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문제 정의
본 기고에서는 열병합발전의 기술 특성과 해외 및 국내의 보급 현황과 전망을 서술하였다. 열병합발전은 한정된 에너지 자원의 효과적 이용 이라는 측면에서 적극적으로 이용되어야 할 기술이다.
가설 설정
43 Mcal를 가정하였다. 기존 방식에서 발전 효율은 38%, 보일러 효율은 90%로 가정하였고, 열병합발전 시스템에서의 발전효율은 33%를 가정하였다. 연료 에너지 소모면에서는 열병합발전이 기존에 비하여 68%에 불과하고(33% 절약), 이산화탄소 배출면에서는 열병합발전이 기존에 비하여 75%에 불과하다(25% 절약).
이러한 계산 예를 그림 1에 예시하였다. 전기와 열 수요는 열병합 시스템의 생산 기준으로 하여 전력 1 kWH 와 열 1.43 Mcal를 가정하였다. 기존 방식에서 발전 효율은 38%, 보일러 효율은 90%로 가정하였고, 열병합발전 시스템에서의 발전효율은 33%를 가정하였다.
성능/효과
;열병합 발전 시스템은 열과 전기를 일괄 생산함으로써 종합효율이 75 ~ 90%로 기존 발전시스템의 효율(30 ~ 40%)에 비해 훨씬 높으며, 전력부하 분산에 따른 발전소 건립 부담 경감으로 발전소 건설비용 회피 가능하며, 열병합발전설비가 100만 kW 보급시 원자력발전소 1기 건설비용 1조6천억원을 회피할 수 있고, 48개 아파트에 대하여 도입타당성분석 실시 결과 에너지의 종합이용효율 향상으로 기존 중앙난방방식대비 평균 약 20%의 에너지절감 및 에너지비용 약 30%를 절감할 수 있는 것으로 분석된다.
연료 에너지 소모면에서는 열병합발전이 기존에 비하여 68%에 불과하고(33% 절약), 이산화탄소 배출면에서는 열병합발전이 기존에 비하여 75%에 불과하다(25% 절약). 따라서 에너지 절약 차원에서뿐 아니라 이산화탄소 배출 측면에서도 상당한 이점을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
일본은 그림 7과 같이 2002년 말 현재 상업용으로 2,915개의 시설에 총 발전용량 1,429 MW, 산업용으로는 1,600개의 시설에 발전용량 5,074 MW 의 열병합 발전 설비가 설치되어있다. 따라서 총 열병합 발전 시설 수는 4,515기이고 총 발전용량은 6,504 MW, 1대당 평균 발전 용량은 1.440 MW이다. 이는 상업용은 1대당 평균 490 kW, 산업용은 1대당 평균 3,171 kW에 해당한다.
이러한 소규모 보일러의 평균 용량은 시간당 4톤이며 작동 효율은 30 ~ 60%수준이다. 따라서, 이들 중 상당수를 85 ~ 90% 효율의 대규모 열병합발전시설로 대체된다면 연간 수백만 톤의 연료를 절감할 수 있으며, 1억 톤에 가까운 CO2 배출을 감소시킬 수 있을 것으로 전망 된다. 현재 설치된 시설과는 별도로 중국 정부는 열병합발전을 적극 장려해서 2001년 이후 건설되는 발전 설비 중 열병합발전의 발전 용량은 적어도 3,000 MW에 이를 것으로 전망하고 있다.
세계 각 지역에서의 분산발전의 경제적 분석을 전문으로 수행하는 WADE(World Alliance for Decentralized Energy)에서는 중국에서 신규로 설치될 발전 설비 중에서 중앙 집중식과 분산 발전식의 설치 비율에 따른 경제적, 환경적 영향을 분석하였다. 이 분석에 의하면 중국의 연평균 전력소비 증가량을 4.8%로 가정하였을 경우 2001~ 2021년 기간 동안 석탄을 연료로 사용하는 발전소들은 감소할 것이나 여전히 큰 비중을 차지할 것으로 예측되고 핵, 풍력 및 천연가스를 연료로 하는 중앙 집중형 발전소나 천연가스나 바이오 에너지를 연료로 하는 열병합발전은 향후 20년간 꾸준히 증가할 것으로 예측되었다. 중국이 거대한 영토를 가진 국가임을 고려하였을 경우 2021년까지의 신규 전력 수요를 충당하기 위한 발전 설비를 중앙 집중형 대신 모두 분산 발전형으로 건설할 경우에 최대 4000억 달러를 절감할 수 있을 것으로 전망된다.
현재 설치된 시설과는 별도로 중국 정부는 열병합발전을 적극 장려해서 2001년 이후 건설되는 발전 설비 중 열병합발전의 발전 용량은 적어도 3,000 MW에 이를 것으로 전망하고 있다. 이에 따라 연간 288만 톤의 석탄 소비가 줄어들고 755만 톤의 CO2와 57,600 톤의 SO2가 감소할 것으로 전망된다.
대기 중에 방출되는 이산화탄소를 줄이기 위해서는 후처리 방법 등 다양한 방법이 강구될 수 있으나, 가장 기본적인 대책은 에너지 이용 효율을 높이는 것이다. 즉, 높은 효율의 기기를 사용하여 단위 출력 당 소요되는 화석연료의 양을 줄임으로 이산화탄소 발생량을 줄일 수 있다. 한편, 열병합 발전에서는 원동기에 공급되는 연료에너지를 이용하여 전력뿐 아니라 열에너지를 생산하므로 열에너지 공급을 위한 별도의 연료 소모가 없어진다.
후속연구
우리나라는 사계절이 뚜렷하여 산업 및 민생부문(빌딩, 아파트 등) 모두 전기와 열부하가 동시에 요구되고 있으나 계절별 에너지 수요의 불균형, 즉 난방으로 인한 동고하저의 가스수요와 냉방으로 인한 동저하고의 전력수요로 에너지원별 수급불안정이 초래되고 있다. 또한 향후 에너지수요 전망 역시 천연가스 등 청정에너지의 수요와 전력수요는 크게 증가될 전망이므로 이로 인한 계절별 가스와 전력의 수급불균형은 보다 증가될 전망이다. 따라서 에너지수급의 안정에 기여하고 에너지 이용효율 극대화 방안의 하나로 인정받고 있고, 한전의 복수발전소 및 송·변전 건설비의 감소와 천연가스 저장시설 비용 감소, 환경개선효과 등 사회적 시설투자를 감소시킬 수 있는 열병합 발전 시스템의 역할과 기대효과는 매우 크다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 정책적, 기술적인 면에서 두루 보급여건을 성숙시키는 노력이 필요하다. 정책적으로는 더욱 적극적인 장려 정책 (예를 들어, 보조금 지급 확대)과 적극적인 집단에너지 사업 및 분산형 발전 시스템 추진 등이 필요할 것이다. 기술적으로는 소형 원동기들의 효율 향상과 열 회수 및 이용 기기들의 효율 증대 및 에너지 저장, 수송 기술의 향상 등이 필요하다.
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