Utilization of Organic Rankine Cycle as Waste Heat Recovery from Marine Engine to Reduce Carbon Emissions
- Abstract
- 최근 기후 변화와 온실가스 배출 문제에 대한 사회적 관심이 증가하면서, 탄소 배출 절감을 위한 다양한 기술이 요구되고 있다. 특히, 해양 산업에서는 국제해사기 구의 강화된 환경 규제에 따라 선박의 에너지 효율성을 높이고 온실가스 배출을 줄 이는 기술 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 이와 관련하여 선박에서 발생하는 폐열을 회수하고, 이를 활용하여 에너지효율을 높이는 폐열 회수 시스템의 중요성 이 하나의 해결책으로써 주목받고 있다. 폐열 회수 시스템은 선박 발생 폐열의 온 도 및 열량에 따라 다양한 열 엔진(Heat engine)의 형태로 활용될 수 있다. 선박 폐열회수시스템과 관련된 선행연구의 경우 메인엔진에서 발생하는 배기가스 혹은 엔진 냉각수를 열원으로써 활용하는 개선 공정 개발이 이루어지고 있다. 또한 해당 공정에서 작동유체 후보군을 선정하고, 최적 효율을 낼 수 있는 작동유체를 선정하는 연구가 주를 이루고 있다. 이러한 해석 논문들의 경우 선박에 대한 사이 클의 적용성, 기존 폐열활용 설비에 대한 고려가 잘 이루어지지 않고 있으며, 냉매 선정 또한 사이클 효율을 고려할 뿐 지구온난화지수 또는 유독성에 대한 부분은 충 분히 고려되고 있지 않다. 또한 이러한 논문들은 주로 선박 배가스를 직접적으로 활용하는 고온·유량, 고효율 사이클을 묘사하고 있으나, 실험 논문의 경우 아직 수 kW급 lab scale 규모에서 그치고 있다. 따라서 본 논문에서는 선박에 대한 적용성 을 고려함과 동시에 고효율 발전 성능을 가지는 폐열회수 시스템을 설계하고자 하 였으며, 종래연구에서 사용되는 높은 지구온난화지수 및 오존파괴지수를 가진 냉매 들을 대체하기 위한 친환경 냉매를 선정하는 것을 목표로 하였다. 이러한 설계사항 을 기반으로 운전조건 변화에 따른 에너지 효율, 환경영향평가 및 경제성분석을 수 행하였다. 종래 연구 조사를 통해 선박에서 발생하는 폐열원 중 선박 이코노마이저에서 발 생하는 증기, 엔진 냉각수를 열원으로 사용하는 유기랭킨사이클(organic Rankine Cycle, ORC)을 공정으로 선정하였다. 발전 용량은 제작 비용 및 운용 난이도 등을 고려하여 약 100 kW로 선정하였으며 이후 ORC 시스템의 최적 공정 설계 관련 내 용을 다루었다. 종래연구에서 가장 널리 사용된 R245fa 냉매를 적용하여 기본, 중간 열교환기, 예열기 및 듀얼 사이클에 대한 에너지 분석을 수행하였다. 결과적으로 중 간열교환기 사이클이 발전 효율 측면에서 우수한 성능을 발휘하며, 엔진 냉각수는 약 3%, 증기 열원은 10% 이상의 발전 효율 확보가 가능함을 파악하였다. 다음은 설계한 ORC 시스템을 다양한 운전조건에서 시스템의 정적 해석을 통해 성능을 분석하였다. 작동유체는 R245fa의 대체냉매로써 GWP가 0에 가까운 R1233zd(E), R1234ze(Z), R1366mzz-Z를 사용하였다. 그 결과, 중간열교환기 적용 시 발생하는 엑서지 파괴보다 증발기, 응축기에서 감소하는 엑서지 파괴량의 비율이 더 크므로 시스템 효율이 개선됨을 파악하였다. 또한 R1233zd(E) 냉매가 증발온도 150°C 조건에서 가장 높은 열효율을 보였다는 결과를 파악하였다. 정적해석 모델을 기반으로 시스템의 각 요소기기에 대한 세부 조건을 추가하여 동적해석 모델을 구축하였으며, 열원 및 열침 조건 변화에 따른 시스템 동적 분석 을 수행하였다. 그 결과, 열원 온도와 질량유량이 증가할수록 출력 성능이 향상되는 경향을 보였다. 그러나 열원 질량 흐름이 design point 이상으로 과도하게 증가하면 시스템 효율은 거의 일정하게 유지됨을 파악하였다. 열침 온도의 경우 중간열교환 기가 시스템 성능에 중요한 영향을 미친다는 사실을 확인했다. 중간열교환기의 열 교환 성능에 따라 시스템 효율과 출력이 달라졌으며, 중간열교환기 용량이 작을 경 우 열침 온도가 높을수록 효율이 향상되나, 특정 온도 이상으로 올라가게 될 경우 출력이 가장 낮아졌다. 반대로 중간열교환기 용량이 충분히 크다면 열침 온도가 낮 을수록 효율이 향상되는 결과를 얻었다. 이후 설계한 100 kW급 ORC 시스템의 실험에 대한 결과를 분석하였다. 실험은 크게 100 kW 출력을 확인하기 위한 Case 1과 작동유체 유량이 감소한 case 2로 두 가지 경우를 분석하였다. 이때 Case 1에서 성공적으로 100 kW 이상 출력을 확보하 였으며, 약 12.4% 수준의 발전 효율을 도출하였다. Case 2의 경우 발전 출력 70 kW, 효율 약 10% 수준으로 파악하였다. 실험과 해석모델의 비교 결과 두 조건에서 발전출력 및 운전점은 거의 유사하게 나타남을 확인하였으며, 일부 온도, 압력 등의 값은 국부적인 손실 및 계측기의 오차 등으로 인한 것으로 판단하였다. 다음은 ORC 시스템의 선박 적용에 따른 환경영향평가를 분석하였다. 분석을 위 해 타겟 선박으로 초대형 컨테이너선을 선정하고, 이에 부합하는 고효율 캐스케이 드 ORC 시스템을 설계하였다. 이후 설계한 시스템을 탑재 시 연간 CO2 배출 감소 량, 연료소모 절감, 국제해사기구의 에너지효율운항지표 및 탄소집약도지수에 대한 개선 효과를 분석하였다. 결과적으로 ORC 적용이 연간 874톤 CO2 배출을 감소시키 고, 273 ton의 화석연료 사용을 절감할 수 있다는 결과를 얻었다. 에너지효율 운항 지표 및 탄소집약도지수는 약 1% 수준의 개선 효과를 확인하였다. 100 kW급 ORC 시스템의 경제적 분석에서는 Marine Diesel Oil 연료를 사용하는 선박이 가장 높은 경제적 이익을 보였다. 순현재가치 (Net Present Value) 분석에 따르면, ORC 시스템은 336,700 USD에서 953,000 USD의 연간 경제적 이익을 창출할 수 있으며, 내부수익률 (Internal Rate of Return)은 20.1%에서 44%까지 달성할 수 있음을 예측하였다.
- Issued Date
- 2025
- Awarded Date
- 2025-08
- Type
- Dissertation
- Publisher
- 국립부경대학교 대학원
- Alternative Author(s)
- Yoon Jiwon
- Affiliation
- 국립부경대학교 대학원
- Department
- 대학원 기계시스템공학과
- Advisor
- 정석호
- Table Of Contents
- 1. INTRODUCTION 1
1.1. INTRODUCTION OF MARITIME TRENDS ON CARBON REDUCTION 1
1.1.1 Trends and Regulations of maritime industry 1
1.1.2 Methodologies of IMO regulatory compliance for ships 2
1.2. CLASSIFICATION OF MARINE WASTE HEAT 5
1.2.1 Direct exhaust gas 6
1.2.2 Indirect exhaust gas 7
1.2.3 Scavenge air 7
1.2.4 Jacket cooling water 8
1.3. TYPES OF CONVENTIONAL WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM 9
1.3.1 Steam Rankine cycle (SRC) 12
1.3.2 Organic Rankine cycle (ORC) 13
1.3.3 Supercritical Rankine cycle (SCRC) 15
1.3.4 Kalina cycle (KC) 17
1.4. SELECTION OF WASTE HEAT RECOVERY SYSTEM 21
1.5. RELATED PREVIOUS RESEARCH 23
1.5.1 Case studies on working fluid selection and design optimization 23
1.5.2 Experimental studies on ORC system 24
1.5.3 Limitations of previous studies 25
1.6. OBJECTIVES AND SCOPE OF THE THESIS 27
1.7. OUTLINE OF THE THESIS 29
2. DESIGN OPTIMIZATION OF THE ORC SYSTEM 31
2.1. INTRODUCTION 31
2.2. MODELING OF THE ORC SYSTEM 32
2.2.1 Heat source and heat sink configuration 32
2.2.2 Candidates of the ORC model design 37
2.3. THERMODYNAMIC MODELING 41
2.3.1. Assumptions and simulation conditions 41
2.3.2. Energy balance equations 44
2.4. RESULTS AND DISCUSSION 46
2.5. SUMMARY 51
3. STEADY STATE PERFORMANCE ANALYSIS OF ORC SYSTEM WITH INTERNAL HEAT EXCHANGER 53
3.1. INTRODUCTION 53
3.2. SYSTEM DESCRIPTIONS 57
3.2.1. Cycle configuration 57
3.2.2 Working fluid selection 59
3.3. THEORETICAL ASPECTS 61
3.3.1. Energy balance equations 61
3.3.2 Exergy balance equations 62
3.4. RESULTS AND DISCUSSION 67
3.4.1. Simulation condition and assumptions 67
3.4.2 Energy analysis of the ORC system 69
3.4.3 Exergy analysis of the ORC system 77
3.4.4 Analysis of turbine expansion ratio 80
3.4.5 Cycle optimization in consideration with turbine efficiency 83
3.5. SUMMARY 85
4. DYNAMIC ANALYSIS OF 100 kW SCALE ORGANIC RANKINE CYCLE WITH INTERMEDIATE HEAT EXCHANGER UNDER VARIOUS OPERATING CONDITIONS 87
4.1. INTRODUCTION 87
4.2. SYSTEM DESCRIPTIONS 93
4.2.1 Cycle and heat source configuration 93
4.2.2 Components of the dynamic model 95
4.3 DYNAMIC MODEL EQUATIONS 97
4.3.1 Conservation equations 97
4.3.2 Heat exchanger 99
4.3.3 Pump and turbine 101
4.4 SYSTEM MODEL 103
4.5 THERMODYNAMIC EVALUATION METHODOLOGIES 105
4.5.1 Dynamic analysis conditions with heat source variation 105
4.5.2 Dynamic analysis conditions with heat sink variation 105
4.5.3 Dynamic analysis conditions with IHX performance variation 106
4.6 RESULTS AND DISCUSSION 108
4.6.1 Simulation conditions and assumptions 108
4.6.2 Dynamic analysis results with heat source variation 109
4.6.3 Periodic steady state results with heat source supply variation 114
4.6.4 Dynamic analysis results with heat sink variation 120
4.6.5 Periodic steady state results with heat sink variation 125
4.6.6 Dynamic analysis results with IHX performance variation 130
4.7 SUMMARY 137
5. EXPERIMENTAL STUDY OF 100 kW SCALE IHX-ORC 139
5.1. INTRODUCTION 139
5.2. EXPERIMENTAL SPECIFICATIONS 141
5.2.1 Experimental apparatus 141
5.2.2 Experimental methods 146
5.2.3 Experimental conditions 147
5.3. EXPERIMENTAL RESULTS AND DISCUSSION 149
5.4 VALIDATION OF SIMULATION MODEL WITH EXPERIMENTAL RESULTS 158
5.5 SUMMARY 159
6. DESIGN AND ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF HIGH-EFFICIENCY ORC SYSTEM 160
6.1. INTRODUCTION 160
6.2. SYSTEM DESCRIPTIONS 165
6.2.1 Waste heat source configuration 165
6.2.2 Cycle configuration 167
6.2.3 Selection of working fluids 169
6.3 THERMODYNAMIC EVALUATION METHODOLOGIES 171
6.4 ENVIRONMENTAL IMPACT ASSESSMENT METHODOLOGIES 173
6.4.1 Configuration of target ships and navigating routes 173
6.4.2 Energy generation, fuel saving, and CO2 reduction assessment 175
6.4.3 IMO regulation compliance assessment: EEXI 176
6.4.4 IMO regulation compliance assessment: CII 178
6.5. RESULTS AND DISCUSSION 181
6.5.1 Simulation conditions and assumptions 181
6.5.2 Energy analysis and working fluid selection 183
6.5.3 Energy generation, fuel saving and CO2 reduction results 189
6.5.4 IMO regulation compliance assessment results 191
6.6 SUMMARY 195
7. ECONOMIC EVALUATION OF 100 kW SCALE IHX-ORC MODEL 196
7.1. INTRODUCTION 196
7.2. ECONOMIC EVALUATION METHODOLOGIES 197
7.2.1 Outline of economic evaluation 197
7.2.2 Economic evaluation equations 197
7.2.3 Economic evaluation methodologies 199
7.3. RESULTS AND DISCUSSION 204
7.3.1 Capital expenditure results 204
7.3.2 Operational benefit results 206
7.4. SUMMARY 209
8. CONCLUSIONS 211
8.1. CONCLUSIONS 211
REFERENCE 218
ACKNOWLEDGEMENT 245
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- Doctor
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