가스 열병합발전시스템
열병합발전시스템(C.H.P Combined Heat and Power)은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 발생시키는 종합에너지 시스템으로 발전에 수반해 발생되는 배열 또는 폐열을 회수 이용해 1차에너지에서 연속적으로 2종류 이상의 2차 에너지를 발생시키는 시스템이다.
소형 가스 열병합발전이란 에너지원을 가스로 이용하는 열병합발전 시스템을 말하며, 규모에 대한 정확한 분류기준은 존재하지 않으나, 일반적으로 소형이라 함은 가스엔진 또는 가스터빈을 이용한 설비로서 통상 10MW이하의 발전용량을 갖춘 설비를 의미한다.
가스 열병합발전시스템은 청정연료인 천연가스를 이용하므로 환경친화적이고 또한 폐열 회수이용이 용이해 산업체뿐만 아니라 주거용 건축물 등의 전력 및 열 에너지원으로 주목받고 있으며, 자체 발전시설을 이용해 일차적으로 전력을 생산한 후 배출되는 폐열을 이용하므로 기존의 에너지공급방식보다 30~40%의 에너지 절약효과를 거둘 수 있는 고효율 에너지 이용기술이다.
화력발전소의 발전효율은 약 40% 정도이고 송전 손실을 감안하면 전력이용효율은 약 35%정도이나, 가스 열병합발전 시스템 효율은 발전기 형식, 용량 등에 따라 차이는 있으나 발전효율이 25~40%, 발생되는 폐열(냉각 및 배기가스 열) 이용 효율이 40~60% 범위로 종합적인 에너지 이용효율은 75~90%에 이르고 있다.
소형 가스 열병합발전은 원동기 종류에 따라 가스 터빈방식과 가스 엔진방식으로 분류하며 산업체 및 건물용 모두 이용가능하나 가스 엔진의 경우 주로 건물용도로 사용된다.
소형 가스 열병합발전 시스템의 경우 한전의 최소 수전량을 유지하며 한전전력계통과 병렬운전을 하고, 냉․난방은 발전 폐열을 이용해 냉․난방을 실시하며 부족열량에 대해서는 보조 보일러 및 직화식 냉동기를 이용하는 시스템으로 구성한다.
소형 가스 열병합발전 시스템은 1차 에너지(가스)를 연속적으로 2종류 이상의 2차 에너지를 발생시키는 종합에너지 시스템으로 다양한 에너지 수요에 부응할 수 있는 것이 특징이며, 가스엔진 및 터빈 등의 원동기를 이용해 동력과 폐열을 유효하게 이용하는 시스템으로 ▲전력과 열에너지를 동시에 생산하며 냉각 및 배열 모두 효과적으로 이용함으로써 종합에너지 이용효율이 75～90%로 높다 ▲자체적으로 전력을 생산하므로 분산형 전원산업 구축으로 하절기 전력 Peak-Cut용으로 이용이 가능해 안정된 전력수급에 기여하고 원격지 전력송전에 의한 설비비 및 송전손실 비용을 줄일 수 있다 ▲수용가의 계약전력 감소에 의한 전력요금 저감 및 전력회사에 역판매시 전력판매 수입이 가능하다 ▲전력수급 대책의 하나로 민간의 열병합발전 참여에 의한 전력회사 자체의 신규 발전설비 소요를 감소시킬 수 있다 ▲청정연료인 도시가스를 이용하므로 질소산화물 및 이산화탄소 배출 억제로 환경공해를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
그러나 ▲초기 투자비가 비교적 과대하게 소요돼 규모의 비경제성에 따른 사업 참여의 위험성이 있다 ▲열 및 전력수요의 비율이 적절치 않거나 수요 변동의 불확실성이 클 경우 에너지 이용효율에 의한 이득이 투자비의 자본회수 소요를 초과 할 수 있는 단점도 있다.
기술개발의 필요성
최근 국내에서도 열병합발전 관련 기술개발지원, ESCO사업 등을 통한 설비비 지원, 열병합용 가스요금제도 신설 등 보급 활성화를 위한 다각적인 노력을 기울이고 있으나, 보급 활성화에는 아직 초기단계라 할 수 있다.
정부에서는 소형 열병합발전의 에너지절약효과, 환경성, 미래의 분산형 전원으로의 역할 등을 감안해 현재 23곳 46기 총 109,453kW의 설치용량을 가지고 있는 소형 가스열병합발전을 2010년에 270만kW(현재의 26배 수준) 즉 원자력발전소 3기 수준이며, 총 발전용량의 3.6%정도를 보급할 것을 목표로 설정하고 있다.
이러한 목표를 달성하기 위해서는 지원제도 강화, 행정 및 제도개선, ESCO 표준화, 홍보강화 뿐만 아니라, 전량 외국제품에 의존하는 시스템의 국산화 가 투자비 저감, 보수유지 용이 등을 위해 가장 절실하고 시급한 사안이라고 할 수 있다.
특히 2005년부터 대폭적으로 강화되는 대기환경보전법상의 배기가스 배출 허용기준을 준수하면서 보급을 확대하기 위해서는 관련된 연구를 서둘러야 할 것으로 판단된다.
정부차원에서도 일부 열병합용 가스엔진개발 등을 추진한 사례가 있으나 국내 시장규모가 협소하고 초기 세계시장 개척에 어려움으로 접근하는데 어려움이 있다.
반면에 폐열회수장치, 제어장치 등은 설비원가 구성도가 낮은 분야이고 국내기술로도 제작 가능한 분야이다. 이러한 기술특성에도 불구하고 D사의 100kW급 천연가스엔진개발, H사의 10kW급 초소형 천연가스엔진 개발이 시도되고 있으며 어느 정도 모델에 대해서는 상용화의 가능성을 보이고 있다.
열병합발전 시스템의 요소기술별 특성상 기술개발 접근이 용이한 분야와 어려운 분야가 분명히 구분되므로 민간제조회사에서는 폐열회수장치, 종합적인 제어기술 등 주변기술개발에 접근하고 정부차원에서는 천연가스엔진 개발, 가스터빈 개발, 열병합발전용 상용발전기 개발 등을 중장기적으로 추진함이 바람직할 것으로 판단된다.
가스엔진 열병합발전 시스템의 종합효율에 결정적인 영향을 미치는 것 중의 하나는 가스엔진으로부터 나오는 배열을 회수하는 열교환기의 성능이다. 열교환기가 열을 많이 회수하기 위해서는 전열면적이 클 필요가 있으며, 대개 전열면적의 크기에 비례해 열교환기의 외형크기도 늘어난다.
따라서 좁은 공간에 배치해야 하는 열병합발전 시스템으로서는 그 크기가 많이 커지지 않을 수 없어 문제가 될 수 있다. 그리고 열교환기가 커지는 만큼 열교환기 전열면 재료와 외곽 재료의 비용이 크게 증가하기 때문에 경제성확보에 문제가 생길 수 있다.
따라서 열병합발전 시스템의 크기가 작은 경우일수록 더 콤팩트한 구조의 배열회수 열교환기가 필요하다고 볼 수 있다.
현재까지의 연구개발 경험을 통해 국내에서 만들 수 있는 소형 가스엔진 열병합발전 시스템의 열효율은 80%를 넘지 못한다. 이러한 수준으로는 90%가 넘어가고 있는 선진외국의 제품을 국내 시장에 고스란히 받아들이는 방법이외에는 별다른 대안이 없는 실정이다.
따라서 적어도 85%이상의 종합효율과 가격경쟁력 및 국내제품에 따른 국내인력의 A/S편리성 확보를 통해 외국제품에 대응하는 연구가 중요한 시점이다.
이를 위해 물론 발전기분야의 고성능화가 매우 필요하지만 그에 못지않게 배열회수기술도 대단히 중요하다. 배열회수에 대한 중요성이 국내에서는 많이 부각되지 못하고 있는 것이 현실로서 본 연구의 중요성에도 불구하고 지금까지 대비를 제대로 하지 못한 측면의 하나가 되고 있다.
선진국에서는 전통적으로 쉘앤드튜브형(다관식)과 핀튜브형의 열교환기를 채용해 왔으나 최근에는 냉각수 열 회수에는 대부분 플레이트형 열교환기를 사용하고 있으며, 배기매니폴드의 방열을 줄이기 위한 보조열 회수장치, 터보챠져의 냉각열 회수장치 등을 독자적으로 개발해 사용하고 있다.
특히 연소배기가스의 열 회수를 위해 기존의 쉘앤드튜브형에서 컴팩트한 플레이트형으로 바뀌고 있다.
선진국들에서 채용하는 형태의 각종 배열회수기기에 대한 설계기술을 정립함과 동시에 플레이트형의 연소 배기가스 열교환기 설계기술을 정립할 필요가 있다.
또한 배기 가스열량을 응축열까지 회수 이용하는 방안을 검토하고 엔진룸안의 방열을 최소화하는 설계 기술에 대한 검토도 배열이용관점에서 종합적으로 검토할 필요가 있다.
또한 완성된 열병합시스템에 대한 성능평가도 매우 중요하다.
현재 국내의 아파트단지, 병원 및 호텔 등에 보급되는 각종 외국의 열병합발전기의 경우 그 성능은 천차만별하다. 도입선에 따라 매우 우수한 열 및 전기 성능을 보이는 시스템이 있는가 하면 열효율은 물론 인클로우저 패키징 기술이 떨어져 소음특성이 매우 불량한 제품도 도입돼 공급되고 있는 실정이다.
이러한 현상에 대해 국내에서 개발 공급되는 시스템의 성능상의 위치를 잘 파악하는 것이 매우 긴요하고 이에 대해 반드시 우수한 성능의 가스엔진 열병합 발전시스템을 국산화해야 한다.
한편 실용화 및 상용화를 위해서는 기 설치된 곳이나 신규 설비에 현장적용에 의한 실증시험 과정을 거치는 것이 필수적이다.
이제까지의 기술을 집대성해 효율을 극대화하고 신뢰성 있는 유틸리티 공급 기기로서 역할을 할 수 있도록 하고자 하며 실증시험 과정에서 많은 고가의 천연가스연료가 소요되며 이들 경비에 대해 정부의 보조가 필요하다.
국내의 경우 현재까지 소형열병합발전시스템의 국내 시장이 극히 제한적이기 때문에 민간 기업을 중심으로 하는 체계적인 기술개발이나 연구는 수행되지 못했으며 1988년 한국에너지기술연구원(구 한국동력자원연구소)에서 연구를 시작한 이래, 1990년대 들어 산업자원부 산하의 에너지관리공단 R&D본부, 한국가스공사 연구개발원 등을 중심으로 정부차원에서 정책적으로 기술 개발비를 지원하는 형식으로 수행돼 왔다.
국가적인 차원의 체계적인 기술개발의 필요성으로 인해 산업자원부 산하의 에너지관리공단에서는 한국가스공사의 열병합발전시스템 개발사업 및 기 수행되고 있는 G7 Project의 산업용 가스터빈 개발 등과 연계는 물론 범국가적인 국산화가 가능한 요소부품 개발부터 체계적인 추진을 위해 ‘93년 및 ’97년에 소형 열병합발전분야의 기술개발 중장기 계획을 수립했다.
특히 중장기 기술개발의 추진을 위해 소형열병합 사업단(1998년) 및 소형엽병합연구회(1999년)를 조직, 운영하는 등 기술개발을 위한 활동을 했으며, 2001년에는 50kW급 마이크로 가스터빈 열병합발전 시스템을 개발하는 중대형과제를 추진하는 증 많은 노력을 기울이고 있다.
한국가스공사 연구개발에서는 1991년 열병합 기초 타당성 연구를 시작으로 1994년 200kW급 가스엔진 열병합발전 시스템 개발, 1995년 1000kW급 패키지타입 가스터빈 열병합발전 시스템 개발 등 시스템 제작업체와 공동연구개발 형태로 기술개발 및 보급 활성화를 추진해 왔다.
그러나 열병합발전시스템의 핵심기기인 원동기를 비롯해 전반적인 국내 기술수준이 선진국의 70~80 % 수준으로 부족한 상황에서 일부 국산화 개발 연구가 진행돼 왔으나 상용화에는 크게 못 미치는 수준이라고 할 수 있다.
국내에서 몇 차례 배기가스 열 회수 기술에 대해서 연구한 실적이 있으나 체계적인 콤팩트열교환기 설계기술 정립에는 이르지 못했으며, 특히 열병합발전 시스템의 열 흐름을 체계적으로 분석해 각 부위별로 대처방안을 찾아 설계기술을 정립한 실적은 전무하다.
따라서 종합효율에 있어 선진국과 현격한 격차가 있으며 하루 속히 체계적인 배열회수 대책 기술을 정립해 선진국에 대응해야 할 것이다.
그동안 엔진, 발전기, 제어, 시스템 등 요소기술에 대해 한차례 이상 기술개발을 추진한 경험이 있으나, 아직도 경쟁력있는 제품의 생산에 미치지 못하고 있다.
이는 요소기술들에 있어서 아직도 취약한 부분이 있음을 반증하는 것이며, 또한 시스템 및 실용화(상품화)기술이 부족한 상황이다.
이제는 이러한 부족한 부분을 보완하고 실용화(상품화)에 맞추어 기술개발을 해야 한다.
이를 위해서 요소기술을 가진 업체들과 시스템을 하는 업체들이 기술개발 컨소시엄을 구성해 서로 협력하는 가운데 시장이 요구하는 제품을 개발해내야 할 시점이다.
엔진, 발전기 등의 기본 기술을 한정된 인력, 자금으로 처음부터 개발하는 것은 불가능하나, 다행스럽게 대우종합기계에서 최근에 디젤엔진을 개조한 도시가스용 엔진의 개발에 성공했고, 보국전기에서 상용(常用)발전기를 개발했기 때문에 이를 기반으로 엔진의 경우 아직까지 미진한 부분인 고 효율화, 수명연장, 배기가스 배출저감 등에 주력하고 발전기의 경우 고 효율화, 제어장치, 보호장치 등에 대한 보강하며 열교환기의 경우 에기연의 설계기술과 업체의 제작기술을 활용하면 적은 비용과 짧은 기간에 소기의 목표를 달성할 수 있을 것으롭 본다.
현재 본사에서는 정부출연 연구기관인 한국에너지기술연구원, 한국기계연구원, 한국전기연구원, 산·학·연 인천대학 등과 컨소시엄을 구성 현재 본사에서 개발한 열병합시스템에 대한 상용화 및 표준화 방안을 연구 진행 중이며 이를 계기로 현재 외산 열병합시스템이 잠식하고 있는 국내 시장에 판로를 뚫어 국내 에너지사업 발전에 기여하고자 한다.
바이오가스용 열병합발전시스템
축산 폐기물(가축의 분뇨), 음식쓰레기 등을 발효시킬 때 발생하는 가스로써, 메탄과 이산화탄소가 바이오가스의 주성분이다.
이 가스는 메탄을 60%정도 함유하고 있으며, 가연성이므로 엔진, 보일러 등의 연료로 사용할 수 있다.
바이오가스는 가축분뇨 및 생 쓰레기를 일정기간 혐기성발효 시킴으로써 생성된다. 이를 탈류과정을 거쳐 대기환경오염원인 염화수소를 저감시킨 뒤 일정압으로 바이오가스 발전기 혹은 보일러에 사용된다.
생성된 바이오가스는 열병합 발전기 혹은 보일러의 에너지원으로 사용된다.
바이오가스를 보일러에 사용하면 85~90%의 효율을 같고 열병합발전기에 사용하면 80~85%의 효율을 갖는다.
하지만 단순한 효율적인 측면에서 보면 보일러에 사용하는 것이 효과적이라고 하겠지만 에너지의 효율적인 사용측면에서 보면 발전기에 사용하는 것이 더 이상적이라 하겠다.
기대효과
현재 당사에서는 국내 에너지 시장의 여건상 포집시설과 같은 바이오 가스 생성 시설이 미비한 국내에는 이 제품 판매가 용이치 않아 제작품 일체를 일본 시장에 수출하고 있으며, 소형 바이오 가스용 열병합 발전시스템 개발 기술을 바탕으로 중형급으로 사양을 업그레이드해 국내 쓰레기 매립지 같은 1차 에너지 발생 지역에 대한 시장 확보와 개발을 진행 중에 있다.
현재 당사에는 300~500kW급의 바이오가스용 발전 시스템을 개발 완료해 정부 출연기관과 연계해 실증 시험을 통한 상용화 작업에 착수 중이다.
기 제작된 소형 바이오가스용 발전 시스템의 경우 일본 전 지역에 소량이나마 보급돼 좋은 반응을 얻고 있으며, 국내와 국외 기술분에 대한 특허 출원도 진행 중에 있다.< /P>
