소득 수준 향상 및 정보기술 발전에 따른 우리나라의 전력수요는 지속적이고도 폭발적인 증가세를 보이고 있다. 서비스산업이 주도하는 경제 구조로 인해 전력수요 증가율과 전력공급 증가율의 차이는 점점 벌어지는 추세다.

우리나라의 절대적인 전기소비량은 여타 선진국이 점차 감소하고 있는 것과 달리 증가세를 보이고 있으며 이 추이는 향후에도 지속될 것으로 예상되고 있다.

효율적인 에너지생산, 소비정책 실현과 나아가 전기수요 증가세를 현실적으로 가장 빠른 시간에 대처할 수 있는 방법은 분산발전밖에 없다. 정부에서도 2차 국가에너지기본계획에 분산형발전비율을 15%로 책정한 것도 이와 무관해 보이지 않는다.

일반 가정에서는 대부분 난방과 냉방, 온수의 공급을 위해 가정용 보일러와 에어컨을 사용하고 있으나 최근 심각한 전력난 및 환경오염으로 인한 지구온난화 문제가 대두됨에 따라 가스를 이용해 가정용 전기를 생산하면서 온수공급과 난방이 동시에 가능한 10kW 이하의 환경친화적인 생활밀착형 냉난방 및 발전시스템(Micro-CHP, 이하 m-CHP)의 보급이 선진국을 중심으로 크게 확산되고 있다.

m-CHP에서 생산된 전기는 대용량 발전설비에서 생산하는 전력에 비해 송전손실이 없고 에너지효율 측면에서 비교우위에 있으며 생산된 전기는 소비자가 전력회사에 역판매할 수 있는 스마트그리드 시스템방식의 관리체계로 전환돼 보다 효율적인 사용이 가능하다.

주요선진국은 이미 연료전지, 스털링엔진, 내연기관(ICE) 등을 이용한 생활밀착형 m-CHP의 상용화 개발 및 보급단계에 있다. 유럽, 일본, 미국 등에서는 이미 가정용 m-CHP 제품의 성능 및 신뢰성이 검증돼 2025년 세계시장규모는 25조원에 달할 것이라는 시장리서치기관인 BSRIA도 전망하고 있다.

m-CHP는 엔진, 냉난방, 제어기술을 포괄하는 기계산업분야 육성·발전의 핵심기술로 m-CHP는 발전설비의 핵심부분인 엔진과 열교환기 및 제어프로그램을 중요 부품으로 하고 있다. 또한 마이콤제어에 의한 IT산업을 융합한 복합기술산업으로 기계부품 및 소재, 제어장치분야에 파급효과가 큰 산업이다.

세계적으로 m-CHP시장은 점차 확장되는 추세다. 가장 빠른 성장세를 보이고 있는 독일과 일본을 중심으로 최근 5년간 지속적인 성장세를 이어가고 있다. 2013년 기준으로 m-CHP는 총 29만1,700대가 보급됐으며 지난해 연간 판매량도 약 6만대 수준으로 추정된다.

향후 이런 흐름은 점차 가속화될 전망이다. 전세계적으로 에너지절약을 목표로 관련 제도를 강화하고 있기 때문이다. 특히 유럽의 경우 에너지 최고등급을 기존 A등급에서 A+++까지 확대하고 에너지효율 86% 미만의 기기는 판매할 수 없도록 제안하는 ErP 2015를 올해 9월부터 시행하며 고효율 에너지기기에 대한 적극적인 장려를 시작했다.

새로운 등급 구분에 따르면 m-CHP는 최고 효율등급 제품에 속하기 때문에 정책적인 지원을 바탕으로 향후 보급에 탄력이 붙을 것으로 예상된다. 이에 따라 세계 최대 보일러시장인 영국에서는 2025년까지 전체 가스보일러시장의 15%를 m-CHP가 대체할 것으로 전망하고 있다.

왜? m-CHP인가

온실가스 저감과 세계적 환경규제에 대응하고 심각한 전력난을 해결하기 위한 녹색성장의 Key Technolgy로 m-CHP를 꼽는다. 특히 전력수요 증가에 따른 전력부족문제에 대한 대안으로 정책 검토가 필요한 상황이다.

m-CHP을 통해 생산되는 전기는 별도의 일반 발전시설에서 생산하는 전력에 비해 송전손실없이 가정에서 사용할 수 있으며 단기간의 발전시설 준비의 어려움에 따른 전력부족 문제를 해소할 수 있는 정책대안으로써 가능성을 검토할 필요가 있다.

별도의 발전시설에서 발생하는 송전비용 절감과 폐열방출에 따른 에너지효율 저하를 방지하고 발전비용 절감, 유지 및 보수의 편이성 등 장점이 있으며 여름철 잉여가스를 활용해 발전 및 냉난방, 온수공급으로 급증하는 여름·겨울철 전기수요급증에 효과적으로 대응할 수 있다.

m-CHP 개발보급의 편익은 국가적 차원에서 전기와 가스의 수요관리에 크게 기여하는 것으로 전력피크 대처, 대형발전소 건설비용 절감 등 전력 수급측면에서도 편익이 크다.

국내 냉난방·발전시스템의 지속적인 성장을 위한 미래 유망산업으로써 기술의 연구개발투자 및 시장변화에 선제적 대응이 필요하며 m-CHP 보급활성화를 위한 핵심기술 도출과 공동연구개발 확대를 위한 제도 마련 및 정부정책 수립 전략이 요구되고 있다.

관련업계의 한 관계자는 “m-CHP는 전력 및 냉난방시스템을 융합한 복합기술로 미래의 유망 기계산업으로써 성장이 예상된다”라며 “이러한 시장변화에 선제적으로 대응하면서 전략적인 투자전략이 필요한 시점”이라고 강조했다.

관련 소재 및 핵심부품(엔진, 열교환기 등)의 R&D 사업을 활성화하고 국산화를 위한 전략적 육성산업(기계, 전기, 전자, 에너지)을 분야별로 추진함으로써 기계요소 부품의 개발과 경쟁력도 제고할 수 있다.

또한 중소기업의 기술개발 역량을 강화하고 부품산업의 성장기반 조성을 위한 기술인력 양성, IT융합기술 선도, 고부가가치 기술창출 등 기계산업 경쟁력 확보도 기대된다.

업계의 한 관계자는 “원천기술 확보 및 제품의 상업화가 시급함에도 불구하고 우리나라는 선진국에 비해 아직 필요성 공감 및 보급활성화 대책이 이뤄지지 않고 있다”라며 “이에 따라 시기적절한 투자를 통해 규모의 경제를 달성하기 위한 정책적인 제도마련과 지원이 뒷받침돼야 한다”고 밝혔다.

이 관계자는 “연구소 및 기업에서 개별적인 연구개발 활동은 활발하며 이러한 노력은 수년 내 상품화가 가능할 것으로 판단된다”라며 “이미 선진국 시장에서는 성장기에 진입했으며 후발주자인 국내기업이 국내시장 선점과 해외시장 진출을 위해서는 정부의 합리적이고 효율적인 지원이 필요하다”고 강조했다.

m-CHP는 연료전지, 가스엔진, 스털링엔진 등 각각의 방식마다 각각의 장단점을 갖추고 있다. 35~55% 정도의 높은 발전효율을 갖추고 있는 연료전지의 경우 종합효율이 상대적으로 낮고 초기 설치비용이 높다. 기술적인 진입장벽이 높아 신뢰성과 내구성에 한계를 가지고 있다.

반면 가스엔진은 빠른 응답성과 함께 외연기관인 스털링엔진보다는 상대적으로 높은 22% 정도의 발전효율을 갖췄다는 장점이 있지만 역시 소음과 진동이 심하고 주기적으로 유지보수를 해야 하는 단점을 갖추고 있다. 스털링엔진은 발전효율은 상대적으로 떨어지지만 동일한 에너지로 낼 수 있는 종합효율이 가장 우수하고 설치, 유지보수가 간단한 동시에 소음과 진동도 적어 사용하기 편리하다는 장점이 있다.

유일한 신재생에너지 ‘연료전지’

연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발전장치로 연료전지 스택, 연료변환장치, BOP 및 제어기술을 포함하는 통합기술이 적용된다. 기존 화력발전대비 연료전지발전은 온실가스 주범인 이산화탄소는 약 40% 감소되고 에너지사용량은 약 26% 절감되는 효과가 있어 신에너지로 적용되고 있다.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물연료전지(SOFC), 알칼리 연료전지(AFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 구분된다.

건물용 연료전지시스템은 연료전지를 차세대 주택용 동력원으로 개발한 것으로 도시가스나 LPG 등의 연료에서 추출한 수소와 공기 중의 산소간 화학반응을 일으켜 전기와 열에너지를 생산하는 m-CHP다. PEMFC를 사용한 가정용 연료전지의 전기효율은 35%로 상당히 높은 수준이며 전기생산 과정에서 발생하는 폐열로 난방과 온수까지 해결하는 열병합시스템까지 적용하면 종합효율이 80% 이상이다.

국내 건물용 연료전지시장은 초기 형성단계로 규모가 미미하다. 정부정책 및 기술개발에 따라 시장 확대가 예상되고 있지만 1kW급의 경우 2006년부터 국책사업으로 진행된 ‘가정용 연료전지 모니터링사업’으로 1차 40기, 2차 70기, 3차 100기 등 총 210기가 설치, 운영 중이다. 2010년부터 시작된 그린홈 보급사업 및 신재생에너지 시범보급사업을 통해서도 보급이 이뤄지고 있다.

그동안 중소기업을 위주로 기술개발이 이뤄졌으나 최근에는 대기업이 중소기업을 M&A하면서 사업에 진출하는 사례가 늘고 있다. 대표적인 예가 퓨얼셀파워로 현재의 두산의 퓨얼셀BU로 전환됐다. 여기에 글로벌 기업들도 국내시장에 적극 진출을 추진하고 있다. 주택용 연료전지에 대해서 글로벌 보일러 1위기업인 바일란트도 올해부터 연료전지사업에 본격 진출한다는 방침도 세웠다.

새로운 전환점 맞은 ‘스털링엔진 m-CHP’

정부는 최근 가정용 전기발전보일러를 전기요금 상계거래 대상에 포함하는 등 관련 제도의 정비에 나서고 있어 가장 주목받고 있는 m-CHP가 경동나비엔이 스털링엔진을 기반으로 개발한 m-CHP다. 산업통상자원부는 지난 11월6일 대통령 주재 ‘제4차 규제개혁 장관회의’에서 내년 6월까지 전기설비기술기준 등 관련 규정을 손질해 가정용 전기발전보일러에서 생산된 전력이 거래될 수 있도록 전기료 상계처리 대상에 포함시키는 등 신제품 보급 촉진에 나서겠다는 계획을 밝혔다. 그간 관련 제도 부족으로 인해 보급에 어려움을 겪고 있던 가정용 전기발전보일러 보급에 새로운 전환점이 마련된 셈이다.

스털링엔진 m-CHP는 난방 및 온수에 대한 사용량이 전기보다 높을 뿐 아니라 종합효율이 높아 에너지자원이 부족한 우리나라에서 보다 효과적으로 에너지를 활용할 수 있는 방법으로 평가받고 있다. 초기비용 투자가 적고 추가적인 설치 공간을 크게 요구하지 않아 단독주택보다는 아파트, 빌라 등이 중심인 우리의 주거환경에서 보급이 용이하다는 장점도 있다.

경동나비엔은 지난 2013년 스털링엔진 방식의 m-CHP인 가정용 전기발전보일러 ‘하이브리젠SE’를 선보이며 주택용 m-CHP 시장에 새로운 도전을 시작했다. 하이브리젠SE는 시간당 1kW를 생산할 수 있는 전기발전보일러로 콘덴싱보일러를 기반으로 개발됐다. 에너지효율이 높고 대기오염 물질 저감효과가 크며 발전효율이 15%, 종합효율이 97%에 달해 연간 25%의 에너지를 절감할 수 있는 제품이다. 또한 기존 보일러와 크기가 유사하고 이용하고 있던 보일러를 대체해 설치하는 것만으로 사용이 가능해 각 가정에 쉽게 보급할 수 있다.

경동나비엔의 관계자는 “상대적으로 부족하다고 평가를 받는 전기발전 효율은 실제 사용에서는 크게 문제가 되지 않을 것”이라며 “가정용 전기발전보일러가 발생시키는 1kW의 전력이 가정에서 사용하는 전기제품 대부분을 가동할 수 있을 만큼 충분한 전력량이기 때문”이라고 밝혔다.

경동나비엔은 국내 시장 상황에 가장 적합한 m-CHP 제품이 가정용 전기발전보일러라는 점을 적극적으로 홍보하며 시장을 주도한다는 방침이다. 더욱이 보조금 지원 등 적극적인 제도적 지원에도 불구하고 초기 시장 형성에 어려움을 겪고 있는 연료전지 시장과는 달리 안정적인 기술력과 제품 내구성을 이미 확보한 가정용 전기발전보일러의 장점이 알려진다면 보급이 빠르게 확대될 것으로 전망하고 있다.

경동나비엔의 관계자는 “계통상계처리, 보조금 정책 부족 등 현실적인 어려움도 있지만 기본적으로 m-CHP 제품 중 가장 저렴하고 교체가 쉬우며 우리나라 난방문화에 적합한 가정용 전기발전보일러는 향후 주택용 m-CHP 시장에 핵심적인 역할을 할 것”이라고 강조했다.

실제로 하이브리젠SE는 에너지효율성과 친환경성을 인정받아 서울시의 가정용 전기발전보일러 보급사업 대상으로 선정됐다. 이를 위해 서울시와 지난 2014년부터 9개월간 실증사업을 거쳐 가정용 전기발전보일러의 효과성을 확인했으며 올해부터 국·공립 복지시설을 중심으로 가정용 전기발전보일러 보급 사업을 시작해 향후 2020년까지 1만대를 보급할 예정이다.

R&D 중인 ‘가스엔진·ORC’ m-CHP

가스엔진엔진을 동력원으로 가정용 전기를 생산해 온수 및 난방에너지를 동시에 공급할 수 있는 초소형 열병합발전 시스템을 지칭 외연기관(IEC) m-CHP로 불린다. 가정용 열 병합기술은 유럽 및 일본 등 선진국을 중심으로 스털링엔진 및 연료전지에 비해 신뢰성과 경제성이 높은 가스엔진을 이용한 m-CHP가 실용화 단계에 이르러 현재 보급이 확대 되고 있는 상황이다. 우리나라에서는 아직까지 R&D수준에 머물러 있다.

지난 2013년 12월부터 2016년 9월30일까지 36개월간 진행되는 ICE micro-CHP 개발 최종목표는 내연기관을 이용한 종합효율 95% 이상의 1kWe급 가정용 열병합발전 시스템 기술 및 표준화, 실증기술을 개발하는 것으로 현재 진행 중이다. 특히 가정용 1kWe급 내연기관 국산화 및 시스템 최적화를 위한 24kWh급 초고효율 콘덴싱보일러 개발 이 눈에 띈다.

총괄주관은 테너지가 맡았으며 엔진부품에 대한 개념설계를, 참여기관인 져스텍은 발전기 벤치마킹 및 시제품 제작 을 맡고 있다. 서오기전은 93% 효율과 전력제어의 고속처리 를 할 수 있는 기능을 갖춘 발전기용 순수정현파 인버터 개 발을, 귀뚜라미는 가정용 ICE micro-CHP 국내외 기술분 석 및 시험장치 구축, 24kWh급 초고효율 보일러 연소부 시 작품 제작을 진행하고 있다.

나노켐은 ICE micro-CHP 기초자료 수집 및 분석을, 이노엔은 배열회수 열교환기 전열부 콘셉 및 사양 결정, 전 열부 모듈화 및 성능분석, 평가장치 제작을, 대성히트펌프는 자료수집 및 시험설비를 구축하고 있다.

한국에너지기기산업진흥회는 ICE micro-CHP의 국내외 기술기준, 표준자료 수집 및 시험장비 개발, 한국기계 연구원은 벤치마킹 엔진 시험분석 및 이를 이용한 엔진효율 향상 방안을 제시하고 상명대 산학협력단은 ICE 기반 의 micro-CHP로 구성된 제품시뮬레이션 모델을 구축하고 있다.

새로운 분산발전 정책의 하나로 그동안 폐열로 취급됐던 다양한 중·저온 열원을 이용한 ORC(Organic Rankine Cycle: 유기 랭킨 사이클) 발전시스템이 유럽을 중심으로 다양한 각도로 실생활에 적용되고 있다. 난방과 온수 및 전 기를 동시에 필요로 하는 일반 가정이나 적은 규모의 업소용 초소형 ORC 열병합 발전시스템이 선진국을 중심으로 성장 단계에 접어들고 있는 상황이다.

기존의 온수·난방용 보일러들이 전기도 생산할 수 있는 열병합발전이 가능한 시스템으로 대체돼 가고 있는 추세이 며 이에 부합하는 발전시스템의 한 형태인 초소형 ORC 열 병합발전시스템이 개발되고 있다. ORC시스템은 화력 발전 의 기본 사이클인 랭킨 사이클에 사용하는 작동 유체를 물 대신에 특정 유기 물질 (냉매)을 사용하는 시스템을 지칭하는 것으로 작동유체는 폐회로로 구성된 시스템을 운행하면서 가압, 증발, 팽창 및 응축의 사이클을 구성하고 있다. 현재 ORC발전시스템 전문기업인 거나백과 펠릿보일러 전문 기업인 규원테크가 기술개발을 진행하고 있다.

총괄주관을 맡고 있는 거나백의 관계자는 “기존의 온수, 난방용 보일러들이 전기도 생산할 수 있는 열병합발전이 가능한 시스템으로 대체돼 가고 있는 추세”라며 “이에 부합하는 발전시스템의 한 형태로 ORC m-CHP의 국내 개발은 필수적”이라고 강조했다.

이번 연구용역을 통해 △팽창기 측정 분석 최적화 기술 △발전기·인버터 최적화 개발 기술 △시스템 최적제어기 술 △제어 및 ICT기반의 통신 프로토콜 구축 기술 △증발 기 일체형 직화식 보일러 개발 기술 △응축기 일체형 온수조 개발 기술 △기타 배관 및 패키징 기술 등을 개발하게 된다.

이 관계자는 “1kW급 ORC m-CHP는 전력 1kW 및 온 수 20kW 규모의 우리나라 30평형 가정에 적합해 향후 온수 보일러시장을 대체하게 될 것”이라며 “ICT기술융합으로 핸드폰이나 인터넷을 통한 원격제어 및 원격감시가 가능하며 이를 확장하면 원격검침과 진단이 가능해 불필요한 시간 및 인력소모를 줄일 수 있다”고 강조했다.