소형 열병합 발전 기술 및 추진방향

1. 소형 열병합 발전 기술 및 추진방향

2. 난방 방식의 종류(1/2) • 개별 난방 장점 : 사용이 편리 단점 : 열효율이 매우 낮고, 별도의 관리자가 없어 내구 수명이 짧음 * 단독 주택이나 소규모 연립에 적합 • 중앙 난방 장점 : 내구수명 15년 단점 : 열효율 낮음 * 기존의 벙커 C유를 쓰는 보일러는 시설교체시 청정연료로 교체해야 함

3. 난방 방식의 종류(2/2) • 소형 열병합 발전 장점 : 전기와 열을 동시에 생산하여 열효율 높음 단점 : 시스템이 복잡 * 산자부에 공급기본계획 수립중(금년중 공고 예정) • 지역 난방(집단에너지 공급시스템) 장점 : 열효율 매우 높음 단점 : 어느 정도 규모가 요구됨 * 대부분이 대형열병합 발전소이므로 열효율이 높으며, 일부는 소각로 등의 폐열을 이용하는 지역난방도 있음 * 산자부 공고(2002-240)에 의거하여 고시지역으로 지정된 곳에 적합

4. 정부에서는 왜 열병합보급을 권장하나? 1. 쿄토의정서에 의한 CO2저감을 위한 대비  에너지 절약차원에서 효율적  도시가스 연료자체(CH4)가 CO2발생량이 적음 2. 국가 발전용량의 증대  국가의 발전용량 증대 전력 예비율 증가  대형 화력발전소의 건설비용으로 열병합 발전지원 가능

5. 에너지 환경 분석

6. 에너지 환경 분석 • 2005년 2월 16일 교토의정서 발효 • 2013년 한국 감축 의무 발생 • 1990년 CO2배출량(2억4000만톤)의 95% 수준으로 감축 • 이를 경제적 가치로 환산하면 132억달러의 탄소배출권을 거래 (2010년 기준, 톤당 36달러로 계산) • 온실가스의 대부분이 에너지(83.4%)와 공정(10.9%)분야에서 발생 에너지 절약의 필요성 • 도시가스 연료성분(CH4)자체가 에너지 단위당 CO2배출량이 적음

7. 에너지 환경 분석 • 전기에너지의 증가율이 총에너지 증가율 보다 큼  열병합 발전 보급의 활성화 전기 총 에너지

8. 분산발전 시장 전망_세계 • 2001년 20,000MW에서 2011년 300,000MW로 증가 예상 (Ref. : Allied Business Intelligence)

9. 분산발전 시장 전망_미국 • 누적 발전량 : 3.6 GW (2000년)  27 GW (2015년) • 신규 발전량 (5년 누적치) : 3.8 GW (2000년)  11.2 GW (2015년)

10. 분산발전 시장 추세_미국 • 가스터빈이 대용량 발전시스템인 관계로 가스엔진수가 많음 (Ref. : GRI-99/0045)

11. 분산발전 시장 전망_유럽 • 유럽의 용량별 열병합 발전 도입 전망 : 소형 급신장 예상

12. 신규 분산발전 시장_독일 • 신규 분산 발전 시장은 감소 • 50kWe 미만은 증가하는추세임 • 50-2000 kWe는 현상 유지 (Ref. : 열병합 발전 국제심포지움, 2003, 에너지관리공단 주관)  소형화 추세

13. 일본의 열병합 발전 전망_시장 • 1999년 9월 말 현재 : 4.780GW (가스터빈, 디젤엔진, 가스엔진) • 2010년 예상 : 10.02GW (가스터빈, 디젤엔진, 가스엔진) : 0.012GW (연료전지) • Micro Cogen.에 치중

14. 열병합 발전이란? • 기존의 발전시스템은 발전만하고 냉각열과 배기열은 대부분 폐기되고 있음(발전 효율 : 30– 45%) • 열병합 발전은 하나의 에너지원으로 부터 열과 전력을 동시에 회수함(효율 80-90% 가능함) 즉 냉각열과 배기열로부터 열에너지를 추가로 흡수  따라서 고효율임(에너지 절약형 발전시스템임) • 영어로는 CHP 발전이라고 함 (Combined Heat and Power)

15. 열병합발전시스템 기존시스템(수전+보일러) CO2배출량 131.9 (g-C) CO2배출량 111.7 (g-C) 에너지절감율 종합 : 32% CO2배출량 182.6 (g-C) CO2배출 감소율 : 25% LNG 0.237N㎥ 1 kWh 발전효율 38% 발전효율 33% 국내발전 LNG 0.273N㎥ 가스열병합 LNG 0.167N㎥ 1.43 Mcal 효율 90% 폐열이용 효율55% 보일러 열병합발전 에너지이용효율 증대 계산예 • 열과 전기를 동시생산·이용하므로 에너지이용효율 증대

16. 분산형 전원으로서의 열병합 발전 • 전세계적으로 환경규제의 강화, 에너지 산업의 민영화(전력 거래제도 실시) • 대형 발전소 건설보다 분산형 열병합 발전을 선호 - 대형 발전소 건설의 어려움 대규모 자금 소요, 공사기간 장기화, 송전손실, 환경오염의 집중 및 환경훼손(송전탑 건설 등) • 분산형 열병합 발전  에너지효율 높음, 전력수요 변화에 빠른 대응

17. 동력원별 비교

18. Table 1) Distributed generation technology options 동력원별 적용 범위

19. 국내가스엔진 개발 현황 1) 열병합 발전용 가스엔진 개발 (대우종합기계+KIMM) 8ℓ, 12ℓ, 15ℓ, 22ℓ 급 가스 엔진 개발 완료 단계 (출력 범위 : 100Kw - 400Kw 가능) 2) 바이오가스 엔진 개발 (KIMM+대우종합기계) 전소형, 혼소형 바이오가스 엔진 개발 중 (350Kw 전소형, 150Kw혼소형 등) 3) 열병합 마이크로 가스엔진 개발 (에기연+효성) 10Kw급 가스 엔진 개발 4) GHP용 가스엔진 개발 (KIMM+삼성전자) 15Kw급 가스엔진 개발

20. 국산 가스엔진의 사용 필요성 • 현황 : 사용 실적이 없어 보급이 미미함 • 장점 : 1) 유지 보수비용 저렴 2) 문제 발생시 국내 기술로 긴급 대처 가능 • 국내 엔진 기술은 1) 대형선박엔진기술은 전세계적으로 우수하고 2) 자동차용 천연가스엔진 또한 전세계적인 수준이며 • 산업용 가스엔진은 자동차쪽 기술에 비해 기술적 난이도가 낮음 • 내구 실적은 없으나 기반기술이 충분하므로 문제점이 없음

21. 앞으로의 열병합 발전 기술 동향

22. 용도별 마이크로 분산 발전의 용량 • Single family houses <1 kWe to 4 kWe • Small apartment blocks 3 kWe to 10 kWe • Larger apartment blocksSmall industrial, SMEs >10 kWe

23. 분산발전 시장 전망_유럽 • 15 kWe 미만의 마이크로 열병합 발전의 보급 전망(GW)

24. 가정용 초소형 열병합 발전 전망 • 가정용 보일러를 대체할 초소형 열병합 발전시장은 1~2년 후부터 유럽을 중심으로 보급이 시작되어 2010까지 급격하게 성장할 전망 - 영국에서는 2010년까지 약 100만 가구, 2025년까지 전세대의 절반인 약 1천3백만 가구에 가정용 열병합이 보급될 것으로 전망 (2000.09.01 가디언지) - 2001년 영국의 BG그룹과 일본의 Rinnai가 가정용 열병합 시스템의 공동개발 및 제조에 합의하여 양산체제를 구축 중. 2004년부터 유럽을 중심으로 보급을 시작할 예정임 (2002.01.30 한국가스신문) - 유럽(EU)은 가정용 열병합 발전시스템의 안전 및 성능과 계통연계를 위한 표준화를 마련하기 위한 노력을 공동으로 진행 - 미국에서도 최근 가정용 열병합발전 시스템 개발과 보급을 위해 엔진 벤처회사, 보일러회사, 에너지회사가 연계하여 Consortium을 결성

25. CHAPNET Micro-CHP Workshop Milan, Italy 13th September, 2004

26. 가스 엔진 • 독일의 SenerTec 사에서 독일 및 유럽에 약 8,000대의 5.5kW급 가스 엔진 열병합 발전시스템을 설치 운행 • 일본의 경우 10kW급은 상용화되어 훼밀리 레스토랑 등에 보급 최근 1kW급이 개발되어 100개소 단위 건물에 설치되어 실증운전 중 • 다가구 주택이나 소형 사업용 건물 등에 적합하며 기존의 발달된 가스엔진 기술을 활용 가능 • 그러나 소음, 배기, 유지보수 측면에서는 불리함

27. 가스 엔진

28. 9.8 kW Generated output Single-phase: 100/200 V Three-phase: 200 V Generation voltage Waste heat recovery 24.2kW 21.9kW Power generation 23.5% 25.5% Efficiency Heat recovery 58% 57% Outside dimensions 1,460(W)×730(D)×1,610(H) Noise level 60dB(A) 9.8 kW 가스엔진 발전시스템_일본

29. 스털링 엔진 • 밀폐된 작동가스를 가열-냉각함으로서 발생되는 압력변화를 이용한 외부연속 연소방식의 외연기관 • 저소음, 저진동, 저배기, 연료의 다양성, 유지보수의 편리함 등 초소형 열병합 발전 구동기기로서 많은 장점을 가지고 있음 • 현재 영국의 에너지회사인 PowerGen 사에서 400대의 Whisper Tech 사의 1kW급 스털링 엔진 가정용 열병합 발전시스템을 시범운행, 최근 Whisper Tech 사와 향후 5년간 3억$(9만대분)의 공급계약을 체결 • 이외에 MicroGen(영국), Sigma(노르웨이), ENATEC(독일) 등 여러회사에서 상용화 진행 또는 준비 중에 있음

30. 스털링 엔진

31. 특허출원중인 Ericsson(Stirling)Engine

32. 스털링 엔진 초소형 열병합 발전 시스템 WhisperGen PPS16 SOLO 161 SIGMA PCP Kockums 4-275

33. 스털링 엔진 Field Test MicroGen (영국 BG Group + 일본 Rinnai) WhisperGen (뉴질랜드 WhisperTech) 독일 ENATEC

34. 랭킨 사이클 엔진 • 작동유체를 액상에서 압축, 열원으로 기화하여 팽창시키는 증기사이클 팽창기 방식은 스크롤 방식, 왕복동 방식, 로터리 방식등이 적용되고 있음. • 랭킨 사이클 엔진은 낮은 열효율로 주목을 받지 못하였으나, 전기변환 효율측면보다 열수요 중심으로 운전될 경우 충분히 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 예상되어 최근에 주목을 받고 있음. • 기술적 난이도가 낮고 시스템 구성이 간단하여 가격경쟁력 측면에서 유리할 것으로 예상 • 미국의 Climate Energy, 영국의 Baxi Group, 오스트레일리아의 Cogen Microsystems, 독일의 Enginion 등에서 상용화 개발을 추진하고 있음

35. Climate Energy사 (미국) 스크롤 팽창기 이용 랭킨사이클 엔진 Micro-CHP 시스템 (2003)

36. 랭킨 사이클 초소형 열병합 발전시스템 Cogen Microsystems (오스트레일리아) Enginion (독일) Baxi Group (영국)

37. 마이크로 가스터빈 Capstone Honeywell Elliott IR Turbec Bowman DTech Toyota

38. 연료전지 • 현재까지 전 세계적으로 가정용과 상업용 및 원격지용 무정전 전원백업전원을 포함한 0.5kW~10kW 범위에서 약 1,900기의 소형 정치형 연료전지 시스템이 설치되었다고 추산, 현재 약 80여개의 회사들이 주택용 연료전지 개발을 진행 중임 • PEMFC와 SOFC가 주목받고 있음. 천연가스 연료 개질기가 요구됨. • 지금까지 개발된 시스템은 상용화 단계가 아니며 아직까지는 실증단계에 머물러 있음. • 주택용이 가장 큰 잠재시장이긴 하지만, 아직은 현재 기술로 만들 수 있는 연료전지 시스템의 가격이 높을 뿐 아니라 수명이 너무 짧음.

39. 연료전지

40. 맺는 말 • 총에너지 수요의 증가에 비해 전기에너지 수요의 증가가 더 급격히 증가하고 있으며 • 지역이기주의와 환경 오염, 송전손실 등으로 인하여 대용량 발전소의 건설은 어려워 지고, 분산형 전원의 공급은 증가하고 있음 • 분산형 전원으로는 고효율인 열병합 발전이 대세를 이루고 있으며, 분산형 전원도 점차 소형화하고 있음 • 국내에서도 최근에 와서 아파트를 중심으로 가스엔진을 동력원으로 하는 소형 열병합발전시스템이 급속히 보급되고 있음 • 유럽에서는 가정용 보일러를 대체할 초소형 가정용 열병합 발전시스템이 급격히 보급될 것으로 예상됨 • 정부에서도 교토의정서에 의한 CO2저감을 위해 열병합발전을 권장하고 있음 에너지 효율상 유리한 것을 선택하여 보급하여야 함 (집단에너지>소형열병합>중앙난방>개별난방)