한국에너지기기산업진흥회(회장 고봉식)이 에너지수급 안정에 기여하고 에너지이용효율 극대화 방안 중 하나로 인정받고 열병합발전시스템에 대한 시험실을 구축해 주목받고 있다.
현재 20kWe급, 50kWe급에 대한 성능 확인 및 표준개발을 수행하기 위한 시험실을 구축했으며 ‘건물용 가스엔진 열병합발전기(20kW급)’에 대한 KOLAS기관 인정도 받았다.
열병합발전시스템 현황
국가별로 미니 열병합발전시스템을 정의에 다소간의 차이가 있으나 가정용은 1 kWe급 이하를 초소형(Micro) 열병합발전시스템으로, 이외의 수kWe~50kWe급은 상업용이나 일반 건물용을 미니(Mini) 열병합발전시스템으로 구분하고 있다.
국내는 초소형 열병합발전시스템을 발전용량기준 3kW 이하는 가정용, 3kW 초과 용량은 건물용으로 구분하고 있다. 유럽은 EN 50465(European product standard for combined heating power systems using gas fuel)에 따라 50kW급 이하를 초소형 열병합발전시스템으로 구분한다.
국내 소형 열병합발전설비 도입은 정부의 에너지이용합리화정책에 힘입어 1980년대 도입되기 시작했다. 최근 설치되고 있는 가스열병합발전설비의 용량 추세를 보면 500kW급 미만의 작은 용량이 늘어가고 있으며 2000년 이후 아파트를 중심으로 보급이 확대되고 있는 추세다. 국내에 설치된 대부분 제품은 일본에서 수입돼 설치, 사용되고 있으며 최근에는 국내 기업에서 개발해 판매되고 있다.
에산진의 관계자는 “열병합발전기의 최대 장점은 무엇보다 대규모 발전소 건설과 운영에 소요될 막대한 재원부담을 줄이고 전력수급 문제에도 안정적인 역할을 할 수 있다는 점”이라며 “최근 국내 전력시장이 수요관리를 근간으로 하는 유연성 확보 방향으로 전환됨에 따라 향후 열병합발전 기술과 같이 높은 에너지효율을 근간으로 하는 시스템 및 관련 산업의 시장경쟁력이 급격히 증대될 것”이라고 밝혔다.
열병합발전 기술은 기존 화석연료를 사용하는 왕복동 엔진형, 스털링엔진형, 수소연료기반 열화학발전 방식의 연료전지형이 대표적이다. 이외에 랭킨사이클(Rankine Cycle)을 이용한 방식도 있다.
이중 가스 내연기관 열병합발전기는 가스를 연료로 내연기관 엔진을 구동해 35%의 전력과 55%의 열을 생산해 생산된 열은 난방이나 온수로 활용하고 하절기에는 냉각수열과 배기열(증기) 등의 폐열을 이용해 냉방에도 활용할 수 있다.
가스 열병합발전기는 청정연료인 천연가스를 이용하므로 환경친화적이다. 또한 폐열이용이 용이해 산업체뿐만 아니라 주거용 건축물 등의 전력 및 열 에너지원으로 주목받고 있다. 자체 발전시설을 이용해 1차적으로 전력을 생산한 후 배출되는 폐열을 이용하므로 기존의 에너지공급방식보다 30~40%의 에너지절약효과를 거둘 수 있는 고효율 에너지이용기술로 평가받고 있다.
세계적으로 초소형 열병합발전 시스템시장을 주도하고 있는 국가는 일본과 독일이다. JIS의 대표적인 표준으로는 JIS B 8122가 있다. 이 표준은 2001년에 제정돼 2009년 최종 개정된 표준으로 디젤엔진 및 가스엔진의 열병합발전 유닛의 성능시험방법에 대해 규정하고 있으며 0%, 50%, 75%, 100%의 전력부하를 규정하고 있다.
유럽은 가정 및 상업용에서 사용되는 가스 중앙난방보일러에 대해 작업을 하고 있는 CEN/TC 109에서는 EN 13203-4 표준을 2016년에 제정했다. 이 표준은 온수와 전기를 생산하는 가스 열병합발전기기(가스소비량 70kW 이하, 전기출력 50kW 미만, 축열조 용량 500L 미만)에 대한 에너지소비 평가에 대한 표준이다.
북미는 미국 단체인 ASHRAE(America n Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers), AHRI(Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute)와 캐나다 단체인 CSA(Canadian Standards Association)에서 표준을 담당하고 있다.
ASHRAE의 TC 1.10(Cogeneration systems)은 열병합발전시스템 및 시스템의 기본 구성 요소, 발전주기 및 냉난방시스템에 사용되는 열추출방법에 대해 규정하고 있다.
20·50kWe급 시험실 구축…KOLAS기관 인정
에산진은 2015년부터 정부 R&D사업을 통해 ‘1kWe급 초소형 내연기관 열병합발전기’ 개발과제를 시작으로 20kWe급, 50kWe급에 대한 성능 확인 및 표준개발을 수행하기 위한 시험실을 구축하고 운영하고 있다.
열병합발전 시험실은 전기출력 200kWe급까지 시험이 가능하며 안정된 수온의 공급을 위한 물저장탱크와 중압의 시험가스, 배기력을 조절할 수 있는 배기시설, 50kWe급의 생산된 전기를 건물에서 사용할 수 있도록 연계공사까지 마쳤다.
에산진은 가스연소기와 가스보일러 등 다양한 시험장비를 직접 개발한 경험을 바탕으로 전기출력과 열출력의 성능확인 및 데이터 확보가 가능한 전기·열 효율측정장비를 개발, 운영하고 있다.
효율측정장비는 KS 및 국제표준에서 요구하는 측정항목별 불확도 범위 이내의 부품을 사용했으며 교정과 수리의 편리를 위해 탈부착이 가능하다. 측정기간 동안 난방 및 온수의 온도와 압력 그리고 유량, 가스소비량, 난방효율, 전기출력, 전기효율 등의 데이터 확보가 가능토록 설계했다.
장비에 탑재된 프로그램은 실시간 시험과정 데이터 표시 및 분석이 가능하다. 컴퓨터 화면을 통한 실시간 측정 확인과 데이터는 DAQ를 통해 수집을 할 수 있다.
기타 장비로 미니 열병합발전기에서 발생되는 전력을 1kW 단위로 부하를 제어해 최대 100kW까지 부하를 가할 수 있는 전력부하장치, 전력측정계, 각종 측정 디바이스도 갖췄다.
또한 200kWe급 이상의 열병합발전기의 경우 배관에 직접 설치하지 않고도 유량측정이 가능한 초음파 유량계와 측정 프로그램이 탑재된 이동형 측정장비를 개발했다. 이에 따라 시험실뿐만 아니라 건물 등 현장에서 실제 데이터 측정이 가능하다. 이동식 측정장비에 설치된 무선통신기기를 활용할 경우 사무실이나 개인 휴대폰을 통해서도 제품의 가동상태 및 성능을 확인할 수 있다.
특히 에산진은 미니 열병합발전기의 시험의 신뢰성과 정확성을 확보하기 위해 지난 6월 KOLAS 인정기구로부터 ‘건물용 가스엔진 열병합발전기(20kW 급)’에 대한 KOLAS기관 인정도 받았다.
에산진은 향후 전기품질에 대한 정밀시험과 연료전지 등 다양한 열병합발전기의 성능시험을 지원하기 위해 추가적인 시험장비 구입할 예정이며 유럽, 미국 등 해외 시험기관과 상호 인증시스템도 구축할 계획이다.
에산진의 관계자는 “열병합발전시스템은 에너지수급 안정에 기여하고 에너지이용효율 극대화 방안 중 인정받고 있다”라며 “천연가스 저장시설 비용 감소, 환경개선 효과 등 사회적 시설투자를 감소시킬 수 있는 열병합발전시스템의 역할과 기대효과는 매우 크므로 보급이 절실한 상황”이라고 지적했다.
이 관계자는 “전기와 냉난방에너지를 공급할 미래기기의 한 축으로 부상할 미니 열병합발전기 산업 활성화를 위해 현재 구축된 시설과 장비, 시험요원들을 활용해 관련 기업에 아낌없는 지원은 물론 적극적으로 협조할 것”이라고 강조했다.
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