초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕한국과학기술정보연구원미래기술분석실 임용훈한국에너지기술연구원에너지효율연구단 01 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 1 2013-11-21 오후 5:12:01
02 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 2 2013-11-21 오후 5:12:01
차례 초소형열병합발전시대개막 05 초소형열병합발전제품현황분석 11 초소형열병합발전관련연구개발현황분석 43 시장동향분석과국내보급선결과제 65 산업전망을통한발전방향및전략분석 77 참고문헌 90 03 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 3 2013-11-21 오후 5:12:02
04 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 4 2013-11-21 오후 5:12:02
초소형열병합 발전시대개막 05 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 5 2013-11-21 오후 5:12:02
초소형열병합발전시대개막 초소형열병합발전시스템이란 06 2013 정보분석보고서 초소형열병합발전시스템 (Micro-CHP) 이란발전용량이수 kw 이내인열병합발전시스템을일컫는다. 국가별로초소형열병합발전시스템용량기준에대한다소간의차이가있으며, 수 kw급열병합발전시스템으로구분하는경우도있으나, 주로 1 kw e 급이하를초소형열병합발전시스템으로, 1 ~ 수 kw e 급열병합발전시스템은 Mini-CHP로구분하는것이일반적이다. 본보고서에서도초소형열병합발전시스템이라하면발전용량기준 1 kw e 이하의열병합발전시스템으로정의하기로한다. 초소형열병합발전시스템이속하는열병합발전기술이란, 단일에너지원으로부터전기와열을동시에생산, 공급할수있는에너지생산기술이며, 특히용어의해석에있어 열병합 의단어적의미해석의오류, 즉, 열을우선생산하고부수적으로전기를생산하는시스템으로오인하는경우가많으나, 열병합발전기술 ( 혹은 구영덕 - 내지.indd 6 2013-11-21 오후 5:12:02
시스템 ) 이라하면전기를우선적으로생산하고, 남은잉여에너지를이용하여추가적으로열을생산하는시스템으로인식되어야한다. 현재국내에너지시장에있어열병합발전사업은발전용량의규모에따라집단에너지사업으로대표되는대형열병합발전, 건물 ( 혹은건물군 ) 을대상으로하는소형열병합발전, 그리고개별세대를대상으로하는초소형열병합발전사업으로구분할수있다. 이중가장큰시장보급및경쟁력을갖고있는분야는보급역사가오래된집단에너지사업을중심으로한대형열병합발전사업이며, 공동주택및일부업무용, 상업용건물을대상으로한소형열병합발전사업이시장에서의명맥을이어오고있으며, 초소형열병합발전사업은근래주목을받기시작하고있는열병합발전기술분야로서향후보급잠재력이큰미래에너지시장으로주목받고있다. 초소형열병합발전기술의주요원동기로는기존화석연료를사용하는왕복동엔진형, 스털링엔진형, 그리고수소연료기반열화학발전방식의연료전지형이대표적인원동기형식으로연구개발및보급이추진되고있으며, 그외에랭킨사이클 (Rankine Cycle) 을이용한형식도일부개발이진행되고있다. < 표 1> 은유럽지역에서개발및보급이추진되고있는주요원동기형식별초소형열병합발전기술분류별주요제작사현황을보여주고있으며, 국내에서는아직초소형열병합발전시스템과관련한보급은이루어지지않고있으며, 향후잠재적시장에대응한연구개발이진행중에있다. 기술분류시장현황주요제조사 왕복동엔진형성숙단계및초기시장확보 ENER-G, Honda, Vaillant, Yanmar, Kirsch 스털링엔진 표 1 유럽주요원동기기술분류별초소형열병합발전기주요제작사현황 초기시장진입단계 / 현장실증 SENERTEC, Vaillant, VIESSMANN, BOSCH, ARISTON 랭킨사이클상용화및현장실증 ENERGETIX, Lion PEMFC 현장실증 BAXI, HYTEON SOFC 현장실증 Vaillant, CERESPOWER, 07 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 7 2013-11-21 오후 5:12:02
초소형열병합발전은왜필요한가? 08 2013 정보분석보고서 최근들어글로벌경제침체로인해에너지사용이다소주춤하는경향이나타나기도하였지만, 중국, 인도등을비롯한신흥경제개발국들의지속적인성장, 그리고글로벌경제화의영향으로기존경제강대국들의성장정책기조가유지되면서에너지수요와공급간불균형으로인한화석연료의고유가행진은장기적인관점에서유효하다. 또한 1997년온실가스감축을위한교토프로토콜이후현재까지지속적으로논의되어오고있는기후변화대응문제는온실가스감축목표이행에따른당사국간의첨예한대립으로실효적인효과를거두지못하는상황이다. 2011년 12월남아프리카공화국더반에서열린유엔기후협약당사국총회에서는 2012년의교토의정서시한을 2017년까지연장하기로하고, 2020년이후부터온실가스를배출하는모든국가가참여하는새의정서를체결하기로합의하였으나그실효성에대해서는여전히논란이일고있는상황이다. 세계적으로급격한기후변화로인한피해들이속출하면서온실가스감축을위한협력필요성에대한논의는새로운국면을맞이하게될것으로보인다. 이번에미국 중국등을새기후변화협약에참여시킬발판을마련했다는점에서더반회의는의미가크다고할수있다. 그러나캐나다는미국 중국의참여가확정되지않고기존교토의정서가그대로유지됐다고탈퇴를선언하기도하였으며, 의무감축국이아닌우리나라를비롯한중국 인도등주요개도국은 2020년이후부터단일온실가스감축체제설립을위한협상에합의하여향후에너지관련정책수립에있어주요한판단지표가될것으로보인다. 에너지이용합리화및온실가스저감에적극적인 EU에서는 2010년유럽지역의지속가능하고안정적인에너지시장을구현하기위해 2020 프로젝트를수립시행중에있다. 주요골자는 2020년까지온실가스를 구영덕 - 내지.indd 8 2013-11-21 오후 5:12:02
BAU(Business As Usual; 배출전망치 ) 대비 20% 저감하고, 에너지이용효율화를통해에너지사용량을 20% 절감하며신재생에너지보급을 20% 까지향상시키는목표를수립, 이를달성하기위한기술적, 정책적수단을마련시행하는것이다. 그러나현재까지온실가스저감, 에너지사용량절감은다양한수단을동원하여목표를충분히달성할수있을것으로보이나, 신재생에너지원의보급은목표달성이쉽지않을것으로전망되고있다. 이는앞서기술한바와같이아직에너지시장에서의신재생에너지기술의보급환경이여의치않다는반증이며, 이는기술적한계와더불어기술보급의필수조건인경제성측면에서도보다많은개선이필요하다는점을시사하고있다. 더욱이현행의신재생에너지기술의보급은 100% 시장경쟁에의한것이아니며, 많은보급활성화지원책들이마련되어적용되고있음에도불구하고나온결과여서향후에도적지않은고전이예상되고있다. 그동안국내소형열병합발전기술및시장은국내에너지, 특히난방시장에있어지역난방시장과의시장경쟁에서점차밀리고있는도시가스사업자들의방어수단으로써시장에도입된측면이강하였다. 그러나시장에서의가격경쟁력미확보, 정부정책화실패, 전력시장에서의입지확보실패등의요인으로당초도시가스사업자들의기대에부흥하지못하였으며, 이러한과정에서또다른대안으로초소형열병합발전기술및관련시장의확보시도가이루어지고있다. 기술적관점에서볼때, 현행의집단에너지사업은규모의경제성및효율성등의장점을내세워공격적인시장확대정책을이어나가고있으나, 아직까지난방시장의 85% 이상은여전히개별보일러 ( 일부중앙난방방식 ) 시장이장악하고있다. 지역냉난방사업은대규모열원 ( 대용량열병합발전 ) 을근간으로하고규모의경제성을내세우고있으므로개별세대와같이집중되지않고산재해있는수요처를 09 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 9 2013-11-21 오후 5:12:02
대상으로는경쟁력을확보하기어렵다. 반면, 개별난방방식은분산형난방열원으로서의역할을과거부터충실히수행해오고있으며, 향후전개될수요관리중심의에너지정책에매우부합할수있는에너지공급시스템이다. 초소형열병합발전기술의보급확대에있어가장중요한요인으로작용하는전력시장환경에있어그동안공급위주, 전력보급확대정책기조로부터최근의전력사태를계기로큰변화가감지되고있다. 즉, 과도한시장독점및비현실적인가격통제로인해전반적인에너지시장환경을왜곡시키는주요원인으로지목되어오던국내전력시장이금번전력사태를계기로경직된시장구조에서벗어나수요관리를근간으로하는유연성확보방향으로전환됨에따라향후초소형열병합발전기술을포함하는열병합발전기술과같이높은에너지효율을근간으로하는시스템및관련사업의시장경쟁력이급격히증대될것이다. 또한전력의수요관리에있어과거와같이에너지절약과같은수동적인수요관리보다는능동적인수요관리체계로의변화가예상되며, 이는에너지수요자의역할이에너지생산및판매에적극개입하는프로슈머 (Prosumer) 로의변신과더불어현행의일방향에너지공급흐름에서양방향에너지공급흐름으로의획기적인변화를요구하고있다. 이러한관점에서볼때, 개별단위의최적화된고효율에너지생산기술인초소형열병합발전은난방시장에서의사업자간경쟁에서촉발된사업아이템으로서의필요성보다는훨씬더높은수준의에너지사용패러다임을바꿀수있는미래핵심에너지기술로서의역할이기대된다. 010 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 10 2013-11-21 오후 5:12:02
초소형열병합발전 제품현황분석 011 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 11 2013-11-21 오후 5:12:02
초소형열병합발전제품현황분석 초소형열병합발전기술분류 초소형열병합발전에적용될수있는기술은다음의 < 표 2> 와같이 구분될수있다. 표 2 원동기기술별초소형열병합적용가능기술분류 원동기 (Prime mover) 내연기관 (Internal combustion) 외연기관 (External combustion) 연료전지 (Fuel cell) 초소형열병합발전적용가능기술 오토사이클기반왕복동식엔진 (Otto-cycle based reciprocating engine) 회전식터빈 (Turbine) 랭킨엔진 (Rankine engine) 스털링엔진 (Stirling engine) PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 012 2013 정보분석보고서 내연기관시스템의경우대형시스템에적합하여초소형열병합발전 시스템에적용된예는많지않다. 외연기관시스템중스털링엔진 구영덕 - 내지.indd 12 2013-11-21 오후 5:12:02
기술과 PEMFC 기반연료전지시스템의경우, 원리및구조가초소형열병합발전시스템제작이용이해시제품이있는상태이다. 본장에서는각기술분류별특징및최신동향을분석하고, 현재기술수준및미래기술에대한검토, 현재연구단계에있거나시장에출시된제품에대해기술하였다. 내연기관형초소형열병합발전시스템왕복동식엔진기반기술왕복동방식의내연기관을이용하는초소형열병합발전시스템은대부분 1970년대미국, 유럽및일본의 GHP(Gas engine driven Heat Pump) 기술로부터시작되었으며, GHP의압축기를발전기로대체하는형식으로부터시작되었다. 초소형열병합발전기에왕복동식내연기관을적용하기위해서소형구현및효율적인열회수를위해엔진룸, 열교환기및머플러등여러부분에대해다음과같은연구가이루어지고있다. -고효율구현 : 최적연소실설계를통한빠른연소및마찰손실저감 - 내구성확보 : 엔진표면에오일을이용한강제냉각방식적용, 엔진실내부밸브시트각도최적화, 엔진내구성확보를위한표면처리및모양최적화 현재시중에나와있는초소형열병합발전시스템은모두오토사이클 (Otto cycle) 을기반으로하고있다. 오토사이클기반의열병합기기의경우비교적높은열병합효율, 다양한연료선택, 기존기술기반이라는장점이있다. 그러나사이클의효율을향상시키기위한희박연소엔진의경우질소산화물배출량저감을위해출력을낮추면불완전연소로인해에너지효율이감소하며, 일산화탄소와같은배기가스발생량이증가하는문제가있어이에대한고려가필요하다. 또한소형제작의 013 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 13 2013-11-21 오후 5:12:02
어려움, 소음등의단점이있다. 상기와같은문제를해결하는최적화작업을통해현재몇몇업체들이다음의조건에부합하는제품출시를시도중이다. -세대내설치공간최소화 - 높은효율확보 : 현재작은출력의열병합기기도전기효율은약 24 ~ 34%, 열효율은 50 ~ 60% 정도 -저소음, 저진동 : 1미터거리에서 60 db(a) 미만 - 낮은유지비용 : 4,000시간운전후스파크플러그및오일변경정도로최소화 -장수명: 80,000시간이상, 약 10년 - 질소산화물 (NO x ) 저배출 : 기체연료사용시설의경우그밖의발전시설은 50 ppm 이하현재다양한크기의초소형또는소형내연기관열병합기기가시장에출시되고있으나 < 그림 1> 과같이 5kW e 이상의출력에서 2,000 ~ 3,000 유로 /kw e, 그보다작은초소형열병합의경우매우높은설치비용이요구되므로내연기관방식의초소형열병합발전시스템의보급은정부의보급지원정책과밀접하게관련을가지게된다. 그림 1 전기출력량에따른왕복동식내연기관열병합설비단가예측 6000 Specific capital cost [C/kWel] 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 5 10 15 Electric power[kw] 014 2013 정보분석보고서 자료 : G. Angrisani et al., Distributed microtrigeneration systems, Progress in Energy and Combustion Science, 2012 왕복동식내연기관을이용한초소형열병합발전시스템을제작하는 각업체별기술및사양은아래의 < 표 3> 과같이요약된다. 구영덕 - 내지.indd 14 2013-11-21 오후 5:12:02
표 3 내연기관방식의초소형열병합발전시스템사양비교 단위 Ecowill( 혼다, 일본 ) EcoPOWER (Vaillant, 독일 ) 입력 kw 4.4 <-- 전기출력 kw e 1.0 1.0 전기효율 % 26.3 26.3 열출력 kw th 2.8 2.5 열효율 % 65.7 65.7 종합효율 % 92.0 92.0 급탕온도 o C 75 Max. 80 급탕용량리터 90 - 연료 - LNG, LPG <-- Ecowill 동일 시스템크기 LxHxD [mm] 320x1180x1133 <-- Ecowill 동일 무게 kg 71 100 엔진사양 - 1 실린더, 체적 163 cc <-- Ecowill 동일엔진 소음 db(a) 43 58 설치비용유로 5,600 23,000 ( 기계값 : 16,000) 상용화년 2003 ( 일본 ), 2005 ( 미국 ) 2011 ( 독일 ) 특징 - - 현재까지 110,000 대이상일본설치실적보유미국명은 Freewatt - 유럽단독주택타겟 - Ecowill 과동일엔진 Ecowill (Honda, 일본 ) 2003년에세계최초로상용화된내연기관방식을채택한가정용실용초소형열병합발전시스템이다. < 그림 2 (a)> 에보여진 EXlink (Extened Expansion Linkage Engine) 라는고유의구조를통해작은체적에서연료소비량절감과함께팽창비를높인오토사이클기반의 MCHP 1.0K2 엔진을개발하였으며, 이를통해 1kW e 의전기출력과 2.5 kw th 의열출력이가능하여전체효율이 92%( 전기 :26.3%, 열 65.7%) 에달한다. 이와함께가정용열병합기기로서의조건을만족하기위하여촉매환원장치, 엔진디자인, 소음저감을위한여러기술이접목된상용화수준의제품개발에성공하여현재난방 / 급탕공급을할수있는제품이 2011년현재일본에약 11만대정도보급되고있다. 015 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 15 2013-11-21 오후 5:12:02
그림 2 Honda 의 Ecowill 초소형열병합기기 Sine wave inverter equipped generator Gas engine Generator (altemator) uses natural (city) gas or liquid propane for fuel Exhaust heat exchanger Heat generated by engine is recovered as hot-water Alternator Engine power is exchanged to AC power(generation) Inverter Electricity from altemator is rectificated in order to interconnect* the commercial electric power 또한본기기는효율적인사용을위해사용자인터페이스를구비하여 열병합기기의운전상황을모니터링할수있도록하고있다. Vaillant EcoPOWER 1.0 (Vailliant, 독일 ) EcoPOWER는유럽의단독주택시장을위해 Vaillant사와 Honda사가협력하여만든제품으로서단독주택의약 15~25 MWh/ 년의열수요에대응할수있도록제작되었다. EcoPOWER 중핵심부분은 Honda의 MCHP 1.0K2 가스엔진 (1 kw e 출력 ) 을사용하여혼다 Ecowill과동일하게제작되었고, 난방및급탕부분은 Vaillant에서담당하여열출력은 2.5 kw th 부터 28.3 kw th 이가능한시스템으로설계되었다. 설치실증결과 EcoPOWER 1.0 을이용하는경우세대내약 70% 의전기수요를자체적으로충당할수있는것으로나타났다. Ecowill과마찬가지로사용자의효율적인에너지사용을위한인터페이스가내장되어있으며, 소비자의스마트기기와연동하여운영이가능한시스템이구축되어있다. 016 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 16 2013-11-21 오후 5:12:02
그림 3 Vailliant EcoPOWER 1.0 엔진과사용자인터페이스 회전식터빈기반기술왕복동방식이외에내연기관을이용한열병합시스템으로는마이크로터빈을이용하는초소형열병합시스템이있다. 일반적으로마이크로터빈을이용하는경우는 30 kw e 이상의전기출력에적합한시스템으로제작되어초소형에적합한기술은아니나소수의업체에서마이크로터빈 ( 혹은피코터빈 ) 을적용하는초소형열병합기기를생산하고있다. 가스터빈을이용하는 CHP는 < 그림 4> 와같이기본적으로압축기, 연소실, 터빈으로구성되어터빈에고온, 고속의연소가스를분사시켜직접회전일을얻어동력을발생시키는 Braton cycle을이용하여전기를생산하고, 이때발생하는고온의가스를배열회수보일러를이용하여난방 / 급탕열을생산하는방식을이용한다. 그림 4 Internal combustion, turbine based CHP 개략도 Exhaust Heat Recuperator Air Compressor High speed generator Fuel Combustor Turbine 자료 : http://www.enertwin.com 017 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 17 2013-11-21 오후 5:12:02
가스터빈을이용하는열병합기기는다음과같은장점을가지고있다. - 윤활제교환등을필요로하는부품이없어장기간운전가능및정비용이 - 움직이는부분이제한되어대형발전소와유사하게최대출력을내면서오랜기간동안연속적으로운전이가능하므로양질의전력생산가능 - 비슷한용량을가지는기존의왕복동식발전방식과비교할때왕복운동기계의특징인진동과소음이상대적으로적음 ( 회전고속소음으로소음전달이작음 ) - 왕복동식기관의경우저부하운전시불완전연소로인한문제가발생하는데반해 50 ~ 60% 수준정도의부분부하대응에상대적으로유리 - 환경적인측면에서별도의촉매배기가스처리장비나화학물질없이도낮은수준이 NO x 배출이이루어지므로 ( 오염물질배출이디젤엔진의 10% 이내 ) 청정한배기가스배출가능이에비해다음과같은단점을가지고있다 -제작정밀도의문제로인한소형화어려움및낮은효율 -고온용재료, 가공정밀도등으로인한단위출력당단가높음 -보급, 운전실적부족및운전을위한전문가부재현재상용화되어있는제품중 1kW e 출력의마이크로터빈방식의초소형열병합은없으며, 네덜란드의 MTT사에서개발하여보급예정인 Micro CHP 시스템이정격 3kW e / 15 kw th 를가지고최소부하운전시 1kW e 로운전이가능하여현재초소형열병합발전시스템의범위에들어가는유일한제품이라고할수있다. 018 2013 정보분석보고서 EnerTwin (Micro Turbine Technology BV, 네덜란드 ) EnerTwin 은단독혹은복수의주택이약 25 ~ 120 MWh/ 년의 구영덕 - 내지.indd 18 2013-11-21 오후 5:12:02
열수요에대응할수있도록설계, 제작되었다. 자체적으로는 25 MWh의생산이가능하며, 추가열수요가있을경우, 현재보일러등의시스템또는 cascade 방식으로연결하여사용할수있도록되어있다. MTT에서개발한 MK5 마이크로터빈은 240,000 rpm에서최대 3kW e / 14.4kW th, 180,000 rpm에서최소 1kW e / 5 kw th 의성능을낼수있도록설계되어있다. 최대출력시전기효율은 15% 로높지않으나열회수율이높아전체열효율은 72.6% 에달한다. 자사의자료에의하면 1 kw e 의초소형열병합을세대적용시사용패턴과외기온도에따라연간 300 ~ 350 유로의에너지비용을절약할수있으므로 3 kw e 정도의열병합기기적용시 1,000 유로의에너지절감이가능하여 2 ~ 5년의투자회수기간이면설치비용회수가가능하다고주장하고있다. 2012년여름부터는네덜란드아인트호벤의전력망에연결하여시범적인가동을하고있으며, 2013년여름현재 10대의시제품을이용하여필드테스트를시행중인상태이다. 표 4 MTT 사 EnerTwin 사양및특징 단위최대출력최소출력 입력 kw - - 전기출력 kw e 3.0 1.0 전기효율 % 15 10 열출력 kw th 14.4 5.0 열효율 % 72.6 - 급탕온도 o C 80 <-- 급탕용량리터분당 3 ~ 21 연료 - LNG( 현재 ), Domestic fuel oil, Biogas( 예정 ) 크기 LXHXD [mm] 970X1120X610 무게 kg 225 소음 db(a) 55 설치비용유로 - 상용화년 2014 년중반판매예정 특징 - - 친환경배기가스 : NO x < 40 ppm - 긴정비주기 : 1 회 / 년혹은매 5000 시간 - 낮은정비비용 : 정기적인교체소모품적음 - 2 분미만의기동시간 019 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 19 2013-11-21 오후 5:12:02
그림 5 MTT 사의 EnerTwin 설치형상및 microturbine Mk5 외연기관형초소형열병합발전시스템외연기관이란내연기관과달리연료를외부에서연소시키고그때발생하는연소가스의열을작동유체에전달하여증발시켜, 이때발생한기상의작동유체를이용하여왕복기관이나터빈을움직이는방식을의미한다. 즉 연소 라는화학반응에의해발생한연소가스가직접기관을움직이는것이아니고, 작동유체의상변화에의해일을하게되는장치이다. 이와같이연소가기관이외의장소에서일어나고, 연소가스와작동유체가전혀별개로되어있는기관을외연기관이라고한다. 이중초소형열병합에서는스팀을작동유체로이용하여상변화를쉽게유도하는방식을사용한다. 대형의경우높은발전효율을위해터빈을사용하나, 기술적으로구현이어려워피스톤방식의소자를사용하고있는상태이다. 아래에서는초소형열병합발전장치에사용가능한두가지기술을소개하고해당기술을적용한제품에대하여간략하게정리하였다. 랭킨엔진기반기술 020 2013 정보분석보고서 랭킨사이클작동유체를이용하는폐회로사이클로발전에사용되는기본적인사이클이다. 카르노사이클 (Carnot cycle, 이상적인가역사이클 ) 은작동유체를증기로사용하는원동기에적합하도록개량한것으로서카르노사이클의등온과정을등압과정으로바꾼것이다. 열은외부로부터받아서작동유체를증발시켜발전기를돌리고, 응축된 구영덕 - 내지.indd 20 2013-11-21 오후 5:12:02
작동유체는펌프로순환시킨다. < 그림 6> 은랭킨사이클과랭킨엔진의 개략구조를보여주고있다. 그림 6 랭킨엔진구조및랭킨사이클 열원 증발기 팽창기 온도 작동유체펌프 응축기 발전기 전력생산 카르노사이클 랭킨사이클 열침 엔트로피 랭킨사이클을이용한초소형열병합발전기기는작고가볍게만들수있는장점이있으나아직까지는몇몇업체에서시제품상태또는초기보급상태로선보이는정도이다. 대형의경우터빈을이용하는경우가많지만초소형열병합발전기기는마이크로터빈적용이어려운관계로대신스크롤팽창기나자체적인왕복동팽창기구조를채용하고있다. 아래는시제품을선보인몇몇업체의제품을소개하였다. Flowboiler (Energetix, 네덜란드 ) Energetix Genlec으로불리는 unit으로처음개발되었으며, 일반보일러와 Genlec module(scroll expander, 발전기, 펌프, 열교환기 ) 을결합한형태로구성되었다. 냉동사이클을반대로돌리는방식을차용하여개발하였다. 이러한방식은효율이낮아현재전기출력은 200W 정도로소형이며, 열출력은정확히알려지지않았다. 2012년 Energetix 그룹은전기와가스를공급하는 Flow Energy라는회사를설립하여이업체를통한해당초소형열병합장치보급을위해 100세대에 1년간개인주택세대에무료로설치보급하는사업모델 ( 사업명 : Freeboiler) 을진행하고있는상태이다. 현재 400,000가구보급을목표로하고있다. 021 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 21 2013-11-21 오후 5:12:03
표 5 Flowboiler 세부사양 단위 Flowboiler (Energetix, 네덜란드 ) 입력 kw 미상 전기출력 kw e 0.2 전기효율 % 미상 열출력 kw th 미상 열효율 % 미상 종합효율 % 95 급탕온도 o C 미상 급탕용량 리터 미상 작동유체 - 물 / 스팀 엔진모듈크기 LXHXD[mm] 495X850X425 무게 kg 95 구동기사양 - Scroll expander 소음 db(a) 미상 장치비용 유로 3250 상용화 년 2014 예정 ( 영국 ) 특징 - - 영국내 100 대시범보급 2013 년현재 Payback 3 ~ 5 년목표 자료 : http://www.flowenergy.uk.com 그림 7 Flowboiler 및내부구조 Normal boiler unit Electricity Scroll expander Heat exchanger ORC module Normal hot water pump Fluid pump Cold Water feed Hot water & heating 자료 : http://www.flowenergy.uk.com Lion Powerblock (OTAG, 덴마크 ) 022 2013 정보분석보고서 OTAG 사의 Lion Powerblock 은 1~3 세대의전력및열수요를 충당할수있도록설계되었다. 외연기관의특성상가정내에서 일반적으로사용하는가스이외에도고체및액체연료연소가 구영덕 - 내지.indd 22 2013-11-21 오후 5:12:03
가능하도록개발되었으며, 실제제품까지적용되어있는지여부는확인되지않았다. LINATOR(Linear generator) 라는고유한방식의더블피스톤 (40 ~ 75 Hz 구동가능 ) 구조를이용한다. 버너와결합된열교환기에서는물을가열하여 350 o C, 25 ~ 30 bar의스팀으로만들고, 스팀이양쪽피스톤에번갈아들어가도록만들어피스톤이움직이면서발전기를돌리도록되어있다. 이때 LINATOR에서나오는열은냉각장치를이용하여열의형태로회수하여이용하도록되어있다. 저소음운전, 운영및유지비저감이라는장점을가지고있지만더블피스톤구조로인해다른장치에비해열전비 (Heat Rate) 가큰것으로파악되고있다. 그림 8 Lion Powerblock 내부구조및시스템실증사진 자료 : http://www.powerblock.eu 그림 9 Lion powerblock 의내부구조및개략도 스털링엔진기반기술 Wichtige Bauteile des lion-powerblocks: ❶ LINATOR ❷ Dampfleitung ❸ rechter Zylinder ❹ Rohrverdampfer ❺ Brenner ❻ Stromabfuhrung ❼ Doppelfreikolben ❽ Warmetauscher ❾ Spule ❿ linker Zylinder 자료 : http://www.powerblock.eu 스털링엔진은증기기관다음으로역사가오래된방식이지만다른 엔진에비해개발이늦다가최근특수용도 ( 잠수함탑재엔진 ) 또는 023 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 23 2013-11-21 오후 5:12:03
열병합발전기기에서채용이확대되고있다. 내열재의한계로인한대출력엔진이어려운점과, 윤활유를사용할수없는마찰문제등의구조와방식에있어서초소형열병합에적합하여많은업체들이스털링엔진을이용한초소형열병합발전시스템을개발하고있는상태이다. 스털링엔진은밀폐용기에충전된가스를가열과냉각을반복함으로써압력변화를유도하여발생한동력을이용하게된다. 엔진은크게두가지구조로설명이가능한데, 먼저두개의피스톤이크랭크구조에의해물리적으로연결되어있는방식 (Kinematic engine) 과반면에물리적연결구조가없고디스플레이서 (displacer) 와공진하는방식 (Free piston engine) 이다. 보다세부적으로나누자면알파형, 베타형, DA형엔진은 kinematic engine에속하고, 감마형엔진은프리피스톤형에속하게된다. 프리피스톤형감마형엔진은스프링에의해피스톤이지지되고있어좌우로흔들리지않고진동이가능하므로파워피스톤과실린더의틈새를아주작게만들어도비접촉으로실링이가능하여엔진기구를단순화하고제조비를줄일수있다. 또한엔진은밀봉구조로별도의유지보수가필요가없다는점에서스털링엔진의초소형열병합발전시스템상용화를가능하게한방식이라고할수있다. 형태및구조에따라여러방식이있으며, < 그림 10> 에서 4가지로구분된다. -알파형: 두개의피스톤이각각의실린더를가지는형태 - 베타형 ( 디스플레이서엔진 ): 피스톤 / 디스플레이서가하나의실린더에있는형태 - 감마형 ( 프리피스톤형 ): 피스톤 / 디스플레이서가각각의실린더에있는형태 -DA형엔진 ( 더블액팅형 ) 024 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 24 2013-11-21 오후 5:12:03
그림 10 스털링엔진방식구조도 T C C R H T H H DP DP : 디스플레이서피스톤 R PP : 파워피스톤 C H : 히터 H : 히터 R : 재생기 C : 쿨러 PP R : 재생기 C : 쿨러 G : 발전기 TH : 고온부온도 G TL : 저온부온도 (a) 알파형엔진 (b) 베타형엔진 ( 디스플레이서엔진 ) 가열부 버너재생기냉각부파워피스톤발전기 H R C H R C H R C H R C (c) 감마형엔진 ( 프리피스톤형 ) (d) DA 형엔진 ( 더블엑팅형 ) 자료 : 쓰루노세이조, 최신스터링엔진동향 실용스터링엔진의개막, 월간전기기술, 2012 스털링엔진은높은종합효율, 부분부하대응특성양호, 연료다변화, 저공해배출, 저진동, 저소음등의장점을가지고있다. 하지만내연기관에비해낮은발전효율, 복잡한시스템에대한제어의어려움, 고압작동유체, 가열을위한가동시간지연등을단점으로가지는기술이다. 상기의단점은스털링엔진이한정된엔진용적에가열부, 냉각부, 재생기, 디스플레이서피스톤, 파워피스톤을넣어야하기때문에발생하는문제이며엔진성능이불용공간 (dead volume) 의영향을크게받기때문에가열부와냉각부는제한된표면적및체적만을이용하여가열과냉각을해야하는점이수반된다. 또한외연기관의장점인태양열, 풍력, 바이오매스등연료종류에제한을받지않는것이장점이기는하나, 위에서설명한바와같이구조적특성으로인해제한된표면적및체적을이용해야하므로가열온도를높일수있도록에너지밀도가높은연료를사용하는것이 025 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 25 2013-11-21 오후 5:12:03
스털링엔진이가지는문제점이다. 현재의추세는온도가낮은신재생에너지활용, 폐열회수혹은발열량이낮은바이오매스를활용하는것을목표로하기때문에성능향상에걸림돌이될수있다. 스털링기술의경우 1kWe 이하의초소형으로만드는데적합한기술및구조이므로다양한업체에서열병합기기개발을시도하고있다. < 그림 11> 과같이초소형열병합발전시스템의경우아직 kw당설치단가가매우높은상태로내연기관기반의초소형열병합발전기기에비해장점을갖고있지않다. 그림 11 전기출력량에따른왕복동식내연기관열병합설비단가예측 6000 Specific capital cost [C/kWel] 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 2 4 6 8 10 Electric power[kw] 자료 : G. Angrisani et al., Distributed microtrigeneration systems, Progress in Energy and Combustion Science, 2012 현재여러업체에서초소형열병합발전에적합한시제품들을선보이고있는상태이다. 초소형열병합발전시스템을개발하는업체는여러개이나핵심부인스털링엔진은세개의업체 (Whispergen, Microgen, Infinia) 의것을사용하고있다. Whispergen 기술은자사및 E.ON(2012년사업철수 ) 에서사용하였으며, Microgen 기술은 Microgen consortium(baxi group, Viessmann, 경동나비엔, Vaillant) 을구성하여동일한프리피스톤형 026 2013 정보분석보고서 스털링엔진을사용한다. 또한 Infinia 의스털링엔진은자사및 린나이에서사용하고있으며, 각사가그이외의부품을개발하여 상용화하는방식으로제품을개발하고있다. 구영덕 - 내지.indd 26 2013-11-21 오후 5:12:03
< 표 6> 에서는초소형열병합발전시스템에사용되는스털링엔진 업체의기술에초점을맞추어각제품을소개하였다. 표 6 스털링엔진을이용한초소형열병합발전장치업체및기술사양 단위 Whispergen (Whispertech, 뉴질랜드 ) Ecogen (BAXI, 영국 ) 하이브리젠 SE (NCM 1130HH) ( 경동, 한국 ) Vitotwin ecopower (Viessmann) (Vaillant) evita (Remeha) Daches Stirling (Senertec) EcoGen WGS (Brötje, 독일 ) RG-1000 (INFINIA, 미국 ) Ariston CHP- 1(Enatec) STH102 T100S-29 (Bosch, Burderus Logavolt) 입력 kw 8.3 7.6 30 - - - - - - 29.5 - 전기출력 kw 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1 전기효율 % 12 13.5 <-- <-- <-- 12.5 <-- 15 - <-- <-- 열출력 kw 7.5 ( 최대 14.5) 6.0 ( 최대 24) 6.4 6 ( 최대 26) 6.0 3.5~5.5 ( 최대 27.4) 6 ( 최대 24) 3.8 ~ 6.7 ( 최대 19.9) - 6.0 7.0 ( 최대 31) 열효율 % 84.3 81.1 80.0 - - 80.0-87 종합효율 % 96.3 94.6 92.5 98-92.5 88-97 급탕온도 o C 60 ~ 80-85 - - 70 - - 급탕용량 리터 - - - 750-530 500-105 100 연료 - LNG, LPG LNG, Biogas LNG, LPG LNG, LPG LNG, LPG LNG, LPG LNG, LPG LNG, LPG LNG, LPG LNG LNG 시스템크기 L H D [mm] 480 840 560 450 950 426 460 1024 430 480 900 480-490 910 471 1340 1900 860 493 918 466-600 1850 600 무게 kg 142 110 110 120-120 100 134-250 - - 엔진사양 - 자체알파형 (4 실린더 ) 감마형 ( 프리피스톤형 ) 감마형 ( 프리피스톤형 ) 소음 db(a) 46-46 - - 47 45 - - 설치비용 유로 14,000 (2010 년, 독일 ) 10,000 (2010 년, 네덜란드, 영국 ) - 22,000 - - 17,671(LNG) 14,200 17,980(LPG) (2012년독일 ) 7,100 ~ 9,500 (2010 년, 영국 ) - - 상용화 년 2014 예정 ( 영국 ) - - - - 2010 ( 네덜란드 ) LNG( 판매중 ) LPG(2013 년 ) - - - 특징 - 400 대시범사업 ( 영국 ) - Sunpower( 미국 ) 에서먼저개발되어기술제휴된유닛 - Microgen consortium 으로지분을분할하여보유중이며해당업체는 MEC 유닛사용 Infinia( 전 STC) 엔진사용 Whispergen (Whispertech, 뉴질랜드 ) Whispergen의스털링엔진은네개의실린더를가지는알파형엔진으로구성되어있다. 네개의실린더를사용함으로써가정용냉장고수준의저진동, 저소음을구현하려고노력하였다. 영국에서 400대의시범설치를통해문제점을해결하고있다. Whispergen 이외에 E.ON이라는업체가 Whispertech의스털링엔진을도입하여제품의상용화단계직전까지도달하였으나갑작스럽게 2012년말사업을중단한상태이다. 027 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 27 2013-11-21 오후 5:12:04
그림 12 Whispergen striling engine 을적용한초소형열병합발전시스템 Hulp Brander Venilator Venilator Gas Gas Ventiel Ventiel Brander Motor Warmtewisselaar Uitlaat Generator CV Toevoer CV Terugvoer Microgen (Microgen, 네덜란드 ) Microgen사의 free piston stirling engine은첫번째로상용화된엔진으로서 1 kw e, 50Hz의전기생산이가능하여가정용으로적합하게설계되었다. Free piston 방식은 1962년 OSU(Ohio State University) 의 Wiliian Beale 교수에의해처음소개되었으며, 최초시제품은 1966년에발표되었다. 이후 2010년에 Microgen에서상용화가능한수준으로완성되었다. 내부구조는헬륨이밀봉되어있는밀폐형구조로정비가필요없는 (maintenance free) 구조이다. 그림 13 Microgen Stirling engine 구조및열 / 전기흐름도 [29], [30] 028 2013 정보분석보고서 1 Stirling head 2 Heat exchanger fin (Heating zone) 3 Spring 4 Displacer piston 5 Water cooled area (Cooling zone) 6 Power Piston 7 Magnetic tape 8 Copper coil 구영덕 - 내지.indd 28 2013-11-21 오후 5:12:04
앞서설명한바와같이 Microgen은컨소시엄 (BDR Thermea, Viessmann, 경동나비엔, Vaillant 등 ) 으로이루어져있어이들업체들은 microgen 스털링엔진을사용하고있다. 아래제품들은 MEC(Microgen Engine Corporation) 의스털링엔진을차용한각사의제품을소개하였다. Ecogen (Baxi, 영국 ) Baxi ecogen은 LNG, LPG( 도시가스미공급지용 ) 두가지모델로나와있다. 전기는 0.2 ~ 0.9 kw e 의출력에대응할수있도록되어있다. 스털링엔진은특정열수요지점 (3.5 ~ 6kW th ) 에서만작동하도록시스템의온도를지속적으로모니터링하다가열이필요한경우내부연소기로부터추가열 (4kW th ) 을공급받아 10 kwth을공급한다. 열이더필요하다고판단되는경우 24kW th 의최대열출력 ( 스털링 6kW th + 18kW th ) 을낼수있도록설계되어있다. 그림 14 Ecogen 초소형열병합발전시스템의내부구조 flue position supplementary heat exchanger supplementary burner spool valve engine burner engine electronic controls Gas/Air IN Supplementary Burner Gas/Air IN Engine Burner 하이브리젠 SE, NCM 1130HH ( 경동, 한국 ) Supplementary Heat Exchanger Condensate Drain Electricity OUT 경동이 MEC(Microgen Engine Corporation) 엔진을이용하여 개발중인초소형열병합보일러이다. 기존경동보일러에사용되는 일체형스테인레스열교환기를사용하였다. 전기출력이나열출력 방식은앞서설명한 Ecogen 과유사하다. 2011 년하반기에첫필드 Return 029 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 29 2013-11-21 오후 5:12:04
테스트를시작했다. 그림 15 하이브리젠 SE(NCM 1130HH) 스털링초소형열병합발전시스템 배기구 보조콘덴싱보일러 스풀밸브 열교환기 팬가스밸브 엔진버너 벤츄리스풀밸브 유량센서 스틸링엔진 스틸링엔진 공기팬 순환펌프 환수 가스 공급수 Vitotwin (Viessmann, 독일 ) 다른 MEC 스털링엔진을사용한초소형열병합발전시스템과거의동일한수준의사양을가지고있다. Vitotwin과함께 750리터급저탕조인 Vitocell 340-M을같이사용하는사양을제시하고있다. 소비자의다양한요구에대응하기위해저탕조를가지면서도보다콤팩트한모델로 175리터의저탕조를내장한일체형의초소형열병합장치로 Vitotwin 350-F를 2013년에발표하였다. 그림 16 (a) Vitotwin 300-W 내부구조및 Vitotwin 350-F Vitotwin 300-W ❶ Vitotwin 300-W ❷ Peak load boiler ❸ Stainless steel Inox-Radial heat exchanger ❹ Air distribution valve ❺ Circular burner ❻ Stirling engine ❼ Control unit 030 2013 정보분석보고서 ecopower stirling (Vaillant) 스털링엔진을채용한 ecopower stirling 이라는제품을개발하고 있다. 다른기술 ( 연료전지 ) 을통한초소형열병합발전시스템개발에 구영덕 - 내지.indd 30 2013-11-21 오후 5:12:04
중점을두고있는상태여서상세사양및상용화계획은많이알려져 있지않으나, 타사와동일한 MEC 스털링엔진을채용하고있어유사한 사양으로추정할수있다. 그림 17 ecopower stirling 제품전시사진 (2011 년 ) evita (Remeha) MEC 스털링엔진을채용한초소형열병합발전시스템이다. 2010년네덜란드와독일에서상용화출시되었다. 25s( 솔로 ), 28c( 콤보 ) 등두가지모델제품이있다. 크기는동일하나 25s는 3.8 ~ 26.3kW th, 28c는 3.8 ~ 28kW th 정도차이가있다. 스털링엔진에서는 5kW th 의열생산이되며, 그이상이필요한경우추가가스버너를이용하여열을공급하는시스템으로구성되어있다. 그림 18 Remeha evita 형태및내부구조 Rauchgasabzug Vorlauf Heizung Innenansicht des Produkts Ruckiauf Heizung Zusatzbrenner und Warmetauscher Stirlingbrenner Stirling Generator Steuereinheit Steuerventil 031 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 31 2013-11-21 오후 5:12:04
Dachs Stirling SE (Senertec, 독일 ) MEC 엔진을이용한제품으로서자체에서전기 1.0kW e, 열 5.8 kw th 생산이가능하며, 내장된콘덴싱버너를이용하여 18 kw th 의열을추가공급할수있다. 기기뒤쪽에위치한저탕조는 530리터를저장할수있도록설계되어있다. 그림 19 펨토셀장비세계시장점유율 senetec 의초소형열병합발전시스템 ecogen WGS 20.1(Brötje Heizung, 독일 ) MEC 엔진을사용한가정용초소형열병합발전시스템으로서 LNG 사용제품은이미상용화판매중이며, LPG 대응제품은 2013년출시계획이다. 그림 20 ecogen WGS 20.1 제품 032 2013 정보분석보고서 Infinia (Infinia, 미국 ) MEC 스털링엔진이외에상용화에근접한것으로는 infinia 사의 구영덕 - 내지.indd 32 2013-11-21 오후 5:12:04
스털링엔진이있다. 두엔진모두프리피스톤방식에내부구조는매우유사하다. 과거 Sunpower사로부터개발된스털링엔진모듈을발전시켜사용한것으로 Infinia사의경우태양열에너지와스털링엔진을결합하는 power disk의개발이주요연구분야로가정용초소형열병합발전시스템과는상이하다. 린나이 ( 일본 ), bosch( 독일 ), Enatec( 네덜란드 ) 등에서는 infinia의스털링엔진을이용하여초소형열병합발전시스템개발을연구중에있다. 하지만최근투자유치실패로인한파산보호신청상태이다 (2013년 9월 ). 그림 21 스털링엔진내부구조비교 [31], [37], [40], [41] Hot heat exchanger Displacer Cold heat exchanger Power piston Flat spring Expansion chamber Regenerator Compression chamber Cylinder Linear alternator Rebound Zone (a) MEC free piston engine Linear Alternator Non-Contacting Seals Flexure Bearings Stirling Engine Coolant Output Heat Input Erhitzerkopf Verdrangerkolben Regenerator Kuhler Arbeitskolben Electrical Output Coolant Input Heat Input Linear-generator (b) INFINIA free piston engine Ariston thermo group이 Enatec의스털링엔진을사용한초소형열병합발전시스템 (< 그림 22>) 을이용하여시장에진출하려고하였고, 또한일본 Rinnai는대량생산을통한유럽시장진출을모색하였다. 그러나 2013년확인이불가능한상태이며, 현재개발이중단된것으로판단된다. 033 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 33 2013-11-21 오후 5:12:04
그림 22 Ariston CHP-1 사양및계획 (2009 년 ) [42] 1* Generation Product Floor Standing Model Project milestones Lab Testing Prototypes : Q4 '08 Field Tests Prototypes : Q3 '09 2* Generation Product Wall hung model Technical speclfications : Reduction in size, weight, noise Increased electrical efficency Lab test 2010, Field trlal 2011 Product type Electricity generator DHW Size Weight Fuel Nominal gas input Electric output System efficiency Ariston CHP-1 Combi Storage mchp appilance Free-piston Stirling engine 105L - Stratification type 600x600x1850 - floor standing 250kg(packaged) Natural gas 29.5kW(with integrated booster burner) 1.0kW - 230V - 50Hz G83 compilant > 107% - at 30% part load Gaskeur HRe Bosch 는 Infinia/Rinnai 스털링엔진을이용한 Buderus Logavolt 사의 STH102 T100S-29 라는시제품을선보였다. 내부구조 및형태는 Ariston CHP 와매우유사하다. (< 그림 23> 참조 ) 그림 23 Bosch(Buderus Logavolt 사제품 ) 초소형열병합발전시스템 [37] 연료전지초소형열병합발전시스템 035 2013 정보분석보고서 연료전지를이용한가정용초소형열병합발전시스템은기술상용화에관심이높은분야이다. 열에너지를기계적인운동에의해전기로변환함으로인해손실이발생하는데비하여연료전지는화학적에너지를전기에너지로바로변환하기때문에이에따르는손실이없어 (< 그림 24>) 다른열병합기기들에비해기기의크기에구애받지않으면서도 30~60% 에달하는높은발전효율을나타낸다. 구영덕 - 내지.indd 34 2013-11-21 오후 5:12:04
여기에열효율을감안하면종합효율은 70 ~ 90% 에이르는정도가 되기때문에매우효율적인기기구성이가능하다. 그림 24 연료전지와기타초소형열병합발전시스템적용기술간의차이점 Two reactant is mixed Breaking : Spark ignition, Temp., Pressure Chemical energy Heat energy(explosion) Mechanical Energy(shaft) Electrical energy Two reactant is separated Breaking : Catalyst, Temperature Chemical energy Electrical energy (Direct conversion) 대표적으로초소형열병합발전시스템에많이적용되는방식은 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell or Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 와 SOFC(Soild Oxide Fuel Cell) 이다. PEMFC는고분자전해질막을중심으로양쪽에다공질의음극 (anode) 과양극 (cathode) 이위치하고있으며 anode에서는연료인수소의분해가일어나고, 분해생성된수소이온 ( 프로톤, proton) 은멤브레인을통해양극으로움직이고, 전자는전류집전체를통해양극으로움직이게된다. 양극에도달한수소이온은산소와전기화학적반응을통해물로환원된다. PEMFC는수소를연료로사용하기때문에수소를저장하거나직접공급이가능한탱크를가지거나, 일반탄화수소계열의연료에고온의수증기를가한상태에서촉매반응을통해개질되는개질기를이용하게된다. PEMFC는고온방식과저온방식두가지가있으며, 각각의방식은 < 표 7> 과같이장점 / 단점을가지고있다. 035 유무선융합통신네트워크의기술및시장분석 구영덕 - 내지.indd 35 2013-11-21 오후 5:12:05
표 7 PEMFC 기술비교 항목 고온 PEMFC 기술 저온 PEMFC 기술 전해질막소재 PBI(Polybenzimidazole) 계 PFSA(Perfluoro-sulfonic acid) 계 운전온도 120 ~ 180 도 60 ~ 80 도 주운전방식 연속운전 시동 / 정지가능 가습기 불필요 필요 스택내 Flooding 현상 미발생 발생 응축수처리장치 불필요 필요 CO 내성 1% 이하 10 ppm 이하 CO 제거장치 불필요 필요 배열온도 100도이하 60도이하 Coolant 불소계또는오일계 초순수 자료 : 조장호, 건물용연료전지발전 - 고온 PEMFC 기술현황및전망, 공업화학전망, 제 14 권, 2011 036 2013 정보분석보고서 SOFC는이온전도성을가지는고체산화물을전해질로이용하는연료전지이다. 음극측에는수소, 양극측에는산소를공급하는것은동일하나, 양극측에서분해된산소이온이전해질막을통해이동하고, 음극에서수소또는연료가스와반응하여이산화탄소또는물이생성되는방식이다. 수소이온대신산소이온의전도가가능한전도체를사용하기위해서는고온 (600 ~ 1000 o C) 을유지하는것이어려운문제이지만, 기존의 PEMFC와달리산소를이용하여연소되는물질이라면거의무엇이든연료로사용가능하다수소, 하이드로카본계연료이외에도 CO같은물질도원리상개질없이연료로사용가능하다는점에서상용화의가능성이매우높다. 하지만 SOFC의전해질은세라믹고체로서이온의전도를위해서고온을필수적으로유지해야하며, 이를위한가동및중지시간이길어지는문제, 온도상승하강에따른열충격에의한내구성저하등의문제를해결할필요가있다. 연료전지를이용한초소형열병합발전시스템은구동부가다른초소형열병합기기용기술에비해적기때문에소음이작아가정용으로사용하기적합하고유지보수가상대적으로적다. 부분부하운전에도 구영덕 - 내지.indd 36 2013-11-21 오후 5:12:05
좋은효율을나타내며, 또한공해물질배출량이다른기기들에비해적은것도장점이다. 아직까지개발및시제품출시의단계에있기때문에실제설치비용은상당히높은편으로 PEMFC의경우는약 6,700 유로 /kw e, SOFC의경우는약 60,000 유로 /kw e 수준이다. 일반적으로연료전지시스템의경우스택이전체비용의 25 ~ 40%, 개질기 (Reformer) 25 ~ 30%, 열관리유닛 10 ~ 20%, 전장 10 ~ 20%, 기타 5 ~ 15% 의비용이소요된다. 연료전지가본격적으로상용화가능한시점으로인식되는수준은 300 ~ 550 유로 /kw e 정도로알려져있어아직격차가큰상태이다. 연료전지는기술특성상초소형열병합발전시스템적용에적합하여다수의업체가시제품개발을진행중에있다 (< 그림 25>, < 그림 26>). 향후점차연료전지를적용한초소형열병합발전시스템기술은저온 PEMFC에서고온 PEMFC와 SOFC로대체될것으로전망되고있다 (< 그림 27>). 그림 25 연료전지초소형열병합발전시스템제조업체정리 자료 : J. Horwitz, Fuel Cell mchp: On the Threshold of Success, FUEL CELL Seminar & Exposition, 2008 037 유무선융합통신네트워크의기술및시장분석 구영덕 - 내지.indd 37 2013-11-21 오후 5:12:05
그림 26 국가별연료전지초소형열병합발전시스템제조업체 Notes : Nippon Oil has named their mchp division ENEOS CellTech Honda has announced it will join the Japanese mchp market (a) PEMFC (b) SOFC 자료 : J. Horwitz, Fuel Cell mchp: On the Threshold of Success, FUEL CELL Seminar & Exposition, 2008 그림 27 연료전지기술을이용한초소형열병합발전시스템기술전망 용량주적용분야 2010 2015 2020 2025 현재저온 PEMFC 주도이나, 향후고온 PEMFC 및 SOFC 로대체전망 1 kw 가정용 저온 PEMFC 고온 PEMFC SOFC 자료 : 조장호, 건물용연료전지발전 - 고온 PEMFC 기술현황및전망, 공업화학전망, 제 14 권, 2011 국내에서는한국가스공사가추진하는가정용연료전지모니터링사업을통하여 210대시스템의장기운영으로신뢰성과내구성이검증되어, 이후 2010년부터정부의그린홈 100만호보급사업의일환으로가정용연료전지초소형열병합시스템이보급되었다 (2012년까지 1,347대보급 ) 한국의 PEMFC 적용초소형열병합발전시스템시장은퓨얼셀파워와 GS퓨얼셀이양분하고있는상태이며, 모니터링및시범보급사업은두회사가대부분을차지하고있다. 현재국내에서판매되는가정용연료전지의가격은대당 4,000~5,000 만원에이르고정부의보조금을감안하더라도소비자구매가가 500만원에상당하며, 또한가스요금이지속적으로오르고 038 2013 정보분석보고서 있는국내특수상황을감안할때시장잠재력은크지않은상태이다. 한국의연료전지를이용한초소형열병합발전시스템시장은다른 나라가단독주택에대응되는시스템을고려하는것과달리공동주택에 구영덕 - 내지.indd 38 2013-11-21 오후 5:12:05
설치하여운영하는방식을적용하여실증하는경우가다수이다. 퓨얼셀파워의경우는공동주택인경기도남양주호평파라곤테라스하우스 40세대에초소형열병합발전시스템을설치, 실증중이며, GS퓨얼셀의경우는불광동공동주택단지, 송파구주상복합단지, 춘천칠전동단독주택등 100여기가설치운용중이다.[45] PEMFC 기반기술 < 표 8> 에서는 PEMFC를이용하여초소형열병합발전시스템의시제품을개발하고있는업체중대표적인업체의제품사양을비교하였다. SOFC 기반기술 SOFC의경우 PEMFC에비해초소형열병합발전시스템에적용된시기가늦어상대적으로기술수준이낮으며시제품의단가가높은상태이다. 하지만 PEMFC가가지는여러가지문제점을극복할수있는대안으로서점점주목을받고있는상태이다. 한국과일본이 PEMFC를이용한시스템개발을하는것과는다르게유럽의경우는차세대초소형열병합발전시스템를위한 SOFC 적용이활발하게이루어지고있다. 다음표는각업체가개발하고있는제품의개략적인사양을정리하였다 (< 표 9>). 039 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 39 2013-11-21 오후 5:12:05
표 8 PEMFC 이용한초소형열병합업체및기술 단위 Gamma 1.0(Baxi Innotech) Vitovalor 300-P (Viessmann, 독일 ) Elcore 2400 (Elcore) Toshiba Ene-Farm ( 일본 ) Panasonic ENEOS Celltech CV-IN-13 (Fuel cell power, 한국 ) Ecogener (GS 퓨얼셀, 한국 ) 입력 kw - - - - - - - - 전기출력 kw 1.0 0.75 0.3 0.7 0.7 0.7 1.0 1.0 전기효율 % 32 37 - 열출력 (LHV) ( 최대는보조보일러포함 ) kw 1.7 ( 최대 21.7) 1.0 ( 최대 20) 열효율 % 53 53-35 (LNG) 37 (LPG) 39 (LNG) 38 (LPG) 40 36 36 0.6 - - - - 45 (LNG) 50 (LPG) 55 (LNG) 56 (LPG) 1.3 ( 최대 32) 50 50 48 종합효율 % 95 90 98 - - 86 84 급탕온도 o C - - 90 60 60 60-60 급탕용량리터 - 170-200 200 200-150 연료 - LNG, LPG LNG, LPG LNG LNG LNG/LPG 시스템크기 L H D [mm] 600 1600 600 480 1670 475 500 900 500 750 1900 440 750 1760 440 750 1883 480 800 1850 650 무게 kg 200 125 60 105 100 125 250 사양 ( 스택공급업체 ) - LT-PRMFC (Ballard) LT-PEMFC HT-PEMFC (BASF) - LT- PEMFC (UTC) LT-PEMFC (Ballard) 800 1800 616 LT-PEMFC - 소음 db(a) - - 49 48 48 49 - - 제품가격유로 - - 9,000 25,000-20,780 - 상용화 년 특징 - 2013 예정이후소식없음 4,000 ~ 6,000 시간 / 년운전가능 2014 예정 60,000 시간운전, 시작 - 정지기동 4,000 회보장 2013 년필드테스트예정 - 57,000 (2010) - - - - - Osaka gas(lng) JX Nippon oil (LPG) Osaka gas(lng) ASTOMOS (LPG) Tokyo gas 국내 1000 여대설치 (2011 년 ) 공동주택최초보급 - 경동과공동개발 - 사업잠정중단 (2012) 040 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 40 2013-11-21 오후 5:12:05
단위 Vaillant 표 9 SOFC 이용한초소형열병합발전시스템업체및기술 Galileo 1000N(Hexis, 스위스 ) Bluegen (CFCL, 오스트레일리아 ) Ceres Power ( 영국 ) Acumentrics Powercore (Topsoe 외 ) Ene-farm Type S (Kyocera 외 ) 입력 kw - - - 2.3-1.8 전기출력 kw 1.0 1.0 0.5-1.5 0.8 1.0 1.0 0.7 전기효율 % - 25 ~ 30 50 @ 1.0. kwe 34-65 46.5 열출력 (LHV) ( 최대는보조보일러포함 ) kw 2.0 2.5 ( 최대 20) 0.4 ~ 0.54 1.17 ( 최대 28) - - 열효율 % - - 25 - - 1 ( 최대 44.1) 종합효율 % - > 90 85 96.4-82 94 급탕온도 o C - - - - - - 60 급탕용량리터 - - 200 - - - 200 연료 - LNG - LNG - - - 시스템크기 L H D [mm] 320 1180 1133 350 1600 550 660 1010 600 - - - 780 1000 300 무게 kg 170 < 200 - - - 100 사양 ( 스택공급업체 ) - 사각형 planar 원통형 planar 사각형 Planar type 사각형 Planar type Tubular type - Flat Tubular 소음 db(a) < 45 - - - 49 제품가격유로 - - - 21,000 상용화년 - - 특징 - EcoPOWER 1.0 과외장패키지호환크기 28,000 연속운전 2013 년필드테스트예정 독일, 네덜란드, 영국에서판매중 - - - 2012 년 - 실험실시작품수준 - - 041 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 41 2013-11-21 오후 5:12:05
042 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 42 2013-11-21 오후 5:12:05
초소형열병합발전관련 연구개발현황분석 043 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 43 2013-11-21 오후 5:12:05
초소형열병합발전관련연구개발현황분석 본보고서에서는초소형열병합발전연구개발동향을 Web of Science (Thomson Reuters) 데이터베이스를사용하여분석하였다. 초소형열병합발전 (Micro CHP) 에대한 607건의논문을대상으로하였으며, 검색기간 ( 년도 ) 은 1986-2013년으로제한하였다. 연도별연구개발현황 044 2013 정보분석보고서 초소형열병합발전으로검색된논문의출판수와연도별증가율, 한국의논문수, 연도별논문증가율, 그리고전체누적논문수를보여주고있으며, 그결과를 < 표 10> 에정리하였다. 전체 ( 세계 ) 논문수는 2007년을기점으로급격히증가하였으며, 그이후꾸준한증가세를나타내고있다. 2007년의연도별논문증가율을보면 80.0% 증가하였으며, 그이후에는 20% 이내의증가세를나타내고있다. 논문수에서는 2008년부터 50건이상지속적으로발표하는것으로나타났다. 한편, 전체논문에있어서분석대상기간의연평균증가율은 구영덕 - 내지.indd 44 2013-11-21 오후 5:12:06
논문수기준 21.18%, 누적논문수기준 35.1% 인것으로나타났다. 우리나라는 2006 년부터논문이나오기시작하여매년 5 건이내의 논문이발표되고있는것으로나타났다. 연도 논문수 연도별증가율, 전체 (%) 누적논문수 표 10 연도별논문수 한국논문 연도논문수 연도별증가율, 전체 (%) 누적논문수 1994 2 2 0 2004 17 88.9 105 0 1995 15 650.0 17 0 2005 26 52.9 131 0 1996 6-60.0 23 0 2006 25-3.8 156 1 1997 3-50.0 26 0 2007 45 80.0 201 1 1998 14 366.7 40 0 2008 51 13.3 252 0 1999 8-42.9 48 0 2009 54 5.9 306 1 2000 7-12.5 55 0 2010 62 14.8 368 3 2001 14 100.0 69 0 2011 74 19.4 442 2 2002 10-28.6 79 0 2012 88 18.9 530 3 2003 9-10.0 88 0 2013 77 607 5 한국논문 그림 28 연도별논문발간추이 045 유무선융합통신네트워크의기술및시장분석 구영덕 - 내지.indd 45 2013-11-21 오후 5:12:06
국가별연구개발분석국가별논문수논문의저자국적을분석한결과세계적으로 50개국가에서관련연구가수행되는것으로분석되었다. 표 11 논문의국가별분포 순위 국가 논문수 비중 (%) 순위 국가 논문수 비중 (%) 1 USA 97 15.98 7 Canada 32 5.27 2 UK 94 15.49 8 Denmark 31 5.11 3 Italy 64 10.54 9 Iran 22 3.62 4 Germany 52 8.57 10 Netherlands 20 3.29 5 China 39 6.43 10 Poland 20 3.29 5 Japan 39 6.43 14 South Korea 16 2.64 이들국가중미국이 97건의논문을발표하여전체 607건의논문중 15.98% 를점유하며가장많은논문을발표한것으로확인되었다. 그다음으로영국이 94건 (15.49%), 이탈리아는 64건 (10.54%) 의논문수를기록하여각각 2,3위를차지하였다. 한국의경우 16건 (2.64%) 의논문으로 14위를차지하고있다. 표 12 국가별연도별논문수현황 046 2013 정보분석보고서 연도 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 USA 1 5 1 1 5 1 2 2 2 2 4 UK 0 0 0 0 4 0 2 0 0 1 2 Italy 0 0 0 0 1 0 1 3 2 1 0 Germany 0 1 0 0 2 1 0 1 1 2 1 China 0 5 1 1 1 0 2 1 3 1 2 Japan 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 Canada 0 0 0 0 0 2 0 2 0 0 2 Denmark 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Iran 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Netherlands 0 0 0 0 0 1 1 3 2 0 0 Poland 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 South Korea 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 구영덕 - 내지.indd 46 2013-11-21 오후 5:12:06
연도 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 누계 USA 5 8 8 4 5 12 11 7 11 97 UK 5 6 9 19 12 5 9 14 6 94 Italy 2 2 4 3 6 4 8 15 12 64 Germany 2 1 5 7 5 5 8 5 5 52 China 3 0 2 1 3 5 2 4 2 39 Japan 2 0 4 2 6 5 4 8 6 39 Canada 1 2 2 1 5 5 3 3 4 32 Denmark 0 0 0 2 2 3 11 4 7 31 Iran 0 0 1 0 1 4 2 7 7 22 Netherlands 0 0 1 0 1 3 4 2 2 20 Poland 1 0 1 2 2 2 5 3 2 20 South Korea 0 1 1 0 1 3 2 3 5 16 그림 29 국가별연도별논문수현황 국가별논문수준분석수준분석이란특정기술분야전체논문의평균피인용수에대한특정국가발표논문의평균피인용수의비로서피인용수에기반을둔질적수준평가지표이다. 수준지수가 1.0인경우특정국가가발표한 047 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 47 2013-11-21 오후 5:12:06
논문의평균피인용수가해당분야전체논문의평균피인용수와 같음을의미하며, 1.0 을초과하는경우는해당분야평균피인용수에 비해높음을의미한다. 표 13 국가별논문의수준지수 국가 논문수 논문당 피인용수 수준지수국가논문수논문당피인용수 수준지수 Canada 32 21.969 1.822 China 39 8 0.663 UK 94 17.670 1.465 Italy 64 7.875 0.653 Germany 52 15.038 1.247 Netherlands 20 7.05 0.585 USA 97 14.979 1.242 Poland 20 4.2 0.348 Japan 39 13.231 1.097 Iran 22 3.636 0.302 Denmark 31 10.161 0.843 South Korea 16 1.375 0.114 그림 30 국가별논문의수준지수 국가별논문의수준지수를보면캐나다가가장높은값 (1.822) 을보여논문의피인용관점에서질적수준이가장우수한것으로나타났으며, 영국 (1.465), 독일 (1.247), 미국 (1.242), 일본 (1.097) 순으로높게나타났다. 이들 5개국가는분야평균인 1.0보다높은값을보여준다. 048 2013 정보분석보고서 반면한국의수준지수는 0.114 를기록하였으며, 이는한국의질적 수준이세계평균이하임을의미한다. 구영덕 - 내지.indd 48 2013-11-21 오후 5:12:06
그림 31 국가별논문수대비수준지수 < 그림 31> 은국가별논문의건수와수준지수를함께정리한것으로써국가별논문의양과질을함께비교해볼수있다. 이탈리아의경우 64건의논문수로비교적상위수준의논문을발표하였으나, 수준지수는 0.653으로낮은편이다. 반면캐나다는 32건의논문수로비교적낮은수준의논문이발표되었으나, 수준지수는 1.822로가장높다. 영국의경우논문수 (94건) 와수준지수 (1.465) 가모두높은것으로분석되어현재초소형열병합발전연구에서주도적인위치에있음을보여준다. 국제공동연구네트워크초소형열병합발전분야의국제공동연구현황을분석한결과미국이자국을제외한 22개국가와공동연구를수행하여가장넓은국제네트워크를형성하고있는것으로나타났으며, 한국의경우 6개국가와공동연구를수행하였으며주요국제공동연구대상국가로는미국, 싱가포르, 이탈리아등이있었다. 049 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 49 2013-11-21 오후 5:12:06
그림 32 공동연구대상국가현황 ( 자국불포함 ) 기관별연구개발현황 기관별논문수 표 14 기관별논문수현황 순위 기관 논문수 비중 (%) 1 Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med 19 3.13 2 Univ Aalborg 18 2.97 3 UCL 12 1.98 4 Heriot Watt Univ 9 1.48 5 Tech Univ Denmark 8 1.32 6 Carleton Univ 7 1.15 6 Politecn Milan 7 1.15 6 Univ Florence 7 1.15 6 Tokyo Med & Dent Univ 7 1.15 050 2013 정보분석보고서 논문의저자소속기관을분석한결과세계적으로 659 개기관에서 관련연구가수행되는것으로나타났다. 이들기관중 Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med 가 19 건의논문을발표하여전체 구영덕 - 내지.indd 50 2013-11-21 오후 5:12:07
607 건의논문중 3.13% 를점유하며가장많은논문을발표한것으로 나타났다. Univ Aalborg 은 18 건 (2.97%), UCL 은 12 건 (1.98%) 의 논문을발표하여각각 2,3 위를차지하고있는것으로분석되었다. 표 15 각기관의연도별논문수 연도 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 총합 Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med 0 0 1 0 0 0 0 3 1 1 3 4 1 3 0 2 19 Univ Aalborg 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 6 3 3 18 UCL 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 3 0 3 2 1 12 Heriot Watt Univ Tech Univ Denmark 0 0 0 0 0 0 1 2 1 1 3 1 0 0 0 0 9 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 2 0 3 8 Carleton Univ 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 7 Politecn Milan 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 3 0 1 1 7 Univ Florence 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 2 0 7 Tokyo Med & Dent Univ Sharif Univ Technol Islamic Azad Univ 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 7 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 3 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 1 1 6 Univ Maryland 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 1 2 6 Univ Nottingham Univ Manchester Shanghai Jiao Tong Univ Helsinki Univ Technol Univ Strathclyde Univ Birmingham 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 2 0 1 1 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 1 0 1 0 6 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 3 1 1 0 6 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 2 1 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 0 0 0 6 051 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 51 2013-11-21 오후 5:12:07
기관별논문수준분석 논문수준분석은앞의국가별논문수준분석과동일한방법을통해 해석된다. 표 16 기관별논문게재현황및수준지수 기관 논문수 논문당피인용수 수준지수 Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med 19 33 2.736 Helsinki Univ Technol 6 23.167 1.921 Heriot Watt Univ 9 18.889 1.566 Shanghai Jiao Tong Univ 6 18.167 1.506 Univ Maryland 6 16.833 1.396 Tokyo Med & Dent Univ 7 15.143 1.256 UCL 12 14.083 1.168 Univ Nottingham 6 14 1.161 Univ Birmingham 6 13.333 1.106 Carleton Univ 7 11.429 0.948 Univ Aalborg 18 11.056 0.917 그림 33 기관별논문수준지수 052 2013 정보분석보고서 초소형열병합발전관련논문의기관별수준분석결과 Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med 가가장높은값 (2.736) 을보여 구영덕 - 내지.indd 52 2013-11-21 오후 5:12:07
논문의피인용관점에서질적수준이가장우수한것으로나타났다. 분야평균이상의수준을보이는기관으로는 Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med(2.736), Helsinki Univ Technol(1.921), Heriot Watt Univ(1.566), Shanghai Jiao Tong Univ(1.506), Univ Maryland(1.396), Tokyo Med & Dent Univ(1.256), UCL(1.168), Univ Nottingham(1.161), Univ Birmingham(1.106) 이있으며, 이들기관의논문의평균수준은전체초소형열병합발전관련논문의평균수준보다높다고추론할수있다. < 그림 34> 를보면 Univ Aalborg의경우논문수는 18건으로많은편에속하나수준지수는 0.917로많이낮은수준을보이고있어다른기관에비해질적수준이상대적으로낮은것으로나타났다. 그러나 Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med는논문수 19건에수준지수 2.736을나타내어연구의양적인면과질적인면에서우수한것으로나타났다. 그림 34 기관별논문수대비수준지수 053 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 53 2013-11-21 오후 5:12:07
기관별국제협력강도분석국제협력관계지수 (S) 는 특정연구수행주체 ( 기관 ) 의협력대상중외국소재연구수행주체의비중 을의미하며, 이값이클수록국제공동연구를활발히하는, 즉, 국제네트워크가강하게형성된연구수행주체임을의미한다. 국제협력강도 (L) 는 분야평균국제협력관계지수에대한특정연구수행주체의국제협력관계지수의비 로서특정연구수행주체의국제협력관계지수를분야평균으로정규화한값이다. 특정연구수행주체의국제협력강도 (L) 가 1.0인경우는해당연구자의국제협력강도가분야평균임을의미하며, 1.0 이상인경우는분야평균이상임을 1.0 미만인경우는분야평균이하임을의미한다. 표 17 기관별국제협력관계지수 (S) 및국제협력강도 (L) 기관논문수국제협력관계지수국제협력강도 UCL 12 1.167 5.133 Helsinki Univ Technol 6 0.667 2.934 Tech Univ Denmark 8 0.625 2.749 Univ Florence 7 0.571 2.512 Tokyo Med & Dent Univ 7 0.571 2.512 Univ Manchester 6 0.5 2.199 Univ Maryland 6 0.5 2.199 Carleton Univ 7 0.429 1.887 Politecn Milan 7 0.286 1.258 Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med 19 0.263 1.157 054 2013 정보분석보고서 기관별국제협력강도분석결과, UCL(5.133) 의국제협력강도가가장높은것으로나타났다. 분야평균이상의수준을보이는기관으로는 UCL(5.133), Helsinki Univ Technol(2.934), Tech Univ Denmark(2.749), Univ Florence(2.512), Tokyo Med & Dent Univ(2.512), Univ Manchester(2.199), Univ Maryland(2.199), Carleton Univ(1.887), Politecn Milan(1.258), Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med(1.157) 가있다. 구영덕 - 내지.indd 54 2013-11-21 오후 5:12:07
핵심기관분석핵심기관선정은수준분석 (Q) 및국제협력강도 (L) 분석결과를통해이루어진다. 연구자별수준지수 (Q) 및국제협력강도 (L) 는 Q=L=1을기준으로네개의구역 (I-IV) 으로구분할수있다. 표 18 핵심기관선정을위한 Q-L 분포 기관논문수 CPP Q S L Univ London Imperial Coll Sci Technol & Med 19 33 2.736 0.263 1.157 Univ Aalborg 18 11.056 0.917 0.056 0.246 UCL 12 14.083 1.168 1.167 5.133 Heriot Watt Univ 9 18.889 1.566 0 0 Tech Univ Denmark 8 11 0.912 0.625 2.749 Univ Florence 7 8.857 0.734 0.571 2.512 Tokyo Med & Dent Univ 7 15.143 1.256 0.571 2.512 Politecn Milan 7 5.571 0.462 0.286 1.258 Carleton Univ 7 11.429 0.948 0.429 1.887 Univ Strathclyde 6 3.167 0.263 0.167 0.735 그림 35 핵심연구자선정을위한 Q-L 분포도 055 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 55 2013-11-21 오후 5:12:07
한국기관현황 < 표 19> 는초소형열병합발전연구를수행하는한국기관의상황을논문수를기준으로나열한것이다. 고려대학교, 서울대학교, 한양대학교, 한국에기연, 부산대학교, 화학연구원등이각 2건씩의논문을발표하였으며, 그이외의대학및기관들은각 1건씩의논문을발표하고있어, 아직까지국내에서의초소형열병합발전에대해서는초기단계임을알수있다. 표 19 한국기관현황 번호 한국기관 논문수 번호 한국기관 논문수 1 Korea Univ 2 14 Kyung Hee Univ 1 2 Seoul Natl Univ 2 15 Sogang Univ 1 3 Hanyang Univ 2 16 GS Caltex Corp 1 4 Korea Inst Energy Res 2 17 KEPRI 1 5 Pusan Natl Univ 2 18 Korea Elect Power Corp KEPCO 1 6 Korea Res Inst Chem Technol 2 19 Samsung Elect Co Ltd 1 7 Pohang Univ Sci & Technol 1 20 Chung Ang Univ 1 8 Soon Chun Hyang Univ 1 21 Kyungpook Natl Univ Hosp 1 9 Chungbuk Natl Univ Hosp 1 22 Daegu Univ 1 10 Catholic Univ Korea 1 23 Korea Electrotechnol Res Inst 1 11 Inha Univ 1 24 Chonbuk Natl Univ 1 12 Chungnam Natl Univ 1 13 Yeungnam Univ 1 25 UNIST 1 저자별연구개발현황 저자별논문수준분석 056 2013 정보분석보고서 분야내모든논문의논문당피인용수의평균 에대한 특정국가 ( 기관또는연구자 ) 가발표한논문의논문당피인용수 의비율로정의되는피인용수에기반을둔질적수준평가지표이다. 수준지수가 1.0인경우특정연구자가발표한논문의평균피인용수가해당분야전체논문의평균피인용수와같음을의미하며, 1.0을초과하는경우는해당분야평균피인용수에비해높음을의미한다. 구영덕 - 내지.indd 56 2013-11-21 오후 5:12:07
표 20 저자별논문게재현황및수준지수 (Q) 저자 논문수 CPP Q Akiyoshi, K 7 33.143 2.748 Leach, MA 5 29.2 2.421 Peacock, AD 5 24.6 2.04 Hawkes, AD 8 23.875 1.98 Newborough, M 7 21.714 1.801 Alanne, K 7 17.714 1.469 Sasso, M 5 16.8 1.393 Brandon, NP 7 16.286 1.35 Staffell, I 6 12.167 1.009 Bidini, G 5 9.8 0.813 Roselli, C 5 9.6 0.796 Sibilio, S 7 9.571 0.794 Shu, CM 5 8.8 0.73 Ehyaei, MA 5 8.2 0.68 Kaer, SK 9 7.222 0.599 Nielsen, MP 10 6.7 0.556 Beausoleil-Morrison, I 5 5.8 0.481 Matysiak, R 5 4 0.332 Esposito, F 5 4 0.332 Kamieniarz, G 5 4 0.332 Arsalis, A 5 3.2 0.265 Mikielewicz, J 5 3 0.249 Rosato, A 5 2 0.166 [Anonymous] 5 0 0 그림 36 저자별논문수준지수 057 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 57 2013-11-21 오후 5:12:08
논문수와수준지수가모두높은저자들중에서저자별수준분석결과, 분야평균이상의수준을보이는저자로는 Akiyoshi, K(2.748), Leach, MA(2.421), Peacock, AD(2.04), Hawkes, AD(1.98), Newborough, M(1.801), Alanne, K(1.469), Sasso, M(1.393), Brandon, NP(1.35), Staffell, I(1.009) 가있다. 그림 37 저자별논문수대비수준지수 저자별국제협력강도분석 058 2013 정보분석보고서 국제협력관계지수 (S) 는 특정연구수행주체 ( 연구자 ) 의협력대상중외국소재연구수행주체의비중 을의미하며, 이값이클수록국제공동연구를활발히하는, 즉, 국제네트워크가강하게형성된연구자임을의미한다. 국제협력강도 (L) 는 분야평균국제협력관계지수에대한특정연구수행주체의국제협력관계지수의비 로서특정연구수행주체의국제협력관계지수를분야평균으로 구영덕 - 내지.indd 58 2013-11-21 오후 5:12:08
정규화한값이다. 특정연구수행주체의국제협력강도 (L) 가 1.0인경우는해당연구자의국제협력강도가분야평균임을의미하며, 1.0 이상인경우는분야평균이상임을 1.0 미만인경우는분야평균이하임을의미한다. 표 21 연구자별국제협력관계지수 (S) 및국제협력강도 (L) 저자 논문수 국제협력관계지수 국제협력강도 Matysiak, R 5 1 4.399 Kamieniarz, G 5 1 4.399 Esposito, F 5 1 4.399 Alanne, K 7 0.714 3.141 Beausoleil-Morrison, I 5 0.4 1.759 Akiyoshi, K 7 0.286 1.258 Roselli, C 5 0.2 0.88 Brandon, NP 7 0.143 0.629 Nielsen, MP 10 0.1 0.44 Sibilio, S 7 0 0 Rosato, A 5 0 0 Peacock, AD 5 0 0 [Anonymous] 5 0 0 Shu, CM 5 0 0 Sasso, M 5 0 0 Staffell, I 6 0 0 Ehyaei, MA 5 0 0 Hawkes, AD 8 0 0 Arsalis, A 5 0 0 Bidini, G 5 0 0 Mikielewicz, J 5 0 0 Newborough, M 7 0 0 Kaer, SK 9 0 0 Leach, MA 5 0 0 저자별국제협력강도분석결과, Matysiak, R(4.399) 의국제협력강도가가장높은것으로나타났으며, 분야평균이상의 059 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 59 2013-11-21 오후 5:12:08
수준을보이는저자 ( 으 ) 로는 Matysiak, R(4.399), Kamieniarz, G(4.399), Esposito, F(4.399), Alanne, K(3.141), Beausoleil- Morrison, I(1.759), Akiyoshi, K(1.258) 가있다. 핵심연구자분석핵심연구자선정은수준분석 (Q) 및국제협력강도 (L) 분석결과를통해이루어졌다. 연구자별수준지수 (Q) 및국제협력강도 (L) 는 Q=L=1을기준으로네개의구역 (I-IV) 으로구분할수있다. 표 22 핵심연구자선정을위한 Q-L 분포 060 2013 정보분석보고서 저자 논문수 CPP Q S L Nielsen, MP 10 6.7 0.556 0.1 0.44 Kaer, SK 9 7.222 0.599 0 0 Hawkes, AD 8 23.875 1.98 0 0 Sibilio, S 7 9.571 0.794 0 0 Newborough, M 7 21.714 1.801 0 0 Brandon, NP 7 16.286 1.35 0.143 0.629 Alanne, K 7 17.714 1.469 0.714 3.141 Akiyoshi, K 7 33.143 2.748 0.286 1.258 Staffell, I 6 12.167 1.009 0 0 Shu, CM 5 8.8 0.73 0 0 Sasso, M 5 16.8 1.393 0 0 Roselli, C 5 9.6 0.796 0.2 0.88 Rosato, A 5 2 0.166 0 0 Peacock, AD 5 24.6 2.04 0 0 Mikielewicz, J 5 3 0.249 0 0 Matysiak, R 5 4 0.332 1 4.399 Leach, MA 5 29.2 2.421 0 0 Kamieniarz, G 5 4 0.332 1 4.399 Esposito, F 5 4 0.332 1 4.399 Ehyaei, MA 5 8.2 0.68 0 0 Bidini, G 5 9.8 0.813 0 0 Beausoleil-Morrison, I 5 5.8 0.481 0.4 1.759 Arsalis, A 5 3.2 0.265 0 0 [Anonymous] 5 0 0 0 0 구영덕 - 내지.indd 60 2013-11-21 오후 5:12:08
그림 38 핵심연구자선정을위한 Q-L 분포도 고피인용논문분석초소형열병합발전관련한주제로 1994-2013년사이에게재된논문 607건중에서적어도 1회이상인용된논문수는 475건 (78.25%) 이다. 이중에서피인용도가높은논문리스트를 < 표 23> 에나타내었다. 그림 39 피인용수에따른논문수의분포 061 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 61 2013-11-21 오후 5:12:08
표 23 고피인용논문목록 저자논문제목학술지 Laflamme, N; Rivest, S Steele, BCH Aspenstrom, P; Fransson, A; Saras, J Toll-like receptor 4: the missing link of the cerebral innate immune response triggered by circulating gram-negative bacterial cell wall components Materials for IT-SOFC stacks 35 years R&D: the inevitability of gradualness? Rho GTPases have diverse effects on the organization of the actin filament system Volume, Page 피인용수 연도 FASEB JOURNAL 15, 155 252 2001 SOLID STATE IONICS 134, 3 249 2000 BIOCHEMICAL JOURNAL 377, 327 172 2004 Weiland, P Biogas production: current state and perspectives APPLIED MICROBIOLOGY AND BIOTECHNOLOGY 85, 849 151 2010 Hanna, IH; Teiber, JF; Kokones, KL; Hollenberg, PF Akiyoshi, K; Deguchi, S; Tajima, H; Nishikawa, T; Sunamoto, J Daniel, JH; Iqbal, S; Millington, RB; Moore, DF; Lowe, CR; Leslie, DL; Lee, MA; Pearce, MJ Dringen, R; Kussmaul, L; Hamprecht, B Sung, JML; Lloyd, DH; Lindsay, JA Role of the alanine at position 363 of cytochrome P450 2B2 in influencing the NADPH- and hydroperoxidesupported activities Microscopic structure and thermoresponsiveness of a hydrogel nanoparticle by self-assembly of a hydrophobized polysaccharide Silicon microchambers for DNA amplification Detoxification of exogenous hydrogen peroxide and organic hydroperoxides by cultured astroglial cells assessed by microtiter plate assay Staphylococcus aureus host specificity: comparative genomics of human versus animal isolates by multi-strain microarray ARCHIVES OF BIOCHEMISTRY AND BIOPHYSICS 350, 324 140 1998 MACROMOLECULES 30, 857 135 1997 SENSORS AND ACTUATORS A-PHYSICAL BRAIN RESEARCH PROTOCOLS 71, 81 119 1998 2, 223 105 1998 MICROBIOLOGY-SGM 154, 1949 91 2008 Hernandez-Aramburo, CA; Green, TC; Mugniot, N Fuel consumption minimization of a microgrid IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS 41, 673 77 2005 062 2013 정보분석보고서 Aronheim, A; Broder, YC; Cohen, A; Fritsch, A; Belisle, B; Abo, A Chp, a homologue of the GTPase Cdc42Hs, activates the JNK pathway and is implicated in reorganizing the actin cytoskeleton CURRENT BIOLOGY 8, 1125 77 1998 구영덕 - 내지.indd 62 2013-11-21 오후 5:12:08
저자논문제목학술지 Nadeau, S; Rivest, S Regulation of the gene encoding tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha) in the rat brain and pituitary in response to different models of systemic immune challenge JOURNAL OF NEUROPATHOLOGY AND EXPERIMENTAL NEUROLOGY Volume, Page 피인용수 연도 58, 61 74 1999 Pilavachi, PA Mini- and micro-gas turbines for combined heat and power APPLIED THERMAL ENGINEERING 22, 2003 68 2002 Schuster, A; Karellas, S; Kakaras, E; Spliethoff, H Energetic and economic investigation of Organic Rankine Cycle applications APPLIED THERMAL ENGINEERING 29, 1809 68 2009 Thibeault, I; Laflamme, N; Rivest, S Lund, H; Moller, B; Mathiesen, BV; Dyrelund, A Abu-Sharkh, S; Arnold, RJ; Kohler, J; Li, R; Markvart, T; Ross, JN; Steemers, K; Wilson, P; Yao, R Aslan, K; Geddes, CD Hawkes, AD; Leach, MA Patil, AS; Dubois, TG; Sifer, N; Bostic, E; Gardner, K; Quah, M; Bolton, C Alanne, K; Saari, A Braun, RJ; Klein, SA; Reindl, DT Regulation of the gene encoding the monocyte chemoattractant protein 1 (MCP-1) in the mouse and rat brain in response to circulating LPS and proinflammatory cytokines The role of district heating in future renewable energy systems Can microgrids make a major contribution to UK energy supply? Microwave-accelerated metalenhanced fluorescence: Platform technology for ultrafast and ultrabright assays Cost-effective operating strategy for residential micro-combined heat and power Portable fuel cell systems for America's army: technology transition to the field Sustainable small-scale CHP technologies for buildings: the basis for multi-perspective decision-making Evaluation of system configurations for solid oxide fuel cell-based microcombined heat and power generators in residential applications JOURNAL OF COMPARATIVE NEUROLOGY 434, 461 68 2001 ENERGY 35, 1381 67 2010 RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS ANALYTICAL CHEMISTRY 10, 78 67 2006 77, 8057 66 2005 ENERGY 32, 711 62 2007 JOURNAL OF POWER SOURCES RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS JOURNAL OF POWER SOURCES 136, 220 61 2004 8, 401 58 2004 158, 1290 51 2006 063 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 63 2013-11-21 오후 5:12:08
저자논문제목학술지 Volume, Page 피인용수 연도 Peacock, AD; Newborough, M Impact of micro-chp systems on domestic sector CO2 emissions APPLIED THERMAL ENGINEERING 25, 2653 49 2005 De Paepe, M; D'Herdt, P; Mertens, D Micro-CHP systems for residential applications ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT 47, 3435 49 2006 Mombelli, A; Casagni, F; Madianos, PN Ratanadecho, P; Aoki, K; Akahori, M Can presence or absence of periodontal pathogens distinguish between subjects with chronic and aggressive periodontitis? A systematic review A numerical and experimental investigation of the modeling of microwave heating for liquid layers using a rectangular wave guide (effects of natural convection and dielectric properties) JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY APPLIED MATHEMATICAL MODELLING 29, 10 46 2002 26, 449 46 2002 Bieri, M; Nguyen, MT; Groning, O; Cai, JM; Treier, M; Ait-Mansour, K; Ruffieux, P; Pignedoli, CA; Passerone, D; Kastler, M; Mullen, K; Fasel, R Two-Dimensional Polymer Formation on Surfaces: Insight into the Roles of Precursor Mobility and Reactivity JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 132, 16669 45 2010 Stauffer, PR; Rossetto, F; Leoncini, M; Gentilli, GB Radiation patterns of dual concentric conductor microstrip antennas for superficial hyperthermia IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING 45, 605 45 1998 Feng, YJ; Yang, Q; Wang, X; Logan, BE Treatment of carbon fiber brush anodes for improving power generation in air-cathode microbial fuel cells JOURNAL OF POWER SOURCES 195, 1841 45 2010 Pi, XJ; Grattan, DR Increased expression of both short and long forms of prolactin receptor mrna in hypothalamic nuclei of lactating rats JOURNAL OF MOLECULAR ENDOCRINOLOGY 23, 13 45 1999 064 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 64 2013-11-21 오후 5:12:08
시장동향분석과 국내보급선결과제 065 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 65 2013-11-21 오후 5:12:08
시장동향분석과국내보급선결과제 해외시장현황및전망 2005년에서 2012년까지전세계초소형열병합발전설비의판매추이를살펴보면, 2005년과 2006년초소형열병합발전시스템열풍에힘입어증가세를보였으나, 이후경기침체와시장반응, 그리고일부기술적문제점등으로인해 2010년까지보급에정체기를거치다가 2011년을기점으로 2012년까지급격한판매증가세를보이고있음을확인할수있다. 전체판매에서유럽시장의비중은점차확대되고는있으나아직은주로일본시장이전체초소형열병합발전시장을주도하고있다. 066 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 66 2013-11-21 오후 5:12:08
그림 40 Global micro-chp sales 자료 : Delta Energy & Environment, 2011 원동기별판매추이를살펴보면, 2008년까지초기시장에서는거의대부분왕복동엔진 (Internal Combustion Engine: ICE) 을기반으로한판매가주를이루었으며, 일부스털링초소형열병합발전시스템의판매가진행되었다. 2009년도를기점으로시스템의다변화가진행되어, 처음시장에 PEMFC이등장하였으며, 랭킨사이클기반초소형열병합발전시스템도시장에첫선을보이기시작하였다. 이후 PEMFC 연료전지기반초소형열병합발전시스템의시장이급격히확대되고있다. 또한스털링엔진초소형열병합발전시스템도보급초반기술적문제들을해결해나감에따라시장이점차확대되고있으며, 반대로왕복동엔진형식의초소형열병합발전설비의시장비중은크게감소하고있음에유의할필요가있다. 이는개별세대를대상으로하는초소형열병합발전시스템의특성상, 엔진소음에의한소비자들의선택기호가크게바뀌어가고있음을의미한다. 2012년에는처음으로 SOFC 형식의초소형열병합발전시스템이시장에등장하여큰판매실적을나타내고있다. 067 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 67 2013-11-21 오후 5:12:09
그림 41 초소형열병합발전원동기별판매추이 Annual micro-chp sales 60,000 Solid Oxide fuel cell Stirling Engine Proton Exchange Membrane fuel cell Rankine Cycle Internal Combustion Engine Source: Delta-ee,2012 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 자료 : Delta-ee, European small scale cogen market status & prospects, Cogeneration Days 2012 표 24 초소형열병합발전원동기형식별시장점유율변화추이 Cumulative global market share 2009 2010 2011 2012 ICE 93% 87% 79% 65% PEMFC 4% 9% 16% 27% Stirling 3% 4% 5% 5% SOFC 0% 0% 0% 3% 자료 : Delta-ee, European small scale cogen market status & prospects, Cogeneration Days 2012 068 2013 정보분석보고서 < 표 24> 의초소형열병합발전원동기형식별시장점유율변화추이에서초기기술의성숙도및내구성등기술적안정성을내세워시장을형성해나가던왕복동엔진형식은점차시장에서의점유율이감소하고, 해당시장을 PEMFC가차지하며급속하게시장을확대해나가고있다. 스털링엔진은예상보다는저조한보급실적을나타내고있고, 새로시장에등장한 SOFC 초소형열병합발전시스템도비교적좋은실적을보이고있다. 그러나연료전지초소형열병합발전시스템보급은주로일본을위주로이루어지고있으며, 유럽시장에서는가스엔진및스털링엔진위주로보급이이루어지고있다. 구영덕 - 내지.indd 68 2013-11-21 오후 5:12:09
현재까지초소형열병합발전시스템의시장상황을살펴보면, 최근판매추이가다소증가세로돌아서는경향을보이고는있으나아직까지는초기시장형성단계라볼수있으며, 초기시장진입단계에서다수의생산업체간경쟁에서살아남은주요제작사들 ( 예 > Honda, SenerTec, Vaillant, Toshiba 등 ) 은점진적인시장확대단계로판단된다. 유럽시장에서큰시장점유율및보급지원에적극적인독일및영국, 네덜란드등에서본격적인시장활성화를위한지원책을마련, 시행하기시작하였으며, 최근 10여년간초기시장에서소비자들의반응역시매우긍정적인것으로평가되고있다. Delta-ee의자료에따르면, 초소형열병합발전기술의글로벌시장은최근 3년간연속증가세를달성하고있으며, 점차본격적인성장을위한동력을확보해나가고있는것으로평가하고있다. 그러나현행의시장수준은전체유럽의총난방시장의극히일부분을그치고있으며, 유럽전체적인보급이이루어지기보다는아직까지는독일을중심으로한판매가주를이루고있는한계를보이고있다. 전세계적시장관점에서는일본시장이여전히전체초소형열병합발전시장및기술을선도하고있으며, 향후에도일본이주도하고유럽지역의독일, 영국, 네덜란드등이성장을뒷받침하는형국이지속될것으로예측되고있다. 초소형열병합발전기술의에너지시장친화적기능, 즉, 에너지고효율이용기술이라는고전적인기능과더불어, 분산형전원으로써의능동형수요관리, 탈탄소화사회를위한글로벌온실가스저감목표달성기여, 그리고타기술들과의융합용이성등으로주요국가별로본격적인지원제도가마련, 시행되고있다. 향후초소형열병합발전시장전망은현재초기시장형성단계에서예상보다다소미진한보급수준에비해긍정적인전망이대부분이다. 그리고근본적으로급격하게바뀌고있는미래에너지사용환경변화에적합한초소형열병합발전은계속성장할것으로기대된다. 069 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 69 2013-11-21 오후 5:12:09
그림 42 초소형열병합발전의시장전망 자료 : Delta Energy & Environment, 2011 070 2013 정보분석보고서 열병합발전기술은기술적특성상규모의경제성으로인해국내뿐만아니라전세계적으로수백 ~ 수십MW 규모의대용량발전시장으로부터중 소형열병합발전시장으로의단계적시장확대가이루어지고있으며, 100kW 미만의소형 (Mini) 열병합발전및수kW 내외의초소형열병합발전에이르는최하위단계의시장은상대적으로적은시장점유율을차지하고있다. 위열병합발전시장추이는기존의단위설비개념의고전적인접근방식측면에서단위설비의효율, 특히전력생산비중및효율에의해시장에서의경쟁력이좌우되고, 시장보급의중요한요인인가격경쟁력에있어서도대용량설비의생산단가가훨씬저렴하다는점에기인하고있다. 따라서현재 kw당생산단가가 14,000 ~ 24,000 Euro에이르는초소형열병합발전기술은 kw당 800~4,000 Euro 수준의소형 (Mini) 열병합발전기술대비미래시장전망에서의불확실성은더클수밖에없다. 초소형열병합발전기술이이러한기술적한계를극복하고미래에너지시장에서의점유율을증대시키기위해서는대량생산을통한가격경쟁력확보가필수다. 앞서언급한기술적한계에 구영덕 - 내지.indd 70 2013-11-21 오후 5:12:09
의해자생적가격경쟁력을확보할수있는최소한의시장규모의확보가선행되어야하는데, 이를위해초기시장형성단계에서정부의적극적인보급활성화정책수립및시행이안정적인초소형열병합발전시장확립에있어매우중요함을인식할필요가있다. Delta-ee 의보고서에따르면향후 2015년까지는점진적인성장을거듭한이후, 새로운시장모델이등장할것으로예상되는 2015년이후가전체적인성장을좌우하는시장보급의기울기를결정짖는중요시점이될것으로예측하고있다. 새로운시장모델의등장을좌우할수있는주요요인으로는저가의연료전지기술확보, 저가의엔진기반시스템 (ICE 혹은 ORC) 개발, 사용자의인식전환및설비수용성개선, 셰일가스보급확대에따른기존가스시장변화, 급격한전력가격인상, 혁신적인초소형열병합발전운영모델수립등을지적하고있다. 또한분산형전원을기반으로하는능동적수요관리체계, 수송분야에서의전기자동차보급확대에따른신규전력수요대응, 그리고신재생에너지기술과의융합을기반으로하는미래형초소형열병합발전시스템의개발등기존에고려하지못했던새로운에너지관련시장의등장과이에발맞춘기술적개선을통해시장경쟁력을강화한다는전제하에서고성장시나리오의현실화도충분히가능할것으로예상할수있다. 그림 43 Market opportunity for micro CHP in Europe 20 15 10 5 0 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 Bio-based micro-chp (biogas in NG distribution network) Natural-gas based micro-chp 자료 : Cogen. Europe, Micro CHP: Empowering People Today for a Smarter Future Tomorrow, 2010 071 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 71 2013-11-21 오후 5:12:09
Cogen. Europe 2010에서전망한향후 2050년까지의초소형열병합발전기술의보급전망을살펴보면, 현행의천연가스연료를사용하는초소형열병합발전기술은 2035년을기점으로크게감소할것으로전망하고있으며, 2020년이후, 2025년을기점으로바이오가스를연료로하는새로운형식의초소형열병합발전시장이급격히증대될것으로전망하고있다. 특히기존의천연가스공급배관망을이용한바이오가스연료네트워크를기반으로하는새로운형태의에너지네트워크기술과의융합을포함하고있으며, 여기에는바이오가스를생산하기위한각종신재생에너지원기술과의접목또한포함된다. 향후초소형열병합발전시장의확대를견인할수있는요인으로는, 분산형전력그리드시장등장, 온실가스저감등환경규제강화및기후변화대응필요성인식확산, 열병합관련단체로부터의적극적인지원방안수립, 기존보일러및신규보일러시장확대등을들수있다. 반대로시장을축소시킬수있는부정적인요인으로는과도한생산비용유지, 글로벌경제침체, 기존경쟁사업과의시장경쟁, 소비자의인식미비등을들수있다. 국내시장분석에의한보급선결과제분석 072 2013 정보분석보고서 아직까지국내초소형열병합발전기술단계는연구개발단계이며, 본격적인보급이이루어지지는않고있다. 특히값싼전력가격으로인해고전적으로전력은수전 ( 受電 ), 난방은개별보일러를이용하는개별난방 (Separate Heat & Power) 방식이확고한시장을차지하면서향후에도초기시장을형성하는데적지않은어려움이예상된다. 현재까지진행중인국내초소형열병합발전연구개발현황은다음과같다. 구영덕 - 내지.indd 72 2013-11-21 오후 5:12:09
표 25 국내초소형열병합발전시스템개발현황 연구개발명연구개요비고 초소형가정용 1kW 급스털링엔진열병합발전시스템개발 가정용연료전지모니터링사업 그린홈연계형건물용 SOFC 시스템개발및실증 내연기관을이용한가정용열병합발전시스템개발 연구기간 : 2009~2012 (1 단계 ) 2012~2015 (2 단계 ) 연구목표 : 발전효율 25%, 종합효율 93% 연구주관기관 : 경동나비엔 연구기간 : 2006~2011 연구주관기관 : 한국가스공사 연구기간 : 2011~2016 연구목표 : 발전효율 40%, 종합효율 80% 연구주관기관 : 경동나비엔 연구기간 : 2014~2018 연구목표 : 발전효율 26%, 종합효율 95% 2 단계실증연구진행중 실증결과시범보급사업수행 연구개발진행중 연구개발추진중 국내난방시장은기존의중앙집중형보일러를이용한중앙난방방식과개별세대별보일러를위주로한개별난방방식이시장을양분하고있었다. 그러나 1980년대말부터도입된지역난방방식이열수요밀도가높은도심을중심으로집중공급되면서 2011년말현재, 전체주택호수대비약 14% 의시장점유율을보이고있으며, 일부중앙난방방식을제외하면대부분개별난방방식이시장을형성하고있다. 전세계적으로최고수준의도시가스배관망을구축하고있는국내실정을감안할때, 개별난방방식에대한기술적용이성, 사용자수용성측면에서개별보일러를이용한난방방식은여전히경쟁력을갖추고있다. 대규모열병합발전시스템및소각열등폐열을이용한지역난방방식은에너지이용효율및환경개선효과측면에서개별난방방식보다우수한특성을기반으로하여공격적인보급확대가예상된다. 이러한지역난방방식의시장확대에따라도시가스사의대응수단으로서단일건물혹은건물군을대상으로한소형열병합발전시스템의도입이활발하게추진되기도하였다. 073 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 73 2013-11-21 오후 5:12:09
전력누진제를근간으로하는경제성모델은공동주택을대상으로한소형열병합발전시스템의보급확대로이어지기도하였으나, 이후천연가스를주로사용하는소형열병합발전기술의특성상, 천연가스수요확대에따른연료가격인상대비, 정부정책으로인한낮은수전전력가격체계가장기간유지되면서사업성악화로인해국내난방시장에서정체기를맞이하고있는실정이다. 2011년말기준국내소형열병합발전시장은국가전체발전용량의 0.33% 수준을유지하고있으며, 이는 2017년기준 270만 kw 보급목표에훨씬못미치는저조한실적이라할수있다. 국내보일러시장의규모는 2011년 112만여대, 2012년 127만여대가각각생산되었으며, 2012년말기준총 1,270 만대가보급된것으로조사되었다. 표 26 최근 10년간가스보일러보급현황 년도 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 내수 1,080 1,271 1,077 1,061 972 1,030 936 965 919 1,016 1,121 수출 21 9 18 21 30 38 50 59 107 160 199 자료 : 통계청, 최근 10 년간가스보일러보급현황, 2011 표 27 2012년기준노후보일러교체물량추정 구분 2001년 2002년 2003년 2004년 2005년 계 설치대수 108 127 108 106 97 546 설치연수 11년차 10년차 9년차 8년차 7년차 교체 (%) 35 27 23 18 15 수량 35 32 25 19 15 -> 126 만대중, 재개발및재건축으로약 10 ~ 15% 멸실예상 126 자료 : 가스안전공사, 2012 년기준노후보일러교체물량추정, 2011 074 2013 정보분석보고서 또한 2000 년대초보급된보일러의교체주기가도래하면서매년 약 100 만여대이상의교체수요가예상되고있다. 배기가스의응축열 회수를통한고효율운전이가능한콘덴싱보일러의보급도점차 구영덕 - 내지.indd 74 2013-11-21 오후 5:12:09
확대되어 2009년말기준전체보일러시장의 15% 를차지하는것으로조사되었다. 현재연구개발이아직진행중인초소형열병합발전기술의기술성숙도, 전통적인난방시장에서의콘덴싱보일러의입지, 소비자선호도, 열병합발전기술, 특히전력을개별세대에서자가생산, 이용하는부분에대한사용자수용성등을볼때, 기존보일러의대체재역할로서초소형열병합발전시스템의시장보급전망은그다지밝지않은것으로보인다. 특히최근의전력수급위기에따른전력가격인상요인이다소시장에서반영된다하더라도, 현행의공급자위주의전력산업구조가대폭개선되지않는전력산업구조에서초소형열병합발전기술의신시장개척은결코쉽지않은도전이될가능성이높다. 또한가격경쟁력측면에있어서도, 기존의보일러 ( 콘덴싱보일러포함 ) 제품가격대비, 초기 5~10배의고가제품이예상되는초소형열병합발전시스템에대한소비자의선호도는낮을수밖에없을것이다. 따라서, 초소형열병합발전기술이초기시장형성을기반으로시장에연착륙하기위해서는국가적, 사회적편익을내세운초기보급지원방안수립이필수적이며, 단순한보일러의대체재가아닌전력및난방시장에서의새로운기능및비즈니스모델의확보가시장보급성공의선결과제가될것이다. 075 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 75 2013-11-21 오후 5:12:09
076 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 76 2013-11-21 오후 5:12:09
산업전망을통한 발전방향및전략분석 077 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 77 2013-11-21 오후 5:12:09
산업전망을통한발전방향및전략분석 초소형열병합발전의산업전망미래글로벌에너지산업구조는기후변화에대비한탈탄소화사회를구현하기위한실효적에너지기술위주로재편될가능성이높으며, 저탄소에너지소비체계구축을위해국가별경쟁및공조가더욱강화될것으로예측되고있다. 안정적인에너지공급과온실가스배출저감달성은매우상반된성격으로, 동시에두가지목표를달성하기위한실효적인기술수단은매우제한적일수밖에없다. 따라서고전적인에너지산업의프레임에서벗어나혁신적인기술간융합을통해새로운에너지시장창출이가능한기술분야를집중발굴, 해당분야의신산업화가절실히필요한시점이라하겠다. 078 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 78 2013-11-21 오후 5:12:09
그림 44 열공급시장에서의초소형열병합발전기술필요성 Efficiency improvements Heat demand Incumbent heating technologies Cost effective use of gas and renewable gas through mchp deployment Renewable heating technologies 자료 : National Grid, The potential for Renewable Gas in the UK, 2009 2012년현재유럽지역의주거및상업분야의에너지소비는전체의 40% 에달하고있으며, 온실가스배출의 36% 를차지하고있는것으로알려져있다. 2020년까지 EU 20-20-20 목표달성과, 2050년까지현재대비 2배이상의사용량증가가예상되어, 다양한신재생에너지원을근간으로하는새로운에너지산업의견인이매우필요하다. 그러나불연속적인에너지생산을특징으로하는신재생에너지기술의보급에있어전력의피크부하대응성이떨어지기때문에수요 공급간불균형및이에필연적으로수반되는가격변동성문제가향후시급히해결해야할에너지산업분야의과제이다. < 그림 44> 에서보는바와같이기존의보일러기술은미래열에너지산업분야에서점차그역할이줄어들것이확실시되며, 신재생에너지원을기반으로하는열공급기술이기존보일러시장을대부분잠식하게될것이다. 초소형열병합발전기술은그중간위치에서기존기술과신재생에너지기술간갭을메꾸어주는중간자적역할을수행하게될것다. 그리고신재생에너지기술과의접목을통해미래에도관련시장의상당한비중을차지하며, 신재생에너지원의단속적인에너지생산의단점을보완하는효과적인수단으로역할을수행할것이다. < 그림 45> 와같이초소형열병합발전기술은기존의열에너지 079 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 79 2013-11-21 오후 5:12:09
시장에서뿐만아니라, 전력부하특히전력수요관리측면에서도미래에너지산업구조재편에큰영향을끼칠것으로전망된다. 수요자단계에서발생하는전력수요에대해소비자가일정수준직접공급하도록함으로써대용량발전설비구축및전력송전에따른국가적비용을줄임과동시에일정수준의피크부하를제외한기저부하위주의공급설비확충을가능케하는분산형전원을근간으로하는수요관리위주의전력산업구조개편과정에서초소형열병합발전기술의수요가크게대두될것으로전망된다. 그림 45 초소형열병합발전피크저감효과 250 200 electrical load in kw 150 100 50 0 0 resulting residential load original residential load 20 40 60 80 100 time in 1 /4 h (a)schematic of peak cut effect (b)peak cut with 30 units of micro-chp as VPP 자료 : Phillip Gronstedt, Virtual Power Plants of Micro CHP Units Combined With Active Components Reducing Peak Loads and Load Functions 080 2013 정보분석보고서 에너지수요가발생하는현장에서의에너지생산을통해에너지수송상에서발생하는손실을최소화할수있고, 또한전기와열을동시에생산가능하므로수요자의에너지소비패턴에능동적으로대처가능한특성을기반으로, 기존콘덴싱보일러대비왕복동엔진기반초소형열병합발전시스템은연간 1.7톤의온실가스배출저감을달성할수있다. SOFC 연료전지초소형열병합발전시스템은연간 4톤이상이달성가능하여, 연간 15,000 kwh의열부하를사용하는개별세대를기준으로 9% 이상의온실가스배출저감효과를달성할수있는것으로분석되었다. 구영덕 - 내지.indd 80 2013-11-21 오후 5:12:09
또한개별세대가아닌중소규모의상업용수요처의경우는온실가스저감효과가 16% 에육박하는것으로분석되고있다. 기존복합화력발전방식대비각원동기별초소형열병합발전시스템의단위전력생산당온실가스배출량은원동기형식별, 용량별평균 10~15% 내외의온실가스저감효과를갖는것으로분석되고있다. 온실가스저감효과가대규모열병합발전방식의 35% 내외수준보다는낮은수치이나이는발전설비의기술특성에기인하는것으로대형열병합발전기술의보급이어려운개별세대를대상으로하는초소형열병합발전의사업특성등을감안하면매우높은온실가스저감잠재량을갖는것으로볼수있다. 앞서살펴본바와같이, 초소형열병합발전기술은에너지효율개선을통한에너지수급안정과온실가스저감을동시에달성가능하고, 분산형전원으로서의역할수행을통해효과적인피크수요대응을통한전력수급안정에크게기여할수있다. 또한신재생에너지기술과의융합을통한새로운경제가치의창조가가능한미래에너지산업구조에매우적합한기술이라할수있다. 따라서향후전력시장의유연성확보, 수요관리의최적화, 사용자와의양방향에너지흐름을기반으로한새로운비즈니스모델창출등미래에너지산업에필요한핵심기능을뒷받침할수있는초소형열병합발전산업의활성화가반드시필요하다. 초소형열병합발전산업발전방향및국내보급전략초소형열병합발전기술의미래산업발전방향은크게세가지로요약할수있다. 가상발전소 (Virtual Power Plant : VPP) 히트펌프하이브리드초소형열병합발전 (Hybrid Micro-CHP with Heat Pump) 081 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 81 2013-11-21 오후 5:12:09
신재생하이브리드초소형열병합발전 (Hybrid Micro-CHP with Renewables) 그림 46 초소형열병합발전의비전 Micro-CHP competitiveness Deployment rate Economies of scale Policy support Virtual power plant & bio-chp 2010 2015 2020 2025 Time 자료 : JDS Associates, Micro-CHP as an integral component of the UK s energy strategy: A Strategy and Policy Roadmap 가상발전소 (Virtual Power Plant : VPP) 초소형열병합발전기술은열공급측면에서의보일러대체재로서의역할이외에다음과같은추가적인기능이시장에서의가치를더욱높일수있다. - Peak Demand Control - Energy Balancing between heat and power - Reactive Power Production - Enhanced Energy Trading(Bi-lateral) - Avoidance of Network Costs 082 2013 정보분석보고서 구영덕 - 내지.indd 82 2013-11-21 오후 5:12:09
그림 47 가상발전소 (Virtual Power Plant) Exported to grid or used in home thereby reducing demand on grid Electricity Heat Electricity Markets Bids into the wholesale market Requests from national grid/ capacity payments Control of modulated mchp Automated control Automated control Used immediately for space heating or put into thermal store Electricity Heat Transmission and distribution loss avoidance and flexibility Electricity Heat Electricity Heat 자료 : Ecuity, The role of micro CHP in a smart energy world, 2013 초소형열병합발전시스템을이용한가상발전소기술은또한에너지산업구조의근본적인변화를의미한다고볼수있다. 기존에너지사업자와소비자간상호역할에있어에너지사업자로부터소비자로의일방향에너지흐름에서에너지소비자로부터생산자로의에너지흐름이더해져양방향의에너지거래가가능한가장현실적이고경제적인사업모델로서의잠재력이매우높은것으로전망된다. 그림 48 가상발전소운영을통한전력피크저감효과 250 200 Ioad (kw) 150 100 50 0-50 0:15 5:00 9:45 14:30 19:15 0:0 time initial load inc1. PV, CHP-VPP, DSM and ESS inc1. PV, CHP-VPP and DSM 자료 : Phillip Gronstedt, Virtual Power Plants of Micro CHP Units Combined With Active Components Reducing Peak Loads and Load Functions 083 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 83 2013-11-21 오후 5:12:11
초소형열병합발전기술의원동기별특성을감안할때, 가상발전소기술에적합한시스템은전력생산효율이높은시스템이다. 이러한점에서미래수소에너지사회구축의핵심에너지기술이라할수있는연료전지를기반으로한초소형열병합발전기술의주요수요처로서사업모델을제공할수있다. 특히, 국내의경우전세계어느국가보다천연가스공급배관망이잘구축되어있으므로, 기구축된천연가스배관망을이용한초소형열병합발전시스템의보급환경이매우용이한측면도고려해볼만하다. 히트펌프하이브리드초소형열병합발전 (Hybrid Micro-CHP with Heat Pump) 084 2013 정보분석보고서 히트펌프기술은이미기술개발및상용화단계를거쳐시장에서확고한입지를구축하고있으며, 높은에너지전환성능을바탕으로냉 난방열에너지공급시장에서큰변혁을선도하고있는기술분야라할수있다. 이미국내에서도 EHP를근간으로냉방시장에서독보적인위치를차지하고있으며, 에너지전환이용이한기술적특징을바탕으로열공급시장에서도큰호응을얻고있다. 그러나이러한기술적, 경제적우수성에도불구하고히트펌프기술은근본적으로에너지생산기술이아닌전력을열에너지로효율적으로전환하여사용하는에너지전환기술이어서양질의열에너지공급에전력이소모된다는단점이존재한다. 초소형열병합발전시스템과히트펌프의조합을근간으로하는하이브리드초소형열병합발전시스템기술의등장은매우주목할만하다. 즉, 기술적측면에서검증된우수한성능의히트펌프기술의전력공급원으로서분산형전원의역할을갖는초소형열병합발전시스템을접목하여높은에너지전환효율에도불구하고전력수요피크관리에문제점을노출했던히트펌프의단점을보완하여매우강력한시장 구영덕 - 내지.indd 84 2013-11-21 오후 5:12:11
경쟁력을갖출수있다. 그림 49 히트펌프가장착된하이브리드초소형열병합발전 Electric vehicles Electric Heat Pump Electric Heat Pump Photovoltaic System manager Contribution to HP electricity demand particularly in winter Electricity generation to address renewable intermittency Heat Storage Electricity Storage Storage of excess electricity, including Vehicleto-grid capacity Heat Storage Storage of excess heat 자료 : Ecuity, The role of micro CHP in a smart energy world, 2013 신재생하이브리드초소형열병합발전 (Hybrid Micro-CHP with Renewables) 초소형열병합발전기술과신재생에너지기술의접목을통한하이브리드초소형열병합발전기술은크게두가지로구분하여고찰해볼수있다. 우선은연료다변화측면에서초소형열병합발전기술의보다높은경쟁력을확보하기위해서는현행의천연가스연료에의의존도를낮추어다양한연료원을이용할수있는연료다변화를반드시달성해야한다. 이러한측면에서바이오연료원을이용한초소형열병합발전시스템기술이미래새로운에너지산업으로예상하고있다. 최근들어기존의전력그리드의스마트화, 열에너지네트워크를포함한, 물, 가스, 기타네트워크기반기술과 ICT 기술과의융합을통한스마트에너지네트워크기술에대한관심이크게증폭되고있다. 즉, 기존의단위설비중심의에너지공급시스템및해당기술간융합을통한에너지산업구조에서벗어나단위기술간융합을근간으로하는새로운형태의에너지네트워크산업형태로의진화가 085 초소형열병합발전의현황분석을통한국내보급전망 구영덕 - 내지.indd 85 2013-11-21 오후 5:12:11
예상된다. 따라서초소형열병합발전기술도하나의요소기술로적용되어에너지능동형, 양방향에너지거래를근간으로하는새로운에너지플랫폼에융합될수있도록기술의발전전략을수립할필요가있다. 초소형열병합발전기술적장점을바탕으로향후미래에너지산업화아이템으로주목받고있는능동형수요기반스마트에너지네트워크산업과의접목을통해새로운산업화의활로를모색해야한다. 국가전력시장의유연성을확보하고, 수요관리의최적화, 사용자와의소통강화를통해에너지흐름을다양화함으로써미래에너지산업을견인하는데중요한역할을수행할수있을것으로전망된다. 그림 50 스마트에너지네트워크 (Smart Energy Network) 개요도 Smart community Smart city Commercial cogeneration District heating and cooling Smart Energy Network Control Management System Renewable energy use Industrial cogeneration Demand Response through Cogeneration Systems Renewable Energy 자료 : Company website, http://www.osakagas,co.jp 국내보급전망 086 2013 정보분석보고서 초소형열병합발전시스템이란전기용량 1kW e 이하의열병합발전시스템으로정의되며, 최말단수요자인개별세대단위로전력과열을동시에생산, 이용할수있는기기로서고전적인개념의물리적, 기계적에너지이용효율뿐아니라미래능동형에너지수요관리의핵심설비로기대되고있다. 초소형열병합발전시스템의기술, 연구개발, 구영덕 - 내지.indd 86 2013-11-21 오후 5:12:11