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전기와 열을 동시에 생산해 활용함으로써 에너지 이용률을 80% 이상 끌어올린다.

종래의 발전방식은 석유 석탄 천연가스 또는 원자력을 전기에너지로 변환시킬 때 에너지 손실이 60%이상 발생한다. 즉 전기로 35~40%만이 변환되고 나머지는 배출가스로 손실되거나 냉각수로 방출된다. 또 송전시에도 에너지의 일부를 잃어버린다.

열병합발전은 전력과 열을 동시에 발생시켜 에너지 이용률을 70~85%(기존 발전의 2배 이상)로 높이는 시스템을 말한다. 즉 증기터빈 가스터빈 등 각종 엔진으로 발전기를 구동해 전기를 생산하고, 구동기에서 발생하는 배열을 회수해 유효하게 사용한다.

열병합 발전 시스템은 원래 북유럽에서, 화력발전소로 부터 나오는 막대한 양의 냉각배열을 주변 지역의 난방열로 공급하면서 시작됐다. 1970년대 두 차례의 석유파동 이후, 지역난방을 목적으로하는 대규모 집중형 열병합 발전 시스템은 전력 및 열의 수송에 경제성이 없다는 것이 밝혀져 소규모 분산형 열병합 발전시스템이 빠른 속도로 개발 보급되고 있는 것이 선진국의 추세다.

(그림 1)에 종래의 발전방식, 대규모 열병합 발전시스템 그리고 소규모 열병합 발전 시스템을 서로 비교하여 나타냈다.

열병합 발전 시스템은 에너지 이용률이 높은 특징 이외에도 현재 여름철 전력의 첨단부하(peak load) 문제를 해결할 수 있는 유력한 방법이다. 빌딩 등에 열병합 발전 시스템을 도입하는 경우, 건물의 비상용 발전기에 몇 대의 발전기를 추가 설치함으로써 비상용을 겸한 상용 전원으로도 활용 가능하다. 또한 열병합 발전 시스템은 전기 수요에 대한 열수요의 비, 즉 열/전력비가 큰 호텔 병원 음식점 등에서 더욱 경제성이 크다고 할 수 있다.
 

●- 소규모 발전이 효율 높아

열병합 발전 시스템은 일반적으로 구동기(엔진) 발전기 열회수기기(열교환기 배열보일러 등) 열이용기기(온수열원 흡수식 냉동기, 열펌프 등) 제어장치 등으로 구성돼 있으며, 여기에 제어 및 운전 시스템의 소프트웨어가 필요하다. 이들 구성요소를 잘 조합하면 여러가지 시스템을 구성할 수 있다. 증기터빈 및 가스터빈은 주로 대규모 열병합 발전 시스템에 사용되며, 소규모 분산형 열병합 발전 시스템에는 각종 엔진이 구동기로 사용될 수 있다. (그림 2)는 가스엔진 구동의 소규모 열병합발전 시스템의 구성예를 나타낸 것이다. 가스 엔진으로 발전기를 구동해 발전하고, 물/물 열교환기를 통해 엔진 냉각수의 방열을 회수한 후, 다시 가스/물 열교환기를 이용하여 약 5백50℃에 달하는 엔진 배기가스의 열을 회수한다. 회수된 열(온수)은 겨울철에는 그대로 난방이나 급탕용 혹은 공장의 작업용으로 공급하고, 여름철에는 저온수 흡수식 냉동기를 이용하여 7℃ 정도의 냉수를 생산, 냉방에 활용한다. 이러한 시스템을 활용하면 100의 연료에너지를 공급하여 전기로 27, 열로 55를 활용함으로써 총 에너지 이용률이 82%에 달한다. 기존의 화력발전소가 최신의 발전소라 하더라도 발전효율이 38%를 넘지 못하는 것을 생각할 때, 생산된 열을 충분히 활용하는 시스템을 구성한다면 대단히 유용한 에너지 절약 시스템임을 알 수 있다.
 

●- 총발전량의 10% 내외를

미국의 경우 1970년대 석유파동 이후 석유의존도를 낮추려는 정부의 에너지 정책에 따라 '국가에너지 조례'(National Energy Act, 1978)를 수립해 소규모 열병합 발전 시스템을 비롯한 복합 발전 시스템의 보급에 박차를 가하고 있다. 현재 미국의 열병합 발전 시스템에 의해 생산되는 발전량은 미국 전체 발전량의 7~8%에 달하는 것으로 알려져 있으며, 2000년까지는 열병합 발전 시스템에 의한 발전량이 3만9천MW에 달해 미국 전 발전량의 15%를 차지할 것으로 예상된다.

일본의 경우는 공장의 자가용 열병합 발전 시스템은 이미 오래전부터 보급되기 시작했으나 소규모 분산형 열병합 발전 시스템의 보급은 1979년 이후에 급격히 늘고 있다. 특히 석유 대체에너지로서 LNG가 급격히 보급되면서 가스회사 엔진제조회사 전기회사들이 선도적으로 자기회사의 영업소 등에 가스엔진 구동 소규모 열병합 발전 시스템을 설치해 시범운전함으로써 수요가의 신뢰를 확보하고 있다. 특히 1987년 일본 통산성에서는 민간기구로 코제너레이션(Cogeneration) 연구회를 조직해, 각 대학 및 연구소의 전문가들을 개인회원으로, 가스회사 전기회사 엔진제조회사 설계회사 시공회사 등을 회원으로 가입시켜 정보교환과 시스템 개발에 박차를 가하고 있다. 그 결과 최근 수십 kW급에서 수백 kW급에 이르는 소규모 분산형 열병합 발전 시스템이 연간 80~1백기 정도씩 일본 전국에 보급되고 있다. 현재 일본에 있어서 열병합 발전에 의한 발전량은 일본 전 발전량의 6~7%에 달하는 것으로 알려져 있다.

서독은 열병합 발전 시스템의 역사가 가장 오래된 나라 중에 하나로, 소규모 분산형 열병합 발전 시스템(BHKW, Block Heiz Kraft Werk)을 최초로 개발했다. 소규모 분산형 열병합 발전 시스템은 수십kW에서 1천kW 이하의 발전 시스템을 말하는데, 최근 모듈화된 유닛트 제품이 엔진제조회사에 의해 생산 판매되고 있다. 현재 서독은 열병합 발전시스템으로 생산되는 전력량이 전 발전량의 9~10% 정도인 것으로 알려져 있다. 그밖에 북유럽의 덴마크 네덜란드 등도 열병합 발전 시스템의 보급역사가 길다. 이들 국가는 대체적으로 전 발전량의 10% 내외의 전력을 열병합 발전으로 생산하고 있다.

한편 우리나라는 1960년대초 산업용 자가 열병합 발전 시스템이 도입되기 시작해 현재 각종 산업체에서 50~60기가 운전중에 있다. 공업단지의 집단 에너지 공급을 위한 대규모 열병합 발전 시스템은 5개소에서 운전중이고 약 6개소가 1991~1992년 사이에 완공을 목표로 건설중에 있다.

또한 민생용으로서는 대규모 집중형 열병합발전 시스템이 목동지역난방과 남서울지역 난방의 2개소에서 운영중이며, 앞으로 몇몇 신도시 건설에 도입을 계획하고 있는 실정이다. 단독 건물용으로서 소규모 열병합 발전 시스템은 잠실 롯데월드를 비롯한 6개소 뿐이다. 이들은 대부분 디젤엔진 혹은 2원연료엔진(dual fuel engine)의 구동기를 갖고 있다. 가스엔진 구동 소규모 열병합 발전 시스템은 전무한 상태이다.

국내에서도 도심의 공해문제로 대도시내에서의 디젤 엔진 운전이 금지되고 있는 실정이므로 장래 가스엔진 구동 열병합 발전 시스템의 보급이 기대되고 있다. 현재 국내에 있어서 열병합 발전 시스템에 의한 발전량은 우리나라 전발전량의 약 3.5%로 선진국의 1/3~1/2 수준이다. 뿐만 아니라 지금까지 국내에 보급된 모든 열병합 발전시스템은 주 발전설비는 물론 많은 부분이 외국 기술의 도입에 의한 것으로 장래 이 분야의 국내 연구개발 노력과 투자가 시급한 실정이다.

현재 동력자원연구소에서는 1988년부터 단위건물용 소규모 가스엔진 구동 열병합발전시스템을 1991년 완공을 목표로 개발하고 있다. 발전용량은 20kW로 초소형이며 발생열량은 약 3만kcal이다. 성능 실험 결과 에너지 이용률이 73.6%(전기 27.8, 열 45.8)에 달하는 것으로 나타났다. 앞으로 열병합발전의 보급률을 높이기 위해서는 시스템의 엔지니어링 기술은 물론 구동기, 즉 각종 터빈 및 엔진의 국내개발이 시급히 요청된다.