[해설] 소형열병합발전 기술개발 동향
[해설] 소형열병합발전 기술개발 동향
  • 강은철 기자
  • 승인 2014.01.13
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美·日 중심 열병합발전 개발 ‘활발’韓 선진국과 종합효율·배열회수 기술 격차 커

[투데이에너지 강은철 기자] ■ 국외의  경우

미국은 1978년 공익사업규제법(PURPA: Public Utility Regulatory Policies Act)을 입법화해 열병합설비 및 대체에너지설비 도입 활성화를 위한 제도적인 기반을 이뤘다. 특히 GRI(Gas Research Institute), DOE, NETL(National Energy Technology Laboratory) 등을 중심으로 열병합발전용 가스터빈, 가스엔진, 연료전지 등을 개발해왔다.

일본의 경우 정부와 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organi zation)가 중심이 돼 ‘Energy Best Mix’, ‘에너지의 합리적 사용’ 등의 새로운 개념의 에너지정책을 도입해 ACT90, Moon Light 및 New Sun shine 계획 등을 추진해 왔다.

특히 계통연계기술요건 가이드라인, 업무용 자가발전보급전력제도, 잉여전력 매매제도, 비상용겸용 발전설비 인가 등의 제도적인 지원과 금융·세제지원, 가스요금 할인제도 등을 실시해 2000년에 455MW(총 발전설비용량의 2%수준), 2010년 8,130MW용량을 보급했다. 주로 자동차엔진 등을 개조해 삼원촉매, 공연비제어를 동한 저공해 기술, 발전효율 30% 이상, 종합효율 80% 이상의 고효율화 기술, 컴팩트화 기술개발에 주력해 성공적인 기술개발과 보급 활성화를 이루고 있다.

미국의 Cummins, 독일의 MDE 등 엔진제작사들이 완전 통합 디지털 소형 열병합 제어장치들을 상용화하고 있으며 Basler, Woodward 등 발전기 및 엔진 제어기 전문메이커도 오래 전부터 다기능 복합 디지털제어 및 감시시스템을 상용화하고 있다.

선진국에서는 전통적으로 쉘앤드튜브형과 핀튜브형의 열교환기를 채용해 왔으나 소형의 경우 최근에는 냉각수 열회수에는 대부분 플레이트형 열교환기를 사용하고 있다.

배기매니폴드의 방열을 줄이기 위한 보조열회수 장치, 터보챠져의 냉각열회수장치 등을 독자적으로 개발해 사용하고 있다. 쉘앤드튜브형의 배기가스열회수 열교환기는 배기가스로부터 나오는 심한 소음을 일차적으로 감소시킬 수 있도록 소음저감을 함께 고려한 설계를 채용하는 경우도 있다.

특히 연소배기가스의 열회수를 위해 종래형에서 컴팩트한 플레이트형으로 바뀌고 있다. 또한 터보차저에 대한 냉각열을 회수 이용하고 있으며 엔진 바디로부터 방열을 최소화하기 위한 대책을 마련하고 있다. 더불어 열병합발전 시스템 엔클로우저 내의 열 및 유동 흐름을 최적화하기 위한 노력을 기울이고 있는 점도 주목할 부분이다.

유럽의 경우 몇몇 국가에서는 정부시책에 힘입어 소형 열병합발전시스템의 설계는 경험을 바탕으로 대상처의 전기 및 열 수요와 주변기기와의 조화 등을 감안한 최적화 수법이 이미 오래 전부터 확립돼 왔다.

구미의 경우 다양한 수요처 및 일반적인 연료에 대한 실용화 기술은 대부분 확보된 상황이고 Bio-GAS 등 특수한 연료에 대한 실용화 연구가 진행 중에 있다.

최근 소형 열병합발전시스템을 여러 대 설치해 배열회수보일러에서 회수되는 열에너지를 이용, 냉방열원으로 사용하는 소규모 집단에너지사업으로까지 확대한 실용화 기술을 개발하고 있다.

구미나 일본의 경우 원동기 제작사 외에도 엔지니어링기술을 기반으로 원동기는 전문제작사에서 공급받아 열병발전시스템을 제작해 공급하는 것이 저변화돼 있다. 초소형 열병합발전시스템의 저소음화, 콤팩트화, 패키징기술은 활동공간이 상대적으로 협소한 일본에서 많이 발달했으며 유럽과 미국의 경우는 발전기실 전체를 대상으로 저소음화하는 방식을 선호하고 있다.

 ■ 국내  동향

국내의 경우 현재까지 소형열병합발전시스템의 국내 시장이 극히 제한적이기 때문에 민간기업을 중심으로 하는 체계적인 기술개발이나 연구는 수행되지 못했다. 1988년 한국에너지기술연구원에서 연구를 시작한 이래 1990년대 들어 에너지관리공단 R&D본부, 한국가스공사 연구개발원 등을 중심으로 정부차원에서 정책적으로 기술개발비를 지원하는 형식으로 수행돼 왔다.

국가적인 차원의 체계적인 기술개발의 필요성으로 인해 에너지관리공단에서는 한국가스공사의 열병합발전시스템 개발사업 및 기 수행되고 있는 G7 Project의 산업용 가스터빈 개발 등과 연계는 물론 범국가적인 국산화가 가능한 요소부품 개발부터 체계적인 추진을 위해 1993년 및 1997년 소형열병합발전분야의 기술개발 중장기 계획을 수립했다.

특히 중장기 기술개발의 추진을 위해 소형열병합사업단(1998년) 및 소형엽병합연구회(1999년)를 조직, 운영하는 등 기술개발을 위한 활동이 진행돼 2001년 50kW급 마이크로 가스터빈 열병합발전시스템을 개발하는 중대형과제가 추진되기도 했다.

한국가스공사 연구개발에서는 1991년 열병합 기초 타당성연구를 시작으로  1994년 200kW급 가스엔진 열병합발전시스템 개발, 1995년 1,000kW급 패키지타입 가스터빈 열병합발전시스템 개발 등 시스템제작업체와 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 상용화까지 진행되지 못했다.

국내에서 몇 차례 배기가스 열회수기술에 대해 연구한 실적이 있으나 체계적인 컴팩트 열교환기 설계기술 정립에는 이르지 못했다. 특히 열병합발전 시스템의 열 흐름을 체계적으로 분석해 각 부위별로 대처방안을 찾아 설계기술을 정립한 실적은 전무하다. 이에 따라 종합효율에 있어 선진국과 현격한 격차가 있으며 하루 속히 체계적인 배열회수기술을 정립해 선진국에 대응하는 과제가 남아 있다.


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