세라믹·유리 제조 산업에
재생 가능 에너지가 사용될 수 있는가?

화석 연료 값의 상승과 재생 가능 에너지 값의 감소가 계속되고 있는 현재의 추세에 따르면 바람, 태양열, 생물자원 에너지원이 유리와 세라믹 산업에 사용되는 것이 경제적으로 가능해질 것으로 보인다

기록적인 에너지가격이 우리의 은행 계좌에 큰 타격을 주면서 재생 가능 에너지원에 대한 관심과 논의가 증가하고 있다.
일부에서는 재생 가능 에너지야 말로 지구를 구하고 우리의 해외 에너지 의존도를 낮추는 유일한 방법이라고 주장하고 있다.
또 다른 사람들은 태양과 바람을 에너지로 사용하는 것은 꿈에 불과하다고 비웃으며 그러한 기술은 현재 산업에서 요구되는 에너지 수요를 만족시키지 못할 것이라고 지적한다.
개별적인 관점과는 상관없이, 재생 가능 에너지 기술은 장비의 발전과 비용의 절감에 힘입어 지난 10여년 동안 눈부시게 성장했다. 그러나 재생 가능 에너지 기술이 유리나 세라믹 산업과 같은 에너지 집약 산업에 사용될 수 있을지는 아직도 의문이다.
이 질문에 대한 답을 찾기 위해 우리는 우선 재생 가능 에너지원에 대해 알아보고 어떻게 재생 가능 에너지가 이론적인 산업적인 유리 용융에 적용될 수 있는지 알아봐야 할 필요가 있다.
재생 가능 에너지란?
재생 가능 에너지란 태양(태양열, 수력, 풍력, 파력 그리고 식물) 또는 지구(지열과 조력)로부터 계속해서 재생이 가능한 에너지원을 말한다. 석유, 천연가스, 석탄과 원자력 같은 화석 연료는 재생 가능한 에너지원이라고 하지 않는다.
재생 가능 에너지는 흔히 청정 에너지라고 다소 모호하게 불리고 있고 다분히 주관적인 이름인 그린 에너지와 혼동되어서는 안된다. 예를 들어, 수력 에너지는 재생 가능 에너지이지만 주변 환경에 큰 영향을 미치기 때문에 환경 친화적이라고 받아들여지지는 않는다.
또 다른 예는 보통 흔히 혼동하기 쉬운 것으로 수소가 그것이다. 수소는 재생 가능한 에너지가 아니라 오히려 에너지 수송자로 보는 것이 옳다. 수소는 천연가스로 부터 발생하지만 생체 자원의 부분 산화 또는 태양열 또는 풍력과 같은 재생 가능 에너지원으로부터 전기를 얻어 물을 전기분해하여 얻을 수 있다.
이 글에서는, 잠재적인 에너지원으로서 상업적인 사용이 가능한 수력을 제외한 재생 가능 에너지원에 대해 논의하려고 한다.
태양열 에너지는 열(집이나 물)이나 발전에 모두 사용될 수 있다. 태양열 가열은 직접 유리를 녹이는데 사용될 수 없고 실내 가열은 논의의 대상이 아니기 때문에 태양열 발전만 고려하기로 한다. 태양열 발전에는 두 가지 방법이 있다. 광발전(PV)과 태양열 집중법이 그것이다. 광전지는 실리콘과 같은 반도체 물질을 사용하여 직접적인 전류를 만들어 낸다. 개개의 광전지는 모듈로 만들어져 유리나 투명 플라스틱으로 포장된다.
모듈은 모아져 어레이를 만들거나 비정질 박막으로 만들어져 유연성 기판에 부착되거나 강철판에 부착된다. 태양열 집중기는 볼록거울을 이용하여 터빈을 돌리는 증기를 만들어 낸다. PV는 바로 전기가 발생하지만 집중법은 미국 남부와 같이 태양에너지를 많이 받을 수 있는 곳에 대규모로 사용할 때에만 경제성이 있다.
풍력 발전 터빈은 프로펠러 스타일의 날개를 사용하여 전기를 발생시킨다. 터빈은 큰 크기의 터빈과 작은 크기의 터빈으로 나눌 수 있다. 터빈의 크기는 kW 또는 MW 단위로 최대 전기 발생량으로 결정된다. 큰 터빈은 바람이 지속적으로 많이 부는 곳에 사용된다. 이들 기계는 1.5MW의 전기를 생성할 수 있으며 상업적 시제품으로 3~5MW의 발전량을 가지는 것도 있다. 해변에 설치된 터빈은 큰 터빈이며 3~4MW의 발전용량을 가지고 있다. 작은 터빈(10~600kW)은 빌딩 근처에서 전원을 발생하도록 설치된다.
생체 자원은 식물과 나무와 같은 유기 물질을 일컫는 일반적인 용어이다. 지난 수천년간, 나무는 로와 용광로에서 유리나 세라믹 물체를 만드는데 사용되어 왔다. 그렇기 때문에, 생체 자원을 사용하는 것은 꼭 새로운 일이라고 할 수는 없다. 현대 생체 에너지는 보통 산림관리, 산림파괴, 제재용 톱밥으로서 나무를 포함하고 있다. 다른 에너지원은 농업 폐기물, 도시 폐기물(즉 쓰레기) 그리고 식물성기름 작물, 고속 성장 나무, 에너지 원으로 특수하게 길러지는 풀 등이 있다.
생체 자원은 발전을 위해 열 또는 증기를 발생할 수 있지만, 바이오디젤, 메탄(CH4) 그리고 수소와 같은 액체나 가스 생체 연료로 만들어지기도 한다. 예를 들어 바이오 가스는 50% CH4와 매립지나 하수처리장에서 무기 호흡에 의해 발생하는 50%의 이산화탄소(CO2)의 연소 가능한 혼합물이다.
생체 합성 가스는 H2와 생체 재료를 낮은 산소 분압 분위기에서 가열했을 때 셀룰로오즈의 가스화에서 발생하는 일산화 탄소(CO)의 혼합물이다. 비록 결과 가스는 합성 가스로 분류되지만 비슷한 공정이 석탄에 대해서도 사용되고 있다.
생체 자원으로부터 나오는 액체 연료는 설탕과 녹말의 발효과정과 증류를 통해 얻어지는 에탄올과 식물 씨앗 유의 에스테르화로부터 얻어지는 바이오디젤, 생체 합성 가스의 Fischer-Tropsch처리를 통해 얻어지는 그린디젤 그리고 생체 자원의 무산소 열분해를 이용하여 만드는 열분해 기름이 있다. 나중에 언급한 두 연료는 현재 산업적인 양으로 만들어 낼 수는 없다. 
분석
지금까지 우리는 몇 가지 재생 가능 에너지원에 대해 알아보았다. 이제 이 재생 가능 에너지원이 어떻게 유리와 세라믹 제조 산업에 사용될 수 있는지 평가해보기로 한다. 우리는 에너지 요구사항을 가열 연료와 전기로 분류하였다.
연료의 연소는 용융, 건조, 산화에 사용된다. 현재 선택하여 사용되고 있는 연료는 천연가스이다. 왜냐하면 천연가스는 사용하기 상대적으로 쉽고 황이나 중금속 오염물의 함유가 적기 때문이다. 천연 가스는 주로 CH4로 구성되어 있으며 100BTU/ft3(37.3MJ
/m3)의 에너지를 낼 수 있다. 그동안 널리 사용되어 왔던 석유는 천연가스보다 더 경제적일 때 사용할 수 있다. 석유는 갤런당 140,000BTU(38.6MJ/L)의 에너지를 낼 수 있다.
전기는 원료를 나르고 혼합하고, 저항 가열하고 전기적으로 유리를 녹이거나 모터와 압축기를 동작할 때, 전등을 밝힐 때 사용된다. 전기는 석탄, 천연가스, 원자력 또는 수력을 이용하여 중앙 발전소에서 생산되어(그림 2), 생산 공장으로 배전된다. 몇몇 공장은 전기 백업용 발전 장치를 가지고 있지만, 극히 소수며 대부분 배전받아 사용하고 있다. 
열과 전기를 한 장소에서 동시에 발생시키면 산업 단위간의 연결을 효율적으로 해주어 많은 사업분야에서 효율성을 증가시킬 수 있다.
그렇기 때문에 질문은 “어떻게 현재 비재생 가능 에너지원을 대체하는가, 최소한 부분적으로라도 재생 가능 에너지원과 대체할 수 있는가"가 된다. 이 질문에 대한 답으로 천연가스를 사용하고 있는 500ton/
day의 생산량을 가지고 있는 평판 유리 공장을 고려해보겠다.(표 1)
전기
용광로에 하루당 필요한 총 전기량은 300,000kWh이상이다. 재생 가능 에너지원으로부터 발전시킨 전력은 풍력 터빈과 PV 어레이로부터 발생시킨다고 하자.
현실적으로, 한 장소에서 풍력과 태양열로부터 발전하는 것은 유틸리티의 전력을 대체할 수 없다. 왜냐하면 풍력과 태양열은 필요할 때마다 존재하는 것이 아니기 때문이다. (생체 연료가 지역 전력 공급에 사용되는 것이 더 적합하다) 그렇기 때문에, 우리는 태양열과 바람으로부터 수집된 전력을 보관해야 하는지 결정해야 한다.
만약 공장의 위치가 바람이 지속적으로 부는 곳에 있고 타워를 만들 수 있는 지역이면, 바람 터빈을 만들 수 있다. 이러한 시설의 대표적인 예가 뉴욕 로체스터 부근에 있는 Harbec Plastic 고장이다. 여기의 터빈은 250kW 용량의 터빈이 발전을 하여 곧바로 공장으로 배전해 주고 있다.
우리가 생각하는 용광로에는 16%의 용량 상수를 가진(총 용량 중에 평균적으로 동작하는 시간)600k
W 용량의 터빈이 필요하다고 생각된다. 이러한 조건에서 터빈은 하루에 2304kWh의 전기를 생산하게 되고 이는 총 수요량의 0.72%가 된다. 설치 비용은 약 $600,000에서 $1,000,000가 될 것이다.
풍력과 비교해서, PV 패널은 상대적으로 설치가 쉽고 전력이 가장 많이 필요한 시간에 가장 많은 전력을 생산할 수 있어 상대적으로 장애물이 없어 보인다. PV패널이 전체 지붕의 75%를 차지하고 있다고 가정하면 어떤 한 지역에 위치한 빌딩이 받는 태양열은 평균적으로 매일 27,000kWh의 전력을 생산하게 되고 이는 총 수요량의 9%에 해당하는 값이다. (표 2)
그러한 어레이를 만드는 데는 2천 2백만 달러가 들어 kWh당 풍력 터빈보다 두 배정도 비싸게 된다. 그러나 PV는 유지비용이 적게 들고 만약 공장이 시간 사용 메터를 가지고 있다는 높은 가치의 전력을 공급할 수 있는 잠재력을 가지고 잇다. 이러한 경우라면, PV는 많은 양의 전력을 저장할 수 있게 된다.
지역 발전이 가능하지 않다면, 재생 가능한 전력이 그린 프라이싱이나 또는 그린 마케팅 프로그램을 통해 유틸리티 그리드로부터 구입할 수 있다. 전력의 대부분은 유틸리티 라인에 전력을 공급하는 거대한 풍력 농장과 낮은 영향을 미치는 수력 댐 그리고 매립지 가스 발생기로부터 오게 된다. 모델 유리 공장은 2MW의 발전용량에 30%의 평균 용량으로 작동하는 22개의 터빈을 가진 풍력 농장을 필요로 할 것이다.
또다른 전력 구매 옵션은 재생 가능 에너지 원으로부터 발전을 한 환경적인 기여를 나타내는 환경재생 가능 에너지 증명(REC)이다. REC는 실제 발전과는 다르게 팔린다. 이들 프로그램은 다른 그린 전력 프로그램에 접근할 수 없거나 전력 공급자를 바꾸고 싶어하는 고객에 의해 종종 사용된다.
만약 어떤 공장이 재생 가능 에너지로부터 발전하는 퍼센티지를 요구하는 재생가능 포트폴리오 표준(RPS)을 가진 18개 주 중에 하나라면, 공장은 재생 가능 에너지를 사용하게 되는 것이다.
열 에너지
열 에너지를 공급하기 위해서는 현재 버너에서 사용하고 있는 연료와 호환되는 가스 또는 액체 연료가 필요하다. 사용될 것으로 생각되고 있는 가스 연료는 매립지 바이오 가스(1:1 CH4:CO2)와 유기 물질을 가스화 할 때 발생하는 생체 합성 가스이다.
세라믹 산업에서 매립지 가스(LFG)를 사용한 전례가 있다. EPA에 따르면 Cherokee Brick&Tile은 미국 조지아주의 City of Macon으로부터 하루당 1.6 ×106ft3의 LFG를 사용했다고 한다. Jenkins Brick은 자기 회사의 용광로에 1999년부터 LFG를 사용해 오고 있다.
LFG는 500-600 Btu/ft3(18.7MJ/m3)의 열량을 가지고 있어 천연가스의 절반 정도에 해당한다. LFG의 가격은 현재 사용하고 있는 천연가스가 $10.00/
MMBtu인 것에 비해 $1.5~$3.5/MMBtu 밖에 들지 않는다.
모델로 가정한 유리 공장에 대해서는, 하루당 8.5 ×106ft3의 LFG가 가열을 위해 사용될 것으로 보인다. 이것은 이론적인 사용 가능성이지만 수마일 떨어져 있을 더 큰 매립장(20×106톤)을 필요로 하게 될지도 모른다. 더구나 LFG의 사용은 용광로에 들어가는 연소 가스의 양을 두배로 늘려야 하기 때문에 가열해야 하는 입력 가스의 양이 더 많아지고 많은 양을 빼내야 하기 때문에 효율이 떨어지게 된다.
공기 주입-가스화 공정을 통해 얻은 생체 합성 가스는 약 160Btu/ft3의 값을 가지고 있어 현존하는 버너에 사용이 가능하지 않다. 만약 가스화 공정 중에 공기 대신 산소가 사용된다면 생체 합성 가스의 열량을 가지게 될 수 있으나, 이 공정은 가스화 장치, 생체 자원 전송 보과 시스템과 산소 발생 장비를 필요로 하게 된다.
액체 연료로 사용될 것으로 보이는 것에는 에탄올과 바이오디젤이 있다. 바이오디젤(130,000Btu/gal)은 특별한 장치 추가 없이도 석유(140,000Btu/gal)를 대체할 수 있다. 이론적으로 황을 전혀 포함하지 않은 바이오디젤은 SOx 방출을 줄일 수 있고 자동차 엔진에 사용되는 것과 같이 다른 대기 오염물질을 적게 방출한다. 바이오디젤의 소매가는 $3~$3.5/
gal으로 석유는 $2.00~$2.20보다 비싸다.
단기간에 바이오디젤은 식물성 기름으로 만들어지지만, 큰 부피의 셀룰로우스 식물로부터 만드는 Fischer-Tropsch 그린 디젤은 장기적인 잠재성을 가지고 있다. 이들 연료는 개발 단계이며 아직은 상업적인 단계에서 구할 수는 없다.
에탄올은 이미 사용중이며 석유에 넣는 첨가제 또는 자동차 연료로 사용되고 있다. 에탄올은 비발광 불꽃을 내며 타는데 불꽃의 발광의 중요성에 대한 폭넓은 의견이 제시되고 있다. 유리와 로의 벽이 배치에 주는 영향 때문에, 이 연료가 유리 로에 사용될 지에 대해서는 확실하지 않다.
결론
유리와 세라믹 산업에 재생 가능 에너지에 대한 투자를 고려하기 전에, 우리는 에너지 효율에 대해 알아보았다. 이렇게 하지 않는 것은 환경적 오염을 줄이기 위해 바이오디젤을 사용한 트랙터 트레일러로 통근하려는 것과 같다. 만약 유리 또는 세라믹 제조 공정이 충분히 효율적이라면 현재 사용되고 있는 재생 가능하지 않은 기존의 연료들을 대체하여 재생 가능한 에너지가 사용될 수 있을 것이다.
이 글에 이미 언급한 바와 같이 재생 가능 에너지로 모든 에너지를 완전히 대체하기는 어려울지 모른다. 그러나 벽돌 노의 예에서 보인 바와 같이 비슷한 공정에 LFG 연소(매립장이 가까이 있다면), 태양열 또는 풍력이 사용되고 있다.
LFG를 제외하고, 현재 재생 가능 에너지를 유틸리티 그리드로부터 구입하거나 현장에서 만드는 것은 단기적으로 볼 때 기존의 재생 불가능 에너지와 경쟁할 수 없을 만큼 열악하다. 그러나 화석 연료의 가격이 계속 오르고 있고, 재생 가능 에너지의 가격이 지속적으로 감소하고 있는 추세를 보면, 풍력, 태양열과 생체 자원을 이용해 깨끗하면서도 경제적인 이용을 할 수 있는 날이 머지 않을 것으로 보인다.
 (Ceramic Bulletin)