열병합발전 시스템

열병합발전(CHP, Combined Heat and Power generation) 시스템은 하나의 에너지원으로부터 전기와 열을 동시에 발생시키는 종합에너지시스템으로 발전 시 부수적으로 발생하는 배열을 회수하여 사용함으로써 에너지의 종합이용 효

29) 박종웅, 김석완 저(2010), 『에너지학 개론』, 동화기술, pp134~136

30) 구자훈, 가스엔진 열병합발전의 계절별 열전비 조정, 한국플랜트학회, THE PLANT JOURNAL, Vol.7 No.1 March 2011,pp 4~12

율을 높이는 것으로 단독 생산 시 대비 30 ~ 40%의 에너지 절약효과를 얻을 수 있는 고효율 에너지 이용방식이다. 그러나 열과 전기의 수요패턴의 불일치 에 따른 손실 발생가능성이 있으므로 열병합 발전시스템 적용 시에는 충분한 검토를 요한다.

가. 열병합발전의 분류

집단에너지사업은 열병합발전시스템, 보일러 및 자원회수시설 등 1개소 이상 의 집중된 에너지 생산시설에서 생산된 열 또는 열과 전기를 다수 사용자에게 일괄 공급하는 사업으로 지역냉난방사업, 구역형 집단에너지사업 그리고 사업 단지 집단에너지사업으로 구분할 수 있으며, 그 외에 자가 소비용 열병합이나 또는 아파트나 업무용 빌딩등 특정 사용처에 적용하는 소형열병합이 있다. 지 역냉난방사업은 집중된 열생산시설에서 일정지역 내에 있는 주택과 상가 등의 건물을 대상으로 냉난방용 및 급탕용 열 또는 열과 전기를 공급하는 방식이 다. 구역형 집단에너지사업(CES, Community Energy System)은 제2차 집단 에너지기본계획에서 도입되었으며 특정한 공급대상 지역에 별도의 단독 열월 을 설치하여 열과 전기를 생산하는 집단에너지사업으로 제3차 집단에너지기본 계획에서는 기존 지역냉난방사업에 통합되어 구별이 없어졌고 전기사업법에서 는 구역전기사업으로 규정되어 발전, 배전 및 구역 내 전기직판사업이 가능하 다. 산업단지 입주업체를 대상으로 공정용 열 또는 열과 전기를 공급하는 방 식이다.

열병합발전시스템은 원동기를 기준으로 엔진발전시스템과 가스터빈발전시스 템으로 구분할 수 있다. 원동기의 특성은 표 3.6³¹⁾에 나타내었다.

엔진발전시스템에는 디젤엔진과 가스엔진발전시스템이 있는데 디젤엔진은 비상용 발전기에 주로 사용된다. 집단에너지시스템에서는 주로 가스엔진과 가

31) 이영재, 「소형가스 열병합발전의 국내외 시장 및 기술동향-특집원고」, 한국설비기술협회-설비/공조·냉동·위생 제22권 제2호 통권245호 (2005. 2), pp.34~41

스터빈을 이용한 발전시스템이 사용되며, 표 3.6에 디젤엔진, 가스엔진, 가스터 빈의 적용규모, 발전효율 및 시동시간 등의 특성을 나타내었다. 가스엔진발전 시스템은 시동시간이 15초 이내로 짧고 부하조정이 용이한 특성을 가지고 있 지만 NOx 배출량이 가스터빈보다 다소 많다. 가스터빈 발전시스템은 시동시 간이 가스엔진발전시스템보다 길고 외기온도에 따라 출력에 영향을 받으며 부 하조정이 다소 어렵지만 NOx 배출량이 적고 중규모 이상의 발전규모에 사용 될 수 있다. 또한, 발전효율은 가스엔진발전시스템이 28 ~ 42%로 21 ~ 40%보 다 높지만 종합효율은 가스터빈발전시스템이 70 ~ 80%로 65 ~ 80%로 조금 더 높다.

구 분 디젤 엔진 가스 엔진 가스 터빈

적용규모(kW) 15~10.000 1~5.000 30~100.000

발전효율(%) 36 ~ 43 28 ~ 42 21 ~ 40

종합효율(%) 60 ~ 75 65 ~ 80 70 ~ 80

연 료 등유, 경유, A중유 가스 등유, 경유, A중유,

가스

시동시간 10초 이내(비상용) 15초 이내 40초 이내(비상용)

배열온도(℃) 배가스 400 ~ 500 냉각수 70 ~ 80

배가스 350 ~ 700

냉각수 80 ~ 90 배가스 450 ~ 600

가격

발전기 세트

(USD/kW) 125 ~ 300 250 ~ 600 300~600 (일반) 500~700 (마이크로) 턴키 기준

(USD/kW) 350 ~ 500 600 ~ 1000 650~900 (일반) 1000~1300 (마이크로) 열회수기

(USD/kW) 125 ~ 300 250 ~ 600 300~600 (일반) 500~700 (마이크로) 유지보수비

(USD/kW) 5 ~ 10 7 ~ 15 3 ~ 8 (일반)

5 ~ 10 (마이크로) CO2 배출 (kg/MWh) 650 500 ~ 620 580 ~ 680 (일반)

720 (마이크로) NOx 배출 (kg/MWh) 10 0.2 ~ 10 0.3 ~ 0.5 (일반)

0.1 (마이크로) 소음 (dB) 110 (저주파) 100 (저주파) 110(고주파)

[표 3.6] 열병합발전용 원동기의 특성 비교

나. 열병합발전의 구성

열병합발전시스템은 열병합발전설비와 보일러 및 축열조(accumulator) 등 의 지역난방계통설비로 구성되며 구역형 집단에너지사업의 경우 배전망시설을 보유한다. 열과 전기를 생산하는 열병합 발전설비는 가스엔진과 가스터빈 등 의 원동기 및 발전기로 구성되어 있으며 기저부하를 담당한다. 보일러는 그 기능에 따라 첨두부하보일러(PLB, Peak Load Boiler) 또는 열전용보일러 (HOB, Heat Only Boiler) 등의 용어로 지칭된다. 연소열로 지역난방수를 직접 가열하여 지역난방열을 공급하는 열원설비로 보일러 본체, 절단기, 연료공급 및 연소설비, 배기가스 배출장치 그리고 전기 및 제어설비 등으로 이루어진다.

축열조는 열부하가 낮거나 전력판매가격이 높은 시간에 생산된 잉여열을 저장 하였다가 열부하가 높은 시간에 저장열을 방출함으로서 일일 첨두부하를 담당 하는 열저장 탱크로서 열원공급설비의 부하를 일부 경감하고 배관망에서의 온 수의 비등 방지를 위한 일정한 압력을 유지하며 온도 변화에 따른 난방수의 체적변화를 흡수하는 역할을 한다. 지역난방 설비로는 지역난방펌프, 축열조펌 프 그리고 열배관망이 있으며 발전소에서 생산된 열을 수요처로 이송하여 공 급한다. 그 밖에 구역형 집단에너지사업의 경우에는 공급구역 내 전기를 공ㅇ 급하기 위한 배전망 시설을 갖춘다.

다. 열병합발전 조건

열병합발전소의 가동을 위한 발전조건과 관련하여 공급구역의 열 및 전기 수요와 설비의 용량과 같이 발전량을 결정하는 요인들이 있으며 집단에 에너 지사업의 제도적 측면의 제약 조건들도 실제 운전에 영향을 미치게 된다. 열

및 전기 수요는 절기별로 부하패턴이 다르며 열병합발전의 경우 주로 열수요 에 추종하여 발전량을 변화시키게 된다. 발전기와 보일러 설비의 출력상한 및 하한값, 연료조건, 축열조의 최대용량 그리고 시간당 축방열 능력에 따라 공급 능력이 결정된다. 설비별 부하 비중은 공급능력에 따라 정해지며 원가계산을 통해 설비의 가동시간과 생산량 계획이 수립된다.

라. 소형열병합발전³²⁾

현재 국내 소형 열병합발전기의 발전량은 국내 총 발전용량의 0.2%를 차지 하고 있으며, 정부는 에너지 절약효과가 뛰어난 이 소형 열병합발전시설을 오 는 2013년까지 총 발전용량의 3.5% 수준인 2백70만kW까지 보급하겠다고 밝 힌 바 있다.

이는 원자력발전소 3기에 해당하는 용량으로 원자력발전소의 건설로 소요되 는 비용문제와 지역이기주의에 의해 야기될 수 있는 민원 및 원자력폐기물처 리시설 문제 해소 등 여러가지 국가의 경제적 이익을 위한 계획이기도 하다.

소형 열병합발전소를 국내 총 발전용량의 3.5% 수준까지 보급시 연간 약 8 천억원의 에너지비용 절감이 예상되며 이때까지 투자되는 총 비용은 약 8조7 천억원이 소요될 것으로 전망하고 있다.

EU의 경우 수십 년 전부터 이러한 시설을 도입하여 사용해 온 결과 지난 2001년도 기준으로 총 발전용량의 약 9%에 해당하는 분량을 소형 열병합발전 같은 분산형 전원장치로부터 얻고 있으며, 2010년까지 총 발전용량의 18%를 분산형 전원에서 확보할 계획이다.

미국의 소형 열병합발전량은 지난 2000년 기준으로 총 발전용량의 약 7%를 차지하고 있으며, 오는 2010년까지 총 발전용량의 20%를 소형 가스열병합시 32) 아파트관리신문, 소형 열병합 발전 시스템의 도입과 운영 ⑥ - 열병합발전, 국가 경제적 이

익 위해서도 필요, 블로그 - 나의 인생도전 그리고 꿈의실현

(http://blog.naver.com/muckangkim?Redirect=Log&logNo=100030354322)

설로부터 얻을 계획이다.

일본도 현재 2백44만kW 규모의 소형 가스열병합발전이 보급되어 있으며 오 는 2010년까지 4백64만kW까지 보급해 나갈 계획이다.

전 세계적으로 소형 가스열병합발전시설이 확대되고 있는 이유는 에너지 절 감뿐만 아니라 여러 가지 장점이 많기 때문이다.

첫째는 해마다 늘어나는 자연재해로 인한 전력전송시설의 파손으로 정전사 태가 일어나는 것을 방지하기 위해 소규모 단위로 분산형 전원장치를 설치, 그 피해를 최소화하고자 함이다.

둘째는 늘어나는 전력수요를 충당하기 위한 발전소 건설을 계획할 때 지역 이기주의로 인한 부지확보의 애로사항 해소와 발전소 건설비용의 절약 효과에 있다.

셋째는 하절기에 남아도는 가스를 이용해 소형 가스열병합발전기를 가동해 전기를 공급하면 여름철 전력 부하를 충당할 수 있어서 전기와 가스의 계절별 수요관리를 개선할 수 있기 때문이다.

전력 수요가 많은 하절기의 피크치에 맞추어 발전소를 건설하다 보면 동절 기에는 발전소 시설이 남아돌게 되므로 무조건 여름철 전력수요에 맞추어 발 전소를 건설할 수 없다. 반면에 천연가스는 겨울철에 그 수요가 많고 여름철 에는 남아돌게 되는데 천연가스는 연간 수입량이 일정해 수요에 상관없이 연 중 일정한 양을 수입해야 하고 여름철에는 그 저장시설의 확충과 저장비용의 증가로 어려움을 겪고 있는 실정이다.

넷째는 기후변화협약 등 국제적 환경규제에 대응할 수 있는 방안이기 때문 이다. CO₂배출권거래제 등 국제환경규제가 경제문제로까지 대두되고 있는 가운데 CO₂의 배출 감소효과가 기존 방식에 비해 30 ~ 40% 가량인 청정연 료 LNG를 소형 가스열병합발전의 주 연료로 사용함으로써 에너지이용효율 향상은 물론 배기가스 배출 감소효과로 국제환경기준을 충족시킬 수 있다.