m-CHP는 연료전지, 가스내연기관 및 스털링엔진 등을 이용해 전기와 온수를 동시에 생산하는 가정용 초소형 열병합발전시스템으로 발전 폐열을 회수해 온수·난방용으로 사용하기 때문에 화력발전에 비해 열효율이 월등히 높고 가정에 설치하기 때문에 분산발전시스템으로써 효과가 높은 것이 특징이다. 이 중에서도 국내에서는 소음과 진동이 적은 스털링엔진 방식의 m-CHP에 대해 2009년 산업부의 국책과제 ‘초소형 1kW급 스털링 열병합발전시스템 개발’이 시작돼 1단계 사업을 통해 개발을 완료한 상태다.
신재생에너지기기에 대한 관심이 높은 가운데 지난해 11월 국내에서 가정용 전기발전보일러 ‘나비엔 하이브리젠 SE(스털링엔진 m-CHP)’가 첫 선을 보이며 업계의 주목을 받았다.
경동나비엔이 지난해 11월 신기술 미디어 설명회를 개최하고 첫 선을 보인 스털링엔진 m-CHP 제품인 ‘나비엔 하이브리젠 SE’가 바로 주인공. 이 제품은 스털링엔진과 콘덴싱보일러를 결합해 전기, 온수, 난방에너지를 동시에 생산하는 가정용 초소형 열병합 시스템으로 경동나비엔이 세계에서 4번째, 아시아에서 최초로 개발에 성공한 제품이다.
경동나비엔은 산업부의 국책과제 주관기업으로 선정, 3년간의 스털링엔진 m-CHP 연구 성과를 바탕으로 몇몇 선진국에서만 독점하고 있던 기술수준에 근접했다. 네덜란드 등에서 필드테스트를 거쳐 2012년 9월 유럽 CE인증 취득과 동시에 유럽 판매를 개시했으며 한국시장용(60Hz)은 현재 서울시와 실증사업을 진행 중이다.
스털링엔진은 열역학 이론상 가장 높은 열효율을 가지며 또 연소할 때 폭발행정이 없기 때문에 엔진의 진동, 소음이 낮다. 스털링엔진의 원리는 1816년 영국의 목사 로버트 스털링(1790~1878년)이 고안한 것으로 알려져 있다. 당시에는 증기기관과 내연기관의 급속한 발전으로 빛을 받지 못하다가 근래에 와서 관련기술, 특히 내열재료와 실(seal) 기술의 발전, 그리고 에너지절약과 대체에너지의 중요성이 강조되면서 주목 받기 시작했다.
스털링엔진은 피스톤과 실린더로 이루어진 공간 내에 헬륨 또는 수소를 넣어 밀봉하고 외부에서 가열·냉각을 반복해 피스톤을 구동하는 외연기관이다. 내연기관과 달리 폭발행정이 없어 소음·진동과 유독가스 배출이 적으며 엔진구조가 단순해 내구성이 우수하고 대량생산 시 생산비 감축이 용이하다.
‘나비엔 하이브리젠 SE’는 스털링엔진 발전기와 콘덴싱보일러를 하나로 통합해 온수와 전기(1kWh 내외)를 동시에 생산하는 초소형 열병합발전시스템으로 국내에 1,040만대 이상 보급돼 있는 가스보일러와 크기·외형이 유사하고 사용연료·설치장소 및 설치방법이 동일하며 소음·진동이 적어 가정용으로 가장 적합하다.
여기에 스털링엔진 발전기와 콘덴싱보일러를 하나의 케이스 안에 통합·내장하고 스털링엔진 폐열을 회수·재활용해 발전효율 13%, 종합효율 97%의 초고효율 달성이 가능하다는 강점을 갖고 있다.
△가스보일러시장의 15%가 m-CHP로 대체될 것
유럽에서는 2010년 네덜란드의 Remeha社를 필두로 영국의 Baxi社, 독일의 Viessmann社가 스털링에진 m-CHP의 상용화에 성공했으며 2012년까지 해당 국가를 중심으로 약 7,000여대가 보급됐다.
가스보일러 및 가스온수기 수요는 국내시장 연 130만대, 세계시장 연 1억대를 상회하고 있으며 그 중에서 가스보일러 시장의 약 15%는 향후 엔진구동 m-CHP로 대체될 것으로 전망된다. 또한 국내가정 130만호에 ‘나비엔 하이브리젠 SE’를 보급할 경우 연간 최대전력수요 감축 규모는 1.3GW(1,104억원), 온실 가스 배출량 감축규모는 322만ton-CO₂(634억원), 연료 수입비용 절감규모는 6,851억원으로 총 사회적 편익은 연 8,589억원에 이를 것으로 추정된다.
사용가구 측면에서 보면 월평균 전력소비량 430kWh, 열소비량 1,200kWh인 중소비형 가구에서 도입할 경우 가구당 월평균 에너지 비용 절감액은 연간 약 69만원 수준으로 추정된다. 이렇듯 ‘나비엔 하이브리젠 SE’는 앞으로 가정의 초소형 발전, 난방시스템으로 기존 보일러를 대체함은 물론 경제적인 분산전원의 역할을 담당하며 앞으로 전력수요의 변화나 연료 수급상황의 변화에도 가장 빠르고 효과적으로 대응할 수 있는 미래형 발전 시스템의 모태가 될 것으로 전문가들은 내다보고 있다.
△m-CHP 활성화 위한 제도 마련 필요
유럽의 경우 연료전지와 가스엔진, 스털링엔진 등의 m-CHP를 하나의 범주로 묶어 동일한 정책을 수립하고 있으나 국내에서는 연료전지만 신재생에너지 기기로 분류, 한전과의 계통연계(잉여전기 역송전 연결)를 통한 요금상계처리 제도 등이 이뤄지고 있다.
하지만 스털링엔진 m-CHP는 신재생에너지로 분류되지 못해 연료전지보다 1/4 수준의 가격에 동일한 효능을 지니고 있음에도 불구하고 정부로부터 지원혜택을 받지 못하는 것이 현실이다. 그리드 연결을 통한 요금상계처리 등의 제도가 마련돼 있지 않아 사용효율 극대화 및 보급에도 어려움이 있다.
이 때문에 가정용 신재생에너지 발전기기와 동일한 계통연계 기준 적용 및 전기요금상계처리 제도 도입 및 에너지다소비주택에 대한 설치 의무화, 고효율에너지기자재 품목 지정, 그린에너지 로드맵의 지원대상 추가 등의 제도 도입이 시급하다.
연료전지의 경우 판매가격의 85%가 정부보조금으로 책정돼 있다. 스털링엔진 m-CHP도 최대 전력수요, 온실가스 배출량, 연료수입비용 감축의 국가편익에 상응하는 보급지원 제도를 도입할 필요가 있다.