선박 CO₂ 동결포집 기술 개발 공정 해석 오류 많아
에너지 보존 법칙 이해 없는 과학계 현실 안타까워
[에너지신문] 우리 엔지니어는 기술업무 수행 중 크고 작은 수많은 에너지 이용 공정을 접하게 된다.
요즘 수소와 CO₂ 관련 에너지 이용 기기장치의 개발이 매우 중요한 이슈가 되고 있다. 이에 따라 에너지 이용 기술의 올바른 이해가 필요해 보인다.
에너지 형태는 크게 열과 일이 있으며, 이의 변환 및 이용 공정의 분석에 의외로 오류를 범하는 사례를 많이 접하게 된다.
더욱이 많은 엔지니어들이 기술개발 결과나 선정 평가에도 참여, 그 공정의 적정성을 판단하기도 하므로 이의 적절한 분석과 이해가 필요하여 보인다.
또한 최근 대표적 오류 사례를 보면, 정부의 지원으로 선박용 CO₂ 동결포집 공정의 기술개발을 수행하고 있는 연구기관의 해석을 예로 들 수 있다. 이 연구기관은 에너지 이용 공정 해석에 크게 오류를 범하고 있는 대표적인 사례로 분석된다.
에너지 이용 공정은 물질의 입출이 있는 경우 개방계(Open system)라고 하고, 물질의 입출이 없이 밸브로 차단된 가스통과 같은 것은 밀폐계(Closed system)라 한다. 우리가 접하는 대부분의 에너지 이용 시스템은 질량이 지속적으로 순환되는 개방계로 이루어져 있다.
모든 에너지 이용 공정의 해석은 1단계로 먼저 열역학 제1법칙에 기준, 질량수지(Mass balance)와 에너지수지(Energy balance)를 이용하여 해석한다.
즉, 손실을 무시한 우주 불변의 법칙인 ‘질량보존의 법칙과 에너지 보존의 법칙’을 적용하는 것이다.
질량 보존의 법칙은 계의 경계를 입출하는 질량의 총량은 같다는 것으로, 질량 유입량과 질량 유출량이 같다(mi = mo)는 의미다.
에너지 보존의 법칙은 계를 통한 에너지 유입량과 유출량이 같다는 것이다. 즉, 각 유입 질량이 보유하고 있는 에너지의 합은 유출 에너지 합이 되는 것이다. (Ein = Eout → mi·hi = mo‧ho) 여기서, h는 엔탈피로 단위질량의 물질이 어떤 온도, 압력 상태에서 보유하고 있는 에너지량(kJ/kg)을 나타낸다.
만약, 열(Q)과 일(W)의 입출이 있으면 δQ-δW = dE (= Eout – Ein)이 된다.
선박 CO₂ 동결포집을 수행하는 기관의 공정은 선박의 배가스에서 수분을 제거하고, CO₂ 10%와 질소 90%로 구성된 배가스를 통째로 3.5bar로 압축, 냉각기를 거친 다음 초음속 노즐로 압력을 대기압으로 강하시키면, –100℃의 냉기체와 –78.5℃의 고체 CO₂가 얻어진다는 공정이다.
주장의 핵심기술은 계(냉각기~용기) 내부에서 노즐을 통해 ‘초음속으로 팽창’하게 되므로 인해 온도가 크게 저하된다는 것으로 이해하기 어렵고 현혹되기 쉬운 공정이 삽입된 기술을 제시하고 있다.
그러나 이를 보면, 먼저 물질의 입출이 있으므로 개방계가 되며, 저온 시스템으로 단열이 중요하게 돼 경계로 열의 입출이 없고, 동력일 등이 없는 시스템으로 이뤄진 것으로 δQ=0. δW =0가 된다.
그러므로 △M.B.(질량수지) : mi = mo = mo1 + mo2, △E.B.(에너지수지) : mi·hi = mo1·ho1 + mo2·ho2가 되는 것이며, 실제의 값을 적용하여 분석한 것은 표와 같다.
이는 에너지손실이 없는 계의 해석으로, mo1과 mo2가 보유하는 에너지는 mi가 보유한 에너지를 나눠 갖게 된다.
mo1, mo2 모두 실제는 동일한 혼합기체 성분과 동일한 온도로 배출되는 것이나, 한쪽은 고체가 생성된다 하니, mo1을 액화되지 않는 질소가스가 Precooler로 가고, mo2는 CO₂만 분리돼 저온이 될 수 있도록 해석한 것이다.
이를 보면 –78.5℃의 고체 드라이아이스를 얻게 되는 것이 아니라 기체의 온도가 미약하게 저하될 뿐이다.
우리가 에너지 시스템을 다룰 때 종종 오류를 범하기 쉬운 것이, 계의 내부에 가설된 특수한 기계가 아주 효율적으로 작동되면, 에너지가 크게 생성되거나 크게 감소되는 것으로 생각하는 것이다.
그 사례들을 보면, 계 내부에 복잡하게 가설된 크고 작은 톱니바퀴가 작동해 에너지가 증폭되는 것, 본 예시처럼 내부의 장치인 ‘등엔트로피 팽창장치인 노즐’이 ‘초음속’이라는 마술을 발휘, 에너지 준위를 크게 떨어뜨려 –100℃의 극저온과 고체 CO₂를 생성하는 것’ 등을 들 수 있다.
여기서, 계 내부의 설비들은 외부에서 에너지 즉 일이나 열을 가하거나 제거하지 않는 한, 자체 생산되거나 소멸되지 않으며, 유입되는 것이 형태만이 바뀌어 출구로 유출되는 것이다.
더욱이 에너지 생성은 쉽게 판단이 되지만, 온도나 에너지 준위이 낮아지는 저온 시스템은 자칫 더 실수를 범하기 쉽다.
어떤 일부 엔지니어는 상기 사례에서 압축기를 포함하지 않았음을 지적한다. 그러나 모든 개방계 에너지 시스템은 해석 계(System)의 경계를 압축기를 포함한 압축기-Precooler-노즐-용기, Precooler-노즐-용기, 노즐-용기, 용기, 노즐, 압축기, Precooler 이렇게 시스템 경계를 크게 혹은 소단위로 만들어 해석할 수 있으며, 이 각각이 M.B., E.B.에 의해 그 계의 입출 질량 조건이 적용돼 해석을 하게 되는 것이다.
압축기를 포함하는 계를 보면, 압축기에 전기에너지의 공급 즉, 계의 경계를 통해 일량이 가해진다. 이는 (δQ) - δW = dE = Σ(mo·ho) - Σ(mi·hi)이 되고, 여기서 (δQ)는 열량의 변화로 실제는 계를 통한 입출열이 존재하나 본 대상 해석에서는 완전 단열로 분석한다.
대기압 상태의 1kg/s의 배가스를 3.5bar로 압축하면 이론적인 온도 상승과 일량은 130℃, 120 kJ/s가 된다. 즉 120kW의 압축에너지가 소요되는 것이다.
실제 CO₂를 동결포집하고자 압축공정을 적용한다면, 소요 에너지는 엄청나게 되며 그나마 저온을 얻으려면 압축기 토출온도인 130℃의 적절한 냉각 공정이 필요하게 된다. 위 연구 수행기관은 이 압축기에서 상승된 온도를 제거하는 공정도 포함하지 않는 오류를 범하고 있다.
이러한 공정은 우리가 M.B, E.B.를 통한 수치적 계산이 힘든 상황에서도 객관적으로 몇가지를 분석해 판단할 수 있어야 한다.
우선 CO₂의 고체화 소요 에너지량이다. CO₂ 기체의 고체화를 위해 대기온도 상태에서 –78.5℃까지의 온도 강하를 위한 열량(현열) 제거가 필요하며 그후 기체에서 고체로의 승화열(잠열) 제거가 필요하다.
1kg 드라이아이스의 승화열은 136.6kcal/kg가 되며, 이 에너지가 제거돼야 고체를 얻게 된다. 참고로 물이 얼음되는 에너지는 79.6kcal/kg이다.
두 번째는 등엔트로피 팽창이다. 지구상에 팽창공정은 2가지가 존재하며, 등엔트로피 팽창장치는 터빈류의 팽창기(Expander), 노즐(nozzle)이 있고, 등엔탈피 팽창으로는 냉동기에 적용되는 팽창밸브와 모세관이 있다.
등엔트로피 팽창은 등엔탈피 팽창보다 온도가 약간 더 저하되는 효과를 제공하는 데 불과한 장치다. 등엔탈피 과정은 에너지 변환 시 계의 입구측 엔탈피와 출구측 엔탈피가 같은 상태로, 즉, 엔탈피 값은 변하지 않고 다른 상태량이 바뀌는 공정을 의미한다.
암모니아(Ammonia) 냉동시스템을 예로 들면, NH3 냉매는 11.7bar, 30℃ 100% 포화액체에서 압력이 1.013bar(대기압)까지 저하되면 온도 –33.3℃의 액기 혼합상태가 된다.
이때 널리 적용되는 팽창장치인 팽창밸브를 통하면 등엔탈피 팽창으로 기체가 21.8%(액체 78.2%)가 생성되는 반면, 등엔트로피 팽창을 하면 18.9%로 기체 생성량이 약간 감소하게 되는 것이다. 증발기에서는 액체가 기체화되면서 열을 흡입, 저온을 제공하므로 등엔트로피 팽창이 보다 효율적이 된다.
이러한 암모니아 냉동기 시스템이 고압 11.7bar이니 노즐을 적용, 대기압까지 저하시키면 Mach인 초음속이 얻어지는 것인가?
세 번째는 노즐이용 초음속 팽창이다. 노즐은 구동부가 없이 하나의 최적 운전 조건에 맞춰 작은 구멍(Throat)으로 제작되므로, 유량 등의 조건이 바뀌면 매우 비효율적인 장치가 된다.
노즐의 원리는 주로 담수를 제조하는 조수기 공정에 이젝터 형태로 적용되고 있으며, 초음속은 전투기나 위성에 적용되는 장치이다.
노즐에서는 2.5bar의 압력차로 최대속도를 얻기 위해 저항이 없는 대기 중으로 기체를 분사시켜야 하지만, 제안 공정은 용기에 배출돼 고체를 분리 강하시키고, 찬 질소 배출기체는 Precooler를 거쳐 대기 중으로 배출되는 것으로 초음속을 얻는 것은 불가능한 것인 데도 ‘초음속 노즐의 등엔트로피 팽창’을 주장하면서 타인의 판단 오류를 유도하고 있다.
마지막은 압력 강하에너지의 변환이다. 공정은 압력 저하 에너지를 이용하는 것이며, 이 에너지는 속도와 온도의 저하 2가지 형태로 변환되고, 어느 것이 크면 다른 양이 적게 된다. 즉 속도가 크면 온도 저하량이 감소하는 것이다.
이와 같이, 우리가 접하는 모든 에너지 변환 공정의 해석은 우선 불변의 진리인 질량과 에너지가 보존되는 법칙 즉, 에너지가 자체 생성되거나 소멸되지 않는 열역학 1법칙에 근거해 해석하고, 다음 2단계로 열역학 2법칙에 기준, 에너지 계를 분석하게 된다.
2법칙은 이 공정들의 변환에 손실이 발생하고 비가역이라는 것이며, 이에 따라 모든 에너지 시스템의 해석에 효율을 고려해야만 한다.
여기서 우리는 엔트로피 변화량(dS)을 계산해야 하나 모든 기기나 설비는 통상 효율값으로 대체해 설계에 반영하게 된다.
에너지 변환 즉, 열과 일의 변환에서 손실은 소멸되는 것이 아니라 형태가 바뀌며 이로 인해 유효 에너지량이 감소하게 된다.
즉, 1법칙 해석에서 어떤 기기나 공정의 엔탈피 변화 이용량이 100이라면, 이 값에 효율 90%를 적용, 90이 이용되는 것으로 설계 및 해석하는 것이다.
‘초음속 노즐이용 CO₂ 동결 포집 공정‘에 2법칙을 적용하면, 각 설비의 효율, 즉, 열교환 효율, 팽창장치 효율, 노즐 기체 마찰 손실, 외부로 부터 열유입 등으로 성능이 더욱 저하된다.
상기 정부지원으로 기술개발을 수행하는 연구기관의 기술인은 ’초음속 노즐을 통한 등엔트로피 팽창과정‘이라는 일반 엔지니어가 접하지 않는 공정을 제시, 온도가 –100℃로 저하되고 –78.5℃의 고체가 생성된다는 에너지 공정 해석과 설계에 큰 오류를 범하고 있는 것이다.
이러한 기술 제안을 심사 선정하는 엔지니어들도 이 냉각공정이 생소하고 에너지 계를 통한 질량과 에너지 보존 법칙의 이해가 적절히 이뤄지지 않아 기술개발이 지원되는 있는 과학계의 현실은 참으로 안타까운 일이 아닐 수 없다.