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시멘트의 중간 원료인 클링커를 만들기 위해서는 석회석, 점토, 철광석 등의 원료에 1,500℃ 이상의 열을 가해야 합니다. 이 과정에서 발생하는 높은 열과 가스를 원료로 활용해 발전 설비를 가동, 에너지로 전환해 시멘트 생산에 재활용 할 수 있습니다. 이를  ‘폐열 회수 발전’ 또는 ‘폐열 발전’이라고 부르며, 삼표시멘트를 비롯해 많은 시멘트 회사가 폐열 발전 설비 시스템을 설치해 운영 중입니다.

폐열은 에너지를 생산하거나 소비하는 과정에서 사용되지 못하고 버려지는 열을 뜻합니다. 산업현장의 제조공정에서 발생하는 열, 배기가스가 대표적인 예죠. 우리가 흔히 공장 밀집 지역에서 보았던 굴뚝의 하얀 수증기도 폐열이라고 할 수 있습니다. 보일러 배기가스 열, 발전소 냉각수 열, 목욕탕 온/배수 등 열에너지를 필요로 하는 산업이라면 반드시 폐열이 발생하는데요. 2023년 에너지경제연구원의 보고서에 따르면 전체 산업의 폐열량은 연간 640만 TOE^*에 달한다고 합니다.

최근 탄소중립 이행이 어느 때보다 중요해지면서 산업계에서는 버려지는 열을 에너지원으로 재활용하는 폐열 발전을 더욱 주목하고 있는데요. 폐열 발전은 공정상에서 자연적으로 발생한 고온의 열을 다시 취합해 발전기를 돌리기 때문에 에너지 생산으로 인한 소음, 진동, 탄소 등을 발생시키지 않아 친환경적인 발전 방법으로 손꼽힙니다. 태양광이나 풍력과 달리 적용 장소에 따라 24시간 가동이 가능하며, 출력 안전성이 높아 기후변화에도 대비할 수 있다는 장점도 있습니다. 발전량을 예측해 효율적으로 사용할 수 있고, 온도에 따라 전기 생산, 건조 공정, 난방/온수, 농업과 수산물의 성장 촉진용 등으로 다양하게 활용 가능해 폐열 활용을 위한 연구 또한 활발히 진행되고 있습니다.

폐열 발전의 선두주자는 시멘트 업계입니다. 많은 기업들이 2000년대 초반부터 발전기를 설치해 시멘트 제조 과정에서 발생하는 열을 회수해 에너지원으로 사용합니다. 시멘트를 만들기 위해서는 잘게 부순 석회석, 점토, 철광석 등의 광물을 고온의 온도로 구워 중간 원료인 클링커를 생산해야 합니다. 클링커는 예열-소성-냉각의 단계를 거쳐 완성되는데, 잘게 부순 재료들을 예열기에 투입해 900℃의 온도로 데운 후, 킬른(Kiln)이라는 원통형 회전 가마 속에서 1,500℃ 이상의 열을 가하면 1100~1200℃로 달궈진 덩어리가 생성됩니다. 이를 쿨러(냉각기)를 이용해 급랭시키면 클링커가 되는데요. 이 예열-소성-냉각의 과정에서 다량의 열량이 포함된 가스가 발생하고, 이를 활용하는 것이 시멘트 공장의 폐열 발전 설비입니다. 시멘트 업계에서는 주로 쿨러(냉각기)에 보일러를 설치해 열을 회수하고 있으며, 최근에는 예열기에서 발생하는 열을 활용한 폐열 발전도 많이 도입하고 있습니다.

한 연구에 따르면 시멘트 생산 과정에서 소비되는 에너지의 40% 수준으로 폐열을 회수해 에너지원으로 사용할 경우, 시멘트 생산에 소비되는 에너지의 20~30%를 확보할 수 있어 온실가스 감축과 에너지 효율을 높이는 데 큰 역할을 한다고 합니다. 삼표시멘트는 2004년부터 삼척공장 6, 7호 킬른 쿨러에 보일러를 설치해 폐열을 회수하고 있습니다. 증기 동력 사이클인 랭킨 사이클^** 방식을 이용해 보일러에서 고온 고압의 증기를 생성해 터빈을 돌려 에너지를 생산하는데, 시간당 19.7MW의 전력을 확보할 수 있습니다. 2023년 약 6.6만 MWh의 전력을 생산해 삼척공장 총 전력 사용량의 8.3%를 대체하고 온실가스 약 3만 톤을 감축하는 성과를 거뒀습니다.

*TOE: 석유 1미터톤을 연소할 때 발생하는 에너지양으로, 1TOE = 10⁷kcal. 1TOE는 중형 승용차가 서울과 부산을 16번 왕복할 수 있는 휘발유 량이며, 일반가정에서 약 1년 4개월 동안 쓸 수 있는 전기량에 해당한다.

**랭킨 사이클: 열을 일로 변환하는 사이클 중 물의 상변화를 이용해 증기 사이클이라고 부른다. 세계에서 생산되는 전력 중 90%가 이 사이클로 생산된다. 증기 터빈을 사용하는 발전소의 기본 사이클로 보일러를 통해 물을 고온 고압의 증기로 변환시켜 터빈을 돌려 에너지를 생성하고, 저온 저압의 수증기는 콘덴서에서 냉각되어 펌프를 통해 다시 보일러로 되돌아간다.