2016-062 호 (2016.11.14.) 미래형에너지시스템소형스털링엔진 발전시스템기술개발동향 - 1 -
미래형에너지시스템소형스털링엔진발전시스템기술개발동향 한국가스공사연구개발원김형태연구원 Ⅰ. 개요 1. 소형스털링엔진발전시스템기술개발의중요성 가. 소형스털링엔진발전시스템 1) 원인기후변화등으로에너지효율을높이려는움직임은국제적추세이다. 이에국내에서도고효율기기에대한요구가갈수록강해지고있다. 또한전기에지나치게치중된우리에너지편중성은전력피크위기문제로국가에너지안보를위협하고있다. 이러한문제들를동시에해결하는데크게기여할것으로기대되는녹색기기가있다. ' 스털링엔진 ' 이바로그것이다. 선진국들은 CO2 규제대응방안중하나로스털링엔진적용연구가활발히진행되고있다. 특히일본의 Rinnai 및유럽의 Baxi, Remeha 등의보일러회사를중심으로스털링엔진의고효율, 저소음, 배기가스의청정성등의장점을특화한가정용열병합발전시스템의상용화개발및보급단계에있다. 스털링엔진은 19 세기초반영국의 Robert Stirling 에의해열공기엔진 (Hot Air Engine) 으로개발된외연기관으로, 피스톤과실린더로이루어진밀폐공간내에헬륨, 수소등의작동가스를밀봉하고, 이를외부에서가열, 냉각시킴으로써발생하는피스톤의운동을통해기계적인에너지를얻을수있다. 1930 년대네덜란드의필립스사에의해군용발전기로본격적인개발이시작되었으며, 1960 년대수백 kw 급에이르는다양한엔진이개발되었다. 1970 년대필립스및포드사에의해저공해, 탈석유, 연비향상등을위한차세대자동차용엔진을위한승용차탑재용스털링엔진으로개발된바있으며, 발전용, 태양열발전, 열펌프, 우주용등의목적으로다양한형태의엔진이개발, 적용된바있다. 외연기관인스털링엔진은가스 / 액체 / 고체연료를모두사용할수있으며, 연소조건의최적화및제어를통해청정한연소가가능하고, 배기열손실이없고, 재생열교환기에의한열회수로인해원리적으로가장높은열효율을달성할수있다. 또한왕복동방식의내연기관에비해소음과진동이현저하게작아실내설치조건에도적합하여소형가정용 - 2 -
열병합발전시스템의동력원으로적합한것으로평가받고있다. 이러한장점을가진 미래형에너지시스템소형스털링엔진기술개발동향에대해서알아보고자한다. 2) 스털링엔진의작동원리및구성스털링엔진은이상적인열역학사이클인카르노사이클과동등한효율의스털링사이클을기반으로하며, 스털링사이클은등온팽창, 등적냉각, 등온압축, 등적가열의 4 개과정으로구성된다. 이상적인스털링사이클은두개의피스톤과재생열교환기 (regenerator) 로구성되며, 압축피스톤의이동을통해압축된작동유체는압축및팽창피스톤의이동에의해재생열교환기를통과하면서가열되고, 연속적인팽창피스톤에의한팽창을통해고온열원 ( 열교환기 ) 으로부터열을흡수한다. < 그림 1> 스털링엔진의형식 고온의작동유체는팽창및압축피스톤의이동에의해재생열교환기를통과하면서저온으로냉각된다. 이와같은 4 개의과정을나타낸열역학선도 ( 압력-체적, 온도- 엔트로피선도 ) 이다. 실제의스털링엔진은압축피스톤을팽창피스톤에대해 90 도의위상차로구동함으로써이와같은스털링사이클을구현한다. 스털링엔진은고온열교환기, 재생열교환기, 저온열교환기의 3 종류열교환기와복수의피스톤으로구성되며, 압축및팽창피스톤이 2 개의독립된실린더에구성되는 α 형, 하나의실린더에두개의피스톤 ( 동력피스톤, 변위기 (displacer)) 을배치하는 β 형, 동력피스톤과변위기가별개의실린더에배치되는 γ 형, 다기통화된 Dual-acting 형스털링엔진등으로구분된다. 또한기계적구동형의 kinematic 스털링엔진과이를제거한자유피스톤을사용하는 FPSE(Free Piston Stirling Engine) 로분류할수있다. - 3 -
스털링엔진은피스톤의선형운동을회전력으로변환하여동력을출력하며, 회전부가없어원리적으로측력이발생하지않아무윤활의운전이가능하고, 구동부의부품이작아유지보수기간에서장점이있는 FPSE 는, 동력피스톤과변위기를직선구조로배치하여 β 형엔진을구성하여동력피스톤에선형발전기 (linear alternator) 를직접연결할수있어, 소형발전용으로적합한엔진형태이다. FPSE 는일반적으로두개의피스톤과재생기, 열교환기로구성되며, 질량-스프링시스템의공진주파수로운전되고, 변위기상부에서연소기로부터의열전달을통해시스템의압력이상승되며, 변위기하부에서의냉각을통해시스템의압력이감소한다. 이와같은압력의변화는동력피스톤의운동을발생시키며, 동력피스톤과연결된선형발전기의코일또는자석의운동에따라전기가발생된다. 스털링엔진의효율은고온부의작동온도, 작동압력에따라변화하며, 고온의경우고온특성이양호한소재의도입이불가피하여적절한온도의선택이요구되며, 고압의경우압력용기설계의부담으로작용하기때문에적절한범위의작동압력으로의설계가요구된다. 스털링엔진의작동유체는고효율을위해높은열전도도와낮은점도를가진수소및헬륨등이주로사용되며, 이로인해누설을방지하기위한고성능의밀봉기구의도입이요구된다. 한편스털링사이클을기반으로스털링냉동기 (Stirling cryocooler) 가개발되어 1950 년대이후가스액화, 적외선센서냉각, 우주등의극저온냉동분야에서상업 / 양산화되어활발히사용되고있으며, 주로일본을중심으로열펌프응용분야등다양한냉동분야에적용된바있다. 3) 가정용스털링엔진열병합발전시스템스털링엔진소형열병합발전시스템은 1 kw 급스털링엔진과콘덴싱보일러를통합한가정용열병합발전시스템으로발전효율 20%, 총효율 97% 이상의에너지고효율기기로서 1 차에너지절감을 25% 이상달성할수있는시스템이다. 가정에서필요한전기및온수, 난방수요에따라스털링엔진에서는전기가생산되며, 이과정에서나오는열을회수하여온수및난방에사용되게된다. 이때 1 kw 급스털링엔진에서회수되는열에너지로는가정에서난방과온수를전부담당하기에부족하므로이를보조할수있는콘덴싱보일러가필요하며, 스털링엔진에서회수되는열량과합쳐서가정의난방과온수열량을공급할수있는용량으로선정되어야한다. - 4 -
1. 국내동향 Ⅱ. 동향분석 가. 스텔링엔진을이용한기술개발동향 스털링엔진은열병합발전, 태양열 / 폐열 / 바이오발전, 군사및우주용전원등의다양한 용도로개발되고있다. 1) 자유피스톤방식의스털링엔진발전기개발선형방식의발전기기술을이용해 1kW 급전기출력을발생하는스털링엔진 발전기가국내최초로개발됐다. 한국기계연구원은기존가정용보일러에서온수와 1 kw 의전기를동시에생산할수있는자유피스톤방식의스털링엔진 발전기의원천기술을개발, 국산화에성공했다. 1kW 급의스털링엔진 발전기는현재선진국의한두개회사에서독점적으로생산하고있으며국내에서의연구는그동안기초연구단계에머물러있었다. 선진국에서는주로스털링엔진에단방향선형발전기를접목한방식을주로개발해왔다. 기계연은양방향선형발전기를개발, 전기출력과효율등의기본성능은비슷하나진동과소음을대폭줄일수있게했다. 최근에너지수급불균형과환경문제등으로분산전원및가정용열병합발전시스템에대한관심이높아지고있으며, 선진국을중심으로개발및보급이확대되고있는초소형열병합발전시스템을국내에도도입, 최대전력수요감축과온실가스배출량감소및연료수입비용을절약할필요가있다고말하고있다. 2) 가정용열병합발전기경동나비엔이서울시와함께발전보일러실증보급사업을위한업무계약을채결하고 2020 년까지가정에서직접전기를생산할수있는발전보일러 1 만대를보급한다는계획이추진중이다. 실증보급사업은주택용발전보일러를이용해전기를생산, 사용할수있게끔하는사업인데, 주택용발전보일러는스털링엔진과콘덴싱보일러를결합해전기와온수, 난방에너지를동시에생산할수있는 1kWh 급스털링엔진초소형열병합발전시스템 (m-chp) 이다. 경동나비엔의분산전원시스템인스털링엔진 m-chp 나비엔하이브리젠 SE 은세계에서네번째, 아시아에서처음으로개발된보일러다. 콘덴싱보일러와스털링엔진을하나로결합해온수와난방을위해사용한열을스털링엔진이회수, 재활용을통해전기를생산한다. 발전효율 13%, 종합효율 97% 를자랑하며 70% 의질소산화물 (NOx) 배출저감및 25% 의이산화탄소 (CO2) 배출저감효과가있는친환경제품이다. 가정에서자가발전을 - 5 -
통해사용하고남은잉여전력은스마트그리드를통해다른가정이나건물에도공급할수있어전력난해소와대기환경개선에크게기여할수있다. 1kWh 는가정에서사용하는전력의 30% 를공급하는양으로냉장고 (700~900L), 김치냉장고 (350L), 전등 5~6 개그리고 TV(55 인치 ), PC( 타워형 ) 를동시에사용할수있다. 같은 1kWh 의전기를생산하는연료전지가격에 1/4 수준으로비용도저렴하다. 경동나비엔은 2009 년산업부의국책과제 초소형 1kw 급스털링열병합발전시스템개발 총괄주관기업으로선정된후 3 년간의연구를바탕으로주택용발전보일러개발에성공, 네덜란드등에서필드테스트를거쳐 2012 년 9 월유럽 CE 인증취득과동시에유럽판매를시작해지난해국내에정식으로선보였다. 서울시는매년반복되는전력난과대기오염문제에대비하기위해발빠르게이번발전보일러실증보급사업을실시하기로결정했다. 3) 스털링엔진활용한태양열시스템기술태양양열발전은열에너지를흡수해열기관과발전기를움직여전기를생산하거나건물의냉난방및급탕등에활용하는기술. 무공해, 무제한청정에너지원으로서유지보수비가적게들고적용및이용성이크다는장점이있지만초기설치비용이높고일사량에따른영향을받는단점도있다. 코흐멤브레인의접시형태양열발전시스템은외연기관인스털링엔진과정밀제어가능한추적식접시형시스템을이용해발전효율을극대화했고국내환경에최적의사용환경을제공함으로써향후보급확대가능성이매우큰상황이다. 외연기관인스털링엔진은현재사용중인내연기관에비해에너지이용효율이높은것이가장큰특징이다. 휘발유를사용하는내연기관의효율이최대 33%, 디젤도 40% 에불과하지만스털링엔진은최고 50% 이상이가능하다는것이코흐멤브레인측의설명이다. 현재스털링엔진의효율은독일에서 35% 이상기록한상태로, 5 년이내에 40%, 15 년이내에 50% 를돌파할것으로코흐멤브레인은예상하고있다. 현재로는대량생산이이뤄지지않아가격적인면에서내연기관에비해비싸지만상업화를통해대량생산이이뤄지면높은효율을가진경제적시스템을구현할수있을것으로기대된다. 장기적으로태양열시스템은화석연료와비교해가장경제성이있는시스템이며, 외연기관인스털링엔진을이용함으로인해에너지이용효율이높을뿐아니라전력생산과난방등공조제공이가능하기때문에무한한가능성을가지고있다고말하고있다. 코흐멤브레인코리아는이미지난 2009 년 10kW 급접시형태양열발전시스템산업이전모델구축및성능평가 국책연구를성공적으로수행한바있다. 이연구에서는접시형태양열발전시스템상업모델용추적시스템개발, 접시형태양열발전시스템제어및모니터링시스템개발, 고내구성반사판개발, 접시형태양열발전시스템장기무인운전시작, 시스템장기운전결과분석및경제성평가를 - 6 -
다뤘다. 연구를통해에너지기술연구원이보유한 10kW 급접시형태양열발전시스템을이용해상업모델구축및성능평가를위해고내구성반사판개발, 제어및모니터링시스템개발, 무인운전을수행했다. 이를통해 20 년내구성을지닌내부식성반사판을개발, 제작, 설치를완료했고순간최고효율 20% 를달성하기도했다. 또 One-board 추적 제어시스템및모니터링시스템개발에성공했다. 최종적으로세계적수준을가진 10kW 급접시형발전시스템의상업모델을구축하는데성공해신재생에너지를이용한새로운전력생산모델을제시하게됐다. 2. 해외동향 가. 소형스텔링엔진의개발동향스털링엔진소형열병합발전시스템은 1kW 급의스털링엔진과콘뎅싱보일러를통합한발전시스템으로최근유럽의보일러회사를중심으로가정용열병합발전시스템의개발및실증시험이활발히진행되고있다. 그림 2 은가정용스털링엔진열병합발전시스템의개략도와전력만사용하는경우의에너지흐름량의예시를보여준다. 그림 3 은 Microgen 사의 1kW 급스털링엔진을적용하여 BAXI 사에서개발한 micro-chp 시스템의내부모습을나타낸다. 전력수요만있는경우에는엔진에장착된연소기만가동하여 6kW 열량이공급되어 4.2kW 의열이엔진으로공급되고고온의배기가스가가지고있는 1.8kW 의열량은보조보일러에서순환수를가열하여온수형태로축열조에저장된다. 엔진에공급된 4.2kW 의열량은 1.2kW 의동력에너지로변환되고, 3kW 의열량은냉각수를가열함으로써회수되어축열조에열에너지형태로저장된다. 엔진운전에의해발생환 1.2kW 의동력에너지에서엔진내한열량및에너지량의수치는일반적인운전조건에서의값을의미하며, 연소기, 스털링엔진, 시스템, 운전조건등에의해변할수있는값이다. 예로제시한수치를이용하여효율을계산해보면스털링엔진발전효율을계산해보면스털링엔진발전효율은 23.8%, 시스템발전효율은 16.7% 의값을보인다. 전력수요만있는경우에열에너지로회수할수있는열량은 4.8kW 로, 겨울철난방수요와전력수요가동시에있을때의난방및온수수요를전부감당하기에부족하므로보조보일러에설치된연소기를가동하여난방에필요한열량을추가로공급한다. 보조보일러의용량은사용할가정의난방및온수수요를만족할수있는적정용량으로선정되어야한다. - 7 -
< 그림 2> 스털링엔진적용 micro-chp 시스템의에너지흐름 < 그림 3> 가정용벽부착형 micro-chp 시스템도식 소형스털링엔진열병합발전시스템은 1kW 급을중심으로세계적으로약 10 여개 회사가개발및보급을위한노력중에있다. 가정용소형열병합발전시스템에 사용되는스털링엔진은 Microgen 사와 Infinia 사의엔진이주로사용되고있다. 상용 - 8 -
스털링엔진에대한기술은 20 여년이상을기술개발에투자해온소수의제작사만보유하고있음을간접적으로알수있다. 분산발전회사인 ENECO, 보일러회사인 ATA, 스털링엔진회사인 ECN 이합작한네덜란드의 ENATEC 사는미국 Infinia 사와제휴를통하여일본시장으로의진출도목표로하고있다. 유렵의메이저보일러업체인영국의 BAXI 사는 Microgen 사의스털링엔진을기반으로벽걸이형가정용열병합발전시스템인 ECOGEN 을개발하였다. < 그림 4>ENATEC 사의스털링엔진가정용열병합발전시스템 < 그림 5>BAXI 사의스털링엔진가정용열병합발전시스템 - 9 -
Ⅲ. 향후전망 1. 소형스털링엔진기술개발전망요즘우리나라의기업체나연구소에서도스털링엔진기술에대한개발과활용의필요성을인지하고있다. 국내가정용난방기기시장은개별난방과지역난방으로구분되며개별난방이전체 88% 인 1,190만주택을차지하고있다. 개별난방주택에서가스보일러는편리성으로인하여국내총 1,040만대가보급되었으며, 시장규모는연 100만대로추산된다 (2008년내수 96만 5,000대, 수출 5만 4,000대, 통계청 ). 유럽과같이보일러시장의 30% 를가정용소형열병합발전의잠재시장으로예측하면, 예상보급수량은약 310만대에달한다. 100m2 주택에서보일러와한전전력을사용할때와가정용열병합발전시스템을사용한경우의비용평가결과 5 년이내의 Pay-back 이산출되어 ( 스털링엔진열병합발전시스템판가 : 1 만대생산기준 300 만원, 보일러 80 만원 ) 국내 310 만대보급시절약에너지비용은총 1 조 4,400 억원에달한다. 스털링엔진은다양한연료의사용이가능하고높은효율과낮은소음 / 진동특성으로열병합발전, 태양열, 폐열발전등의다양한분야에서활용되고있다. 가정용소형스털링열병합발전시스템의보급을위해서는스털링엔진의성능및내구성의향상뿐만아니라대량생산및엔진제조공정개선을통해가격경쟁력의제고가절실히요구되고있다. < 참고문헌 > 1. 박성제외 2 명, 소형열병합발전용스털링엔진기술, 냉난방공조 Webzin, 2012 2. 고준석외 3 명, 소형스털링엔진발전시스템기술개발동향, 한국기계연구원, 2014 3. 경동나비엔. 가정용보일러로전기생산한다, 이데일리, 2014 4. 기계연, 국내최초자유피스톤스털링엔진 발전기개발, 뉴스 1, 2014 5. 코흐멤브레인코리아, 스털링엔진으로태양열시스템효율업, 한국에너지, 2013 6. 조흥곤, 스털링엔진을이용한냉동 냉각기술, 한국과학기술정보연구원, 2013-10 -