열병합발전

왜 배우는가: 열병합발전은 하나의 연료로 전기와 열을 함께 얻어 에너지 이용률을 크게 높이는 방식이라, 에너지관리와 설비 설계에서 항상 기본이 된다. 열전비, 보급 장애 요인, 원동기별 특징은 기술사 시험에서 반복해서 출제되는 핵심 주제다.

출제 이력: 제126회 4교시 6번, 제119회 3교시 6번, 제89회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

열병합발전은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하여 이용하는 종합에너지 시스템이다.

• 열병합발전(Combined Heat and Power, CHP)
• 코제너레이션(Cogeneration)
• 종합에너지시스템(Total Energy System)
• 배열 회수
• 열전비(熱電比)
• 総合열효율
• 원동기(Prime mover)
• 에너지관리기준 제5절 열병합발전설비부문

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 발전소에서 버려지는 열을 그냥 버리지 않고 난방이나 공정 열로 쓰는 것이다. 일반 발전소는 연료 에너지의 대부분을 폐열로 버리지만, 열병합발전은 같은 연료로 전기와 열을 함께 얻는다.

정식 정의는 다음과 같다. 열병합발전(CHP, 코제너레이션)은 하나의 연료 또는 에너지원으로부터 전력과 유용한 열에너지(증기 또는 온수)를 동시에 또는 순차적으로 생산하는 시스템이다. 열병합발전 시스템은 원동기, 발전기, 배열회수장치, 전기 연계 설비로 구성된다.

핵심 용어는 다음과 같다. 원동기는 연료 에너지를 기계적 일로 바꾸는 장치로, 증기터빈·가스터빈·가스엔진·디젤엔진 등이 있다. 배열회수장치는 원동기 배기가스나 냉각수의 열을 회수하는 설비다. 열전비는 생산된 열에너지와 전기에너지의 비로, 열병합 설비의 운전 특성을 나타내는 지표다.

열병합발전은 원동기에 따라 토핑 사이클과 보텀 사이클로 나뉜다. 토핑 사이클은 먼저 전기를 만들고 남은 열을 난방에 쓰며, 보텀 사이클은 고온 공정 열을 먼저 쓰고 남은 열로 발전한다. 실무에서는 대부분 토핑 사이클이 쓰인다.

에너지관리기준은 열병합발전설비를 보일러, 증기터빈, 가스터빈, 가스엔진, 디젤엔진 등으로 구성되는 설비로 보고, 종합열효율을 높게 유지하도록 관리표준을 정하게 한다.

3. 등장 배경과 필요성

일반 화력발전소의 전기 생산 효율은 낮다. 이 폐열을 회수하지 않으면 에너지 손실이 커진다.

열병합발전은 이 폐열을 난방, 냉방, 공정 열로 활용해 종합 이용률을 높인다. 근거에 따르면 열과 전기를 함께 쓰는 CHP는 최대 90% 수준의 이용효율을 얻을 수 있고, 전기와 열을 따로 만드는 방식에 비해 에너지 절감률이 15~40% 정도라고 한다. 이런 수치는 시스템 조건에 따라 달라지므로 답안에는 범위와 조건을 함께 쓴다.

또 발전 설비를 수요처 가까이 두므로 송전 손실이 줄고, 지역 난방이나 산업단지 열 공급에 적합하다. 에너지관리기준도 열병합발전설비를 신설할 때 열과 전력의 수요실적과 장래 동향을 연간 기준으로 검토하고, 배열과 전력을 충분히 이용할 수 있는지 확인한 뒤 적정 규모로 설치하도록 정하고 있다.