소형열병합 국산화 개발 '탄력'
소형열병합 국산화 개발 '탄력'
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  • 승인 2009.02.09 10:46
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박화춘 에너지기술연구원 선임연구본부장
분산발전 사업은 제한된 에너지 이용효율, 환경오염, 대규모 투자에 따른 투자위험 증가, 발전소 입지난 등 기존 에너지 산업이 안고 있는 많은 문제들을 극복할 수 있는 해결책으로서, 소형 열병합발전시스템은 분산발전에 있어서 가장 중요한 시스템으로 인식되고 있다. 현재까지 소형 열병합발전시스템이 국산화되지 않아 외국제품에만 의존하고 있는 바, 시스템 가격 뿐 만 아니라 유지ㆍ보수 측면에서 많은 금액이 해외에 지불되고 있는 실정이다. 이에 소형 열병합발전시스템의 국산화는 중요한 이슈이며 설치장소, 이용패턴에 따른 다양한 원동기, 다양한 용량의 열병합발전시스템의 국산화 개발이 필수 불가결하다. 또한 정부의 ‘저탄소 녹색성장’ 정책과 더불어 소형열병합발전은 정부의 신성장동력으로 추진하는 ‘그린에너지산업’ 중 하나로 선정되어 소형열병합발전 시스템 국산화 개발ㆍ보급 연구는 탄력을 받게 되었다.

가스엔진 열병합발전 시스템 개발
현재의 분산형 발전 구동기기 중에서 엔진을 이용하는 열병합발전시스템은 현재까지의 축적된 기술로 인하여 5MW급 이하 용량에서 용량대비 가격이 가장 저렴하고 여타 시스템보다 높은 발전효율을 보유하고 있기 때문에 가장 우선적으로 개발되고 적용되게 되었다.
엔진을 이용한 열병합발전시스템은 2004년부터 ‘고효율 저공해 소형 엔진 열병합발전 시스템 상용화 개발’이라는 산자부, 에너지관리공단 과제로 300kW급의 소형 엔진 열병합발전시스템 국산화가 시도되었다.
총괄주관기관에 한국에너지기술연구원, 세부주관기관에는 한국기계연구원, 한국전기연구원, 한국에너지기술연구원, 보국전기공업(주)이 참여하였고, 두산인프라코어(주), 태봉산업기술(주), (주)템스가 참여기업으로서 연구개발에 참여하는 중대형 과제였다. 베이스 엔진으로는 두산인프라코어(주)의 GV222TIC라는 12기통 V형 22L 국산 엔진이 사용되었다.
본 엔진은 이론공연비 연소(Rich burn) 엔진으로서 희박연소(Lean burn) 엔진보다 전기 효율은 낮지만 일반적인 희박연소 엔진에서 배출되는 배기가스 중 NOx 수준이 122ppm(O2 13% 기준) 이고, 이것을 국내 2008년 열병합발전시스템 NOx 규제 대응치인 50ppm(O2 13% 기준) 수준으로 낮추기 위해서는 암모니아 SCR(Selective Catalytic Reduction)과 같은 새롭고 아직까지 완성되지 않은 기술이 필요한 데에 비하여 이론공연비 연소 엔진을 사용하면 엔진 자체에서 나오는 NOx 수준은 1000ppm 이상으로 높지만 삼원촉매를 이용하여 규제치인 50ppm 수준을 만족시킬 수 있기 때문에 이론공연비 연소 엔진이 사용되었다.
삼원촉매의 효율을 높이기 위하여 공기-연료비를 주기적으로 바꾸어서 산화(CO, UHC(unburned hydrocarbon) 제거)와 환원(NOx 제거) 반응이 주기적으로 잘 일어나도록 설계, 제작하였으며, 발전용 엔진에서 장기 운전을 하였을 때에 가장 문제가 되는 노킹(Knocking) 문제를 해결하기 위하여 ICM(Ignition Control Management), KDM (Knocking Detecting Module)을 설계, 제작하였다. 발전기와 통합 제어 시스템 기술을 개발하여 적용하였으며, 특히 본 시스템에 사용되도록 개발된 동기발전기는 목표효율 96% 이상을 초과하여 97.1%의 효율을 기록하였다. 배열과 엔진 냉각열을 회수할 수 있는 열교환기를 설계, 제작하여 열에너지를 효율적으로 사용할 수 있게 하였으며, 시스템 패키징, 진동ㆍ소음 방지 설계를 통한 전체 시스템 최적화를 통하여 시스템 효율과 안정성, 시장성을 높였다.
결과적으로 전기용량 325kW의 가스엔진 열병합발전시스템을 제작하여 과제의 목표치인 전기효율 32% 이상, 종합효율 85% 이상, NOx 배출 50ppm(O2 13% 기준) 이하의 목표를 달성하였으며, 제작된 가스엔진 열병합발전시스템은 지식경제부, 에너지관리공단의 지원하에 2단계 실증 연구로서 (주)이엔페이퍼 평택공장에 설치되어 2008년 9월부터 연속, 상용운전되어 그 신뢰성을 검증받고 있다. 본 시스템은 향후 2009년 4월말까지 운전되어 경제성 평가와 안정성을 평가받을 것이며, 그 결과는 정부의 보급 확대 지원 계획에 반영되어 국산 열병합발전 보급과 소형 열병합발전시장의 확대에 공헌할 전망이다.
2007년부터는 ‘1MW급 가스엔진 열병합발전시스템 개발’ 과제를 지식경제부, 에너지관리공단 지원으로 보국전기공업, 에너지기술연구원의 주관으로 진행중이며, 2010년까지 발전효율 40%, 종합효율 85%, NOx 배출 50ppm을 목표로 하여 개발될 예정이다. 본 시스템은 기 개발된 300kW급 가스엔진 열병합발전시스템과의 차별화로 시스템 배열로부터 증기를 제조할 수 있으며, 이에 증기가 필요한 곳(병원, 제빵공장, 제지공장, 흡수식 냉동기 등)에 직접적으로 증기를 공급할 수 있는 특징을 가지고 있다.

◆가정용 열병합발전시스템
유럽과 일본을 중심으로 가정용 열병합발전시스템의 개발과 보급이 확산되면서 ‘1가정 1열병합발전시스템’의 개념이 발생하고 있다. 일본의 Honda에서는 Eco-Will이라는 1kW급 가스엔진 열병합발전시스템을 개발하여 가정에서의 보일러를 대체하여 전기와 온수, 난방을 담당, 운영하도록 하였다. 유럽에서는 소음, 공해 문제에서 가스엔진보다 좀 더 자유로운 외연기관 원동기인 스털링엔진을 이용한 열병합발전시스템을 개발하고 있는데, 이는 WhisperTech의 1kW급 스털링엔진 열병합발전시스템인 WhisperGen, 영국 Baxi사의 1.1kW micro-CHP 등의 제품으로 나타나고 있다. 스털링엔진 열병합발전시스템은 가스엔진을 이용한 열병합발전시스템에 비하여 소음과 NOx 배출 면에서 유리한 면이 있지만, 가격과 전기효율 면에서는 아직 내연기관에 미치지 못하기 때문에 많은 연구가 진행중이다. 이에 맞추어 우리나라에서도 가정용 초소형 열병합발전시스템의 연구가 한국에너지기술연구원, 한국기계연구원 등의 연구소와 기업을 중심으로 시작되고 있으며, 지경부에서도 이에 관심을 가지고 대응중이다.

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