소형열병합발전의 전망과 과제
소형열병합발전의 전망과 과제
  • 이형연 대열에너지 기술영업본부장
  • 승인 2010.10.11 13:07
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소형열병합 마이크로그리드 핵심 ‘부상’

 2최근 세계 곳곳에서 발생하는 이상 기후현상을 바라본 사람들은 직접 피해와 고통을 겪어보지 않았어도 환경론자들이 주장하던 대로 에너지과소비로 인한 지구온난화가 생각보다 빨리 현실로 닥치는구나 하고 생각할 것이다.

지구온난화는 반드시 에너지 문제와 직결되며 그것도 화석연료의 문제로 귀결된다. 그렇다고 당장 화석연료를 사용하지 않고 살아갈 수 있는 방법은 거의 없다. 그리하여 너도나도 태양광이나 태양열 또는 풍력이나 지열 등 신재생에너지가 그 해결책이라 여기고 또 기대하고 있다.

그러나 신재생에너지가 우리들의 기대를 만족시켜주기에는 아직 시기상조인 듯하다.

정부의 정책자금지원이 절반을 넘어도 경제성 확보가 어렵고 투자비에 비해 생산되는 에너지는 너무나 미미하다.

정부의 정책자금은 그냥 어디에서 나오는 돈이 아니라 전적으로 국민들의 주머니에서 나온 세금으로 조성된다.

결국 우리들의 세금으로 지금까지 가장 많은 이득을 보고 있는 사람들은 유감스럽게도 외국의 신재생에너지 설비제조업자들이었다. 수많은 세금과 투자비를 쏟아 부어 설치한 신재생에너지시설로부터 언제나 원금을 회수할 수 있을지 아득하기만 하다.

그러나 에너지사용량의 97%를 외국에서 전적으로 수입해 쓰는 우리나라 입장에서 새로운 에너지원의 발굴과 개발은 필수적이며 어쩔 수 없는 현실이기도 하다.

저렴한 새로운 에너지원이 발굴되고 신재생에너지시설의 가격이 합리적 수준에 도달할 때까지 우리는 어쩔 수 없이 화석연료를 이용해야 한다.

지구온난화를 방지하고 화석연료의 고갈에 대비하려면 에너지사용을 줄여야 하지만 우리들 생활수준의 향상에 따른 가전제품의 증가와 이상기후로 인한 냉난방 수요의 증가로 에너지 사용량은 날마다 증가하고 있다.

에너지사용량의 절감방법 중에서 가장 먼저 실천할 수 있는 방법은 에너지 손실의 방지이며 에너지 기기와 시스템의 효율 향상이다.

우리들 생활이나 사업장 주변에서 수없이 발생하는 손실 에너지를 방지하고 장치와 시스템의 효율을 극대화하는 것만이 최근의 가장 확실한 에너지절감방법이며 에너지문제의 대처방안이라고 생각한다.


■ 소형열병합발전의 역할

소형열병합발전시설은 에너지효율을 극대화해 에너지를 절감하는 대표적인 에너지시스템이다.

화력발전소에서는 석탄이나 기름 또는 가스 등의 1차 에너지를 공급해 전기를 생산하는데 1차 에너지의 35~40%만이 전기로 생산되고 나머지 60~65%는 열로 방출돼 대부분 버려진다.

실제로 한전의 발전통계에 의하면 2009년 화력발전 종합열효율은 발전단 효율 40.55%, 송전단 효율 38.79%였다.

뿐만 아니라 대부분 도시의 원거리 외곽에 위치한 발전소로부터 도시의 사용처까지 전기를 송전 또는 배전하는데 막대한 시설과 비용이 들 뿐만 아니라 이때 발생되는 송배전손실 또한 한전의 2009년 발전통계에 의하면 4.07%에 달했다.

결국 1차 에너지의 35% 이하가 전기로 변환돼 도시 각 가정에서 사용하게 되는 것이다.

소형열병합발전장치는 발전시설을 소형화해 사용처에 가장 가까운 곳에 설치할 수 있어 송배전 비용과 손실을 줄여주며 발전과정에서 발생하는 열을 건물의 냉난방이나 산업체의 생산공정에 사용할 수 있어 손실에너지를 최소화한다.

결국 소형열병합발전장치는 투입된 에너지의 30~35% 정도는 전기를 생산하고 50~60% 정도는 열을 생산해 이용할 수 있으므로 투입된 에너지의 80~90%를 이용할 수 있어 얼마나 효율적인 에너지시스템인가를 판단할 수 있다.

에너지효율의 향상뿐만 아니라 소형열병합발전의 설치로 얻을 수 있는 이득은 많다.

우선 천연가스를 이용한 발전으로 하절기 전력피크를 줄여줌은 물론 남아도는 가스를 사용해 발전함으로써 가스수요를 늘려 가스저장비용을 감소시켜 주므로 에너지수급정책에 기여하는 바가 크다.

또한 분산전원으로서의 역할을 해줘 대형발전소의 추가 건설을 줄일 수 있고 자연재해나 재난의 발생 시 지역적 정전이나 단전에 대비할 수 있다.

향후 태양광발전, 풍력발전 등 여러 신재생에너지 발전장치와 함께 스마트그리드시대에 마이크로그리드를 형성하는 분산전원장치로 중요한 역할을 수행하게 될 것이다.

그러나 태양광발전은 날씨가 화창한 한낮에만 에너지 공급이 가능할 것이고 풍력발전은 바람이 불 때에만 발전장치로 역할을 하게 될 것이므로 그 나머지 시간대에는 소형열병합발전장치가 중요한 분산전원 공급원이 될 것이다.

본격적인 스마트그리드시대가 시작되기 전에 이 시스템을 보급하고 기술적 노하우를 충분히 쌓아놓지 못한다면 실제로 필요한 시점에 손해 막심한 시행착오를 겪게 될지도 모른다.

▲ 건물에 설치돼 있는 소형열병합발전 설비.

■ 열병합발전이란

열병합발전이란 발전과정에서 발생하는 열을 버리지 않고 전량 회수해 최대한 이용하는 장치로 통상 5MW급 이하의 열병합발전장치를 소형열병합발전이라 칭한다.

외국에서는 다시 50kW 이상의 소형열병합발전을 Small-Scale Cogeneration(CHP)라 칭하고 개인주택이나 더욱 소규모건물에 적용이 가능한 규모의 50kW 미만의 소형열병합발전을 Micro Cogeneration(CHP)이라고도 한다.

이처럼 장치를 극소형화해 앞으로는 가정에서도 보일러 대신 소형열병합장치를 설치하고 전기와 열을 동시에 이용하게 될 것이다. 이미 국내 일부 기업에서는 이러한 가정용 열병합발전장치를 개발하고 있으며 국가에서도 연구과제로 개발을 지원하고 있으나 경제성 확보를 위해서는 정부의 많은 정책적 지원이 필요한 실정이다.

소형열병합발전시설은 발전장치의 규모에 따라 분류하기도 하지만 주동력 구동장치의 종류와 이용 에너지원의 종류에 따라 구분하기도 한다.

현재 국내에 주로 보급되고 있는 소형열병합발전의 주동력장치는 가스엔진과 가스터빈이며 외국에서는 스털링엔진도 개발돼 상용화 과정에 있으나 국내에서 스털링엔진은 아직 연구 및 관망단계인 듯하다.

연료전지(Fuel Cell)도 천연가스를 이용한 소형열병합발전장치로 분류되지만 타 장치와 같이 연소와 기계적인 방법에 의해 에너지를 생산하는 것이 아니라 화학적 방법에 의해 에너지를 생산하는 장치이므로 구성이 전혀 달라 별도의 동력장치가 없다.

또한 현재 국내 소형열병합발전의 에너지원으로는 천연가스(LNG)가 주로 이용되나 LFG(Land Fill Gas)나 바이오가스가 이용되기도 한다.

향후 폐기물에너지를 비롯해 더욱 광범위한 신재생에너지원들이 소형열병합발전 연료로 이용될 것이며 이들 연료의 병합사용이 가능한 하이브리드 소형열병합발전(Hybrid CHP) 장치들이 개발 보급될 것이다.

신재생에너지를 이용한 하이브리드 소형열병합발전장치는 향후 많은 수요와 공급이 이뤄질 것으로 기대된다.

특히 도시의 하수처리장에서 발생하는 메탄가스나 도시폐기물의 열분해가스화 처리과정에서 발생하는 신가스(Syngas)는 가스터빈이나 가스엔진을 작동시키기에는 발열량이 부족해 천연가스를 함께 섞어서 사용해야 하지만 연료전지를 이용한 열병합발전도 성행할 것으로 본다.

그 외에도 바이오 연료 등 다른 연료를 사용하는 각각의 다른 장치가 조합을 이뤄 하나의 시스템을 구성하는 보다 광범위한 하이브리드 소형열병합발전장치도 개발 보급될 것으로 보고 있다.

최근에는 열과 전기만 생산하는 열병합발전(Combined Heat and Power: CHP)이 아니라 열과 전기와 냉방까지도 생산하는 장치(Combined Cool, Heat and Power: CCHP)로 개발 및 이용하고 있는 추세다.

동절기에는 소형열병합발전기에서 생산되는 열을 전량 난방이나 급탕으로 이용이 가능하지만 하절기에는 발전과정에서 발생하는 열이 대부분 남아돌아 냉각탑을 통해 외부로 방출해야 한다.

결국 에너지 이용효율은 낮아지게 되고 전력생산단가는 높아지게 된다. 이때 남아도는 열을 버리지 않고 이용할 수 있다면 더욱 효율을 높일 수 있게 될 것이다.

흡수식냉동장치를 시스템에 추가해 하절기 배출되는 발전기의 폐열로 냉방을 하게 되면 버려지는 에너지는 없게 되고 더욱 시스템의 효율을 높일 수 있게 된다.

이러한 시스템을 적용해 냉방까지 가능한 소형열병합장치를 CCHP 또는 Tri-generation장치라 한다.

이와 같이 외국에서는 소형열병합발전을 유용하게 이용할 뿐만이 아니라 다양한 용도와 다양한 기술을 응용한 제품들을 보급 및 이용하고 있다.

■ 소형열병합발전의 장점

미국의 World Watch 연구소는 이미 10년전 연구보고서에서 21세기는 마이크로 파워시대가 될 것이라고 전망했다.

그 이유로는 다양한 신재생에너지발전의 보급과 빈번한 자연재해나 재난으로부터의 대처방안 내지는 분산전원의 확산 필요 등을 들고 있으며 다음과 같은 8가지 소형발전의 장점을 주장했다.

그 첫 번째로 소형열병합발전은 모듈방식의 장치를 추가하거나 제거함으로써 수요부하에 적절하게 규모를 맞출 수가 있다.

두 번째로는 소규모발전장치는 대형발전소에 비해 설치의 계획이나 설계 또는 공사의 기간을 단축시킬 수 있으며 과설비, 장기간의 설치공사, 신기술 출현의 위험 등을 감소시킬 수가 있다.

세 번째로는 연료의 다양성과 유가의 급변동 위험 감소를 들 수 있는데 소형발전은 다양한 규모와 형태로 재생에너지를 기본으로 다양한 에너지원을 사용할 수 있으므로 유가의 심한 등락에 의한 영향이 적다.

네 번째로는 부하증가보증과 부하조절의 용이함을 들고 있는데 소형열병합발전과 고효율장치 같은 소규모발전의 형태는 부하증가시 대형발전에 비해 확장이 수월하고 태양에너지와 풍력에너지 같은 다른 에너지원을 함께 공급하여 수요부하에 적절하게 맞추어 공급하기가 용이하다.

다섯 번째로는 신뢰성과 탄력성으로 소형발전은 동시에 모든 지역에서 정전될 염려가 없으며 짧은 정전, 쉬운 고장수리, 지리적 분산전원 등을 꼽고 있다.

여섯 번째로는 발전과 송전시설의 건설 감소 및 송전손실의 방지로 소형발전은 새로운 발전기를 쉽게 교체할 수 있고 송전손실을 줄일 수 있으며 새로운 부하의 추가나 연결을 기피하거나 지연하는 것을 감소시킬 수가 있다. 일곱 번째로는 지방이나 지역의 선택 및 조정이 자유롭다.

대형발전소의 건설 시 발생하는 민원에 시달릴 필요가 없이 소형발전은 지역적 연료의 특성에 따라 설치지역이나 위치를 선정하거나 선택할 수 있고 조정이 가능하며 지역경제발전에도 기여한다.

마지막으로 소형열병합발전은 대기의 오염과 환경공해를 방지한다. 소규모발전은 일반적으로 이산화황, 질소산화물, 중금속, 이산화탄소 등 대기오염물질의 배출을 줄여주고, 토양과 수자원에 환경공해 물질의 축적을 감소시킨다.

이러한 여러 가지 장점을 보유한 소형열병합발전은 널리 많이 보급돼야 하며 또한 그렇게 될 것이라고 보고서는 전망했다.

■ 보급 부진 원인은

굳이 외국의 연구보고서나 보급 및 이용사례를 인용하지 않더라도 우리의 현실을 감안하면 소형열병합발전은 반드시 확산 보급돼야 한다.

거의 모든 에너지를 수입에 의존하고 있는 현실에서 단 1%의 효율이라도 향상시켜 손실되는 에너지가 없게 하는 것이 얼마나 중요한가.

그러나 개인적인 이득을 굳이 따진다면 현재 우리나라 에너지요금체계상 소형열병합발전의 도입으로 이득을 볼 수 있는 주체는 공동주택에 한정되고 있다.

용도별 전기요금의 차등요금체계로 산업용이나 교육용, 농업용 등의 전기요금은 너무나 저렴해 이러한 용도로 소형열병합발전을 도입하면 오히려 에너지비용이 증가하는 현상이 나타난다.

그러나 주택용 전기요금에는 누진제가 적용돼 가정에서 사용하는 전기는 많이 사용할수록 점점 그 단가가 비싸지도록 돼 있다.

넓은 평형의 개인주택이나 공동주택에서는 매달 고액의 전기요금을 부담하고 있는 실정이다.

이러한 공동주택에 소형열병합발전을 설치하고 전기와 열을 이용한다면 개인적으로 상당한 경제적 이득을 보게 될 것이다.

전기요금의 누진제 감소와 발전기 폐열의 이용으로 인한 보일러 연료의 감소로 결국 종합적인 에너지비용을 대폭 감소시킬 수가 있기 때문이다.
이러한 여러 가지의 필요성과 특징에도 불구하고 최근 이 소형열병합발전시설의 보급이 부진한 이유는 무엇일까? 여러 가지가 있을 수가 있겠지만 소형열병합발전의 필요성과 여러 장점 및 이득을 알지 못하는 에너지담당 정부관료, 사업자 및 소비자들의 인식부족이 그 첫 번째이고 그 다음이 정책적 지원의 부실이라고 볼 수 있겠다.

에너지효율향상 정책이 신재생에너지의 보급보다 우선해야 함에도 불구하고 정책적 지원제도는 신재생에너지에만 집중돼 있는 실정이다.

정부는 지난 2005년에 2013년까지 국내발전용량의 3.5% 수준인 270만kW 규모의 소형열병합발전시설을 보급하겠다고 발표한 바 있다.

그러나 그 당시 0.2% 수준의 소형열병합발전규모는 2009년 말까지도 0.3% 수준에 못 미치고 있다.

정책의 발표만 있었지 실시는 없었던 것이다. 발표 초기에는 그래도 가스요금의 차등적용으로 소형열병합발전용 가스요금은 주택난방용 가스요금에 비해 평균 14% 정도 저렴했으며 열전용보일러용 가스요금도 주택난방용 가스요금보다 저렴해 정책적지원이 되는 듯했다.

그러나 현재는 열전용보일러용 가스요금은 주택난방용 가스요금보다 10% 정도 비싸며 열병합발전기용 가스요금은 주택난방용 가스요금에 비해 평균 5.4% 정도 저렴한 요금을 적용하고 있다.

결국 소형열병합발전시설에 대한 특혜나 지원제도는 전혀 없게 됐으며 그동안 수차례 인상된 가스요금으로 인해 에너지비용절감요인이 축소되다 보니 소형열병합발전의 도입으로 얻을 수 있는 이득은 거의 없게 된 것이다.

그 외에도 공급업체들의 과잉경쟁과 기술개발의 부재로 인한 신뢰성 하락 및 시행자들의 무리한 요구 등 여러 요인들에 의하여 공급율은 점차 떨어지고 현재는 신규건설 공동주택에 일부 적용되고 있는 실정이다.

아직도 많은 에너지전문가들은 소형열병합발전은 이제 사양길이며 시장성이 없는 분야라고 부정적인 견해를 가지고 있다.

그러나 필자가 절대 그 부정적 견해에 동의할 수 없고 낙관적인 견해를 가지고 있는 이유는 지금까지 열거한 여러 세계적인 트렌드와 스마트그리드 시대를 대비해 소형열병합발전은 절대 필요한 분산전원장치라고 여기기 때문이다.

선진외국에서는 소형열병합발전용 가스엔진, 가스터빈 이외에도 퓨얼셀, 스털링엔진, ORC터빈 등 보다 다양한 동력원과 신재생에너지와 연계한 하이브리드시스템 등 다양한 시스템을 연구 개발해 그 결과를 발표하고 있는데 우리는 아직도 정부의 무관심속에 냉대만 받고 있으니 참으로 안타까운 일이다.

■ 보급 확대를 위해

신규 건설되는 공동주택에는 가능하면 반드시 소형열병합발전을 설치하도록 제도를 만들고 효율이 저조한 노후설비를 운영하는 공동주택에도 소형열병합발전을 도입할 경우 추가 혜택을 주는 제도를 마련해야 할 것이다.

특히 노후 아파트에 소형열병합발전을 도입할 경우 항상 에너지절감금액과 경제성평가 문제에 직면하게 되는데 노후설비 교체비용까지 모두 경제성분석에 포함하지 말고 소형열병합발전기의 설치금액에 한정해 경제성분석을 하고 에너지절감금액으로 노후설비교체비용을 제외한 금액만 상환하도록 해야 한다.

노후설비 교체비용은 어차피 소형열병합발전을 설치하지 않아도 교체해야 할 부분이라면 별도의 비용으로 상환토록 하고 에너지절감 금액과 소형열병합발전기 설치금액만으로 경제성을 따지고 상환하는 방법을 논해야 할 것이다.

그렇게 되면 지금보다 훨씬 더 많이 설치할 수 있는 타당성이 발생할 것이고 주민들을 설득하기가 수월할 것으로 본다.

소형열병합발전은 국가적 에너지효율 향상과 에너지 수급조절 등을 위해서도 절대로 확산 보급돼야 하며 연구개발이 이뤄져야 한다. 그러기 위해서는 무엇보다 우선 정부의 정책적 지원이 있어야 할 것이다.

가장 먼저 소형열병합발전용 가스요금에 대한 혜택을 확대해 하절기 냉방요금 수준으로 낮춰 줘야 할 것이며 열전용 가스요금도 다시 인하, 조정해 줘야 한다.

현재 가스공사에서 지급하는 설치장려금도 정부차원에서 그 지원폭을 늘려줘야 하며 법인세 등 각종 인센티브제도를 확대 적용해 줘야 한다.

그리고 에너지합리화자금을 대출해주는 지원제도에 그치지 말고 타 신재생에너지에 지원해주는 무상지원금제도를 소형열병합발전에도 적용해야 할 것이다.

또한 기득권자들의 주장과 이득에만 휩쓸려 갈 것이 아니라 유럽과 같이 남는 전력을 언제나 한전의 전력그리드에 역송할 수 있는 제도를 마련하고 지역난방이 공급되는 지역에도 소형열병합발전을 설치할 수 있도록 해 명실상부한 분산전원으로 활용할 수 있는 길을 만들어가야 할 것이다.

사업자들은 당장의 사업이득을 따져 사업성을 평가할 것이 아니라 에너지문제의 향후 트렌드를 내다보고 보다 연구개발에 치중해야 할 것이다.

소비자들도 소형열병합발전의 설치로 얻어지는 이득이 적다고만 할 것이 아니라 개인적인 이익을 넘어 국가와 사회의 에너지절감에 참여하며 특히 지구온난화방지에 일익을 담당한다는 자부심을 가져야 할 것이다.


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