2-6. 열병합발전(Co-Generation)의 개요, 장단점, 시스템 종류, 시스템 사용방식에 대하여 설명하시오.

열병합발전(Co-Generation)은 Combined Heat and Power (CHP) 또는 Integrated Energy System이라고도 불리며, 하나의 에너지원(주로 연료)을 사용하여 전기 또는 동력과 유용한 열(난방, 냉방, 공정열 등)을 동시에 생산하는 에너지 시스템입니다. 이는 전기와 열을 각각 생산할 때 발생하는 에너지 손실을 최소화하여 에너지 이용 효율을 극대화하는 것을 목표로 합니다.

 

개요

기존의 전력 생산 방식은 발전소에서 전기를 생산하고 송전 과정에서 손실이 발생하며, 발전소에서 발생하는 폐열은 대부분 버려집니다. 또한 필요한 열은 각 건물이나 시설에서 별도의 보일러 등으로 생산합니다. 열병합발전은 이러한 두 과정을 통합하여, 전력을 생산하는 과정에서 발생하는 고온의 배열(폐열)을 회수하여 난방, 온수 공급, 산업 공정열, 흡수식 냉동기를 이용한 냉방 등에 활용합니다. 이를 통해 연료가 가진 에너지의 총괄적인 이용 효율을 획기적으로 높일 수 있습니다 (일반적으로 70~80% 이상).

 

장단점

• 장점:
  • 높은 에너지 효율: 전기와 열을 각각 생산할 때보다 연료 이용 효율이 훨씬 높아 에너지 소비를 절감할 수 있습니다.
  • 환경 부하 감소: 연료 소비량이 줄어들므로 온실가스(CO₂, NOx, SOx 등) 배출량이 감소합니다.
  • 경제성 확보: 연료비 절감을 통해 운영 비용을 절감하고, 생산된 전기나 열을 판매하여 수익을 창출할 수 있습니다.
  • 송배전 손실 감소: 전력 생산 지점과 소비 지점(열 소비 지점과 동일 또는 인접) 간 거리가 짧아 송배전 과정에서의 에너지 손실을 줄일 수 있습니다.
  • 에너지 공급 신뢰성 및 회복탄력성 증진: 지역 단위에서 분산형 전원 역할을 하여 대규모 전력망 문제 발생 시에도 자체적인 전력 및 열 공급이 가능할 수 있습니다.
• 단점:
  • 높은 초기 투자 비용: 일반 발전 설비나 보일러보다 시스템 구성이 복잡하여 초기 설치 비용이 높습니다.
  • 시스템 복잡성: 전기 생산 시스템과 열 회수 및 공급 시스템이 통합되어 있어 설계, 설치, 운전 및 유지관리가 복잡합니다.
  • 열-전력 수요 균형 문제: 열과 전력의 수요 패턴이 일치하지 않을 경우, 효율적인 운전에 제약이 따르거나 일부 에너지가 낭비될 수 있습니다. (예: 여름철 냉방 수요는 높으나 난방 수요는 없을 경우)
  • 입지 제약: 생산된 열을 효율적으로 사용하기 위해 열 소비처 가까이에 설치해야 하므로 입지 선정에 제약이 있습니다.
  • 유지보수 전문성 요구: 고도의 기술과 숙련된 인력이 운전 및 유지보수에 필요합니다.
  • 계통 연계 문제: 생산된 전력을 외부 전력망에 연계할 경우 기술적, 제도적 문제에 직면할 수 있습니다.

시스템 종류

열병합발전 시스템은 주로 전력을 생산하는 원동기(Prime Mover)의 종류에 따라 구분됩니다.

• 가스터빈 방식 (Gas Turbine Based CHP):
  • 천연가스, 등유 등을 연료로 가스터빈을 구동하여 전기를 생산하고, 터빈 배기가스(고온)의 열을 배열회수보일러(HRSG) 등을 통해 회수하여 증기나 온수를 생산합니다.
  • 특징: 전력 생산 비중이 높고, 신속한 기동/정지가 가능하며, 대형 설비에 적합합니다.
  • 주요 활용: 대규모 빌딩, 산업단지, 지역난방 플랜트 등.
• 증기터빈 방식 (Steam Turbine Based CHP):
  • 보일러에서 연료(천연가스, 중유, 석탄, 폐기물 등 다양한 연료 사용 가능)를 연소시켜 고온고압의 증기를 생산하고, 이 증기로 증기터빈을 구동하여 전기를 생산합니다. 터빈 중간에서 증기를 추출하거나(추기 터빈) 터빈을 통과한 배기 증기를 열원으로 사용합니다.
  • 특징: 열-전력 생산 비율을 비교적 유연하게 조절할 수 있으며, 대용량 발전 및 다양한 공정열 생산에 유리합니다.
  • 주요 활용: 제철, 석유화학 등 대규모 산업 공장, 대규모 지역난방 플랜트.
• 왕복동 엔진 방식 (Reciprocating Engine Based CHP):
  • 가스 엔진이나 디젤 엔진으로 발전기를 구동하여 전기를 생산하고, 엔진 배기가스 및 엔진 재킷 냉각수 등에서 발생하는 열을 회수하여 온수나 증기를 생산합니다.
  • 특징: 중소규모 설비에 적합하고, 전체 효율(특히 열 생산 비중)이 높으며, 부하 변동 대응성이 좋습니다.
  • 주요 활용: 중소형 빌딩, 병원, 호텔, 아파트 단지, 산업 시설 등.
• 연료전지 방식 (Fuel Cell Based CHP):
  • 화학 반응을 통해 전기와 열을 동시에 생산합니다.
  • 특징: 발전 효율이 높고, 오염 물질 배출이 거의 없으며, 모듈화가 용이합니다. 하지만 현재까지는 비용이 비교적 높습니다.
  • 주요 활용: 건물용, 분산 전원용 등 중소규모 분야.

이 외에 마이크로터빈 방식 등 다양한 원동기를 사용하는 열병합발전 시스템이 있습니다.

 

시스템 사용 방식 (활용 분야)

열병합발전 시스템은 생산된 열과 전력을 다양한 용도로 활용합니다.

• 지역 난방/냉방: 도시 또는 특정 지역의 여러 건물에 온수나 증기를 공급하여 난방 및 급탕에 사용하고, 흡수식 냉동기를 이용한 냉방에도 활용합니다. 생산된 전력은 자체 소비하거나 전력망에 판매합니다.
• 산업 공정용: 공장 운영에 필요한 전력과 생산 공정(건조, 가열, 증류 등)에 필요한 고온의 증기 또는 열매체유를 공급합니다.
• 건물용 (빌딩, 병원, 호텔, 백화점 등): 건물 운영에 필요한 전력(조명, 동력 등)과 냉난방, 급탕에 필요한 열(온수, 증기, 냉수)을 공급합니다.
• 데이터 센터: 안정적인 전력 공급과 함께 서버에서 발생하는 열을 이용하거나 생산된 열을 흡수식 냉동기에 활용하여 냉각에 사용합니다.
• 농업/원예 시설: 온실 난방 및 운영에 필요한 전력을 공급합니다.
• 쓰레기 소각장/하수 처리장: 폐기물 소각 시 발생하는 열이나 바이오가스 등을 연료로 사용하여 열병합발전을 통해 에너지를 회수합니다.

열병합발전 시스템은 생산된 열과 전력의 수요 패턴을 고려하여 운전 방식을 결정합니다. 열 수요에 맞춰 운전하는 열 부하 추종 운전(Heat-led Operation) 방식과 전력 수요에 맞춰 운전하는 전력 부하 추종 운전(Power-led Operation) 방식이 있으며, 실제 운영에서는 경제성이나 효율성을 고려하여 최적의 운전 방식을 선택합니다. 생산된 전력은 해당 시설에서 자체 소비하거나 남는 전력을 전력망에 역송하기도 합니다.