우리집 열병합발전소

우리집 열병합발전소

: 스털링 엔진으로 발전과 난방 두마리 토끼 잡기!

15기 최명근

 

[사진1. 대구 열병합발전소]

출처: 한국지역난방공사

 

화력발전은 국내에서 가장 많은 비율을 차지하고 있는 에너지 생산방식이다. 화력발전은 화석에너지(석탄, 석유)를 태워서 얻은 열로 끓인 물을 이용해 증기터빈을 돌려 전기를 생산한다. 이때 에너지효율은 약 40%에 이르고, 남은 60%의 열에너지는 모두 폐열로 공기 중에 버려진다. 이러한 폐열을 이용하여, 종합적인 에너지효율을 높인 것이 열병합 발전이다. 열병합발전이란 화석연료를 태운 열로 얻은 끓은 물을 난방으로 이용하여 전기생산, 난방 두가지 효과를 볼 수 있는 방식이다. 국내에는 대구, 일산 등의 열병합발전소가 가동 중이며, 각 가정에 전력과 함께 난방용 증기가 발전소에서 공급된다. 하지만 최근 화력발전이 주요 미세먼지 원인으로 지목되며, 화력발전을 줄이고 신재생에너지의 비율을 높이려는 경향을 보이고 있다. 이에 따라 열병합발전 역시, 그 효용가치가 떨어질 것이라는 예측이 잇따르고 있다. 열병합발전은 변화하는 시대의 희생양이 되는 것일까? 지금부터 스털링엔진을 이용한 새로운 열병합 발전을 소개해보려고 한다.     

 

스털링 엔진

스털링 엔진은 19세기 초 영국 Robert Stirling에 의해 개발된 외연기관으로, 외부에서 엔진 내부의 공기를 가열, 냉각시킴으로써 발생하는 피스톤의 운동을 통해 운동에너지를 생산할 수 있는 기관이다. 1930년대 네덜란드의 필립스사에 의해 군용발전기로 본격적인 발전이 시작되었고, 필립스, 포드사 등에 의해 차세대 자동차용 엔진을 위한 승용차 탑재용 스털링 엔진으로 개발된 바가 있다. 하지만 효율적인 에너지 생산을 위해서는 높은 온도가 유지되어야 했는데, 당시의 재료로는 이를 감당하지 못했고, 가격 또한 문제가 되어 기술개발이 잠시 암흑기로 접어들었다. 하지만 오늘날 에너지절약과 대체에너지의 중요성이 강조되며 다시 개발되기 시작하였다. 스털링 엔진은 현재 최대 40~50%의 에너지 효율로, 일반 내연기관보다 매우 높으며, 폭발에 의존하지 않기 때문에 내연기관에 비해 소음 및 진동이 적다는 장점이 있다.

 

스털링 엔진 원리

스털링 엔진은 이상적인 열역학사이클인 카르노사이클과 동등한 효율의 사이클을 기반으로 하며, 엔진 내부 기체의 가열과 냉각으로 인하여 발생된 운동에너지를 이용한다. 이렇게 발생된 운동에너지는 피스톤의 움직임을 만들어낸다. 스털링 사이클은 등온팽창, 등적냉각, 등온압축, 등적가열의 총 4가지 과정으로 구분된다.

 

 

[그림1. 알파 스털링엔진의 작동순서]

출처: 네이버 지식백과

1. 등온팽창

 스털링엔진은 알파-type과 베타-type으로 나뉘는데, 알파형으로 예로 들어 설명하겠다. [그림1]에서 볼 수 있듯이, 빨간색으로 되어 있는 부분은 가열 실런더, 파란색으로 되어 있는 부분은 냉각 실린더이다. 먼저, 외부의 열원에 의하여 상승한 고온 부가 일정한 온도(고온)를 유지할 때가 되면, 기체의 내부움직임이 활발해져 부피가 증가한다. 일정한 온도에서 부피가 증가하면 압력은 반대로 감소한다(PV기체방정식). 이 과정에서 PV그래프로 확인할 수 있듯이, 기체가 1번의 아래 면적만큼 일을 한다는 것을 알 수 있다.

 

2. 등적냉각

가열 실린더보다 90도 늦게 돌고 있는 냉각 실린더의 피스톤이 팽창하기 시작하면서 고온 부의 기체들이 냉각실린더 쪽으로 이동하기 시작한다. 이 과정에서 고온의 기체는 열교환기에 열을 빼앗기고 식는다. 동시에 고온 부의 피스톤의 기체를 압축하기 시작한다.

 

3. 등온압축

가열 실런더의 피스톤의 오른쪽 끝에 도달하여, 고온 부의 공기가 냉각 실런더로 모두 밀려나면 냉각 실린더의 피스톤도 다시 압축되기 시작한다. 피스톤에 의해 일정한 온도의 기체들은 부피가 감소하고 압력은 증가한다. 

 

4. 등적가열

냉각 실린더의 피스톤이 오른쪽 끝에 도달하여 저온 부의 기체가 모두 고온 부로 이동할 떄, 기체는 열교환기에서 열을 공급받는다. 이렇게 고온 부로 올라온 기체는 외부의 열원에 의하여 다시 열에너지를 받고 팽창한다. 이 후, 기체는 1번 과정을 반복한다.  

[그림2. 압력-부피 상도표에서의 스털링 엔진의 순환]

출처: 네이버 지식백과

 

이러한 원리를 바탕으로 압력-부피 그래프를 분석해보자. 등적냉각과 등적가열의 과정에서 필요한 일은 0이다. 하지만 등온팽창 과정(1번)에서 기체는 그래프의 아래 면적만큼 일을하고, 등온압축과정에서 그래프 아래 면적만큼 일을 필요로 함을 알 수 있다. 따라서, 스털링 사이클에서 기체는 그래프가 둘러싼 넓이만큼 일(운동에너지)를 한다는 것을 알 수 있다.   

 

 

[그림3. 스털링엔진 열병합발전 개념도]

출처: 투데이 에너지

소형 스털링 열병합발전 시스템

스털링 엔진은 현재 최대 40%의 효율을 갖고 있지만, 더 높은 발전효율을 달성해야 사용가치가 증가할 것이다. 하지만 높은 효율을 내기엔 이론적으로 성립이 되지 않아 어려움을 겪고 있다. 그래서 새롭게 적용한 모형이 열병합발전 시스템이다. 스털링 엔진은 가열된 기체나 액체를 이용하는 시스템이다. 따라서 이러한 가열된 기체의 40%가 전력생산에 이용되고 나머지는 공기 중으로 버려진다. 이런 폐열을 이용하여 고안된 모형이 소형 스털링 열병합발전 시스템이다. [그림3]과 같은 원리로, 가열된 기체를 전력생산 뿐 아니라, 가정용 난방에 이용한다면 높은 종합에너지 효율을 가져올 수 있을 것이라는 아이디어에서 출발하였다. 스털링엔진 소형 열병합 발전 시스템은 1kW급 스털링엔진과 콘뎅싱 보일러를 통합한 가정용 열병합 발전 시스템으로 발전효율 20%, 총 효율 97%이상의 에너지 고효율 기기로서 1차 에너지 절감을 25%이상 달성할 수 있는 시스템이다. 아직 스털링 엔진의 폐열만으로 난방과 온수를 담당하기는 부족하므로 콘뎅싱 보일러와 함께 사용되고 있다. 국내에는 ‘경동나비엔’이 서울시와 함께 발전보일러 실증 보급사업을 위한 업무 계약을 체결하고 2020년까지 가정에 1만대를 보급한다는 계획이 추진중이다. 경동나비엔의 ‘나비엔 하이브리젠 SE’은 콘덴싱보일러와 스털링 엔진을 하나로 결합해 폐열을 전력생산으로 이용할 수 있게 하였다.

 

 

신재생에너지와 결합된 스털링 엔진 모형

최근에 에너지절약과 대체에너지의 중요성이 강조되면서 스털링엔진이 다시 각광을 받기 시작하였다. 미래의 기술과 스털링 엔진이 결합된 모형을 소개해 보려고 한다.

 

 

[사진2. 태양열 집광기를 이용한 스털링엔진 발전 실험]

출처: 충북대학교

태양에너지 스털링 엔진

스털링엔진의 장점은 외연기관이기 때문에 화석연료 뿐 아니라 석유, 천연가스를 비롯한 모든 열원을 이용할 수 있는 열기관이라는 점이다. 지금까지 주요 열원으로 화석연료를 이용했지만, 화석연료의 고갈과 환경오염이라는 문제에 직면해있어 더 이상 이용하기에는 한계가 있다. 그래서 미래에는 태양에너지를 열원으로 이용하여 스털링 엔진을 작동시킬 것이라는 전망이 나오고 있다. 태양열 집광기를 이용하여 빛이 모이는 초점부에 스털링엔진을 설치하면 엔진 내부의 기체가 가열되어 스털링 엔진이 가열될 것이라는 원리이다. 현재 개발 중에 있으며, 향 후 5년안에 실용화가 가능할 것으로 예측되고 있다.

 

스마트그리드

현재의 전력수급방식은 수천~수만 가구가 하나의 발전소에서 전력을 받아 사용하는 구조이다. 이러한 방식은 발전소의 전원이 갑자기 꺼졌을 때 줄 수 있는 막대한 피해와 발전소에서 일반가정까지 전기가 전달되는 과정에서의 손실적력 등 다양한 문제점을 발생시킬 수 있다. 스털링 엔진은 현재 가정용으로 사용할 수 있도록 소형으로 제작되고 있다. 따라서 가정에서 직접 전기를 발전하여 사용할 수 있는 것이다. 이와 같은 ‘분산전원 시스템’을 스털링엔진에 적용한다면 효율적인 전력사용이 가능할 것으로 예상된다.

또한, 콘덴싱 보일러와 결합된 스털링 열병합 발전시스템에 스마트그리드를 적용하여 실시간으로 전력생산량, 난방(온수)생산량을 각각의 소비량에 맞추어 효율적으로 조절할 수 있는 실시간 데이터 베이스를 구축한다면 스털링엔진의 이용가치가 더 상승할 것으로 예상된다.

 

결론

스털링 엔진은 기기의 동적운동을 위하여 처음 개발된 것은 사실이나, 시대가 변하면서 그 활용가치는 변화하고 있다. 위 기술은 오늘날 에너지 발전의 신모형으로 각광받고 있으며, 열병합발전, 태양열, 폐열 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 스털링 엔진이 한 가정에서 전력을 충분히 사용할 만큼의 에너지를 생산하기에는 아직 기술력이 부족하지만 난방(온수)이라는 기능과 결합했을 때 가져올 긍정적인 영향은 분명하다. 100m² 주택에서 보일러와 한전전력을 사용할 때와 스털링 열병합 시스템을 사용한 경우의 예상비용을 평가한 결과 국내 310만대 보급시 절약 에너지비용은 총 1조 4400억에 이를 것으로 예상되었다. 열병합발전소가 우리 집 안에 들어올 날이 멀지 않았다는 뜻이다.

 

참고 문헌

1. 미래형 에너지 시스템 소형스털링엔진 발전시스템 기술개발 동향, Konetic Report, 2016

2. 소형 스털링 엔진을 이용한 태양열 발전시스템, 한국산학기술학회, 2012

3. [분석] 가정용 1kW급 열병합벌전 시장동향, 투데이 에너지, 2009

4. [신년특별기고] 에너지 분야 이끌 스털링엔진기술 현황과 전망, 가스신문, 2015

5. 소형 스텔링 엔진 개발 ··· 가정서 발전 가능, The ScienceTimes, 2019

6. 마이크로-열병합발전시스템 초기시장 길 열리나, 에너지타임즈, 2014

7. ‘스털링 에너지’, 네이버지식백과