우리가 사용하는 전력과 열을 만드는 열병합발전이란?

[조영철(4-3반)]

열병합발전이란(Ⅰ)

■ 열병합발전이란

  열병합 발전은 전력과 열을 동시에 발생시켜 에너지 이용률을 70～85%(기존 발전의 2배 이상)로 높이는 발전 체계를 말한다. 즉 증기터빈, 가스터빈 등 각종 엔진으로 발전기를 구동해 전기를 생산하고 구동기에서 발생하는 열을 거두어 효율적으로 사용한다. 예를 들면, 화력발전소에서 증기터빈으로 발전기를 구동하고 터빈의 배기가스의 열을 이용해서 지역난방을 하는 경우이다.

  열병합 발전의 발전방식은 보통 복합발전 형태를 취하는데 이는 고온부와 저온부에서 작동하는 서로 다른 사이클을 조합하여 고온부 사이클에서는 연료의 연소열을 열원으로 하는 가스터빈을, 저온부 사이클에서는 고온부 사이클의 작동유체인 연소가스의 여열을 이용하는 Rankine Cycle을 결합한 것이다.

  이렇게 함으로써 작동온도 범위를 고온에서부터 저온부까지 확대시켜 종합열효율을 향상시킬 수 있다. 보일러에서 생산된 고온고압의 증기를 이용하여 터빈ㆍ발전기에서 전력을 생산하고 이 터빈에서 일을 하고 나온 증기의 열에너지를 추출하여 공장의 공정(Process)용으로 사용하거나 또는 온수를 만들어서 인근주택, 상가, 사무실 및 병원 등 일반 수용가에 공급하여 난방용으로 사용하도록 하는 발전방식을 열병합발전방식이라 하며, CHP(Combined Heat & Power Plant) 또는 Cogeneration Plant 라고 한다.

  현재까지의 일반적인 발전방식이 최대한의 전력만 생산하는데 주력한데 비해 필요한 전력과 열을 동시에 생산하여 전력을 사용하고 생산된 열도 공정(Process)에 사용할 수 있도록 함으로서 열손실(Heat Loss)을 최대한 줄이는데 열병합발전의 목적이 있다.

<목동열병합발전소 전경>

  현재 우리나라에서도 하절기 전력난 문제, 에너지 절약문제, 환경공해문제를 해결하기 위하여 일산, 분당, 목동 등의 대단위 집단주택지역이나 울산, 여천, 대구, 안산, 이천 등 주요공업단지에 열병합 발전소가 건설되어 운영되고 있으며 앞으로 전력수요 증가에 대처하기 위하여 많은 열병합 발전소 건설계획을 세우고 있다.


■ 열병합발전의 발전 역사

  열병합발전의 발전 체계는 원래 북유럽에서 화력 발전소로부터 나오는 막대한 양의 배열을 주변 지역의 난방열로 공급하면서부터 시작되었다. 1970년대 두 차례의 석유 파동이 일어난 뒤 지역난방을 목적으로 하는 대규모 집중형 열병합 발전 체계는 전력과 열을 수송하는데 경제성이 없다는 것이 밝혀져 소규모 분산형 열병합 발전 체계가 빠른 속도로 개발 보급되고 있는 것이 선진국의 추세이다.  

  예컨대 서독은 열병합 발전 체계를 가장 오래 전부터 개발해온 나라로 1896년 독일 함부르크(Hamburg) 시청이 부근 포스트스트라세(Poststrasse)발전소에서 생산되는 증기를 난방에 최초로 이용 하였다. 세계적으로 1950년대에는 2차 대전 종전이후 복구과정에서 대규모 아파트단지 조성으로 지역난방 기반을 마련하였으며, 1970년대 오일쇼크로 인해 선진국들은 에너지절약 정책을 시행하여 1990년대 이후 환경인식 제고로 지역난방 보급이 확대되었다.

  미국 또한 1971년에 '국가 에너지 조례'를 제정하여 소규모 열병합 발전 체계를 비롯하여 복합 발전 체계를 보급하는데 힘쓰고 있다. 일본의 경우에 공장의 자가 열병합 발전 체계는 이미 오래 전부터 보급되기 시작하였으나 소규모 분산형 열병합 발전 체계는 1979년이 지나면서 급격히 보급되기 시작하였다. 특히 석유 대체 에너지로서 LNG가 급격히 보급되면서 가스회사, 엔진 제조회사, 전기회사들이 앞장서서 자기 회사의 영업소 등에 가스 엔진 구동 소규모 열병합 발전체계를 설치하여 시범운전하고 있다.

  그리고 1987년 일본의 통산성에서는 민간 기구로서 코제너레이션(cogeneration) 연구회를 조직해서 각 대학과 연구소의 전문가를 개인회원으로 가스회사, 전기회사, 엔진 제조회사, 시공회사 등을 기업회원으로 가입시켜 정보를 교환하고 체계를 개발하는 데 박차를 가하였다. 그 결과로 최근 수십 kW급에서 수백 kW급에 이르는 소규모 분산형 열병합 발전 체계가 해마다 80～100기 정도씩 일본 전국에 보급되고 있다. 현재 일본에서 열병합 발전에 의한 발전량은 일본의 총발전량의 6～7%에 이르는 것으로 알려져 있다고 한다.