분산형 마이크로터빈 열병합발전 시스템 개발

1. 분산형 마이크로터빈 열병합발전 시스템 개발 ㈜ 뉴로스

2. 발표순서 • 과제 일반사항 • 기술개발 결과 • 기술개발 효과 • 응용분야 및 시장전망 • 사업성과의 활용 계획

3. 과제 일반사항 : 개요 • 개발 목표 • 목표 : 마이크로터빈을 이용한 55KW급 분산형 열병합 발전시스템 개발 • 개발기간 : 총 6년 (기술확립 3년 & 실용화 보급 3년) • 개발비 : 1단계 56억원 (계약금액) • 세부 목표 • 발전 출력 : 55kW급 (@ Hot Day 기준) • 주요 기능 : 단독/병렬(계통연계) 운전, 열병합 이용 냉/난방 공급 • 발전 효율 : 25% (레큐퍼레이터 장착 시, 열효율 28% 이상) • 열병합 효율 : 75% 이상 • Emission : 10 ppm NOx 이하 (가스연료 @ 15% O2) • 사용 연료 : 가스 및 액체 연료 • 무급유 공기 베어링 및 고속 발전기 적용 • 수명 : 30,000 시간 이상 (Overhaul 기준) • 소음 : 65 db @ 10 m • 판가 : 100만원 이하/KW

4. 과제 일반사항 : 단계별 연구개발 내용 • 기술 확립 단계 (3년) • 시스템 규격/Layout/유지보수 분석/마이크로 터빈 설계 • 마이크로 터빈 코아 및 구성품 개발/시제작/조립 • 저공해 연소기 및 고효율 레큐퍼레이터 개발 • 고효율 고속 발전기 겸 모터 & 전력변환장치 개발 • 시스템 성능 최적화 연구 및 열병합 주변기기 개발 ☞ 시스템 & 마이크로 터빈 성능 검증 • 실용화 보급 단계 (3년) • 마이크로 터빈 및 시스템 성능/내구성/환경/Field 시험평가 • 구성품 성능 개량 및 국산화, 수명/신뢰도 평가, 양산공정 개발 • 시스템 인증, 마케팅 및 보급 활성화 추진 ☞ 시장 진입

5. 과제 일반사항 : 개발비 • 세부과제별 개발비 [단위:백만원]

6. 과제 일반사항 : 개발 체계

7. 과제 일반사항 : 개발일정

8. 기술개발 결과 : 목표 달성도

9. 기술개발 결과 : 개발 사양 • 발전출력 : 55 kW • 단독/병렬(계통연계)운전, 열병합 이용 냉/난방 공급 • 발전효율 : 25% 이상 (Recuperator 장착) • 열병합 효율 : 75% 이상 • Emission : 10ppm NOx 이하 (가스연료 @ 15% O2) • 사용연료 : 가스 및 액체 연료 • 베어링 형식 : 공기 베어링 • 수명 : 30,000 시간 (Overhaul 기준) • 소음 : 65dB @10m

10. Load Control: 67kW EGT Control: 635C 기술개발 결과 : Performance 압축기 효율: 81% 터어빈 효율: 84% 열 교환기 : 0.88 발전기 효율: 95% 전력 변환기: 95%

11. 기술개발 결과 : Compressor

12. 기술개발 결과 : Compressor

13. 기술개발 결과 : Combustor • Pilot Burner • Radial Swirl type Premixing Burner • Can type Combustor • No Film Cooling • Dilution Air Injection • NOx Emission on Natural Gas • Corrected to 15% O2 • 5 ~ 6 ppm (@ test condition) • 9 ~ 11 ppm • (expected @ engine condition) Frontal Device Combustor Ass’y

14. 기술개발 결과 : Turbine • Aerodynamic Features Turbine Surface Grid 3D 온도해석 Static Pressure Distribution

15. 기술개발 결과 : Turbine • Mechanical Features • Nozzle : INCO 713LC • Rotor : MAR-M-247 • Life Span 30,000hr • 시제제작 : 주조개발 (R/P) • 기계가공(난삭) Rotor Spin Test : 73,200rpm (120%)

16. 기술개발 결과 : Heat Exchanger • Effectiveness : 88% • 전압력 손실 : < 저온부 1%, <고온부 3%  (header loss 제외) • Life : 40,000 hrs • Plate-Fin Type : Counter Flow 배치

17. 기술개발 결과 : Generator 냉각설계 • Generator 발열량(전기연구원) • 주유로(냉각핀) + 2차유로(냉각팬) : 부가적인 냉각장치 없음. • 냉각수 & Shop-Air를 이용하여 설계 데이터 확보 중 냉각 설계 Scheme 냉각 시험 Scheme

18. 기술개발 결과 : Power Head 냉각설계 • Thrust Bearing + Journal Bearing • 베어링 냉각을 위한 냉각공기 공급 • Impeller 출구 + Turbine 입구 Pressure Temperature

19. 기술개발 결과 : Rotordynamics • Vibration Free Rotor System • Oil Free System • Foil Gas Bearing • Flexible Coupling Design • Critical Speeds (단위 : RPM) Rotor 진동 Flexible Coupling

20. 기술개발 결과 : Air Foil Bearing • Bump Type • Hydrodynamic Non-Contact Bearing • High Temp. Coating (PS304) : ~ 600 C • Rotor Weight : 12 kg Test Rig

21. 기술개발 결과 : Material • SELECTION OF MATERIALS

22. 기술개발 결과 : 고온부 수명 평가 • Mar M247 CREEP-FATIGUE 상호작용 평가 • 터빈로터 수명예측 수행 Mar-M247 기계적 특성 평가 마이크로터빈 수명예측

23. 기술개발 결과 : 엔진시험 Test Cell 전경 Control Room Engine Assembly Engine Test

24. 기술개발 결과 : Instrumentation • Instrumentation • Pressure : 36 Ch • Temperature : 53 Ch • Control : RPM, Fuel Flow, Load Bank, Motor Driver… Engine 내부 Instrumentation Engine 외부 Instrumentation

25. 기술개발 결과 : 엔진시험 • 100% RPM에서 65kW까지 부하적용 • Recuperator 열 관성으로 인하여 시험평가 시간 많이 소요됨

26. 기술개발 결과 : 엔진시험 • Critical Speed는 20% RPM 이하에만 존재 • 엔진 점화 속도인 30% RPM 이상에서는 진동 특성 양호 • 100% RPM에서 진동 크기 : 50 m, p-p 이하

27. 기술개발 효과 : 기술 측면 • 국내외 거대 신규시장 조성이 예상되는 분산형 마이크로 발전시스템 적용 핵심 기술 확보 및 Line-Up 개발 시스템 구축 • 기술적 파급효과 • 100% 종속된 발전용 가스터빈 엔진의 국내 개발기술 확보와 인프라 구축 • 하이브리드 발전시스템 및 차량엔진, 기타 에너지원 등 타 산업 분야로의 제품 및 기술 적용 가능 • 터보기계, 정밀기계, 고속회전체 관련 제품 Upgrade 등 기술적인 시너지 효과 지대함 • 차세대 분산 발전 시스템 국제 시장 참여 기반 구축

28. 기술개발 효과 : 에너지 절약/환경 측면 • 에너지 절약 측면 • 송전 손실과 폐열 방출에 의한 에너지 효율 저하 방지 및 • 에너지 사용 효율 30% 향상 • 에너지 효율 증가로 인한 년간 350억원 에너지 비용 절감 • 환경 측면 • 가스 연료 사용으로 대기 오염 절감 및 천연가스 수요 발생 • CO2 감량 85만톤 예상 [근거/산출자료] • 대체발전량 270MW (국내 분산열병합 수요 10%) & 5,000시간 운용 가정 및 시스템 전기효율 25%, 열병합 회수율 50% 일 경우 • 발전용 천연가스 수요 발생분 : 464,400 TOE • 열병합 회수로 인한 에너지 절감액 (232,000 TOE) : 350억원 • 절감된 천연가스 232,200 TOE, 연료내 C의 구성비 85% & 열효율 85% 가정

29. 기술개발 효과 : 산업 경제적 측면 • 기후의 영향을 받지 않으며 설치 및 유지보수가 간단하여 낙도 및 오지의 전기 제공이 유용하므로 전 국토의 균형있는 발전에 기여 • 대형 발전소 건설과 송전 손실에 따른 막대한 자금을 다른 산업에 투자할 수 있고, 발전 설비의 공사 기간 단축으로 전력수요에 능동적인 대처 가능 • 연구개발 인력 양성 및 연구 경험, 산학연 연구개발 컨소시움 및 관련 인프라는 산업계에 파급효과가 큰 고성능 터보기기의 개발에 유연하게 적용 가능 • 천연가스를 주 연료로 사용할 수 있어 석유 의존도를 낮춤으로써 무역수지 개선에 많은 효과를 얻을 수 있고, 기존에 구축되어 있는 지역난방 배관망 및 가스관을 사용하여 설비 투자비를 최소화 함

30. 응용 분야 및 시장 전망 : 응용 분야 • 마이크로터빈 열병합 발전 시스템 구성 및 응용 분야

31. 응용 분야 및 시장 전망 : 응용 분야 • Capstone(미국) 자료 HEV Flare Gas CHP Stand-Alone Power Digester Landfill Gas

32. 응용 분야 및 시장 전망 : 시장 전망 • 시장 규모 [근거/산출자료] 1. Technology Roadmap, 소형에너지 소스, 산업자원부/한국산업기술재단, 204-03-20 2. 소형 열병합발전 기술연구회 활동보고서, 산업자원부, 2004.8월 - 국내:2012년까지 270만 KW보급계획(년간 27만kW) • 매출 규모 및 경제적 효과 [근거] - 국내 수요 10% 점유, 해외 수요 약 0.5~2% 점유 가정

33. 응용 분야 및 시장 전망 : 기술 동향 • 1998년 미국의 Capstone사가 30kW 마이크로터빈 발전시스템 최초 상용화 • 30 ~ 350 kW급의 다양한 제품이 초기 시장 형성 중 : Genset 또는 Cogen • 소형화, 신뢰성 확보, 유지보수 비용 절감 및 배기가스 오염물질 감소 개발 추세 Capstone DTech IR Elliot

34. 응용 분야 및 시장 전망 : 미국연구개발 동향

35. 사업성과의 활용 계획 • 국내외 분산 열병합 발전시장 여건 조성에 따른 상품화 개발 적극 추진 • 본과제 2단계 추진 • Line-Up 개발 (200kW급) 착수 검토 [기획자료] Technology Roadmap, 소형에너지 소스, 산업자원부/한국산업기술재단, 204-03-20 • 실용화 위한 시장/적용처 조사 및 마케팅 • 소규모 빌딩 및 상업단지, 소형호텔 및 여관, 학교/기숙사, 농촌 집단 부락 등 • Multi-Package 경우, 중규모 빌딩 및 상업단지로 확대 가능 • 정부 차원의 국내 활성화 방안 건의 • 환경 규제법 완화 (유지보수, 비상발전기, 열공급 허가 등) • 전력 특례 규정 신설 (계통연계 가이드라인, 잉여전력판매 등) • 보상 및 금융지원 확대 (가스요금인하, 시설지원 등)