 요소들입니다.
2. ORC 시스템의 작동 프로세스

ORC 시스템의 작동 프로세스는 기본적으로 증기 사이클과 유사하지만, 유기 작동유의 특성을 활용한 효율적인 설계가 가능합니다. 폐열 열원에서 에너지를 흡수한 작동유가 증발하여 터빈을 구동하고, 응축기에서 다시 액체로 변환되는 순환 과정은 상대적으로 낮은 온도에서도 충분한 압력 차이를 만들어냅니다. 이러한 프로세스의 장점은 시스템 구성이 비교적 간단하고 자동화가 용이하며, 저온 폐열 활용에 최적화되어 있다는 점입니다. 다만 작동유의 특성에 따른 열역학적 성능 변화와 시스템 제어의 복잡성을 충분히 이해하고 관리해야 합니다.
3. ORC 시장 동향 및 국내 개발 현황

전 세계적으로 에너지 효율 향상과 탄소 감축 필요성이 증대되면서 ORC 시장은 지속적인 성장세를 보이고 있습니다. 유럽과 미국을 중심으로 기술 개발과 상용화가 활발하며, 특히 지열 발전과 산업 폐열 회수 분야에서 주목받고 있습니다. 국내의 경우 아직 초기 단계이지만, 에너지 자립도 향상과 산업 경쟁력 강화 차원에서 ORC 기술 개발에 투자를 확대하고 있습니다. 다만 국내 기술 수준이 선진국 대비 뒤처져 있고, 상용화 사례가 제한적이며, 정책적 지원과 기술 개발 투자의 지속성이 중요한 과제입니다.
4. ORC의 특징 및 증기 터빈과의 비교

ORC는 저온 폐열 활용에 특화된 기술로서 증기 터빈과 비교할 때 뚜렷한 차별성을 가집니다. ORC는 낮은 온도에서 작동하므로 시스템 재료 요구사항이 낮고, 소규모 시스템 구성이 가능하며, 초기 투자 비용이 상대적으로 저렴합니다. 반면 증기 터빈은 고온 고압 환경에서 높은 효율을 발휘하지만, 시스템이 복잡하고 유지보수 비용이 높습니다. ORC의 단점으로는 유기 작동유의 환경 영향, 낮은 효율, 장기 안정성 문제 등이 있습니다. 결론적으로 두 기술은 상호 보완적이며, 폐열의 온도 범위와 규모에 따라 최적의 기술을 선택하는 것이 중요합니다.