에너지 문제는 정책적인 면이나 기술적 개발차원에서 매우 중대한 조정국면에 있다. 이에 화석연료의 효율적인 활용과 함께 신재생에너지에 대한 발굴이 에너지 분야의 중심 주제로 부각되고 있다. 최근 추세의 일환으로 관심을 받고 있는것이 물을 전기분해하여 발생하는 물분해가스(HHO)이다. 이에 물전기분해가스의 연소특성과 연소장치와 동력장치 등 기타 적용 분야에 대해 알아보자.
연소 특성
물 전기분해가스는 HHO 형태로 2몰의 수소분자와 1몰의 산소분자가 완전 예혼합된 상태로 존재한다. 전기분해 방식에 의하여 수소와 산소로 이루어진 청정연료를 손쉽게 얻을수 있다는 가능성 때문에 연료를 사용하여 얻어진 고품질의 전기에너지로부터 다시 연료를 생산한다는 제약과 비판에도 불구하고 지속적인 연구가 이루어지고 있다. 연소 측면에서 살펴보면 아래와 같이 여러가지 특징을 갖고 있다.
(1) 발생하는 연소생성물이 오직 물이므로 이산화탄소와 같은 온난화가스의 발생이 전혀 없어 탄소중립에 일조할수 있다.
(2) 연료인 수소와 산화제인 산소가 정확한 공연비로 혼합되어 있어 난류혼합에 따른 연소지연과 같은 문제점이 없다.
(3) 완전 예혼합되어 있어 불완전연소의 가능성이 실질적으로 배제되나 수소연료라는 특징 때문에 화염의 전파속도가 매우 빨라서 역화의 가능성이 있다.
(4) HHO 가스는 산화제로 공기대신 순산소를 사용하므로 단열 화염 온도가 높다.
위의 특징을 볼때 비록 전기에너지에 의해서 생산되어 비용이 많이 들지만 물전기분해 가스를 혼소나 공해물질의 배출저감, 연소효율의 제고 등의 목적으로 활용한다면 단점 부분을 극복할 수 있을 만큼 가치가 있다고 보여진다. 특히 연소분야에서 난류혼합 문제는 효율을 좌우하는 매우 중요한 부분이므로 이러한 난류혼합의 문제가 해결된다면 난류 연소반응 장치에서 매우 가치가 있다고 생각된다.
연소장치에 적용
일반적인 연소공학 측면에서 고효율 연소와 청정연소는 양립하기 어려운 개념이다. 대체로 에너지 효율이 높아지면 이에 비례하여 오염물질 발생은 증가하는 것이 일반적이다. 물전기분해 가스 혼소를 통해 고효율 청정연소의 가능성을 살표보자. 연소장치에 혼소특성을 일반적인 연소로 대상으로 기존의 LNG 연료 대체에 대해서 살펴보았다. 연구에 따르면 적절한 혼소 조건적용시 청정 연료의 기능을 유지하면서 화염의 역화나 장화염 또는 화염의 lift-off와 같은 불안정한 연소특성은 나타나지 않고 비교적 안정적인 연소특성을 얻을수 있는 것으로 나타났다. 또한 부수적으로 화석연료의 대체 부분만큼 이산화탄소 배출 저감이나 질소산화물 배출도 일부 저감이 가능한 것으로 나타났다. 또한 매립지 가스, 고로가스, 혐기성 발생가스와 같이 연소가 어려운 저질 연료와의 혼소를 통하여 연소성 향상시킬수 있다. 다양한 연구들로 부터 연소장치에의 적용 가능성은 이론적으로 확인이 되었지만 물전기분해가스를 다른 연료나 수증기와 혼소하여 현장에 적용하는 문제는 단순한 연소 효율의 제고 뿐만 아니라 연료변화가 기존의 장치에 미칠수 있는 문제점을 조직적으로 검토해야 할 것이다.
기타 적용 분야
물 전기분해가스가 가스터빈과 같은 동력기관에 사용될 경우 빠른 화학반응에 의한 매우 높은 화염 전파속도는 자동차 엔진이나 가스터빈의 주 연소로에서 매우 빠른 화학반응을 유도함으로써 가스터빈의 터빈블레이드까지 화염이 이르기 전에 주연소실에서 실질적인 연소를 끝내고 이 이후 공간에서 단열팽창함으로써 온도를 하강시킬수 있다. 이에 의해 질소산화물 문제나 터빈 블레이드의 손상문제 등을 해결할 수 있다.
물 전기분해가스는 필요에 따라 고효율 청정 연소의 기능 뿐 아니라 고온 청정 연소의 기능만을 수행하게 함으로써 부가가치가 높은 소석회 분야나 기타 고가의 재료분야에도 응용이 가능하다. 또한 폐냉매나 육불화황과 같은 온난화지수가 높은 다양한 온실가스를 처리할 경우 수소와 산소분자를 동시에 공급하고 활성화에너지를 낮추어 고비용의 플라즈마와 같은 장치없이 효과적으로 온실가스 처리를 가능하게 할수 있다.
그러나 우선적으로는 물 전기분해 비용이 과도하지 않게 합리적인 비용으로 생산될수 있는 기술이 선결되어야 사회적으로 수소가 이슈가 되고 있는 분야에서 원활하게 활용이 가능할 것이다.
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