열병합 발전

왜 배우는가: 열병합 발전은 하나의 연료로 전기와 열을 함께 생산해 에너지 이용률을 높이는 대표적 분산형 에너지 기술이다. 에너지 절감과 온실가스 감축 정책에서 자주 거론되므로 발송배전기술사 시험에서 정의와 필요성을 묻는 문제가 반복해서 출제된다. 정의의 핵심과 필요성의 근거를 먼저 정리해 두면 이후 원동기 문제와 비교 문제를 쉽게 풀 수 있다.

출제 이력: 제135회 2교시 1번, 제115회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 열병합 발전은 하나의 1차에너지원으로 전기와 열을 동시에 생산하여 종합 열이용 효율을 높이는 발전 방식이다.

• 열병합 발전(Cogeneration, CHP)
• 종합에너지 이용효율
• 배열회수(폐열 회수)
• 지역난방
• 배열회수보일러(HRSG)
• 열전비(열출력과 전기출력의 비)
• 분산형 전원(Distributed Generation)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 발전소에서 버려지는 열을 난방이나 공정용 열로 쓰는 방식이다. 같은 연료를 넣고 전기 한 가지만 만들면 투입 에너지의 대부분이 열로 버려지지만, 열병합 발전은 그 열을 다시 쓴다.

정식 정의는 다음과 같다. 열병합 발전은 하나의 에너지원(1차에너지)으로부터 전력과 열을 동시에 발생시키는 종합에너지 시스템이다. 발전에 수반하여 발생하는 배열을 회수하여 이용함으로써 종합 열이용 효율을 높인다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 열병합 발전: 발전과 열 공급을 한 시스템에서 동시에 수행하는 방식이다. 열원은 주로 증기나 온수이며, 산업공정용과 지역난방용으로 쓰인다.
• 배열회수: 원동기 배기가스나 냉각수의 열을 회수하는 과정이다. 열병합 효율의 핵심 기술이다.
• 열전비: 열 출력을 전기 출력으로 나눈 값이다. 열 수요가 큰 곳일수록 열전비가 큰 시스템이 적합하다.

원리는 다음 한 줄로 정리된다. 발전 과정에서 버려지는 열을 회수해 사용하므로 연료 한 단위당 얻는 유효 에너지가 늘어난다.

3. 등장 배경과 필요성

열병합 발전이 주목받은 배경은 에너지 공급의 효율과 안정성 문제다. 일반 화력발전소는 투입 에너지의 많은 부분을 복수기에서 냉각수로 버린다. 국내 자료에서는 이 손실 열이 대략 절반 가까이 된다고 설명한다. 열병합 발전은 이 열을 지역난방과 산업 열원으로 공급해 같은 연료로 더 많은 유효 에너지를 얻는다.

필요성은 다음 네 가지로 정리할 수 있다.

• 에너지 이용효율 향상: 종합 열효율을 크게 높일 수 있다. 집단에너지 자료에서는 종합 열효율을 높은 수준으로 제시한다.
• 연료 소비와 온실가스 감축: 같은 열과 전기를 두 설비로 따로 만들 때보다 총 연료 소비가 줄어 배출량이 감소한다.
• 송전 손실 감소: 수요지 인근에 설치하므로 송배전 손실과 계통 부담이 줄어든다.
• 전력 수급 안정: 하절기 피크 부하를 분담하여 계통 안정에 기여한다.

에너지 소비의 대부분을 수입에 의존하는 국내 상황에서는 에너지 절감 수단으로서 열병합 발전의 가치가 더 크다. 다만 설비 투자비가 높고, 열 수요가 안정적으로 있어야 경제성이 확보된다는 한계가 있다. 이 한계는 설치 입지와 부하 특성을 함께 검토해야 하는 이유가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

열병합 발전 시스템은 원동기(prime mover), 발전기(generator), 배열회수장치(heat recovery unit), 제어장치와 보조설비로 구성된다. 원동기에서 나온 전기는 발전기가 생산하고, 원동기의 배열(배가스, 냉각수, 유활유 열)은 배열회수장치가 회수해 열이용 설비에 공급한다. 전기와 열을 하나의 연료에서 동시에 얻는 것이 핵심 원리다.

열병합 발전의 원리는 원동기가 연료 에너지를 일과 열로 나눠 쓰는 데 있다. 일반 상용화력발전은 투입 에너지의 약 1/3만 전력으로 바꾸고 나머지는 복수기로 버리지만, 열병합 발전은 이 손실 열을 난방·공정 열로 회수한다. 그 결과 종합 열효율이 높아진다. 열병합 발전에서 쓰는 주요 지표는 열효율과 열전비다.

• 열전비(heat-to-power ratio): 회수 열량을 발전량으로 나눈 값으로, 열 수요가 큰 수요처일수록 열전비가 큰 원동기가 유리하다.
• 종합 열효율: (발전량 + 열 공급량) / 연료 투입량. 열 이용을 포함해 연료가 얼마나 쓰였는지 보는 값이다.

표 설명: 원동기 종류에 따라 배열의 온도와 양이 달라서 회수장치의 형식도 달라진다. 가스엔진은 자켓 냉각수와 배가스를, 가스터빈은 고온 배가스를 주로 회수한다.

열병합 시스템의 운전 절차는 다음과 같다.

• 원동기를 기동하고 발전기를 계통에 병입한다.
• 원동기 자켓 냉각수가 열교환기에서 열이용 기기의 온수를 1차로 데운다.
• 배가스 열교환기에서 온수 또는 증기를 추가로 가열한다.
• 열이용 기기에서 열을 쓰고 식은 온수가 다시 회수 계통으로 돌아온다.
• 열 수요가 없으면 냉각탑으로 열을 버리고, 급기냉각기·유냉각기는 별도 저온 냉각 라인으로 냉각한다.

원리 설명: 급기냉각기와 유냉각기는 낮은 온도로 냉각해야 엔진 출력과 윤활유 수명이 유지된다. 그래서 자켓 냉각수 계통과 분리된 별도 냉각 라인을 둔다.

도식은 다음과 같다.

도식 설명: 원동기 배열이 회수장치를 거쳐 열이용 설비로 가고, 환수가 다시 돌아오는 순환을 그린다.

5. 관련 법령·기준·표준

열병합 발전은 전기사업법과 집단에너지사업법의 적용을 받는 설비로 다뤄진다. 소형 열병합 발전은 패키지형으로 제작되며, 주로 300kW 이하 규모에 쓰인다. 설비 기준은 KS 와 제조사 설계 기준을 함께 따른다.

기준 수치는 다음 표와 같다.

표 설명: 소형 패키지는 방음과 저온 냉각 라인이 기준 조건이다. 가스터빈 열병합은 대용량 수요에 맞고, 증기압력은 용도에 따라 고압 공급도 가능하다.

개정 연혁과 최근 동향은 전력 수요 변화와 탄소중립 정책에 맞춰 열병합 설비 도입이 이어지고 있다. 정확한 조문 개정 일자는 여기서 다루지 않는다.

과거 배열 회수 방식은 단순 온수 공급 위주였으나, 현재는 HRSG 와 흡수식 냉동기를 결합한 다목적 이용이 늘고 있다.

6. 유형과 비교

열병합 발전은 원동기 종류, 열을 회수하는 방식, 그리고 열과 전기의 비율에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 답안에서는 원동기 종류별 특징을 먼저 구분하고, 열 이용 방식은 그다음에 설명한다.

원동기별 유형은 증기터빈(배압터빈·추기복수터빈 포함), 가스터빈, 가스엔진(디젤엔진 포함), 연료전지로 나뉜다. 가스터빈은 고온 배가스를 배열회수보일러(HRSG)에 보내 증기를 만들고, 가스엔진은 냉각수와 배가스의 열을 온수 형태로 회수한다.