33 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 분산발전 분산발전기술의동향및전망분산발전용가스엔진의기술동향마이크로터빈분산발전시스템의시장동향및국내적용검토분산발전용연료전지및연료전지 / 가스터빈하이브리드시스템분산발전과열병합발전 담당 : 손정락위원 33 기계저널 -11 월호 CK

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1 33 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 분산발전 분산발전기술의동향및전망분산발전용가스엔진의기술동향마이크로터빈분산발전시스템의시장동향및국내적용검토분산발전용연료전지및연료전지 / 가스터빈하이브리드시스템분산발전과열병합발전 담당 : 손정락위원 33 기계저널 -11 월호 CK

2 34 기계저널 -11 월호 CK 테 마 기 획 분산발전 이글에서는최근새로운발전개념으로부상하고있는분산발전기술의개념을소개하고현재의동향과향후전망에대해서기술하고자한다. 손정락 / 서울대학교기계항공공학부, 교수 jlsohn@snu.ac.kr 34 분산발전 (DG : Distributed Generation) 이란전력수요자인근지역에설치가능한소규모발전설비를이용하여수요자에게필요한전력을전량공급하거나이미사용중인중앙집중식전력공급체계의단점을보완하기위한용도로적용가능한발전방식이다. 최근에는분산발전의개념이다양하게확대되어분산에너지자원 (DER : Distributed Energy Resources), 분산자원 (DR : Distributed Resources), 분산동력 (DP : Distributed Power), 분산에너지 (DE : Distributed Energy) 등의용어가등장하기도하지만넓은의미에서다른모든용어를분산발전으로묶어서이해되기도한다. 분산발전에사용가능한발전설비의크기는용도에따라다양하지만일반적으로가정용단독발전시설용에해당하는수kW급으로부터단위지역발전및냉난방용의수십MW급 ( 혹은수백 MW급 ) 정도까지를분산발전이라고받아들여지고있배전망다. 분산발전은그림1에서주거지역와같이원거산업단지리에위치한 (a) 중앙집중형발전대형발전설 중앙집중형발전설비 그림 1 중앙집중형및분산발전의비교 상업지역 비로부터의송전에의해서공급되는중앙집중형발전 (centralized power generation) 의반대되는개념으로장거리송전에따른전력손실을줄일수있고, 수요처에따라다양하게사용할수있다는장점이특징이다. 분산발전이란새로운개념의기술이아니며 Thomas Edison이 1882년미국뉴욕에설치한인류최초의발전소인 Pearl Street Station( 그림 2 참조 ) 이석탄보일러증기기관을이용하여 33kW의직류 (DC) 전력을생산하여주변건물에송전과동시에열을공급하는열병합분산발전소였다. 그러나 20세기에들어서면서증기터빈기술의실용화와함께발전규모가커지면서발전시설은점차도심외각지역으로옮겨지게되었으며, 1970년대이후대형원자력발전의본격적인보급과함께발 미생물에너지 스털링엔진 연료전지 왕복동엔진 주거지역 풍력 (b) 분산발전 배전망 왕복동엔진마이크로터빈산업단지 태양광 마이크로터빈연료전지상업지역 기계저널제 45 권제 11 호 34 기계저널 -11 월호 CK

3 35 기계저널 -11 월호 CK 분산발전기술의동향및전망 전산업은중앙집중형발전설비들을기반으로발달되어왔다. 이러한발전설비의대형화추세는전력공급회사들을대규모로성장시켰으며, 결과적으로전력시장은소수의전력사업자들에의해서독점되기에이르렀다. 그러나 1973년불어닥친세계적인석유파동은소수에의해서독점되는전력시장구조가에너지위기상황에서과연효과적인대처능력이있는가하는의문을가지게하였다. 이러한이유때문에미국은석유파동이후당시대형전력공급업체주도의전력시장을개방시켜전력시장의자유경쟁시대를열었으며, 그결과수많은전력생산및공급회사들이설립되었다. 이들회사들은양질의전력을경쟁력있는가격으로생산하여공급할수있는효과적인발전설비의도입에많은관심을가지게되었는데이것이복합화력혹은열병합발전설비를중심으로한분산발전개념의실용화를앞당길수있는계기가되었다. 그결과, 1980년대이후기존의대형중앙집중형발전과함께, 전력수요가있는곳을중심으로한분산발전의보급이확산되기시작하였으며, 비교적최근에해당하는 1992년미국의 Energy Policy Act에의한전력거래자유화정책으로이어지게되었다. 이와함께 1990년대말전세계적으로정보통신기술의급속한발달에의한디지털산업혁명은발전산업에도지대한영향을미치게되었다. 그중에서도 특히인터넷등의영향으로산업구조가기존의대량생산위주의중앙집중형구조로부터소규모분산형산업구조로급격히변화되고있다. 이러한추세는앞으로도더욱가속화될것이고, 그결과발전산업도대형중앙집중형으로부터새로운산업구조에적합한소형분산발전형태로진화되어가고있다. 에너지공급불균형해소최근의통계에따르면세계인구의 20% 정도에불과한 10억명이조금넘는선진국의인구가총에너지공급의약 60% 를소비하는반면, 80% 에해당하는개도국의 50억명의인구가에너지공급의나머지 40% 를소비하고있다. 더구나 20억명의극빈층 (1인당 GDP 1,000불미만 ) 이 1인당연간약 0.2toe의에너지를소비하는반면, 10억명의선진국국민들 (1인당 GDP 22,000불이상 ) 은 25배나되는 5toe를소비하고있다. 따라서선? 후진국간의에너지공급불균형의해소를위해서는후진국에서의전력보급시설을급속히증대시켜야하는데이를위해서는건설비용및기간에대한부담이큰대형중앙집중형발전설비보다는전력보급이필요한지역을중심으로상대적으로신속하게설치가가능한분산발전설비의보급이적절하다. 특히아프리카사막지역등고립지역의전력공급을위해서는원거리송전이 35 (a) 외부전경 그림 2 인류최초의분산발전설비인 Pearl Street Station (b) Edison 의 Jumbo Dynamo Journal of the KSME 35 기계저널 -11 월호 CK

4 36 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 36 거의불가능할뿐만아니라요구되는전력량이대형발전설비의설치를요구하지할만큼많지가않으므로소규모발전설비가적합하다. 이러한용도의분산발전설비의보급은마치과거러시아등에서낙후된통신시설의보완을위해서각종인프라구축과관련된대규모투자가필요한기존의유선전화보급망을확충하기보다는무선전화의보급이더욱효과적이었던것과같은맥락으로이해될수있다. 안정적인전력공급몇년전의미국과유럽지역에서의대규모정전사태를통하여불안정한전력공급은이미사회적으로커다란혼란을야기하게됨을경험한바있으며, 더구나최근의 9?11사태이후각종테러위험성의증대되고있어대형발전설비보다는소규모의발전설비를소규모로분산시키는것이더안전하다는여론이전세계적으로확산되고있다. 특히아래의표 1에서와같이정전에따른경제적손실은현대사회를지배하고있는각종산업중에서도사회적, 경제적으로가장민감한금융산업에서의피해규모가더욱큼을알수있다. 또한, 디지털산업구조에서의핵심을이루고있는반도체, 통신등을중심으로한전자산업은정전시간이 3.0초 / 년이내에해당하는 7nines( %) 이상의높은신뢰도의전력공급을요구하고있으며, 이를위해서는송전과정에서의각종불확실성을제거할수있을뿐만아니라, 특수수요처에맞춤형으로고품질전력공급이가능한분산발전기술적용이필수적이다. 표 1 정전에따른산업별손해규모산업분야손실금액휴대폰관련산업 $41,000/ 시간온라인예약관련산업 $72,000/ 시간항공권예약관련사업 $90,000/ 시간신용카드관련사업 $2,580,000/ 시간금융관련사업 $6,480,000/ 시간환경친화적인전력생산분산발전시장의확대와관련된또다른변수는전세계적인관심사인환경친화적인발전설비의구축이다. 1990년대지구온난화방지를위한 Kyoto 협 약이체결된후최근들어 1차규제대상국들을중심으로온실가스배출량규제가시작되었으며, 현재의협약상태가지속된다면우리나라도 2013년도부터규제대상국에해당한다. 대표적인온실가스인이산화탄소배출량을줄이기위해서는화석연료를사용하는경우에는발전설비의고효율화가유일한대책이며, 궁극적으로는이산화탄소배출이없는수소연료및재생에너지사용이보편화되어야한다. 분산발전응용분야에있어서큰비중을차지하고있는열병합발전의경우전력과열을동시에생산하여에너지활용효율을높임으로써이산화탄소배출량을줄이는데기여할수있다. 뿐만아니라연료전지, 풍력, 태양광등수소연료및재생에너지를사용하는발전설비들은아직도기술적으로완숙기에접어들지못하여대형중앙집중형보다는소규모분산발전설비를중심으로그수요가확대되어가고있는상황이다. 그밖에도분산발전을활용할경우수요자인근지역에설비를설치하여운용하여야하므로천연가스등청정연료사용이필수적이므로환경친화적인연료사용량을증대시키게되어대기오염과관련된환경문제개선에기여할수있다. 자가발전및계통연계용앞서기술한바와같이분산발전의주용도는 (1) 수요처가필요로하는모든전력을자체적으로충당하기위한기저부하용자가발전용과 (2) 기존의전력공급회사의송배전시설과의연결에의한계통연계용으로구분할수있다. 자가발전의경우는외부로부터의전력공급이원천적으로불가능한도서지역등원거리지역에서의전력수급, 산업폐기물및 Biomass 등특수연료의활용, 혹은특수용도의고품질전력확보용으로주로활용된다. 계통연계용의경우에는정전사태를대비하기위한비상발전용 (Stand-by), 하절기등전력부하가높을경우전력의추가생산을위한첨두부하용 (Peak-cut shaving) 등이이에해당되며, 분산발전에의해서생산된전력을거꾸로전력회사로매전하는경우도 기계저널제 45 권제 11 호 36 기계저널 -11 월호 CK

5 37 기계저널 -11 월호 CK 분산발전기술의동향및전망 여기에해당된다. 전력회사의입장에서는발전설비추가건설을위한적정전력수요, 송배전시의전력손실에따른경제적손실등을고려하여신규설비를건설하는대신분산발전설비의설치를장려함으로써신규발전설비건설및기존설비개량시기의조절등이가능할것이다. 열병합발전용분산발전시장에있어서큰비중을차지하고있는영역이열병합발전시장이다. 열병합발전은동력장치로부터전력을일차적으로생산한다음, 그배기열을회수하여난방용및온수공급용열등으로활용하는개념으로써에너지효율을극대화시킬수있는장점이있다. 이러한장점때문에전세계적으로국가가중심이되어열병합발전의보급활성화를위한정책을활발하게펼치고있다. 국내에서도최근들어도심지역아파트단지를중심으로소형열병합발전의도입이급속히확산되고있다. 특히최근들어서는회수된배기열을이용하여난방용으로만활용하지않고 Absorption chiller를활용하여냉난방겸용으로활용함으로써열병합발전 (Cogeneration) 개념이 Trigeneration으로확장되고있다. 뿐만아니라열병합발전중에서도용도, 지리적위치, 계절적상황에따라생산전력과열의비율이달라져야하므로동일한설비를이용하여전력과열의비중을조절할수있는열전가변형열병합발전의도입이시도되고있다. 주거용발전설비용분산발전시장의미래지향적인궁극적인목표는마치가정용단독보일러처럼단독으로주거용발전설비 (RPG : Residential Power Generation) 를각가정마다설치하는것이다. 이러한상황이전개되기위해서는자체적으로생산하는전력의요금이전력회사로부터공급받는경우보다싸야하며, 설비의초기설치를위한투자비용이사용자가부담을느끼지않을정도가되어야한다. 이를위해서는 3~30kW급의주거용발전에활용가능한저렴하고도효율이높은동력장치가개발되어야하며, 이를 위해서는소형발전용으로적용가능한마이크로터빈, 가스엔진등의효율향상과연료전지등의미래형고효율동력장치의상용화를위한지속적인기술개발투자가필요하다. 그럼에도불구하고미국내에서의주거용단독발전설비보급과관련된최근조사결과를보면조사응답자들중 (1) 50% 이상이과거 5년동안의전력수요의증가에의한전기비용에부담을느끼고있으며, (2) 31% 가주거용단독발전에관심이있고, (3) 40% 가량이주거용단독발전설비구매를고려한적이있는것으로나타났다. 이러한추세로보아주거용단독발전시장은수요자가만족할만한수준의제품출시여부에따라예상보다일찍도래할수도있을것이다. 분산발전설비에있어서가장핵심이되는부분은전력을생산하기위한동력을만들어주는동력장치이다. 분산발전용동력장치는아래의표 2와같이화학반응에의한동력장치와재생에너지를연료로사용하는동력장치로구분된다. 화학반응동력장치는연료의연소에의한열을이용하여동력을생산하는내? 외연기관및터빈류와연료로부터직접전력을생산하는연료전지류로구분된다. 분산발전용으로활용가능한재생에너지동력장치로는태양광, 풍력등이있을수있다. 그림 3의대표적인분산발전용동력장치의주요특성은아래와같다. 왕복동엔진왕복동엔진은 100여년전에개발된제품으로서자동차등수송기관동력원으로널리사용되어지고있으며, 가장보편적인분산발전용동력장치로활용되고있다. 출력의범위는 1/10kW부터수십MW 에이르기까지매우넓은편이고주로기저부하용으로많이활용되며, 저렴한비용과높은열효율이장점인반면유지보수비용이크고환경친화성이상대적으로약한것이단점이다. 환경친화성을향상시키기위해서는일반적으로촉매저감장치 ( 삼원촉매, 산 37 Journal of the KSME 37 기계저널 -11 월호 CK

6 38 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 38 화촉매, Lean NOx Catalyst등 ) 나 SCR(Selective Catalyst Reduction) 을주로장착하고있으며, 최근들어천연가스를연료로사용하고희박연소기술을적용하는것이추세이다. 최근들어서는천연가스를사용하여환경친화성을강화시키고, 제품가격을낮추기위한출력밀도를증가시키는방향으로기술개발이이루어지고있으며, 가정용열병합발전용동력원으로활용가능한 1~3 kw급초소형엔진에관한연구가활발히진행중에있다. 마이크로터빈마이크로터빈은항공기용보조동력장치 (APU : Auxiliary Power Unit), 디젤엔진터보차저등으로부터기술이발전되어왔으며 30~500kW급의소형분산발전용으로개발되어 2001년이후상용화제품이시장에출시되고있는상황이다. 최근에출시되고있는대부분의제품은기저부하용으로개발되었으며, 왕복동엔진에비하여상대적으로낮은열효율을만회하기위한재생 (recuperated) 사이클을채택하고있다. 열교환기를사용하는재생마이크로터빈의경우비재생터빈의열효율인 14~ 20% 수준보다훨씬높은20~30% 의열효율확보가가능하다. 열병합발전용인경우에는재생마이크로터빈의경우배기가스온도가낮아열생산성능에한계가있을수있으므로비재생터빈도적용이가능하다. 대부분의마이크로터빈은원심압축기와반경류터빈으로구성된단축으로구성된간단한구조로서, 타동력장치에비하여유지보수가비교적간단한편이지만, 수십만rpm 수준의고속회전특성으로인한우수한특성의베어링적용이필수적이며, 이러한이유로공기베어링이주로사용되고있다. 마이크로터빈시장은아직도본격적으로형성은되어있지않은상황이지만중소형상업단지및산업단지, 아파트등주거단지등이주요시장분야가될것으로예상된다. 소형가스터빈발전용가스터빈은복합화력발전의출력은수백 MW급에이르지만소형가스터빈인 1~10MW급 표 2 분산발전용동력장치의분류 화학반응동력장치 재생에너지동력장치 내연기관가솔린엔진왕복동디젤엔진엔진천연가스엔진연소반응외연기관스털링엔진마이크로터빈터빈소형가스터빈 PEMFC 저온형 PAFC 전기화학 AFC 반응연료전지 DMFC 고온형 MCFC SOFC 태양광풍력 마이크로터빈 왕복동엔진 태양광 분산발전용동력장치 소형가스터빈 풍력 그림 3 대표적인분산발전용동력장치의종류 연료전지 규모로분류된다. 마이크로터빈과마찬가지로소형가스터빈의경우에도설치비용이저렴하고, 환경친화성이우수하고, 높은배기가스특성으로인하여열생산성능이우수하며, 유지보수비용이저렴하지만상대적으로열효율이낮은것이단점이다. 소형가스터빈의열효율향상을위해서는세라믹소재, 단결정초내열합금등고온내열소재개발과고효율냉각기술에대한연구가필수적이며, 이러한기술개발은열효율향상에만기여할뿐만아니라보수기간을연장시킴으로써유지보수비용절감에도기여할수있을것이다. 연료전지 1839년 William Grove경에의해서처음으로개발되었으나 1960년대미국 NASA가 Gemini, Apollo 등우주선전력공급용에너지소스로사용하면서부터실용화되었다. 연료전지는전해질의특성에따라고분자전해질연료전지, 인산형 기계저널제 45 권제 11 호 38 기계저널 -11 월호 CK

7 39 기계저널 -11 월호 CK 분산발전기술의동향및전망 연료전지, 용융탄산염연료전지, 고체산화물연료전지등다양한종류로구분되며그중에서발전용으로상용화되어시장에출시한연료전지는 UTC 사에서개발한인산형연료전지에불과하며다른종류들은상용화개발이활발하게진행되고있는상황이다. 인산형연료전지의작동온도는 220 C 수준으로서전력생산열효율은약 40% 로왕복동엔진등다른제품에비하여열효율이월등히우수하다. 또한열병합발전용으로사용할경우전체에너지이용률은약 85% 에이르는것으로알려져있다. 약 600 C 에서작동되는용융탄산염연료전지와 800 C 부근에서작동되는고체산화물연료전지는고온형연료전지로분류되며아직상용화개발전단계로서수백 kw급제품이시제운전중에있다. 연료전지는수소를연료로사용하므로공해물질의배출이전혀없이도전력생산이가능하다. 그러나수소는천연가스, 가솔린과같은탄산화물등다른화학적연료로부터개질하여생산하여야하므로개질과정에서이산화탄소등의공해물질이생성된다. 태양광발전 1839년프랑스물리학자인 Edmund Becquerel이태양광발전기술을발표한이후, 1954년 Bell Lab에서태양광으로부터의전력변환효율이 4% 인태양광발전이가능한실리콘태양광전지 (photovoltaic cell) 를본격적으로개발하게되면서실용화되기시작하였다. 태양광발전은 중앙집중형발전소 마이크로터빈 변전소 분산스테이션 태양광배터리 연료전지 가스터빈 SMES 집전분산스테이션스테이션 분산스테이션 가스터빈 연료전지 연료전지 자동차 주거지역 하이테크산업단지 산업단지 상업단지 그림 4 분산및중앙집중형발전의혼합구조인미래의발전시스템사례 상업지역 공해물질배출이전혀없고유지보수비용이매우저렴한장점이있는반면, 아직도타동력장치에비하여가격이매우비싸며, 낮시간에만작동이가능하므로별도의에너지저장장치가필요하며거대한태양광집진시설이필요하는등의단점이있다. 풍력발전 1970년대세계적인에너지위기이후미국을중심으로풍력발전을재생에너지원으로적극적으로검토하기시작하였다. 풍력발전은가장경제적으로전력생산이가능한발전설비이며, 태양광과함께가장친환경적인설비이다. 그러나전력생산의품질이풍량등기후조건에크게좌우되며해변이나고산지대등설치장소선정에한계가있다. 그럼에도불구하고미래형동력장치중가장경제성이우수한설비로평가받고있다. 전력수요자인근지역에설치가능한소규모발전설비를이용하여수요자에게필요전력을공급하는분산발전은서로다른특성을지닌소규모분산산업들의집합인디지털산업구조의특성에가장적합한미래지향적인발전시스템이다. 전력공급위주의분산발전고유의개념은열병합발전개념의접목과함께전력과열을동시에공급함으로써각종산업의원동력을제공해주는중요한중추적인역할을담당해나아갈것이다. 그러나분산발전은기존의중앙집중형발전시스템의대체개념이아닌계통연계를통하여상호보완적인체계로운용될것이다. 특히전력거래자유화에따른다양한송배전사업의활성화로인하여그림 4와같이분산발전과중앙집중형발전의융합뿐만아니라다양한특성의동력장치로부터생산되는전력을다양한수요자의요구에알맞게공급할수있는미래지향적인전력산업으로의진화를촉진시킬것으로전망된다. 왕복동엔진 플라이휠 39 Journal of the KSME 39 기계저널 -11 월호 CK

8 40 기계저널 -11 월호 CK 테 마 기 획 분산발전 이글에서는분산발전용전원의하나인가스엔진의종류와기술동향, 향후전망에대하여기술하고자한다. 이장희 / 한국기계연구원친환경엔진연구센터, 팀장 jhlee@kimm.re.kr 40 산보급중인디젤엔진을개조하여제작하며, 크게나 누어혼소 (dual fuel) 엔진과전소 (dedicated) 엔 분산발전용가스엔진은가스연료를사용한엔진으로서에너지의효율적이용을위하여열병합발전용으로주로사용되고있다. 가스엔진열병합발전이란가스엔진으로구동하는발전기에서전기를얻고, 가스엔진작동시에발생하는배기가스와냉각수에서열에너지를회수하여, 전기와열을동시에생산하는고효율에너지절약시스템이다. 분산발전용가스엔진의연료로는주로 LNG를기화한도시가스를사용하며, LNG는산지에따라성분차이가있으나대부분의성분이메탄 (CH 4 ) 으로되어있다. 도시가스는청정연료일뿐아니라연료자체에탄소성분이작아지구온난화문제해결을위한CO 2 총량규제에적합한연료이다. 진으로나뉜다. 혼소엔진은기존의디젤엔진에다천연가스연료공급장치를추가하고, 기존의디젤분사계를사용하여미량의디젤연료를분사 (Pilot injection) 하여점화 ( 압축착화 ) 하는방식으로서개조가간단하지만배기가스측면에서는불리하다. 반면에전소엔진의경우에는연료분사노즐대신에점화플러그를장착하기위해서실린더헤드를변경하여야할뿐아니라압축비감소를위하여피스톤의형상을변경하고출력제어를위하여스로틀을설치하여야하는등배기저감효과면에서는혼소엔진에비하여우수하다. 표 1에혼소엔진과전소엔진의차이를나타내었다. 최근에와서는음식물쓰레기혐기소화시설, 하수 처리장혐기소화시설, 축산분뇨혐기처리시설, 매립 지등에서생성되는바이오가스 ( 메 탄성분이 40~75% 임 ) 를이용한 표 1 가스엔진의비교 가스엔진의보급이활발히진행되 전소엔진 혼소엔진 고있으며, 이미국내에도약스파크플러그에미량의경유분사에의한압축착화점화방식의한불꽃점화 30MW 용량의바이오가스발전시압축비상대적으로낮음 (8.5~13) 상대적으로높음 (14~17) 스템이분산형전원으로사용되고연료성분비교적양질의연료성분이연료성분의변화가있다. 요구되며, 성분변화가적어야함어느정도허용됨 연료 도시가스또는바이오가스도시가스또는바이오가스 100% 사용 (85~99%) 와경유 (15% 미만 ) 사용 어려움 용이함 엔진개조 ( 실린더헤드및피스톤등 ( 기존의디젤엔진사용, 가스엔진은기존에개발되어양 개조가어려움 ) 가스연료공급장치추가 ) 유지보수점화플러그등잦은교체용이함 기계저널제 45 권제 11 호 40 기계저널 -11 월호 CK

9 41 기계저널 -11 월호 CK 분산발전용가스엔진의기술동향 혼소엔진은개조가간단하여가스엔진개발초기에는많이사용된기술이다. 지금도비상용디젤발전기를활용하여쉽게개조할수있다는장점이있고, 디젤발전기보다는공해측면에서유리하므로아직도많은관심을갖고연구되고있다. 혼소엔진의효율을결정하는것으로대체율이사용된다. 즉, 엔진에서사용된전체연료중에서가스가차지하는비율로서이에대한정의는다음과같다. (1,3) 대체율 = 가스 /( 가스 + 경유 ) (1) 그림 1은혼소엔진의대체율변화를나타낸것으로대체율이높을수록가스사용량이증가하여바람직하나, 대체율을너무높이면실화가발생한다. 최근에디젤엔진의커먼레일 (common rail) 시스템을활용하면 99% 대체율이가능하다는보고가있으며, 과도한대체율의증가는연료의노즐냉각기 BMEP(bar) 그림 1 혼소엔진의대체율변화 연료소모율 Diesel 연료대체율변화 Detonation Gas BMEP 8 NOx 6 CO 공기과잉률 실화발생 그림 2 전소형가스엔진의공연비변화에따른효율및배기가스배출특성 Misfiring Electrical efficiency % Emissions(g/kWh) 능을저하하여노즐소착등의문제를새로이야기하므로엔진실린더헤드의냉각시스템과함께고려해야한다. (4) 일반적인혼소엔진의경우에는경유 15% 미만으로사용하고, 도시가스 85%( 발열량기준 ) 이상으로작동가능하며, 가스공급이안되는경우에는 100% 디젤발전을할수있으므로비상발전기의역할을수행할수있다. 일본에서는열병합발전시스템을일정규모이상의건물에의무적으로설치되어야하는비상용발전기로대체할수있도록허용하고있다. 따라서국내에서도이와같은제도가시행된다면기존의건물에설치된비상용디젤발전기를혼소형가스엔진열병합시스템으로개조하여여름철피크전력시에일시적으로사용할수있어국가경제적으로유리할것으로사료된다. 또한혼소엔진은음식물쓰레기혐기소화시설, 하수처리장혐기소화시설, 축산분뇨혐기처리시설, 매립지등에서생성되는바이오가스같이연료성분이변화하는곳에서매우안정적으로작동하는장점이있다. 그림 2는전소형가스엔진의공연비에따른배출가스특성과열효율의변화를나타낸것이다. 효율은실화가발생하지않는범위내에서희박연소쪽으로갈수록증가하며, 이론공연비부근에서는 NOx가많이배출되고, 노킹 (knocking) 이발생하기쉽다. 희박연소영역에서는상대적으로 NOx가낮게배출될뿐아니라 knocking 또한쉽게발생하지않는다. 따라서전소형가스엔진은배기가스저감기술방법상이론공연비연소 (rich burn) 와희박연소 (lean burn) 방식으로나뉜다. 이론공연비연소이론공연비연소는희박연소에비해상대적으로많이배출되는 NOx를삼원촉매를사용하여감소하는방식이다. 그림 3은삼원촉매의공연비에따른전환 41 Journal of the KSME 41 기계저널 -11 월호 CK

10 42 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 42 효율을나타낸것으로서, 삼원촉매는 CO와 HC을산화시키고, NOx를환원시키는작용을한다. 그러나산화작용과환원작용은서로상반되는조건에서이루어지므로희박영역에서는 CO와 HC의산화작용이활발하게진행되고, 과농영역에서는 NOx의환원작용이활발하게진행된다. 따라서산화와환원이동시에원활하게진행되는구간이이론공연비부근이며, 산화와환원을촉진하기위해서이론공연비전후의좁은영역내 (window라고함 ) 에서희박과과농을반복하여산화와환원반응이촉진되도록한다. 일반적으로이론공연비부근에서는삼원촉매의전환효율은 95~98% 로알려져있다. 또한이론공연비연소방식은노킹이발생하기쉬워비교적소형가스엔진에적합하다. 삼원촉매이외에도 NOx 발생량을저감하는방법으로배기가스를재순환 (EGR : Exhaust Gas Recirculation) 하는것이있으며, 이는불활성가스인연소가스를흡입공기로재순환함으로써연소실내의최고연소온도를낮추어서고온에서형성되는 NOx 발생을억제하는방법이다. 계를극복하기위하여그림 4와같이실린더헤드에예연소실을설치하고희박상태의공기-연료혼합기가흡기과정에서공급되면압축과정에서예연소실내로추가의연료 ( 약 1%) 를공급하여예연소실내의공기-연료혼합비가이론공연비부근이되도록하여안정적인점화가일어나도록한다. 연소가시작된예연소실내의혼합기는팽창하면 전환효율 (%) 100 NOx HC CO 농후영역희박영역 희박연소희박연소영역에서는열효율이증가하고, 연소과정에서연소온도가이론공연비연소에비해낮아 NOx 발생량이작다. 뿐만아니라잉여산소가많은상태에서연소되므로 CO 또한작게발생한다. 그러나공연비가희박해질수록안정적인점화를위해서강력한점화원을요구하게되며, 연소속도또한느려져서화염이제대로전파되지못하는불완전연소나화염생성이곤란한희박한계가존재하게된다. 이러한희박한 주가스밸브 그림 4 희박연소용예연소실 (Wartsila) 그림 3 삼원촉매의배기가스정화특성 WECS 체크밸브 예연소실가스밸브 연소센서 기계저널제 45 권제 11 호 42 기계저널 -11 월호 CK

11 43 기계저널 -11 월호 CK 분산발전용가스엔진의기술동향 가스터빈 스털링엔진연료전지 초소형가스엔진 경쟁우위범위상용화범위관심고조범위 그림 5 분산형전원별경쟁력비교 (2) 60 GWe CEE/Other Other EU 50 France Netherlands ltaly 40 Uk Gemany 그림 6 유럽의초소형분산형전원시장전망 (15kWe 미만 ) (5) 100% 80% 60% 40% 20% 0% 희박가스엔진 이론공연비가스엔진 ,000 10,000 적용용량범위, KWe 그림 7 유럽의난방방식점유율추이 (5) 지역난방초소형열병합열병합 서주연소실로빠져나올때 turbulent jet를형성하면서급속연소가일어나도록하여노킹발생가능성을줄여압축비상승이가능하며일반적인희박운전공연비영역인 λ=1.3~1.7을 λ=1.9~2.2까지확장하여연비향상및배기저감을극대화하고있다. 기통당출력이큰엔진의경우 ( 실린더직경 140mm 이상 ) 에는노킹등의문제로인하여예연소실을채택한희박연소방식을주로사용하고있다. 희박연소에서는그림 1에서알수있듯이이론공연비연소에비하여상대적으로 NOx가작게배출 되고있으나, 희박영역에서 NOx를저감하는방법이마땅치않다. Lean NOx Catalyst(De-NOx 촉매 ) 등의방법이이론적으로가능하나전환효율이낮아서실용화가이루어지지못하고있고, SCR (Selective Catalyst Reduction) 이실용화는되어있으나, 설치비가많이소요될뿐아니라암모니아성분 (Urea) 을지속적으로공급해주어야하므로유지비가소요되어경제성이떨어진다. 따라서희박연소의 NOx성분을감소시키려면초희박영역에서연소를시키는것이이상적이나이것도실화 (misfire) 로인하여한계가있다. 그림 5에는분산형전원별경쟁력이나타나있으며, 가스엔진은 2MW 이하의발전시설에주로사용되고, 가스터빈은 2MW 이상의발전시설에주로사용된다는점에서상호보완관계에서경쟁이이루어지고있다. 그림 6은 15kWe 미만의유럽의분산형전원시장을나타낸것으로서초소형분산형전원의보급이급격히늘어날것으로예측하고있다. 이에대응하는분산형전원으로는초소형가스엔진과스털링엔진이경합할것으로보이며, 지금한창연구중인연료전지기술이어느정도완성되면경쟁에합류할것으로보인다. 그림 7은유럽의난방방식의시장점유율의변화를나타낸것으로 15kWe 미만의초소형분산형전원이활발히보급될것으로예상하고있다. 그림 8은초소형분산형전원 (Home Cogeneration) 의개념도를나타낸것으로서발전효율은 10~25%, 난방효율은 70% 로예상하고있다. 그림 9는일본에서양산보급중인 9.8kW급가스엔진이며, 일본법규상 10kW 이상의발전시설에는전담관리자를고용하도록되어있어, 전담관리자없이사용가능하도록시스템을개발한것이다. 이외에도가정용열병합용으로 1kW와 3kW급가스엔진이일본과유럽에서개발되어시험보급중에 43 Journal of the KSME 43 기계저널 -11 월호 CK

12 44 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 있으며, 궁극적으로는가정용보일러를대체하는것을목표로하고있다. 이는열수요가많은북반구의추운지역에적합한시스템으로평가되고있다. 배기 7-15% 전기 10-25% 44 표 2는국내에설치된열병합발전시스템의설치 초소형증가를연도별로정리하여나타낸것으로일부가스열열병합 >70% 가스시스템터빈의자료 ( 대수로 10대미만, 출력으로는 100% 20MW 미만 ) 가포함되었으나, 대부분이가스엔진 으로보아도큰무리가없다. 국내의 그림 8 초소형분산형전원 (Home Cogeneration) 시스템 가스엔진보급은 1988년에롯데호텔에혼소형가스엔진 (5.9MW * 6 다중전원전환기 가스엔진 급탕시스템 온수발생기 동기기 ) 이보급된것을시작으로 2005 CPU 검출 년 6월기준으로약 116MW의발전용량이보급되었다. 특히최근에 발전전기 온수 와서는 2002년대전의신동아아파 분배기온수저장탱크 온수 제어용트에열병합발전시설이도입된이전원 Load Load Load Load 후아파트에 300~1,000kW 가 가스 물공급 스엔진열병합시스템이급격히보 그림 9 9.8kW 가스엔진열병합시스템구성도 ( 일본 ) 급되고있다. 이는에너지절약을위 한정부의강력한열병합발전시스 표 2 국내열병합발전설치현황 ( 가스터빈포함 - 출처 : 에너지관리공단홈페이지 ) 템보급에대한지원과각아파트의 구분 2001까지 말 비고 보일러교체시기가맞물려보급이 용량 (kw) 67,183 92,983 97, , ,554 누계대수 ( 대 ) 누계 촉진되고있는것이다. 다만아쉬운것은국내기술에대한신뢰부족으 개소 표 3 국내의분산발전용가스엔진개발현황 (2000년이후 ) 로외국엔진이전량도입되어설치되고있다는것이다. 과제명 10kW급가스엔진개발 개발주체 KIER / 효성 비고 LPG엔진개조 디젤엔진개조이미국내에서도이론공연비방식 100kW급가스엔진개발대우종합기계 / KIMM 완료 의 100~ 400kW급가스엔진이 350kW급매립지 KIMM / 두산인프라코어 디젤엔진개조 가스엔진개발 ( 구대우종합기계 ) 완료개발완료되었으나, 실증사례가없 KIMM / ( 주 ) 보국전기 / 에너지절약과제로어지난몇년동안국내보급이진행 300kW급가스엔진개발 ( 주 ) 템스 / 두산인프라코어진행중 ( 구대우종합기계 ) 되지못하였다. 금년하반기에는에 150kW급혼소형 KIMM / ( 주 ) 템스환경부과제로진행중너지관리공단에서수행하는지역에바이오가스엔진개발 너지사업으로광주광역시의서민임대아파트에국산 200kW급가스엔진이장착된열병합시스템이보급될예정이다. 12, 15, 18 급두산인프라코어가스엔진개발 ( 구대우종합기계 ) 발현황을정리한것이다. 자체개발완료 표 3은 2000년이후의국내의가스엔진기술개 상용전원 기계저널제 45 권제 11 호 44 기계저널 -11 월호 CK

13 45 기계저널 -11 월호 CK 분산발전용가스엔진의기술동향 표 4 대기환경보전법의배출허용기준 배출시설 적용기간및배출허용기준 ( 발전용내연기관 ) ~ ~ 액체연료 1) 가스터빈 가 ) 기존시설 950(13) 주2) 250(13)ppm 이하 나 ) 신규시설 ppm 이하 70(13)ppm 이하 NOx 2) 디젤기관 ( 기체연료 ) 가 ) 기존시설 600(13)ppm 이하 나 ) 신규시설 300(13)ppm 이하 기체연료 1) 기존시설 500(13)ppm 이하 150(13)ppm 이하 2) 신규시설 50(13)ppm 이하 우리나라의가스엔진의배기규제는 NOx에국한되어있으며, 표 4에나타난바와같이 2005년신 가스엔진의경우에는노킹문제등으로인하여엔진의크기가제한주 4) 되므로, 고출력을요구하는데는희박연소방식을사용한다. 따라서 2005년배기규제치를 NOx 50ppm@ 13% O 2 으로적용하면고효율고출력의가스엔진보급은경제성측면에서사실상불가능해진다. 이러한문제점을인식한환경부에서희박연소방식의가스엔진배기규제를 NOx 125ppm@ 13% O 2 으로 3년간유예하여희박연소가스엔진이국내에보급될수있도록하였으며, 향후기술개발의추이를보아서이를연장또는강화할예정이다. 규시설에대한 NOx 규제치는 O 2 주1) 으로서선진국보다엄격한수준으로강화되어있다. 이러한규제치에대하여이론공연비연소의경우에는삼원촉매장치를사용하면규제치를만족하는데는기술적으로문제가없으나, 희박연소의경우에는희박상태에서 NOx를환원시키는 Lean NOx Catalyst 주4) 등의개발이미흡한상태이며, 기술적으로완성된 SCR(Selective Catalyst Reduction) 은시설자체가고가일뿐아니라암모니아를지속적으로공급해주어야하는등경제적으로많은부분을희생해야한다. 이러한문제점을인식한독일에서는 TA-Luft (German Regulation on Emission) 에서가스엔진의배기규제를 NOx 250mg/Nm 5% O 2 (= O 2 ) 으로일원화하여적용하였다가, 2002년 1월에시행된 New TA-Luft에서희박연소엔진과이론공연비의배기규제를이원화하여적용하고있다. 희박연소엔진의경우에 NOx 500mg/Nm 5% O 2 13% O 2 ) 으로 NOx 규제를완화하여희박연소엔진이원활히보급될수있는기반을마련하였다 [7]. 그림 1에서언급한바와같이희박영역에서엔진효율 ( 또는발전효율 ) 이좋을뿐아니라, 이론공연비 대형발전소의건립은시간과비용이많이소용될뿐아니라환경오염의집중및열에너지의활용부족, 송전손실등으로인하여분산형전원의공급으로그추세가바뀌고있다. 에너지자급률이낮은우리나라의경우에는 LNG 를전량수입하고있으며, 통상적으로월별일정량을의무적으로도입하도록계약이이루어진다. 따라서계절별로가스수요가변동하는국내의현실에서는여름철에는가스가남아돌고, 겨울철에는가스가모자라는현상이발생하며, 이를해결하기위해서평택 LNG 기지등에대용량저장탱크를설치하여수급불균형을해소하고있다. 한편전력수요는여름에냉방수요의증가로인하여피크전력이증가하고있다. 따라서가스엔진열병합발전은여름철피크전력의강하와가스수요의증가에의해국가적으로에너지수급상의불균형을어느정도해소할수있는매우유용한방법이라하겠다. 정부에서도 2013년까지 270만 kw의소형열병합발전시스템을보급하겠다는계획을적극추진중이며, 이에따라아파트에가스엔진열병합시스템의보급이급격히증가하고있다. 45 Journal of the KSME 45 기계저널 -11 월호 CK

14 46 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 46 가스엔진열병합시스템의보급이활성화되고있는시점에국산가스엔진이활용되고있지못하다는점은다소아쉬운감이없지않으나, 금년하반기에광주광역시의임대아파트에지역에너지사업으로국산 200kW급가스엔진이보급될예정이며, 이를시점으로국산가스엔진의보급도활발해질것이다. 두산인프라코어 ( 구대우종합기계 ) 에서개발이완료된 8, 11, 15, 18, 22 급가스엔진 (100~400kW급의가스엔진 ) 의국내보급을위한활용방안을모색해야할것으로사료되며, 현대중공업의국산디젤엔진인 힘센엔진 의가스엔진화개발이이루어진다면 0.6~2.0MW급가스엔진의국산화가가능할것으로믿는다. 또한부분적으로연구개발이시도되고있기는하나, 향후의마이크로분산전원의보급확대에대비하여 15kW급이하의초소형열병합발전용가스엔진에대한실용화개발에대한준비도진행되어야할것으로생각된다. 원활한열병합시스템의보급을위하여, 가스엔진의희박연소방식에대한배기규제에대한기술적검토작업이수행될수있기를바라며, 열병합발전시스템의일부를비상발전기로겸용할수있는제도가도입되어 1년에 1~2회시험가동하는디젤비상발전기의자원이활용될수있기를기대해본다. [ 참고문헌 ] (1) 이장희, 2005, 국내의바이오가스엔진기술개발현황, 신재생에너지춘계학술대회. (2) 오시덕, 2005, KIMM 세미나자료. (3) 이장희, 김영민, 노윤현, 최병철, 팽성일, 김성진, 2004, 바이오가스를이용한혼소형가스엔진발전시스템개발, 제6회환경기술세미나. (4) M. Umiersky and P. Stommel, 2000, Fuel Efficient Natural Gas Engine Wih Common-Rail Micro- Pilot Injection, SAE (5) M. Whiteley, et al, 2001, The Future of CHP in the Uropean Market-The Uropean Cogeneration Study. (6) D.O.E Report, 1999, Review of Combined Heat and Power Technologies. (7) Workshop 자료, 2003, KEMCO International Cogeneration Symposium, 서울라마다르네상스. 주1), 주2) 표준산소농도 (O 2 의백분율 ) 주3) 잉여산소가존재하는상태에서산화반응이아닌환원반응을한다는것은매우어려운 기계용어해설 수분유출방지관 (Antipriming Pipe) 물방울과증기의밀도차를이용해증기만밸브로송출함으로써, 수분유출을막는보일러에장치된관. 아크방전 (Arc Discharge) 탄소나텅스텐의두전극을기체속에서수평으로마주보게하여저항을거쳐전원을접속시킨다음, 일단전극을접속시켰다가떨어뜨릴때일어나는방전. 전진각 (Angle of Advance) 일반적으로내연기관에서전기점화, 연료분사등은압축행적의상사점보다약간앞에서일어나는데, 이시기를크랭크의회전각으로나타낸것. 기계저널제 45 권제 11 호 46 기계저널 -11 월호 CK

15 47 기계저널 -11 월호 CK 테 마 기 획 분산발전 이글에서는최근전세계적으로시장규모가커지고있는마이크로터빈분산형발전시스템의시장동향및국내주요적용분야에대하여고찰해보고자한다. 길준석 / 삼성물산프로젝트사업부, 대리 joonsuki@samsung.com 분산형발전시스템에는마이크로터빈뿐아니라가스엔진, 디젤엔진, 연료전지, 태양광등다양한시스템이있다. 2004년말기준분산형발전시스템은전세계발전시장의 7.2% 를차지했으며, 이는 2002년의 7% 대비약간의점유율성장을기록했 (World Survey of Decentralized Energy 2005 by WADE). 비록급격히성장을하고있지는않지만, 시장규모는서서히커져가고있으며, 국가별로다양한편차를나타내고있다. 지난 2년간전세계적으로약 32.2GW 규모의분산형발전시스템이신설되었으며, 이중대부분이열병합이었다. 미국의경우 2002년까지는분산형발전시장이급격히성장을하였으나, 높은가스단가와지속적인정부규제가남아있어성장률이상당히줄어들었으며, 2004년의성장률은최근 6년간성장률중가장낮은지표를보였다. 유럽의경우지난 5년간별다른변화를보이지않았으나최근에높아진전기단가와새로이시작된 EU의배출가스거래계획및열병합 전기수요 (Mtoe) OECD 기준시나리오 OECD 대안시나리오 OECD 외 그림 1 OECD 및비 OECD 국가전력수요증가예상 (IEA, 2004) 시장확대움직임으로조금씩활발한모습을보여주고있다. 일본의경우 05 년 4월기준총설치용량 7,955MW( 한국은 기준 118MW) 에이르며원동기별분포를보면용량을기준으로가스엔진 15%, 가스터빈 44%, 디젤엔진 41%( 한국은용량기준가스터빈10% ) 을점유하고있다. 또한일본은 03년에너지기본계획발표에따라열병합분야를신재생에너지분야에포함하여지원하고있으며, 향후마이크로터빈을포함한분산형발전시장이확대될것으로전망되고연료전지마이크로터빈하이브리드시스템의개발및보급확대가이루어질것으로예상된다. 그외브라질과같은저개발국, 가장잠재적인시장인중국등에서는최근의전력수요의급격한증가에따라분산형발전시스템에대한정부적관심과다양한다국적기업들의진입이활발해지고있다. 마이크로터빈시장동향전세계적으로마이크로터빈은 Capstone Turbine Corporation, Ebara(Elliot 인수 ), ABB(Turbec), Bowman Power System, Ingersoll Rand(IR), GE, 도요타등에의해생산및연구가진행되고있다. Capstone 사의경우 1998년세계최초로 30kW급마이크로터빈을상용화한이후현재 30, 60kW급두모델을중심으로 900만누적운전시간을돌파하고있다. Compaq Computer의설립 47 Journal of the KSME 47 기계저널 -11 월호 CK

16 48 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 48 자인벤로슨이자금주이기도했던 Capstone 사는초기차량용터빈생산의아이디어를바탕으로제품을개발, 생산하였다. 현재 3,000기이상을북미, 일본및유럽시장을중심으로판매하였으며, 전세계마이크로터빈시장의약 85% 를점유하고있다. 초창기 2000년도 6월주식공개를통해주당 90불까지가기도하였으나, 급격한버블붕괴와가격, 시장규제등에따른판매부진등으로인해주당 2불까지떨어졌었다. 이는다른신기술업체인 Ballard Power Systems( 연료전지 ), Plug Power( 연료전지 ) 및 Active Power( 마이크로터빈 ) 등에게도비슷한패턴으로나타났다. 하지만, 최근에뉴욕에서 Capstone 사제품을설치하는데필요한인허가과정을간소화하는 MEA(Material Equipment Acceptance) 적용대상으로분산형발전시스템중최초등록되었으며, 중국시장에서의가스공급사인 Shanghai Aerospace Energy와의파트너십, 멕시코정부와의 1.5MW 급물량공급계약등시장에서활발한활동을보이고있어서회사가치의향상이다시금이루어지고있다. 또한가까운일본에도 700여기 ( 열병합부문은약 400여기 ) 이상이상용운전중에있으며, 스미토모-메이덴샤컨소시엄, 타쿠마, 미쓰비시, Active Technology( 구 Active Power) 등이주요파트너이다. Captone 사제품의주요특성은에어베어링기술과 Solar Turbine에서인수한 Recuperator 기술을바탕으로한유지보수의간편성과효율의증가를들수있다. IR(IngersollRand) 의경우 Capstone 사외마이크로터빈사업을추진하는주요경쟁업체로서 3000 막강한자금력과규모를강점이라 2500 할수있다. 기존 2MW급 KG2모 2000 델을기반으로 250kW급마이크 1500 로터빈을개발하였으며, 2004년 1000 말북미지역에 400여대를판매하 500 였고그해아시아시장을주요타겟 0 으로삼기시작하였다. 2004년도 1억불정도마이크로터빈에만투자 M/W 하였을정도로적극적이었으나, 기어박스을채택한 2축형터빈의소형화설계에서진동문제로인한결함이발견되어초창기상당한어려움을겪기도하였다. 하지만, 바이오가스분야등다양한 Application에서경쟁사대비장기간의 Warranty를제공하는등공격적인마케팅을강화하고있고제품의초기문제점도상당히개선되어졌다. Capstone 사제품과의공통점은둘다 Solar 사의 Recuperator 기술을적용하고있으며, 차이점은각각단축형과 2축형터빈샤프트적용및에어베어링, 오일베어링등의사용등이다. 그외 ABB 사의 Turbec, Bowman, Ebara 등이대표적이며유지보수의장점을극대화하기위한마그네틱베어링을적용한마이크로터빈의연구등을공동으로진행하고있다. 일본의도요타제품의경우초창기보급이어느정도이루어졌으나지금현재미미한상황을보이고있으며, GE의경우도에어베어링기술을 Honeywell에서구입하였으나활동은아주미미한상태이다. 마이크로터빈한국시장 Capstone 사제품의경우국내시장에 60kW 급모델이 2002년말에너지기술연구원에서처음으로도입한것을시작으로한전전력연구원, 한국가스공사연구소등총 6기가연구소및대학교등을위주로시범설치가되어있다. 그리고향후 1년내에약 2MW급의 30kW, 60kW급모델이아파트, 백화점, 병원및바이오가스이용발전시설등에설 연도 MGT market 점유예상 정부발표치 (M/W) MGT 지수 ( 정부발표차 (M/W)) 그림 2 국내열병합시장예측 (05 년 1 월기준 ) 623 Conservative expectation 1307 GE + Fuelcell market Government s Plan 기계저널제 45 권제 11 호 48 기계저널 -11 월호 CK

17 49 기계저널 -11 월호 CK 마이크로터빈분산발전시스템의시장동향및국내적용검토 치될예정으로국내시장에순조롭게진입하고있다. 그외 Bowman, IR 등의제품도국내진입을위해여러마케팅망을구축하고있는중에있다. 그림 3은정부의열병합시장목표치와여러외부환경변수를고려한마이크로터빈 (MGT) 의시장전망을나타낸그래프이다. 정부의 2013년도 270 만kW 보급목표달성을위해서는정부규제의완화, 지원제도강화를통해일반기업들의지속적인참여를유도할수있는매력있는시장을형성해야하는많은과제가있다. 본단원에서는국내에새롭게보급이시작되고있는 Capstone 사마이크로터빈제품의일반적기술적특성과국내적용검토사례를바탕으로다루고자한다. 마이크로터빈주요특성마이크로터빈은응용범위가넓고, 배기가스배출이적고, 유지보수비용이적게드는발전시스템이다. 터빈운동방식의초고속회전발전기는디지털전력 (digital power) 과연계하여고품질의전력을생산할수있으며, 다양한분야에응용이가능하다. 고유설계를통해기존전력과연계하여운용됨으로써에너지비용을최적화할뿐만아니라기존전력이공급되지못하는지역에서주전력을공급하는역할을할수도있다. 또한, 마이크로터빈은자립운 발전기냉각핀배기구공기흡입구재생열교환기연소실발전기압축기에어베어링연료인젝터터빈그림 3 Capstone 사 C60 HPNG 모델엔진구성 전 (stand-alone) 형태로서대기 (stand-by), 백업, 원격지전력공급원의역할을할수도있고, MultiPac이라는이름으로여러개의마이크로터빈을결합하여하나의전력원으로사용할수도있다. Key features 에어베어링의사용 : 오일윤활시스템의불필요 공랭식으로전체시스템 ( 터빈과컨트롤러 ) 설계 : 외부냉각탑등이필요하지않음 NOx 배출최소화 (9ppm 18% O 2 ) 레큐퍼레이터 ( 재생열교환기 ) 로인한발전효율증가 ( 약 10% 이상 ) 마이크로터빈엔진마이크로터빈엔진은컴프레서, 연소기, 터빈, 발전기그리고레큐퍼레이터를포함한연소터빈이다. 하나의샤프트에연결된회전자는특허기술의에어베어링의지지를받으며 96,000rpm까지회전을하며, 영구자석타입발전기는공랭방식으로냉각된다. 출력되는전기는 VVVF(Variable Voltage, Variable Frequency) AC타입이며, 발전기는시동을걸때와쿨다운시모터로도사용되는동기발전기가사용된다. 컨트롤러디지털전력전자시스템 (digital power electronics) 마이크로터빈시스템및모든서브시스템의운영을통제한다. 디지털전력전자시스템은발전기에서생성된 VF(Variable Voltage) AC 전기를 DC 전압으로바꾼다음다시 CF (Constant Frequency) AC전력으로바꿔준다. 시동을걸때디지털전력전자시스템은마이크로터빈이점화될때까지와마이크로터빈에서나오는전력이이용가능한단계가될때까지 VF 드라이브와발전기의모터의역할을수행하게된다. 쿨다운시에도디지털전력전자시스템은시스템내부품들을보호하기위해레큐퍼레이터에잔류하는열이제거될때까지드라이브의역할을하게된다. 49 Journal of the KSME 49 기계저널 -11 월호 CK

18 50 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 50 에어베어링마이크로터빈은높은신뢰성, 적은유지보수, 그리고안전한운전을위해가스포일베어링 ( 에어베어링 ) 을사용하고있다. 이는필요한부품수를줄여주고회전부위에액상윤활제를사용할필요가없도록하며, 마이크로터빈이운동중일때가스필름은샤프트를베어링으로부터분리시켜이들이마모되는것을막아준다. 연료시스템마이크로터빈은넓은범위의승인된탄화수소 (hydrocarbon) 계열의가스또는액체연료를효율적으로사용할수있다. 내장된연료공급, 제어시스템을가지고있으며, 표준시스템은고압의탄화수소계열의가스연료에맞게설계되었다. 다른모델은저압가스연료, 저발열량을가진가스연료, 부식성분을포함한가스연료, 바이오가스 ( 매립지와 Digester가스 ), 그리고액체연료를사용할수있다. 배기가스 (emissions) Capstone 사의마이크로터빈은매우안전한배기가스를배출하도록설계되어있다. 배기가스는아주낮은수준의공기오염성분을포함한청정하고산소를많이포함 ( 약 18% O 2) 하고있다. 다른모든화석연료연소기술과마찬가지로마이크로터빈도유해한 ( 이산화질소, 일산화탄소와같은 ) 배기가스를생산할수도있다. 하지만마이크로터빈은아주청정한수준의이산화질소 (NO 2 ), 일산화탄소 (CO) 를배출한다. 보급이이루어지고있다. 국내한주상복합을마이크로터빈을이용하여경제성을검토한사례를한번살펴보도록하자. 1) 시스템구성발전기의운영은계통연계상태로운전이이루어지며위와같이일반적으로기존 Grid망에연결된다. 별도의비상발전기능, 무정전기능등이필요할경우그에맡도록모델또는시스템 (UPS 등 ) 을선정한다. 2) 최적용량선정발전기의도입시가장중요한부분이라할수있다. 가장적절한용량을선정하여불필요한과잉투자또는에너지예상절감액의손실을막을수있도록해야한다. 일반적으로에너지요금은크게전기와열에너지요금으로구성된다. 국내전기요금제의특성은크게비선형적인요금 ( 누진제적용 ) 과선형적인요금 ( 일반요금 ) 체계로이루어져있다. 즉, 일반요금을채택한대다수의산업체, 오피스건물, 병원등의시설은전기로인한사용가의이익이발전기의전력생산량에비례하여증가한다. 반면, 아파트와같은주택용전력을채택한시설은발전기의전력생산량에비례하지가않다. 이는발전기전력생산량에비례하여사용연료량과기타운영비용이증가하기때문이다. 다음은 Chart는아파트와같은비선형적인시설에적정용량을선정하는과정을설명해준다. 그림 6은발전기용량변화에따른투자회수기간 적용성검토 마이크로터빈은기존의 한전 DMC & ATS 비상부하 가스엔진을이용한열병합 시스템과시장에서경쟁관계에있으나, 시스템고유의기술적특성과환경적인 일반부하 기존비상발전기 장점으로인해고급신축 아파트, 주상복합위주로 가스터빈 국내의대형건설사를통해 그림 4 전력계통구성개념도 기계저널제 45 권제 11 호 50 기계저널 -11 월호 CK

19 51 기계저널 -11 월호 CK 마이크로터빈분산발전시스템의시장동향및국내적용검토 및순현가 (NPV) 의변화를나타낸다. 위에서보듯 NPV 최고점인 A 지점과투자회수기간최소점인 B 지점에해당하는발전기용량이다름을알수있다. 일반적으로투자회수기간이짧을수록좋을것으로인식되나, 일정기간운영을해야하는발전기의특성상사용가에게최대의이익을줄수있는, 즉순현가가가장높은 A지점에해당하는발전기의용량을선정하는것이옳다. 이러한순현가분석을제대로활용하기위해서는대용량발전기보다작은용량의마이크로터빈으로최적의용량을선정하는방식이유리하다. 3) 절감액시뮬레이션마이크로터빈의적정용량이선정되면, 사용자는향후전기및가스와같은에너지단가의변화에따른절감액을그림 5와같이시뮬레이션할수있다. 지난 5년간전기요금은 18% 정도상승했고, 도시가스요금은 20% 정도상승하였으며, 향후열병합용도시가스요금의인상률이정책적으로전기요금인상률보다낮을것이라고기대할경우 Case 1의형태로예측할수있으며도시가스단가가과거와비슷하게인상된다고예측할경우 Case 2와같이추측할수있다. 지금은무엇보다열병합, 태양광, 소수력, 풍력및연료전지와같은분산형전원의보급이필요한시점이다. 국제유가가배럴당 80불까지이를지도모른다는전망도나오며, 발전소건설의부지확보문제, 기후변화협약으로인한환경문제로인한무역장벽강화, 지속적인에너지사용의증가로인한전력수요증가등석유를전량수입하는국내의현실에비추어서지금의상황은국가적으로에너지에대한위기의식을불러일으키고있다. 하지만국내의분산형발전시장환경은외국에비하여호의적이지는않다. 가까운일본의경우한사이트의총설치용량 500kW 기준으로코젠설치시 1/3( 민간 ), 1/2( 지자체 ) 및 1/3( 산업체 ) 에해당하 는보조금을지원하고있다. 미국도주별도차이는있으나캘리포니아의경우 30% 의보조금제도를운영하고있다. 반면, 우리나라는아직까지열병합제도의지원제도가아직미미하여, 주로적용분야가전력단가가비싼아파트위주로머물러있다. 국가적으로왜곡된에너지요금구조에서파생된시장이아닌, 정상적인시장이만들어져국가적으로이익을극대화하기위해서는업무용건물, 산업체, 병원과같은시설로분산형발전시스템이적용되어야할것이다. 다행히도마이크로터빈의장점은발전후 300 C 이상의고온배기가스를이용하여온수생산뿐아니라배가스를직접이용하는흡수식냉온수기시스템을구축할수있다는점이다. 즉, 전력생산및냉방을가능하게하는시스템구축을통해백화점, 업무용건물등냉방수요가많은다양한분야에적용되어, 국가적으로계절별에너지사용의불균형을해소하는데큰역할을할수있다. 친환경적인분산형발전시스템의신속하고지속적인보급확대를위한정부의규제완화노력, 계통연계가이드라인의제정및지원제도의확대가무엇보다절심한시점이다. 국내의보급확대는에너지절감뿐아니라결국민간기업의기술에대한투자강화로이루어져부품의국산화, 국내조립생산및자체개발을통해분산형발전시스템을대부분해외에의존하는국내의현실을벗어나국내기업의해외에의진출을할수있도록하는기초체력을만드는초석이될것이다. [ 참고문헌 ] World Survey of Decentralized Energy 2005 by WADE. Cogeneration Japan Center 2005 자료집 The Revolution That Wasn t Yet - Forbes. Microturbine user manual - Capstone 소형열병합발전정책 - 에너지관리공단. 51 Journal of the KSME 51 기계저널 -11 월호 CK

20 52 기계저널 -11 월호 CK 테 마 기 획 분산발전 이글에서는분산발전시스템으로주목받고있는연료전지및연료전지 / 가스터빈하이브리드시스템을소개하고, 이들의최근기술개발동향및향후전망에대해기술하고자한다. 김재환 / 한국항공우주연구원항공추진그룹, 선임연구원 kjaehwan@kari.re.kr 52 최근까지의전력생산은고효율화및규모의거대화를통한집중관리방식으로이루어져왔으나, 원거리송전에따른전력손실, 대규모발전소부지확보의어려움, 급증하는전력수요에대한느린대처등의문제로인해더이상의규모확대에의문이제기되고있다. 이에따라수요처근거리에전력을생산하여전량을공급하거나이미사용중인중앙집중식전력공급을보완하는형태의분산발전이차세대전력공급방식으로주목받고있다. 분산발전에사용되는동력원은수요처근방에서전력생산을해야하기때문에공해배출물이적어야하며, 소형화에따른효율저하가심하지않아야한다. 분산발전용동력원으로는왕복동엔진, 가스터빈등의기존열동력기관이나풍력, 태양력등의재생에너지장치및연료전지등의직접에너지변환장치등이있다. 이들중연료전지는타동력원에비해효율이높을뿐만아니라소형화에따른효율저하폭이작기때문에분산전원으로서의활용가능성이매우높지만타동력원에비한낮은기술성숙도, 고가의제작및설치비용등의이유로상용화적용에많은어려움을겪어왔다. 하지만최근의소재개발및스택설계기술향상등의기술발전뿐만아닌미래수소사회의핵심적인동력원이될것이라는기대와환경문제등에힘입어전세계적으로기술개발및상용화노력이매우활발히진행되고있다. 연료전지는연료와산화제가연소가아닌전기화학반응을통해전기를생산하는장치이다. 그림 1에서보는바와같이연료전지는전해질을두개의전극 ( 연료극, 공기극 ) 이싸고있는행태로되어있으며연료극으로수소나수소포함가스가공급되고공기극으로산소나공기가공급된다. 이때촉매전극에의해수소는수소이온과전자로분리되고이들은각각다른경로를통해공기극으로이동하는데전자는도선을통해이동하며이것이전류에해당한다. 수소이온은전해질을통해공기극으로이동하며이곳에서도선을통해이동한전자및산소와결합하여물이된다. 연료전지의운전특성은전해질의종류에따라달라지기때문에연료전지를전해질의종류에따라분류하는것이일반적이나각전해질이각자다른온도에서이온전도성을갖기때문에작동온도로분류되기도한다. 한편한개의연료전지 ( 단위전지 ) 에서나오는전압은통상 0.6~0.8V 정도로매우낮기때문에여러개의셀을직렬로연결하여 100~500kW 단위로스택을만들고스택단위로발전시스템을구성하는것이일반적이다. 실제발전시스템이되기위해서는그림 2에서보는바와같이연료전지스택이외에연료를다량의수소가포함된가스로변환시켜주는연료처리장치, 공기공급시스템, 생산된직류전기를상용교류전원으로바꿔주는전력변환장치, 고온배기가스의폐열을이용할수있는배열이용장치등이필요하다. 기계저널제 45 권제 11 호 52 기계저널 -11 월호 CK

21 53 기계저널 -11 월호 CK 분산발전용연료전지및연료전지 / 가스터빈하이브리드시스템 한편연료전지 / 가스터빈하이브리드시스템은기존의고온형연료전지발전시스템 ( 그림 3) 의고효율화를목적으로고안되었다. 그림 3에서보는바와같이고온형연료전지발전시스템에는연료전지스택에서의전기화학반응에필요한산소또는공기의공급을위해일반적으로전기로구동되는송풍기가 그림 1 연료전지의작동원리 공기 연료 공기공급장치 연료처리장치 H2 전자 그림 2 연료전지시스템의구성 Proton ( 수소이온 ) 전해질반응영역가스확산영역분리판 공기극 연료전지스텍 연료극 열 DC 전력변환장치 배열이용장치 AC 전기 난방 냉방 사용된다. 또한, 연료전지스택은공급되는연료의약 80~85% 정도만이반응하게끔설계되기때문에반응하지않은연료의연소를위한스택후방의연소기, 연소된고온가스와스택으로공급되는공기의열교환을위한복열기 (recuperator) 등을필요로한다. 이러한고온형연료전지발전시스템이그림 4에서보는바와같이가스터빈과하이브리드화될경우, 1) 연료전지스택으로가압된공기를공급할수있어스택자체의발전효율이높아지며, 2) 연료전지출구의고온 (600~1,000 C) 반응가스는압축기구동용터빈을구동하는데사용되어시동을제외한운전중에공기공급을위한전력사용이없게된다. 또한, 3) 압축기구동후여분의터빈동력으로추가전력을생산하여결과적으로전체시스템의발전효율증대를가져온다. 현기술수준에서천연가스를연료로하여연료전지발전시스템단독운전으로얻을수있는발전효율은약 45% 수준이며가스터빈과하이브리드시스템을구성할경우현기술수준에서약 60% 에가까운발전효율을얻을수있으며, 미국의경우 2010 년에 70% 이상, 2015년에 80% 이상의발전효율로전력시장에진입한다는목표를가지고있다. 53 AC 연료 DC 연료전지연료공기히터 연소기연료공기송풍기복열기 그림 3 고온형연료전지발전시스템 연소기 공기 연료 AC DC 연료 AC 연료전지 발전기 연료 터빈 압축기 복열기 공기히터 그림 4 가압형혼합형발전시스템 앞서언급한바와같이연료전지는전해질의종류에따라표 1과같이분류되며이중고분자연료전지 (PEMFC), 인산형연료전지 (PAFC), 용융탄산염연료전지 (MCFC), 고체산화물연료전지 (SOFC) 가분산전원으로의적용가능성이높다. 특히용융탄산염연료전지와고체산화물연료전지는반응후얻는고온의배기가스를이용하여수요처의냉난방에활용가능하기때문에 CHP(Combined Heat & Power) 시스템에도매우유리하다. 고분자연료전지고분자연료전지의전해질은고체고분자막으로되어있으며통상 60~90 로운전된다. 다른분산 Journal of the KSME 53 기계저널 -11 월호 CK

22 54 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 표 1 연료전지의종류및특징구분 고분자연료전지 인산형연료전지 용융탄산염연료전지 고체산화물연료전지 전해질 나피온 ( 이온교환막 ) 인산 용융탄산염 안정화지르코니아 작동온도 60~90 C 200 C 650 C 800~1,000 C 이온종류 H + H + 2- CO 3 O 2- 발전효율 (NG), % 30~42 38~42 50~55 30~55 발전효율 ( 수소 ), % 38~50 47~ 적 용 자동차, 가정용 상업용, 산업용열병합 열병합발전용 열병합발전용 출력범위, kw 2~200 50~10, ~100,000 1~100,000 개발상황 시제개발및상용화 실용화 시제개발및상용화 시제개발 54 발전용연료전지에비해낮은온도에서운전되는이유는고분자막의이온전도성을높이기위해공급하는물의증발을막기위함이다. 고분자연료전지는고순도의수소를연료로하지만자연적으로는이를얻을수없기때문에천연가스나메탄올과같은연료를개질하여얻는것이일반적이다. 개질후의연료에는수소이외에일산화탄소등과같은다른가스들이포함되어있는데일산화탄소가 50ppm 이상일경우백금촉매전극을부식시켜연료전지성능이저하되는단점을갖고있다. 따라서탄소를포함한모든연료는개질반응후추가적인연료처리가필요하다. 고분자연료전지는수소만을연료로할경우 38~50% 의발전효율이가능하나천연가스등의연료로운전할경우개질에필요한추가연료의사용으로발전효율이낮아진다. 고분자연료전지는전해질로고체고분자막을사용하기때문에취급이용이하며다른연료전지에비해부피와무게가작아가정용이나소규모상업용전원으로유리하며가정에온수를공급할정도의열회수가가능하다. 분산발전용고분자연료전지는현재시제개발단계에서상용화개발단계로넘어가는단계이며선진각국에서상용화를위한개발이활발히진행되고있다. 일본의경우주로 1kW급의가정용시스템개발에초점을맞추고있으며, 미국의경우 5~7kW 급, 국내에서는 1~5kW급의가정용시스템이개발중에있다. 상용화에가장근접한대표적고분자연료전지는미국 Plug Power 사의 GenSys TM ( 그림 5) 로이미 100대이상이전세계적으로설치되어운전되고있다. GenSys 는 5kW전력과 9kW의열을공급하는 CHP 시스템이 며계통연계및단독운전이가능하다. 현재 GE를포함한관련업체들과의협조하에기술협력및판매망확충에힘쓰고있다. 인산형연료전지인산형연료전지의전해질은액체형태의인산이며약 200 C에서운전된다. 전해질이액체이기때문에전해질의증발및이온전도등에세심한컨트롤이필요하며고분자연료전지와마찬가지로고가의백금촉매전극이사용되기때문에연료전지로유입되는일산화탄소량이체적분율기준으로할때약5% 이하로제한된다. 인산형연료전지는상업및산업분야전기공급에유리하며 200 C 정도의작동온도는 60~120 C 정도의온수나저압스팀을공급할수있어 CHP 시스템구성이가능하다. 따라서열사용량이비교적많은호텔, 병원및학교등의전원으로적합하다. 인산형연료전지는현재유일하게상용화에성공한연료전지이며 International Fuel Cell/ 그림 5 Plug Power 사의 GenSys 기계저널제 45 권제 11 호 54 기계저널 -11 월호 CK

23 55 기계저널 -11 월호 CK 분산발전용연료전지및연료전지 / 가스터빈하이브리드시스템 ONSI( 현재 UTC Power) 에의해처음상용화된후현재전세계적으로 300여기이상이운전되고 20여기이상이 40,000시간이상운전되는등상용화의필수조건인내구성및신뢰성을확보함으로써상용화의완성단계에있다. 다만향후 50~ 60% 이상의설치비용을절감해야만시장경쟁력을가질수있기때문에설계기술향상및구성부제작단가절감을통한비용절감이상용화의마지막숙제로남아있다. 앞서언급한미국 UTC Power의 PureCell 200 시스템 ( 그림 6) 이가장대표적이고상용화에성공한인산형연료전지이며출력 200kW, 60 C에서 925,000Btu/hr의열회수성능, 발전효율 35%, 총합열효율은 85% 까지육박한다. 국내에서는 1985년에전력연구원에서소규모인산형연료전지를개발운전함으로써본격적인연구개발이시작되었으며현재는 LG정유에서 50kW급시스템이개발되어시험운전되고있다. 인산형연료전지는이미상용화된다른가스엔진, 마이크로터빈등의분산형전원에비해아직도제작및설치비용이높지만열병합시스템으로응용될경우경쟁력을확보할수있을것으로기대된다. 연료처리장치연료전지스택제어장치그림 6 UTC Power 사의 PureCell 200 그림 7 FuelCell Energy 사의 DFC Series 용융탄산염연료전지용융탄산염연료전지의전해질은낮은용융점을가지는탄화리튬과탄화포타슘의혼합물이며전극은다공성니켈로만든다. 저온형연료전지와비교할때용융탄산염연료전지의가장큰장점은일산화탄소, 이산화탄소및수소에대하여내성이있는점이다. 이것은일산화탄소와이산화탄소를분리하는공정을필요로하는저온형연료전지보다초기투자비가낮고시스템설계가매우단순해지는결과를가져온다. 용융탄산염연료전지의운전온도는약 650 이기때문에스택에서발생한반응열로전지내부에서탄화수소기체의개질이가능하여설치비용의 30% 또는그이상의비용을감소시킬수있다. 용융탄산염연료전지도현재시제개발단계에서상용화개발단계로이행되고있으며, 대표적인시스템으로는그림 7에서보는바와같이 FuelCell Energy 사의 DFC300, DFC1500, DFC3000 이있다. 각시스템들의출력은 250kW, 1MW, 2MW이며현재까지설치되어운전된연료전지들중최대출력을보인다. DFC300은약 11,800시간의운전을통해발전효율 45% 의성능을보였으며, 2MW 시스템은 1995년부터 2000년까지미국 Wabash River Energy 사에설치되어실증운전을성공적으로수행하였다. 국내에서는한전을주관기관으로하여 100kW급외부개질형연료전지개발과제가 1993년부터추진되어오고있으며중간단계로 1995년에 25kW 시스템을개발하여전력연구원에서운전하였으며, 최종목표인 100kW 시스템은 2005년 2월에참여업체인중부발전의보령화력발전소구내에설치하여운전을시작하여현재시험중에있다. 고체산화물연료전지고체산화물연료전지는안정화지르코니아라는고체형태의전해질을채택하고있으며운전온도는 800~1000 C로분산발전용연료전지중가장높 55 Journal of the KSME 55 기계저널 -11 월호 CK

24 56 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 56 은작동온도를갖는다. 고온의작동온도에서는수소뿐만아닌일산화탄소도전기화학반응을통해전기를생산하며용융탄산염연료전지와마찬가지로스택내부에서촉매없이연료가개질된다. 이는개질에필요한별도의열공급이나저온연료전지에서와같은고가촉매전극이불필요함을의미하며설치비용저감을가져온다. 하지만고온에서운전될경우셀및스택구성에필요한재료의열및기계적특성이엄격하게요구되며새로운세라믹, 금속 / 세라믹복합재, 고온합금등의고가재료및이들의제작에필요한고가제작공정때문에결국설치비용은다른연료전지에비해상대적으로높다. 따라서좀더낮은온도 600~700 정도의온도범위에서운전되는중온형연료전지개발에초점이맞춰지고있다. 고체산화물연료전지는크게원통형과평판형으로분류되는데원통형은대형화에유리하여상업용또는산업용분야의대용량발전에적합하며평판형은통상 300kW 이하의소용량으로자동차용이나가정용으로쓰인다. 현재가장선도적으로분산발전용고체산화물연료전지시스템을개발하고있는그룹은미국의 Siemens-Westinghouse 사이며 1kW에서 250kW( 그림 8) 까지의시제기제작및운전을통하여상용화에충분한발전효율과운전시간을확보하였다. 현재 125kW급상용화 CHP 시스템 (SFC-200) 을출시할예정이며, 발전효율은 44~47% 총합열효율은 80% 정도로예상하고있다. 이밖에도, 영국의 Rolls-Royce, 일본의 Mitsubishi 등이수백 ~ 수천kW 시스템개발을진행중이며수kW~ 수십kW의가정용이나소형상업용시스템은미국의 SOFCo 사, Honeywell 사, GE 사, 캐나다의 Fuel Cell Technologies Ltd.( 그림 9), 스위스의 Sulxer-Hexis 사등의업체들이상용화개발에박차를가하고있다. 국내의고체산화물연료전지관련연구개발은몇년전까지단전지개발, 수백W급스택시험등의수준에머물러있었으나최근고체산화물연료전지의장점이부각되면서자동차용이나가정용과같은소용량시스템의연구개발이활발히진행되고있다. 그대표적인 예로최근전력연구원, KAIST 등이공동으로수행하고있는가정용 1kW급중온형고체산화물연료전지시스템개발을들수있다. 연료전지 / 가스터빈하이브리드시스템하이브리드발전시스템은고온형연료전지 ( 용융탄산염또는고체산화물연료전지 ) 와고온열원을필요로하는기존의열동력기관 ( 가스터빈 ) 의상호보완적결합을통한고효율전력생산을목표로한다. 다른특성의동력원을통합하는데생기는기술적어려움과고비용등의이유로다른연료전지에비해상용화가늦게진행되고있지만향후고온형연료전지시스템의고효율화를위해반드시필요한단계임에이견이없기때문에전세계적으로연구개발이활발히진행되고있다. 현재하드웨어가개발된시스템은미국 Siemens-Westinghouse 사의 PH200( 그림 10) 과 PH300( 그림 11) SOFC/ MGT System과 Fuel Cell Energy 사의 300kW급 MCFC/MGT System( 그림 12) 이며, 가장상용화에근접해있다. PH200은자체개발한원통형고체산화물연료전지와 Ingersoll- Rand 사의마이크로터빈 (MGT) 을이용해개발된 그림 8 Siemens-Westinghouse 사의 250kW CHP 시스템그림 9 Fuel Cell Technologies Ltd. 사의 5kW 발전시스템 (off-grid) 기계저널제 45 권제 11 호 56 기계저널 -11 월호 CK

25 57 기계저널 -11 월호 CK 분산발전용연료전지및연료전지 / 가스터빈하이브리드시스템 세계최초의가압형하이브리드시스템이며, 약 3,000시간의시운전을통해성능을평가한결과평균출력 190kW, 발전효율 53% 의성능을보였다. 위시스템은연료전지와가스터빈하이브리드화기술의가능성을증명하였으나, 시스템의최적화를위해필요한많은기술적과제들을남겼다. PH200 의개발경험을토대로개량된모델이 PH300이며약 500시간의공장시험결과출력은 220kW로증가하였으나, 발전효율은예상치 (55%) 를밑도는 47% 로나타나현재효율저하원인을분석중에있다. 한편, Fuel Cell Energy 사의시스템은하이브리드발전시스템의또다른형태인상압형 ( 연료전지가터빈의후방에위치하여상압에서운전됨 ) 이며 자체개발용융탄산염연료전지와 Capstone 사의 30kW 마이크로터빈을이용해설계 / 제작되었다. 이시스템은 Fuel Cell Energy 사가계획하고있는약 40MW급의대형하이브리드발전시스템의달성여부및적합성검증을위해개발되었으며, 약 6,700시간의운전평가결과출력 280kW, 발전효율 52% 의성능을보였다. 최근에는운전결과를바탕으로 Capstone 사의 60kW 마이크로터빈을새로도입하여시스템을재구성하고있으며, 40MW시스템의개념설계를수행중이다. 이밖에도일본의 Mitsubishi 사가자사의고체산화물연료전지와마이크로터빈을결합한 350kW급하이브리드시스템개발을계획하고있으며유럽연합에서도 Rolls-Royce 사가중심이되어 250kW급가압형하이브리드시스템을개발중에있다. 2002년부터는국내에서도한국항공우주연구원이중심이되어 200kW급하이브리드시스템개발이시작되었으며 1단계종료시점인현재파일럿플랜트를제작, 시험운전이진행되고있다. 57 그림 10 Siemens-Westinghouse 사의 PH 200 hybrid system 그림 11 Siemens-Westinghouse 사의 PH 300 hybrid system 그림 12 FuelCell energy 사의 DFC/T hybrid system 연료전지와하이브리드시스템과같은연료전지응용시스템은차세대분산발전동력원이필요로하는고효율, 저공해, 설치용이성, 신뢰성및연료호환성등의장점을고루갖추고있어향후에도많은연구개발과상용화노력이있을것으로예측된다. 하지만앞서살펴보았듯이분산발전용연료전지및하이브리드시스템은일부를제외하고는국내에서뿐만아닌선진국에서도시제개발단계에머무르고있기때문에급속히도래하고있는분산발전시장에서타동력원들보다경쟁력있는발전시스템이되기위해서는좀더과감한투자와기술혁신이필요한때이다. 따라서상용화의가장큰걸림돌이되고있는짧은수명, 고가의설치비용등의문제는소재개발, 저가의연료전지제작공정개발, 시스템구성부의제작비용절감등의노력을통하여신속히해결되어야할것이다. Journal of the KSME 57 기계저널 -11 월호 CK

26 58 기계저널 -11 월호 CK 테 마 기 획 분산발전 열병합발전은에너지의효율적이용이라는측면에서오랫동안관심의대상이되어왔으나, 적극적으로보급이이루어지지못해왔던것이사실이다. 그러나최근에대형발전설비위주의중앙집중형발전시스템의단점을보완하고, 지역적으로분산된소형에너지수요가증가하는것에대처하는방안으로서분산발전시스템이급부상하면서이와연계된효과적에너지사용방안으로서다시조명을받기시작하였다. 이글에서는분산발전과연관된열병합발전의대해서전반적인사항들을정리하고자한다. 김동섭 / 인하대학교기계공학부, 교수 kts@inha.ac.kr 다. 즉, 40% 에가까운에너지절감이가능하다. 58 발전시스템은연료의에너지를전력으로변환하는과정에서상당량의열에너지를만들어낸다. 대형발전소에서는 2/3 내외의연료에너지가열로배출되는데, 일반적으로는열에너지를필요로하는사용처와의거리적으로떨어져있거나필요로하는열에너지수요가배출되는열량과잘부합되지않는등의문제들로인하여배출되는열을회수하여최적의열병합시스템을구축하는것이그리쉽지않다. 반면에, 분산발전은부하가요구되는곳에설치되고또한부하크기에적합하게설치되기때문에열에너지를보다경제적으로회수하는것이가능하다. 열병합발전시스템은다량의에너지사용이불가피한산업분야 ( 제지, 정유등 ) 에서 100년이상동안증기와전력수요를만족하는데사용되어왔으며, 다양한용량과형태로발전하여왔다. 또한국내에서많이사용되는바와같이때로는대형발전설비를위주로하여지역난방과연계된시스템으로발전되기도하였다. 열병합발전이화석연료에너지시용을절감한다는것은이미잘알려진것으로서그림 1은이러한점을강조하여나타내주는계산예이다. 현재의평균적인구성기기들의에너지이용률 ( 또는효율 ) 을감안하여간단히계산해보면열과전력을별도로공급하는전통적인방법이 30의전력과 50의열발생을위하여 163 정도의에너지투입이필요한반면에열병합발전에서는 100의입력만투입하면된 열병합발전을위하여표 1에비교하여나타낸것과같이다양한원동기들을사용할수있다. 이들중일부는비교적성숙된기술들이고일부는이제막시장에진입하고있는것들이다. 왕복동엔진대체로디젤엔진이나이를개조하여천연가스를연료로이용하는가스엔진이사용된다. 왕복동엔진들에서는냉각수, 배기가스그리고엔진표면에서의복사등으로열에너지가방출되는데, 일반적으로냉각수와배기가스의배열을회수하므로서 70~80% 의총합효율을달성한다. 냉각수의에너지함량은약 30% 정도이며, 100 C 이하의온수를생산한다. 발전소연료 (100) 보일러연료 (63) 보일러 계통 70 ( 손실 ) 전기 열 열병합발전시스템은순차적으로전기와열을생산함. 열병합발전 전기 열 열병합발전 (100) 재래식 20 ( 손실 ) 발전 13 ( 손실 ) 그림 1 전통적인방법과비교한열병합발전의에너지절감효과 열병합발전연료 기계저널제 45 권제 11 호 58 기계저널 -11 월호 CK

27 59 기계저널 -11 월호 CK 분산발전과열병합발전 표 1 분산열병합발전용원동기들의비교 디젤엔진 천연가스엔진 가스터빈 마이크로터빈 연료전지 스털링엔진 전력효율 30~50% 25~45% 25~40% ( 단순사이클 ) ( 저위발열량기준 ) 40~60% ( 복합사이클 ) 20~30% 40~50% 25~40% 부분부하성능 최고 좋음 나쁨 나쁨 - 좋음 용량 (MW) 0.05 ~ ~ 5 3 ~ ~ ~ ~ 0.1 열병합발전설치비용 ($/kw) 800 ~ ~ ~ ~ 시동시간 10 초 10 초 10분 ~ 1시간 60초 3 ~ 48시간 60초 연료압력 (psi) <5 1 ~ ~ ~ ~ 45 - 천연가스, 천연가스, 천연가스, 수소, 연료 디젤, 잔사유 바이오가스, 바이오가스, 바이오가스, 천연가스, 모든종류 프로판 프로판 프로판 프로판 온수, 온수, 온수, 배기열직접이용, 온수, 지역난방, 열회수이용 저압증기, 저압증기, 저압-고압증기, 온수, 저압-고압증기 온수, 지역난방 지역난방 지역난방 저압증기 저압증기 열병합발전출력 (Btu/kWh) ~ ~ ~ ~ ~ 6000 열병합용이용온도 ( C) 80 ~ ~ ~ ~ ~ ~ 550 엔진배기열은 10~30% 이며온도는 420~ 650 C 이다. 배기가스로는온수를생산하거나저압증기를생산한다. 가장보편적인열회수방법은그림 2에보인폐회로고온수냉각시스템이다. 엔진유로를통한강제순환냉각과외부열교환기를사용하여엔진을냉각한다. 이외에도엔진에서냉각수가비등하면서자연대류로순환하도록시스템을꾸밀수도있다. 이러한경우에는온도가일정하게유지된다는장점이있으며, 배기가스를이용하여저압증기를생산하는것과연계되어사용되는경우가많다. 증기터빈증기터빈기술은가장보편적이고오랫동안사용 수요자열교환기 배기 되어온것으로서중대형용량 ( 수십MW 이상 ) 에서열병합발전으로많이사용된다. 증기터빈발전소에서는고온, 고압의증기가증기터빈을구동하여전력을생산하는데, 전력만생산하는경우에는터빈팽창후의저온, 저압 ( 대기압이하 ) 증기를다시응축시킨뒤펌프로재순환하여사용한다. 한편대기압이상의압력에서증기를배출 ( 배압터빈 ) 하여공정용증기등으로사용할수있다. 이러한배압터빈의특별한예로서는증기압력강하용으로밸브대신증기터빈을이용하는것이다. 즉, 공정용스팀라인에서감압밸브대신터빈을사용함으로써추가적으로전력을생산하고필요압력에맞추어감압된증기는열수요를충당하도록고안된방법이다. 이분야에서는경제적이면서도 1MW보다작은용량의증기터빈도가능하다. 이외에도추기터빈을이용할수도있는데, 이는터빈중간에서증기를일부추출하여열수요를만족하도록사용하는방법이다. 59 추가열교환기 열회수 오일냉각기 엔진 기어박스 가스터빈가스터빈은그용량범위가매우넓은데대체로수 MW급에서효과적으로 ( 경제적으로 ) 열병합시스템 냉각수 을구성할수있다고알려져있다. 가스터빈은배기 그림 2 왕복동엔진에서폐회로열회수 가스의온도가상당히높기때문에 (500 C 이상 ) Journal of the KSME 59 기계저널 -11 월호 CK

28 60 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 60 온수뿐아니라다목적으로활용도가높은중압이상의증기를생산하는것이가능하다. 이렇게회수된열은난방용이나공정용뿐아니라흡수식냉동기를구동하여냉수를생산하도록사용할수도있다. 일반적으로 2~4 bar, 높게는 10bar의포화증기를생산하여이증기로서흡수식냉동기를구동한다. 최근많은수요처특히도심건물에서는동절기의온열부하에더하여하절기에는냉방부하가상당히크다. 하절기냉방부하는전기구동냉동기를사용하면전력부하이지만흡수식냉수발생기처럼열구동기기를사용하면열부하가된다. 따라서다른원동기에비하여열공급능력이월등히큰가스터빈에배기열을사용하는흡수식냉동시스템을추가하면냉방부하도열부하로서처리하거나적어도냉방부하의큰부분을감당할수있다. 최근가스터빈열병합패키지는냉방과난방을함께처리가능하도록설계되는시스템이등장하고있다. 이렇게전력, 온열부하, 냉방부하를함께처리하도록설계된시스템을 trigeneration이라고도부른다. 한편생산한증기의일부를연소기를비롯한가스터빈내부에다시분사하는것도가능한데, 이렇게되면회수열량은감소하지만가스터빈의전기생산량은증가한다. 특정한비율로증기분사율을고정해두어도되지만더욱적극적으로각순간의열및전기부하비율변화를고려해서증기분사비율을능동적으로바꿀수도있다. 이렇듯증기분사율을조절하여열과전기의부하비율변화가가능한시스템을열전가변형가스터빈이라부른다. 그림 3은이러한시스템의구성도이다. 열과전기부하변화에능동적으로대처하는시스템으로서활용도가높다. 마이크로터빈마이크로터빈은소형가스터빈 ( 대체로 200~ 300kW 이하 ) 을일컫는용어이다. 그러나마이크로터빈은몇가지점에서독특한특징을갖는다. 먼저마이크로터빈급소형가스터빈에서는대형가스터빈에서사용하는고온부냉각기술을사용하기힘들므로터빈입구온도가낮게설계된다 ( 중대형가스터빈은최고온도가 1,200 C 이상이고, 마이크로 터빈급에서는 950 C 이하임 ). 따라서압축기, 연소기, 터빈으로만구성되는단순사이클로는열효율이너무낮기때문에재생열교환기를터빈출구에설치하여압축기에서나온공기를가열함으로써연소기에서의열입력을줄여서경제성있는효율을확보하도록설계한다. 또한마이크로터빈은소형이므로축회전수가매우높게설계될수밖에없는데, 감속기어를사용하게되면감속비가너무커지기때문에사실상제작이불가능하다. 이러한이유로인하여일종의전류인버터인디지털출력제어기를사용하여고주파교류를직류로 1차변환한뒤이를다시저주파의교류로변환하여사용자에게공급한다. 한편재생열교환기를사용하면전력효율은증가하는반면에가스터빈배기가스온도가상당히낮아진다 ( 약 250 C 내외 ). 즉, 높은압력의증기를생산하는것이어렵게되는단점이있다. 그러나고온수의생산은충분히가능하고, 총합효율 80% 에가까운열병합시스템설계도가능하다. 또한흡수식냉온수기를사용한냉난방시스템으로도사용될수있다. 마이크로터빈의또하나의장점은배기가스가상당히청정하다는것이다. 이때문에배기가스를직접사용할수도있는데, 예를들어공정용건조시스템, 농업용온실등에도사용가능하다. 대체로마이크로터빈은소형이고컴팩트하기때문에고온수생산시스템, 흡수식시스템및기타응용시스템들과묶어서패키지형태로보급되기도한다. 그림 4는온수발생기가포함된마이크로터빈패키지의예를보여준다. 가스터빈과마이크로터빈의또하나의장점은다양한연료 공기 연료 가스터빈 그림 3 열전가변형가스터빈 공정용 증기 배기 열회수증기발전기 물 기계저널제 45 권제 11 호 60 기계저널 -11 월호 CK

29 61 기계저널 -11 월호 CK 분산발전과열병합발전 를사용할수있다는점이다. 즉, 각사용처별로가장경제적이고풍부한연료를사용할수있다는점이매우큰이점이되며, 특별히소규모의분산발전에있어서이러한연료이용면의장점이크게부각된다. 최근에는마이크로터빈을이용하여바이오가스, 폐기물가스등을활용하는예가늘고있다. 연료전지연료전지는앞서설명한다른원동기들에비하여아직보급이많이이루어지지도못하며, 일부연료전지들은아직기술적인성숙도가낮아본격적인상용화에이르지못하고있다. 그러나청정전력발생장치로서각광을받으면서다양한응용분야에서개발이이루어지고있으므로추후전망은밝은편이다. 연료전지를작동온도별로구분하면고분자전해질연료전지 (PEMFC) 는 100 C 이하로서저온형으로구분되며, 용융탄산염연료전지 (MCFC) 와고체산화물연료전지 (SOFC) 는각각작동온도가 600~700 C, 600~1,000 C로서고온형으로불린다. 인산형연료전지 (PAFC) 는 200 C 정도로서현재까지는상용화가가장많이이루어져있으나앞으로는 PEMFC, MCFC, SOFC 등의비중이높아질것으로예상된다. 연료전지는연료의화학에너지를직접전기에너지로변환함으로써효율이다른열기관들에비하여높다는장점이있다. 연료전지의형식에따라서열병합용으로사용가능한열원의온도가정해지고, 결국열병합시스템의응용분야도달라진다. PEMFC, PAFC 등중저온형연료전지에서는저압증기나온수를생산하게되고, MCFC, SOFC 등고온형연료전지는고압증기를생산하게된다. 따라서열병합발전측면에서는고온형연료전지가유리하다. 현재고온형연료전지는수백kW급및 MW급소형발전시스템을위해서개발됨과동시에전기와열을모두발생시키는수kW 이하급의가정용발전기 (residential power generation) 의개발도이루어지고있다. 이에더하여고온형연료전지는역시고온의작동온도가필요한가스터빈과결합하여소형이면서도 60% 대의높은효율을갖는하이브리드시스템을구성할수있으며, 현재신기술분야로서기술개발이이루어지고있다. 스털링엔진스털링엔진은고안된역사와이론적으로매우높은효율을생각하면실용화가더디게이루어진편이다. 그만큼기술적으로실현하는것이어려웠던것이다. 스털링엔진은외연기관형태로제작되며, 다양한연료를모두사용할수있다는장점을가진다. 특히폐열을회수하고이를열원으로활용하여엔진을구동하는것도가능하다. 최근몇몇유럽업체들을중심으로주거용마이크로열병합시스템을개발하려는시도가진행중이다. 이러한매우작은용량에서도 30% 이상의효율이가능하다고보고되고있다. 열병합발전은비용절감뿐만아니라상당한공해배출물감소를가져온다. 특정한응용분야에적합한열병합발전기술을선택하는것은필요한전력량, 부하형태, 공간적제약, 열수요, 배출물규제, 가용한연료종류, 공공에너지비용 ( 구입하는전력및 1차연료비용 ) 을포함한여러가지요인에의존한다. 특정응용분야에대해기술적으로그리고경제적으로타당한열병합발전시스템을설계하기위해서는자세한엔지니어링및현장자료가필요하다. 엔지니어링정보는전기및열부하형태, 용량계수, 연료종류그리고원동기의성능특성을포함해야한다. 또한최대허용소음수준, 부지의제약등현장상황도고려해야한다. 전기및열부하형태열병합발전의타당성을분석하는첫걸음은정확한전기와열부하자료를구하는것이다. 특히열병합발전에서생산한전력을계통 (grid) 에송출할수없을때이문제가중요해진다. 이런경우는일반적으로부하추종형응용분야로서원동기가수요에맞는전력을생산하도록설계된다. 기저부하형열병합발전응용분야는계통으로전력을송출하고최소한의열부하를만족시킨다. 원동기의용량이어느정도나활 61 Journal of the KSME 61 기계저널 -11 월호 CK

30 62 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 62 용되는가를표시해주는척도를용량계수 (capacity factor) 라부른다. 실제에너지소모량용량계수 = 원동기최대용량 8760시간 용량계수가낮다는것은피크형응용이라는뜻이다. 대부분의열병합발전시스템에서경제적이득을최대한얻기위해서는높은용량계수가바람직하다. 그렇게되면에너지비용 ($/kwh) 을줄이고계통으로부터구입하는경우에비하여경쟁력이높아진다. 회수되는열의특성사용자가요구하는열에너지의조건이열병합발전시스템의적합성또는원동기의선택에영향을미친다. 가스터빈은가장양질의열을제공한다. 고온의배기가스는고온, 고압의증기또는저압증기및온수등다양한형태의열에너지를발생시킬수있다. MCFC, SOFC 등의고온형연료전지도양질의열에너지를생산할수있다. 왕복동엔진이나 PAFC 등은저압증기나온수등상대적으로저급한열에너지를생산한다. 따라서왕복동엔진은열부하가전기부하보다상대적으로낮은곳에적합하다. 소음연료전지의설치비용은다른것들에비하여상대적으로높긴하지만안정적운전이매우중요한분야에서유용할수있다. 또한상대적으로조용한운전특성은특별히상업지역에적용되는데이점이된다. 터빈이나엔진을거주지역에설치하려면특별한주의와설계수정이필요하게된다. 엔진이나터빈은소음방출을줄이기위해서인클로저내부에설치하며, 배기구에소음기가요구되기도한다. 가스터빈에서는배기가스유량이많기때문에가스속도가높고그로인한소음도발생하기도한다. 입구공기필터에도소음기가설치되기도한다. 왕복동엔진에있어서는방출된복사열을처리해주기위해서환기에주의하여야한다. 따라서인클로저내부보다는더큰공간에설치되는것이바람직하다. 연료 특정원동기가모든연료를다사용될수있는것 은아니므로연료도열병합시스템을계획하는데주 요한인자이다. 표 2는연료별열병합발전비용비 교이다. 천연가스를사용하는가스터빈이나가스엔 진등에서는사용자에게공급되는천연가스압력이 중요한문제가될수있다. 고압천연가스공급이불 가능하다면사용자가가스압축기를설치하여야한 다. 이러한문제를고려하여마이크로터빈등소형 원동기들의경우에저압가스도사용가능하도록가 스압축기를포함한패키지로공급되는예도있다. 표 2 연료별열병합발전비용비교 연료종류 설치비용 연료비용 운전 / 유지비용 석탄 중간 낮음 중간 천연가스 낮음 낮음 낮음 석유 중간 중간 높음 폐열 중간 없음 중간 바이오가스 중간-높음 낮음 높음 열병합발전의경쟁력은전력및가스가격, 기술자체의가격 ( 원동기패키지열회수기및보조기기 ) 과성능, 규모와응용분야로대표되는사용자의요구조건등을중심으로평가될수있다. 일반적으로운전특성은기저부하, 중간부하, 피크부하로구분하며, 대체로이순서대로전력생산단가 ($/kwh) 가증가하게된다. 패키지가격, 열회수설비가격, 기타보조기기 (BOP) 가격은응용분야별로큰차이가나므로열병합발전계획단계에서정확한평가를통해이가격들을산출하여야한다. 운전비는연료가격뿐아니라기타비용 ( 연료계통상의유지에필요한비용, 예를들어엔진에서는점화플러그, 연료전지에서는스택교체등 ) 들을포함한다. 이러한기준을기초로하여자세한항목별로비용을산출하여최종전력생산비용을계산할수있다. 그림 5는열병합발전을사용하는경우와중앙형발전소의전력을사용하는경우를비교한예 ( 미국 ) 를보여준다. 대상은가스터빈발전설비이다. 열병 기계저널제 45 권제 11 호 62 기계저널 -11 월호 CK

31 63 기계저널 -11 월호 CK 분산발전과열병합발전 합시스템의비용은연료, 고정비용운전및유지비용을다포함한다. 부하분담률이높을수록 ( 즉앞서정의한용량계수가클수록 ) 상대적으로경제성이좋아진다. T&D는전력이송과배전 (transmission and distribution) 에의한손실과비용을의미한다. 기저부하로사용하면이 T&D 비용을제외하고도기존발전방식과유사한경제성을보인다. 비록, 열병합발전의경제성이여러가지요인에의하여변하기는하지만, 이예제를통해서열병 배기구소음기공기입구제어판 보일러열교환기재생기가스터빈영구자석형터보발전기 그림 4 마이크로터빈 / 열회수장치패키지예 피크처리용 중간부하처리용 150 M/W 단순사이클 그림 5 열병합발전과기존발전방식의전력생산단가비교 $/kw DG(5M/W 가스터빈 ) 225M/W 복합발전 열병합발전 (5M/W 가스터빈 & 열회수증기발생기 ) 기저부하처리용 225M/W 복합발전열병합발전 (5M/W 가스터빈 & 열회수증기발생기 ) 보일러증기 전기점화내연기관 가스터빈 그림 6 분산발전용원동기의가격변화 출력조절부 소매가격비교 ( /kwh) 마이크로터빈스털링엔진 발전소발전전력이송및배전 인산형연료전지 고분자전해질형연료전지 500 가스터빈복합잘전디젤 합발전이충분히경제성이있음을확인할수있다. 그림 6은여러가지열병합발전용원동기들의연도에따른가격 ( 제작혹은판매단가 ) 변화를보여준다. 모든원동기들의가격이낮아지는데, 특별히몇몇원동기들은다른것들에비하여월등히빠른속도로가격이감소함을보여준다. 연료전지, 스털링엔진등이제막시장에나타나기시작하는것들은현재는다른것들보다훨씬비싸지만가격감소율도큰것이사실이다. 한편, 과거에는대체로사이즈가작으면단가가상승하는경향이있었으나, 최근생산기술및재료, 센서류기술진보덕분에더이상그렇지만은않은것으로보인다. 오히려현재에는가격을좌우하는더중요한요소는대량생산이가능한가의여부이다. 효율이미그림 1을통해서열병합발전시스템이기존의방식 ( 중앙집중식으로생산된전력을사용하고열에너지는별도로사용자가생산 ) 에비하여얼마나더효율적으로운전되는지예시한바있다. 이그림에서는기존발전설비의효율을평균 30% 로다소낮게가정하였지만, 미래에는이보다더높을것이다. 그럼에도불구하고잘계획되고설계된열병합발전의총합효율이 80~90% 를유지할것이므로여전히상당한에너지절감이가능하다. 더욱이중앙집중식발전에서전력이송과배전손실이 4~7% 정도임을감안하면이러한손실이없는열병합발전의이점이더욱부각된다. 공해배출물감소열병합발전은에너지이용효율을높임으로써온실효과원인인 CO 2 와주요공해배출물인 NOx, SOx를상당량감소시킨다. 그림 7, 8은 NOx와 CO 2 배출량을전력생산방법별로그리고연료별로비교한것이다. 청정연료에의해서도배출물이줄어들지만효율도배출물감소에영향을미친다. 이러한환경측면의이점이에너지자원의효율적이용과함께열병합발전의보급을확대시키는중요한요인으 63 Journal of the KSME 63 기계저널 -11 월호 CK

32 64 기계저널 -11 월호 CK 테마기획 `` 분산발전 64 로작용할수있다. 부수적이득 분산발전및이와연계된열병합발전의비중을높이도록전력산업이개편되면, 열병합발전과분산발전이계통연계를통해서배전업계를지원하게된다. 또한열병합발전을통해서소비자도다양한이점들을갖게된다. 신뢰성이향상되고부하관리에있어서유연성이높아지며 ( 계통에연계된경우 ), 전력과가스가격간에중재역할도담당하고, 피크부하처리와향상된에너지저장을포함하여전체적인에너지관리능력이향상된다. 이러한이득의정도는설비의특성, 사용하는에너지의형태와양, 부하형태, 전기와가스가격및기타여러요인에의존한다. 석탄석유전력생산만하는경우복합발전공공증기터빈 200MW (9 ppm) =7% T&D Losses 그림 7 NO x 배출특성비교 석탄석유전력생산만하는경우 그림 8 CO2 배출특성비교 분산발전은전력을수요자에인접한위치에서직접생산하여공급함으로써전력신뢰성향상을포함하여다양한이점이있기때문에전력산업에서비중이점차확대될것이다. 특히소형원동기제작업체들의관심이어느때보다고조되고있으므로가격경쟁력도향상될것이기때문에이러한전망은더욱밝아질것이다. 분산발전설치분야를크게나누면산업용, 상업용, 주거용등으로구분할수있는데, 어느분야에서든지열부하가전기부하와공존하게된다. 그렇다면분산형전원계획단계에서열부하도동시에감당하는시스템즉, 열병합발전을고려하게되는것은매우당연하다. 그러므로이제는분산발전이라 공공증기터빈 2.8 =7% T&D Losses 열병합발전의 Nox 관련사항 Lbs NOx/MWh 희박연소왕복동엔진 <1000HP (7gm/ Hp h) 당량비연소왕복동엔진촉매변환기 열병합발전의지구온난화관련사항 0.45 복합발전가스터빈 200MW 1.1 천연가스 천연가스 Tons CO 2 /Mwh 왕복동엔진 <1000kW <1000HP (15gm/ Hp h) 열병합발전 열병합발전 5MW 가스터빈 5MW 가스터빈 (9 ppm) <0.001 연료전지 미국공공시설 2000 년 미국공공시설, 2000 년 기보다는분산형에너지시스템이라는더욱확장된개념으로접근하는것이더욱합리적이라판단된다. 더욱이열병합시스템은총체적인에너지절감효과뿐만아니라이산화탄소를비롯하여유해배출물까지도상당량감소시키는효과가있으므로당연히국가적차원에서지원하고보급확대를도모해야할것이다. 그러나분산형에너지시스템이라하더라도수요처의상황 ( 전기와열부하특성, 계통연계여부, 연료및전기비용등 ) 에따라서적합한원동기를선정하고, 열회수시스템과보조시스템을최적으로설계하며, 최적의운전전략을세우는것이경제성확보에관건이된다. 분산발전과열병합발전사이의관계는결코하나가다른하나를이끌고나아가는관계라기보다는서로보완적으로시너지효과를발휘하여동시에시장을개척하는상호보완적관계로판단된다. 평균 1.06 평균 기계저널제 45 권제 11 호 64 기계저널 -11 월호 CK

33 65 기계저널 -11 월호 CK 기술임. 주4) 가솔린엔진이고출력을요구하는버스등에사용되지못하는원인과같음. 65 Journal of the KSME 65 기계저널 -11 월호 CK