기존 가정용보일러가 난방, 온수 공급만 가능했다면 가정용 1kW급 열병합발전은 외연기관인 스털링엔진으로부터 발생하는 전기출력 및 폐열, 배기가스의 열을 회수해 전기와 급탕, 난방에너지를 공급할 수 있는 가정용 가스보일러를 대체할 수 있는 차세대 가정용기기로 평가받고 있다.
작동원리는 피스톤과 실린더로 이뤄진 공간내에 헬륨ㆍ수도 등의 작동가스를 밀봉하고 이를 외부에서 가열, 냉각시킴으로서 발생하는 피스톤의 운동을 통해 기계적 에너지를 얻는 것이다.
외연기관이기 때문에 가스ㆍ액체ㆍ고체 연료를 모두 사용할 수 있으며 연소조건을 최적화할 수 있다. 특히 연소제어가 용이하기 때문에 배가가스가 깨끗하다.
밀폐시스템으로 배기열 손실이 없고 재생기에 의한 열회수에 의해 원리적으로 가장 높은 열효율을 달성할 수 있으며 소형엔진이어서 타엔진대비 효율이 높은 것이 특징이다.
왕복동식의 내연기관에 비해 소음과 진동이 현저히 줄어들어 실내에 설치해도 문제가 없으며 크랭크기구가 없어 유지보수가 용이한 FPSE(Free-Piston Stirling Engine) 및 엔진의 직선운동을 회전운동으로 변환하는 과정에서 발생되는 손실을 줄일 수 있다.
□시장 동향
소형 열병합발전시스템은 발전소에서 전력을 생산해 사용자에게 송전하는 전력계통에 비해 CO₂저감과 에너지효율 향상측면에서 비교 우위를 가지고 있다.
2005년 기준으로 전세계적으로 △Senser Tech △바일란트 자회사인 PowerPlus △Honda △Whisper Tech △Yanmar 등 5개의 생산업체가 가정용 열병합발전시스템을 상용화해 공급 중이며 이중 4개업체는 내연기관을 이용한 발전시스템을, 나머지 1개업체(Whisper Tech)는 스털링엔진을 이용한 발전시스템을 채용하고 있다.
스털링엔진을 이용한 소형열병합발전시스템은 현재 유럽, 일본, 미국 등 기후변화협약에 따른 CO₂규제에 대응할 수 있는 가장 효과적인 방안 중 하나로 여겨 상용화 개발 및 보급 단계에 있다.
일본의 Rinnai 및 유럽의 Baxi, Remeha 등 보일러기업들을 중심으로 스털링엔진의 고효율성, 저소음, 배기가스의 청정성 등의 특성을 장점화한 가정용 열병합발전시스템의 상용화 연구개발을 활발히 진행 중이다.
국내 가정용 난방기기시장은 개별난방과 지역난방으로 구분되며 개별난방이 전체의 88%인 1,190만가구를 차지하고 있다. 개별난방 주택에서 가스보일러는 편리성으로 인해 국내 총1,040만대가 보급돼 있으며 연간 시장규모는 100만대다.
유럽과 같이 보일러시장의 30%를 가정용 소형열병합발전의 잠재시장으로 예측하면 예상보급수량이 310만대에 이른다.
□ 기술 동향
일본의 Honda사는 단기통 내연기관기반 가정용 열병합발전시스템인 Ecowill(북미서는 Freewatt)을 개발했다. 지난해에만 1만9,442대를 판매해 2008년 현재 6만6,262대를 보급했으며 일본가스협회는 2011년까지 누적 23만5,000대를 보급목표로 사업을 진행 중이다. 5만대가 보급될 경우 CO₂저감 효과는 연간 4만2,000톤에 달할 것으로 전망된다.
Ecowill의 사양은 발전 1kWe, 난방열출력은 17.4kWh이며 엔진효율은 22.5%, 종합효율은 85.5%에 이른다. 내구성은 2만4,000시간이다.
스털링엔진기반 가정용 열병합발전시스템은 주로 유럽을 중심으로 개발 및 상용화가 추진 중이다.
네덜란드의 ENATEC사는 분산발전회사인 ENECO, 보일러사인 ATAG, 스털링엔진회사인 ECN이 합작한 회사로 미국의 Infinia사의 1kW Free-piston 스털링엔진을 기반으로 개발했다. 2005년 6월 일본의 Rinnai와 스털링엔진제조를 위한 제휴를 발표하기도 했다.
유럽의 보일러제조업체에게 핵심부품인 스털링엔진을 공급해 보일러에 결합시키는 것을 목표로 하고 있으며 일본시장에는 Rinnai가 이를 수행할 예정이다. 이탈리아의 에너지기기그룹인 MTS그룹과 지난해 스털링엔진 판매를 목표로 제휴하기도 했다.
영국의 Microgen Engine Company는 2001년 영국의 BG그룹과 일본의 Rinnai가 미국의 Sunpower사에서 개발한 Free-piston 스털링엔진을 기반으로 한 1.1kW 가정용 열병합발전시스템을 개발했다. 현재 네덜란드의 보일러제조사인 Remeha, 영국의 보일러기업인 Baxi 등과 컨소시움을 구성해 상용화를 추진 중이다.
뉴질랜드의 Whisper Tech Ltd.는 1995년 설립돼 4개의 분리된 피스톤을 연결해 피스톤의 직진운동을 회전운동으로 변환하는 Wobble-yoke시스템에 기반을 둔 Kinematic 스털링엔진을 사용하고 있다.
스털링엔진을 이용한 열병합발전시스템인 ‘WhisperGen’을 2002년부터 상용화해 판매하고 있으며 발전전력은 0.85kW, 열용량은 6kW DC version으로 요트 등 레저용으로 판매하고 있다. 현재 영국에서 1kW급 400대를 가정에 공급해 시범사업을 진행 중이다.
2004년 영국의 유틸리티회사인 E.ON UK가 향후 5년간 8만대의 ‘WhisperGen’ 제품구매를 발표했으나 현재 Whisper Tech의 연 생산능력은 2,000대만 가능해 관련 제조파트너를 물색 중인 것으로 알려졌다.
북 아일랜드 및 네덜란드에서도 필드테스트를 수행 중이며 평가를 위해 독일 등에도 제품을 공급 중이다.