열병합 발전 효율지표

왜 배우는가: 열병합 발전은 하나의 연료로 전기와 열을 함께 얻어 에너지 이용효율을 높이는 대표 방식이다. 효율 표시법을 정확히 알아야 발전효율과 종합효율을 혼동하지 않고 설계와 평가 문항에 답할 수 있다. 2교시 논술과 1교시 용어 문제에 반복해서 출제되는 개념이다.

출제 이력: 제126회 2교시 5번, 제123회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

열병합 발전은 하나의 연료로 전기와 열을 동시에 생산하고, 발전 과정의 배열을 회수하여 종합 열이용효율을 높이는 시스템이다.

• 열병합 발전(CHP, Combined Heat and Power)
• 종합효율
• 배열 회수
• 발전효율
• 열 대 전력비(H:P)
• 이용효율

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 발전소에서 버려지던 열을 난방이나 공정열로 다시 쓰는 방식이다. 일반 화력발전은 연료 에너지의 상당 부분이 복수기를 통해 강이나 바다로 버려진다. 열병합 발전은 이 손실열을 회수하므로 같은 연료로 더 많은 유효에너지를 얻는다.

정식으로는 하나의 1차에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 종합에너지 시스템을 말한다. 고온부에서는 동력을, 저온부에서는 열을 사용하는 것이 기본 원리다. 발전에 수반되는 배열을 회수하여 종합 열이용효율을 높이는 점이 핵심이다.

여기서 발전효율은 투입 연료 에너지 대비 전기 에너지의 비율이다. 반면 종합효율은 전기와 열을 합한 유효 에너지를 투입 에너지로 나눈 값이다. 두 값을 구분해야 효율 표시 문항에 답할 수 있다.

효율 표시에서 열과 전기의 비율도 중요하다. 열 대 전력비(H:P)는 단위 전력 생산에 대한 열 출력의 비이며, 열 수요와 전력 수요의 균형을 판단하는 기준이 된다. 열 수요가 전기 수요보다 크면 열병합 발전 설비의 가동 방식이 달라진다.

열병합 발전의 효율은 열 회수 방식에 따라 크게 달라진다. 배열을 실제로 쓸 수 있는 열 수요처가 있어야 종합효율이 높게 나온다. 열 수요가 없으면 배열이 대기로 방출되어 효율이 떨어진다.

3. 등장 배경과 필요성

국내 에너지 소비는 대부분 해외 수입에 의존한다. 유가 상승과 자원의 유한성은 에너지 절감의 필요성을 높였다. 열병합 발전은 같은 연료로 더 많은 에너지를 쓰므로 이 문제에 대응하는 방법이 된다.

일반 화력발전소의 발전효율은 약 40% 수준이다. 송전 손실까지 고려하면 이용효율은 35% 정도로 낮아진다. 발전용 증기의 상당량이 복수기에서 버려지기 때문에 연료의 상당 부분이 손실된다.

열병합 발전은 이 손실열을 난방, 냉방, 공정열로 이용한다. 발전 시 배열은 발전량보다 많이 발생하며, 이를 유효에너지로 회수하면 총 이용효율이 크게 향상된다. 이 점에서 열병합 발전은 에너지 절감과 온실가스 감축을 함께 달성하는 수단으로 도입이 확대되었다.

또한 열병합 발전은 지역난방과 집단에너지 공급의 주요 열원으로 채택되어 왔다. 열 수요가 밀집한 도시와 산업단지에서 효과가 크다. 환경 측면에서도 연소 과정의 배출을 줄일 수 있다는 점이 도입 배경이다.

단점도 함께 알아야 한다. 초기 투자비가 높고, 열 수요와 전력 수요가 맞지 않으면 설비 이용률이 떨어진다. 이 한계를 보완하기 위해 효율 지표를 정확히 정의하고 비교하는 것이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

열병합 발전 시스템은 하나의 연료로 전기와 열을 함께 만드는 설비 묶음이다. 발전기, 배열회수설비, 열수송설비, 열사용설비로 나뉜다. 답안에는 발전설비, 배열회수설비, 열수송·이용설비를 구성요소로 쓴다. 발전기 종류는 가스터빈, 가스엔진, 증기터빈, 연료전지 등이다.

표의 설비는 열원 종류에 따라 바뀌지만, 배열을 회수해 수요처에 공급한다는 구조는 같다. 열병합 발전은 배열을 버리지 않는 것이 핵심이다.

원리는 다음과 같다. 연료를 연소해 발전기를 돌려 전기를 만든다. 이때 발생하는 배기가스나 냉각수의 열을 열교환기로 회수해 난방이나 공정열로 쓴다. 상용 화력발전은 투입 에너지의 상당 부분을 복수기로 버리지만, 열병합 발전은 이 열을 이용한다. 그래서 같은 연료로 전기와 열을 동시에 얻는다.

절차는 다음과 같다.

• 열·전력 수요 조사: 연간 전력 부하와 열 부하 곡선을 작성한다.
• 발전기 용량 선정: 열 부하를 기준으로 열 주도형인지 전기 주도형인지 정한다.
• 배열회수설비 설계: 배기가스 온도와 회수 열량을 계산하고 열교환기를 선정한다.
• 열수송·이용설비 연결: 열배관과 흡수식 냉동기 등 수요처 설비를 연결한다.
• 운전 제어: 전기 부하와 열 부하가 맞도록 발전기 출력과 보조보일러를 조정한다.

효율 계산의 기본식은 다음과 같다.

$\eta_{total} = \frac{E_{e} + Q_{h}}{F_{f}}$

여기서 E_{e}는 발전량(kWh), Q_{h}는 회수 열량(kWh), F_{f}는 투입 연료의 에너지량(kWh)이다. 단위는 모두 같은 에너지 단위로 맞춘다.

계산 예제는 다음과 같다. 연료 투입 에너지 F_{f}=100 MWh, 발전량 E_{e}=35 MWh, 회수 열량 Q_{h}=50 MWh이면 \eta_{total}=\frac{35+50}{100}=0.85, 즉 85%다. 발전효율 35%와 배열 이용을 합한 값이 상식 범위에 들어가므로 타당하다.

종합효율은 전기 에너지와 회수 열 에너지의 합을 투입 연료로 나눈 값이다

5. 관련 법령·기준·표준

열병합 발전의 효율 기준은 전기사업법, 집단에너지사업법, 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 등에 흩어져 있다. 이 절에서는 효율 개념과 기준값만 정리한다. 세부 조문 번호는 제시하지 않는다.

표의 값은 발전기 형식, 용량, 열 회수 방식에 따라 달라진다. 특히 종합효율은 배열을 유효하게 회수할 때 높게 나오는 값이다. 회수가 적으면 이보다 낮아진다.

개정 연혁으로는 집단에너지사업법에 따른 집단에너지 공급 제도가 열병합 확대의 제도적 기반이다. 신재생에너지 관련 제도에서는 열병합의 신재생 인정 여부가 연료 종류에 따라 다르다. 이 부분은 연료별로 구분해 적는다.

국내 집단에너지 열병합의 종합효율은 대표 사례 값으로 쓰되, 기준 수치로 외우기보다 사례 값으로 이해한다.

6. 유형과 비교

열병합 발전은 구동원동기와 열 회수 방식에 따라 여러 형식으로 나뉜다. 형식마다 전기와 열의 비율(열전비), 발전효율, 설치 조건이 달라 현장 조건에 맞는 방식을 고르는 것이 설계의 출발점이다.