열병합발전

왜 배우는가: 열병합발전은 발전 과정에서 버려지는 열을 회수해 연료 이용률을 높이는 대표 기술이다. 실무에서 공정용 증기와 지역난방 열원을 선택할 때 검토하는 방식이므로 정의와 원리를 정확히 익혀야 한다. 정의, 원리, 종류, 장단점을 함께 묻는 문항이 여러 차례 출제되었다.

출제 이력: 제126회 4교시 3번, 제92회 2교시 6번, 제90회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

열병합발전은 하나의 에너지원으로 전기와 열을 동시에 생산해 이용하는 시스템이다.

열병합발전(CHP)은 연료가 가진 열에너지로 전기를 생산하는 동시에, 발전 과정에서 함께 나오는 열을 난방과 공정용으로 공급하는 종합에너지 시스템이다. 답안지 첫 줄에는 위 정의 문장을 그대로 옮겨 쓸 수 있으며, 아래 키워드가 본문 설명의 뼈대가 된다. 이 개념은 발전플랜트와 석유화학 플랜트처럼 적용 대상을 묻는 문항과, 종류별 장단점을 묻는 문항으로 나뉘어 출제된다.

• 종합 열이용 효율: 전기와 열을 함께 이용해 투입 연료 대비 이용되는 에너지의 비율을 높이는 개념이다.
• 배열 회수: 발전 과정에서 버려지는 배기열이나 냉각열을 흡수하여 다른 용도에 쓰는 것이다.
• 1차 에너지: 화석연료, 태양에너지처럼 수요자가 직접 쓰지 못하는 원천 에너지이다.
• 2차 에너지: 전기나 열처럼 수요자가 최종적으로 사용하는 에너지 형태이다.
• 집단에너지: 한 설비에서 만든 열과 전기를 여러 수요처에 공급하는 방식이다.
• 지역난방: 열병합발전소의 열을 열교환기로 주택과 건물에 보내는 난방 방식이다.

2. 개념 풀이

열병합발전의 정식 정의는 하나의 에너지원(1차 에너지)으로부터 전력과 열을 동시에 발생시키고, 발전에 수반하여 발생하는 배열을 회수해 종합 열이용 효율을 높이는 시스템이다. 이 정의의 핵심은 발전과 열 공급을 한 연료의 흐름 안에서 함께 처리한다는 점이다.

원리는 열역학 제2법칙에서 출발한다. 열기관은 고온 열원에서 받은 열의 일부만 일로 바꾸고, 나머지는 저온 열원으로 버려야 한다. 따라서 이 버려지는 열을 회수하는 것이 전체 이용 효율을 높이는 방법이 된다.

일반 화력발전소와 비교하면 이 원리가 분명해진다. 일반 화력발전소에서는 저압 터빈에서 빠져나온 증기를 복수기에서 냉각수로 식혀 물로 되돌리므로, 투입 에너지의 많은 부분이 냉각수로 버려진다. 열병합발전소는 이 배기증기를 지역난방용 열교환기나 산업공정으로 보내 같은 연료에서 열을 함께 얻는다. 즉 버려지던 열을 쓰는 것이 열병합발전의 본질이다.

열병합발전의 핵심 원리는 발전 과정에서 버려지는 열을 회수하여 이용하는 것이다.

여기서 배열은 열기관에서 일로 바뀌지 않고 밖으로 빠져나가는 열을 뜻한다. 배열을 열 수요처에 공급하도록 설계한 설비가 열병합발전 설비이며, 수요처의 온도와 양에 따라 회수 방식이 달라진다. 회수 열의 온도가 낮으면 난방에, 높으면 공정용 증기에 쓰는 것이 일반적이다.

열병합발전의 종합 효율은 80~90%까지 높일 수 있다. 종합 효율은 전기 출력과 이용한 열출력의 합을 투입 연료 열량으로 나눈 값이며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$\eta = \frac{W_e + Q_u}{Q_f}$

여기서 W_e는 발전기의 전기 출력(kW), Q_u는 회수하여 이용한 열출력(kW), Q_f는 투입 연료의 열량(kW)이다. 이 식은 에너지 양을 기준으로 한 효율이다. 전기만 생산하는 발전소는 분자에 W_e만 들어가므로 같은 연료에서 얻는 이용 에너지가 작아진다. 다만 전기와 열은 질이 다른 에너지이므로, 두 값을 같은 가치로 단순 합산하는 해석은 주의해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

첫째 배경은 에너지 위기이다. 고유가와 화석연료의 유한성 때문에 연료 비용이 오르고 공급이 불안정해지면서, 같은 연료로 더 많은 에너지를 얻는 기술이 요구되었다. 국내는 에너지 소비의 대부분을 수입에 의존하므로 에너지 절감이 시급하다는 인식이 열병합발전 도입의 출발점이 되었다.

둘째 배경은 환경이다. 전기와 열을 따로 생산하면 연료를 두 번 연소해야 하지만, 열병합발전은 한 번의 연소로 두 가지 에너지를 얻으므로 연료 사용량과 오염물질 배출이 함께 줄어든다. 이 구조는 분산형 에너지의 특성과도 맞닿아 있다.

셋째 배경은 송전 손실이다. 장거리 송전에서 생기는 전력 손실은 8~10% 수준이다. 열병합발전소는 수요지 인근에서 전기를 생산하므로 이 손실과 송배전 비용을 줄일 수 있다.

소형 열병합발전은 단독주택이나 소규모 사무실처럼 50kW 이하 규모의 건물 단위에 적용된다. 왕복 엔진, 마이크로 가스터빈, 스털링 엔진, 연료전지가 사용되며, 이 방식은 건물 단위의 분산형 공급을 가능하게 한다.