열병합

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1. 개요
2. 구조
3. 장점
4. 단점
5. 도입 조건
6. 유형
7. 대한민국 현황
8. 바이오매스 코제너레이션
- 8.1. 장점
- 8.2. 단점
9. 해외 현황
- 9.1. 유럽
- 9.2. 미국
참조

1. 개요

열병합은 대형 보일러를 사용하여 열교환기를 통해 난방, 온수, 전기 및 냉방을 생산하는 시스템이다. 가스 터빈, 가스 엔진, 바이오 연료 엔진, 목재 가스화기, 복합 화력 발전, 연료 전지, 증기 터빈, 원자력 등을 활용하며, 소규모 장치로는 왕복 엔진이나 스털링 엔진이 사용된다. 장점으로는 에너지 효율이 높고, 송전 손실을 줄이며, 에너지 비용을 절감할 수 있다는 점이 있다. 단점으로는 초기 공사 부담이 높고, 열전비가 맞지 않으면 에너지 효율을 높이기 어렵다는 점이 있다. 대한민국에서는 한국지역난방공사 등이 지역난방 형태로 열병합 발전을 공급하며, 신도시를 중심으로 도입되고 있다. 유럽 연합은 열병합 발전을 적극적으로 지원하며, 미국은 2030년까지 발전 용량의 20%를 열병합 발전으로 하는 목표를 가지고 있다.

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열병합
개요
정의	열과 전력을 동시에 생산하는 공정
다른 이름	Combined Heat and Power (CHP) 열병합 발전
작동 원리
기본 원리	발전 과정에서 버려지는 열을 회수하여 난방, 냉방, 급탕 등에 활용
열 회수 방식	증기 온수 냉수 배기가스
효율성
에너지 효율	일반 발전 시스템에 비해 에너지 효율이 높음 (최대 90% 이상)
연료 절감	에너지 효율 향상으로 연료 소비 절감
탄소 배출 감소	연료 효율 증가로 탄소 배출량 감소
기술 종류
열병합 발전 시스템	가스 터빈 열병합 발전 증기 터빈 열병합 발전 내연 기관 열병합 발전 연료 전지 열병합 발전
열전병합 시스템	흡수식 냉동기 제습 냉방 시스템
장점
에너지 효율 향상	기존 발전 방식에 비해 높은 에너지 효율
비용 절감	연료 비용 절감 및 에너지 비용 절감
환경 개선	탄소 배출량 감소 및 대기 오염 감소
에너지 안보 강화	분산형 전원으로서 에너지 자립도 향상
단점
초기 투자 비용	시스템 구축에 높은 초기 투자 비용 소요
유지 보수	복잡한 시스템 구조로 유지 보수 필요
열 수요 불균형	열 수요와 전력 수요의 불균형 발생 가능
적용 분야
건물	상업용 건물 주거용 건물 병원 학교
산업 시설	화학 공장 정유 공장 제지 공장
지역 난방	도시 지역의 난방 및 냉방 공급
정책 및 규제
정부 지원	열병합 발전 시스템 설치 지원 정책
에너지 효율 기준	건물 및 산업 시설의 에너지 효율 기준 강화
배출 규제	대기 오염 물질 배출 규제 강화
미래 전망
기술 개발	고효율 열병합 발전 시스템 개발
연료 다변화	신재생에너지 연계 및 다양한 연료 활용
스마트 에너지 시스템	에너지 관리 시스템 (EMS) 연계 및 최적 운영

2. 구조

코제너레이션 시스템(열병합 발전)은 보일러, 가스 터빈, 가스 엔진, 디젤 엔진, 연료 전지 등 열원 설비를 통해 열과 전기를 동시에 생산한다. 과거 아파트 지하 보일러실에서 널리 쓰이던 중앙난방처럼 대형 보일러를 주 기기로 사용하여 열교환기를 통해 각 동으로 열을 공급하는 구조이다. 온수나 난방 공급뿐만 아니라 전기 및 냉방 생산에도 기여한다.

화학 공장, 정유 공장, 펄프 및 제지 공장 등 많은 공정 산업은 화학 반응기, 증류탑, 증기 건조기 등에 많은 양의 공정 열을 필요로 한다. 증기 형태로 사용되는 이 열은 낮은 압력에서 생성되어 가열에 사용되거나, 높은 압력에서 생성되어 터빈을 통해 전기를 생산하는 데 사용될 수 있다. 터빈에서 증기의 내부 에너지가 일로 변환되면서 증기 압력과 온도가 낮아지는데, 이때 나오는 저압 증기는 공정 열에 사용된다.

화력 발전소의 증기 터빈은 고압 증기를 공급하도록 설계되며, 이 증기는 주변 온도보다 몇 도 높고 몇 밀리미터의 수은 절대 압력에서 작동하는 응축기에서 터빈을 빠져나온다. (''응축'' 터빈) 열병합 발전을 위한 증기 터빈은 여러 단계를 거친 후 낮은 압력에서 일부 증기를 ''추출''하도록 설계되며, 추출되지 않은 증기는 터빈을 거쳐 응축기로 간다. 추출된 증기는 공정 가열에 사용된다. 일반적인 공정 가열 조건의 증기는 발전에 사용할 수 있는 상당한 양의 엔탈피를 가지고 있어 열병합 발전은 기회 비용을 갖는다.^[4]^[5]

제지 공장의 일반적인 발전 터빈은 160psi에서 60psi의 추출 압력을 가질 수 있다. 각 시설에 맞게 압력은 맞춤 설계된다. 고압 대신 산업용 공정 증기를 생성하는 것만으로는 전력을 생성할 수 있는 충분한 압력이 없기 때문에 기회 비용이 발생한다(증기 공급 및 배기 조건 참고).

프랑스 메츠의 열병합 발전소. 45 MW 보일러는 폐목재 바이오매스를 에너지원으로 사용하여 30,000개의 주택에 전기와 열을 공급한다.

복합 사이클 발전소의 응축기로 난방 시스템을 사용하여 열을 추출할 수 있다. 모스크바의 RU-25 MHD 발전기는 기존 증기 발전소의 보일러를 가열했으며, 그 응축수는 공간 난방에 사용되었다. 현대적인 시스템은 천연 가스로 구동되는 가스 터빈을 사용하여 배기 가스가 증기 발전소에 동력을 공급하고 응축수가 열을 공급한다.

열병합 발전은 현장이나 가까운 곳에서 열을 사용할 수 있을 때 가장 효율적이다. 열을 멀리 수송하면 효율이 감소한다. 전기는 간단한 전선을 통해 동일한 에너지 손실로 훨씬 더 멀리 전송할 수 있다.

자동차 엔진은 겨울철에 폐열이 차량 내부를 따뜻하게 하는 데 유용할 때 열병합 발전소가 된다.

향상된 오일 회수 (TEOR) 플랜트는 종종 상당한 양의 과잉 전기를 생산한다. 전기를 생산한 후 남은 증기를 중유 우물에 펌핑하여 오일이 더 쉽게 흐르도록 하여 생산량을 늘린다.

열병합 발전소는 도시의 지역 난방 시스템, 큰 건물(병원, 호텔, 교도소)의 중앙 난방 시스템에서 발견되며, 산업에서는 공정수, 냉각, 증기 생산 또는 CO₂ 비료를 위한 열 생산 공정에 사용된다.

''삼중 발전'' (''냉방, 난방 및 전력 결합'', CCHP)은 연료 연소 또는 태양열 집열기에서 전기와 유용한 난방 및 냉방을 동시에 생성한다. 난방 및 냉방 출력은 필요와 시스템 구조에 따라 동시 또는 번갈아 작동할 수 있다.

토핑 사이클 발전소는 주로 증기 터빈에서 전기를 생산한다. 부분적으로 팽창된 증기는 지역 난방 또는 해수 담수화에 적합한 온도 수준에서 가열 응축기에서 응축된다.

보텀 사이클 발전소는 산업 공정에 고온의 열을 생산하고, 폐열 회수 장치 보일러는 발전소에 공급된다. 보텀 사이클 발전소는 유리 및 금속 제조용 용광로와 같이 매우 높은 온도를 필요로 하는 산업 공정에서만 사용되어 덜 일반적이다.

대형 열병합 발전 시스템은 산업 현장 또는 전체 마을에 난방수와 전력을 제공한다.

용융 탄산염 연료 전지 및 고체 산화물 연료 전지는 가열에 적합한 고온 배기를 갖는다.
증기 터빈의 증기 응축기로 난방 시스템을 사용하는 증기 터빈 열병합 발전소
원자력 원자력 발전소는 다른 증기 터빈 발전소와 유사하게 터빈에 추출기를 설치하여 부분적으로 팽창된 증기를 난방 시스템으로 빼낼 수 있다. 난방 시스템 온도가 95 °C이면 잃는 MW 전력당 약 10 MW의 열을, 130 °C이면 손실되는 MWe당 약 7 MW의 열을 추출할 수 있다.^[8]

소규모 열병합 발전 장치는 왕복 엔진 또는 스털링 엔진을 사용할 수 있다. 배기 가스 및 라디에이터에서 열이 제거된다. 소형 가스 및 디젤 엔진이 소형 가스 또는 유류 증기-전기 발전소보다 저렴하여 소규모로 인기가 있다.

일부 열병합 발전소는 바이오매스,^[11] 산업 및 도시 고형 폐기물( 소각 참조)로 가동된다. 일부는 폐가스를 전력 및 열 발생을 위한 연료로 사용하며, 동물 폐기물, 매립 가스, 탄광 가스, 하수 가스, 가연성 산업 폐가스에서 발생할 수 있다.^[12]

일부는 가스와 태양 광발전을 결합하여 기술 및 환경 성능을 향상시킨다.^[13] 이러한 하이브리드 시스템은 건물,^[14] 개별 가정까지 규모를 축소할 수 있다.^[15]

열회수 증기 발생기(HRSG)는 열병합 발전소의 뜨거운 배기 가스를 사용하여 물을 데우고 증기를 생성하는 증기 보일러이다.

열병합 발전 산업에 사용되는 HRSG는 다음과 같은 특징으로 기존 증기 발생기와 구별된다.

HRSG는 결합될 가스 터빈 또는 왕복 엔진의 특정 기능에 따라 설계된다.
배기 가스 온도가 낮아 열 전달은 주로 대류를 통해 이루어진다.
배기 가스 속도는 압력 손실을 낮게 유지해야 하므로 제한된다. 따라서 전달 계수가 낮아 넓은 가열 표면적이 필요하다.
뜨거운 가스와 가열될 유체(증기 또는 물) 사이의 온도 차이가 낮고 열 전달 계수도 낮아 증발기 및 절탄기는 판형 열교환기로 설계된다.

열 펌프는 열병합 발전소와 다음과 같이 비교할 수 있다. 열 에너지를 공급하기 위해 터보 발전기의 배기 증기를 시스템에서 대부분의 전기를 생산하는 것보다 더 높은 온도로 사용해야 하는 경우, 손실된 전기 생산량은 낮은 출력 온도와 더 높은 효율로 작동하는 발전기에서 전력을 가져와 동일한 열을 공급하는 데 열 펌프를 사용하는 것과 같다.^[44] 일반적으로 손실된 전기 에너지 단위당 약 6단위의 열이 사용 가능하다. 따라서 열병합 발전소는 열 펌프에 비해 6의 유효 성능 계수(COP)를 갖는다.^[45] 원격 작동 열 펌프의 경우, 약 6%의 전기 유통 네트워크 손실을 고려해야 한다.

열 구동 방식과 열 펌프를 결합하여, 잉여 전력을 열 펌프 구동에 사용할 수도 있다. 열 수요가 증가하면 열 펌프를 구동하기 위해 더 많은 전기가 생산되며, 폐열 또한 난방 유체를 가열한다.

열 펌프 효율은 고온측과 저온측 온도 차이에 따라 달라지므로(온도 차이가 줄면 효율 증가) 가정 난방에 부적합한 낮은 등급의 폐열을 열 펌프와 결합하는 것이 가치 있을 수 있다. 예를 들어, 충분히 큰 냉각수 저장소는 밤 동안 찬 공기에서 열을 얻는 공기열원 열 펌프에 비해 저장소에서 열을 얻는 열 펌프의 효율을 높일 수 있다. 에어컨 수요와 온수가 모두 있는 여름에는 동일한 물이 에어컨 장치에서 버려지는 폐열을 "배출"하고 온수를 제공하는 열 펌프의 "열원" 역할을 할 수 있다. ("저온 구역 난방" 참고)^[46]

모든 열기관은 카르노 사이클 (증기 터빈 발전소는 랭킨 사이클, 가스 터빈 복합 화력 발전소는 브레이튼 사이클)의 이론적 효율 한계에 종속된다. 증기 발전 효율 손실 대부분은 터빈이 저온, 저압 증기를 응축기로 배출할 때 회수되지 않는 증기의 증발 엔탈피와 관련 있다. 열병합 발전에선 이 증기가 더 높은 온도에서 터빈을 빠져나가 흡수식 냉동기를 사용하여 공정 열, 건물 난방 또는 냉방에 사용될 수 있다.

열병합 시스템의 열효율은 다음과 같이 정의된다.

:

\eta_{th} \equiv \frac{W_{out}}{Q_{in}} \equiv \frac{\text{전기 출력 + 열 출력}}{\text{총 열 입력}}

여기서:

$\eta_{th}$ = 열효율
$W_{out}$ = 모든 시스템의 총 일 출력
$Q_{in}$ = 시스템에 대한 총 열 입력

열 출력은 흡수식 냉동기 덕분에 냉방에 사용될 수도 있다(여름철). 동시에 냉방이 이루어지는 경우, 삼중 발전 시스템의 열효율은 다음과 같이 정의된다.

:

\eta_{th} \equiv \frac{W_{out}}{Q_{in}} \equiv \frac{\text{전기 출력 + 열 출력 + 냉방 출력}}{\text{총 열 입력}}

여기서:

$\eta_{th}$ = 열효율
$W_{out}$ = 모든 시스템의 총 일 출력
$Q_{in}$ = 시스템에 대한 총 열 입력

일반적인 열병합 모델은 손실을 겪는다. 아래 에너지 분포는 총 입력 에너지의 백분율이다.

전기 = 45%
열 + 냉방 = 40%
열 손실 = 13%
전기선 손실 = 2%

기존 중앙 집중식 석탄 또는 원자력 발전소는 입력 열의 약 33–45%를 전기로 변환한다. 브레이튼 사이클 발전소는 최대 60% 효율로 작동한다. 기존 발전소의 경우 약 10-15%의 열이 보일러 굴뚝으로 손실된다. 나머지 열 대부분은 터빈에서 유용한 지역적 용도가 없는 저등급 폐열로 나와 환경으로, 보통 응축기를 통과하는 냉각수로 배출된다. 터빈 배기가 주변 온도보다 약간 높기 때문에, 열병합 발전 목적으로 터빈에서 더 높은 온도 증기를 거부함으로써 잠재적인 발전이 희생된다.

열병합 발전이 실용적이려면 전력 생산과 열의 최종 사용이 비교적 가까운 거리(<2 km)에 있어야 한다. 소규모 분산형 발전기의 효율이 대규모 중앙 발전소보다 낮을 수 있지만, 지역 난방 및 냉방을 위해 폐열을 사용하면 1차 연료 공급의 전체 사용률이 80%에 이를 수 있다. 이는 재정적, 환경적 이점을 제공한다.

2. 1. 가스 터빈 엔진 시스템

발전용 가스터빈 엔진의 배기를 이용하여 증기를 제조한다. 발전 효율은 23% - 39%, 종합 효율은 69% - 86%이다. 가스터빈 발전기와 그 배열을 이용한 증기 터빈 발전기를 조합하여 발전을 하는 것을 복합 사이클 발전이라고 한다.

2. 2. 가스 엔진 시스템

발전용 가스 엔진의 배기 폐열 보일러로 열교환을 하는 방식이다.^[32]

발전 효율은 26% - 49%이고, 종합 효율은 72% - 92%이다.

가스 엔진으로 히트 펌프를 구동하는 방식도 있다.

2. 3. 디젤 엔진 시스템

발전용 디젤 엔진의 배기 폐열을 증기 제조나 급탕에 이용하고, 엔진 냉각수로 수돗물을 가열하여 급탕하는 방식이다.^[32]

발전 효율은 33% - 45%, 종합 효율은 64% - 81%이다.

2. 4. 연료 전지 시스템

연료 전지는 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기를 생산하고, 이 과정에서 발생하는 열을 증기나 온수로 회수하는 시스템이다. 수소는 가스, 등유, 알코올, 바이오매스 등에서 추출한다. 연료 전지에서 배출되는 것은 이산화탄소(CO2)와 물 외에는 거의 없으며, 소음이나 진동도 적다. 대형이며 고효율인 연료 전지 시스템은 실증 실험 단계에 있지만, 비용과 내구성이 과제로 남아있다.

배열을 이용하여 추가적인 발전을 하는 복합 사이클 발전에 대한 연구도 진행되고 있다.

연료 전지 시스템의 발전 효율은 35%~65%이고, 종합 효율은 80%~90%이다.

3. 장점

열병합 발전은 에너지 효율이 높아 연료 소비량과 온실가스 배출량을 줄일 수 있다. 분산형 전원으로 전력망 안정에 기여할 수 있으며, 열과 전기를 동시에 생산하여 에너지 비용을 절감할 수 있다.^[4]^[5] 복합 사이클 발전 장치를 기반으로 하는 열병합 발전소는 80% 이상의 열효율을 가질 수 있다. 열병합 발전은 열을 현장이나 매우 가까운 곳에서 사용할 수 있을 때 가장 효율적이며, 열을 더 먼 거리로 수송해야 하는 경우 전반적인 효율이 감소한다.^[32]

4. 단점

대규모 열원 시설과 이 열원에서 발생되는 중온수를 각 가정에 이송시키기 위한 배관 공사 등으로 중앙난방, 개별난방에 비해 초기 투자 비용이 높은 편이다.^[32] 고시 지역 외에는 사실상 지역난방 도입이 불가능하며, 고시 지역이라도 신도시 개발 사업이나 대규모 아파트 단지 공사 외에는 지역난방을 수용하여 사용하기가 힘들다. 고시 지역 내에서는 개별 난방 이용이 제도적으로 금지되어 있다.

건물 내부에서 필요로 하는 열량을 전력량으로 나눈 값을 열전비라고 한다. 열전비는 건물의 용도에 따라 다르며, 호텔이나 병원에서는 크고 오피스 빌딩이나 백화점 등에서는 작은 값을 갖는다. 열병합 시스템에 의해 공급되는 열전비가 건물이 수요하는 열전비와 크게 다를 경우, 열병합 발전을 도입해도 에너지를 유효하게 이용할 수 없다. 또한 주택 등 열 수요가 큰 시간대와 전력 수요가 큰 시간대가 어긋나는 건물도 있으며, 이와 같은 경우에도 큰 에너지 절약 효과를 기대할 수 없다. 따라서 생성하는 열전비를 어느 정도 변경할 수 있는 열병합 시스템도 존재한다.

5. 도입 조건

건물의 열전비(열량/전력량)는 코제너레이션 시스템의 열전비와 유사해야 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 열전비는 건물의 용도에 따라 다르며, 호텔이나 병원처럼 열전비가 큰 건물이 코제너레이션 도입에 유리하다. 주택과 같이 열 수요와 전력 수요 시간대가 일치하지 않는 건물은 에너지 절약 효과가 크지 않다. 따라서, 생성하는 열전비를 어느 정도 변경할 수 있는 코제네레이션 시스템도 존재한다.

6. 유형

덴마크의 Masnedø CHP 발전소는 짚을 연료로 사용하며, 인접 온실은 지역 난방으로 가열된다.

열병합 발전 시스템은 발전 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

토핑 사이클: 주로 증기 터빈에서 전기를 생산한다. 부분적으로 팽창된 증기는 지역 난방이나 해수 담수화 등에 사용되는 온도 수준에서 가열 응축기에서 응축된다.

보텀 사이클: 산업 공정에 고온의 열을 생산하고, 폐열 회수 장치 보일러는 발전소에 공급된다. 유리 및 금속 제조용 용광로와 같이 매우 높은 온도를 필요로 하는 산업 공정에서만 사용되어 덜 일반적이다.

복합 사이클: 가스 터빈의 배기 가스에서 폐열을 사용하는 가스 터빈 열병합 발전소. 사용되는 연료는 주로 천연 가스이다. 또는 천연 가스로 구동되는 가스 터빈을 사용하여 배기 가스가 증기 발전소에 동력을 공급하고 응축수가 열을 공급할 수 있다. 복합 사이클 발전 장치를 기반으로 하는 열병합 발전소는 80% 이상의 열효율을 가질 수 있다.

대형 열병합 발전 시스템은 산업 현장 또는 마을에 난방수와 전력을 제공한다. 일반적인 열병합 발전소 유형은 다음과 같다.

가스 터빈 열병합 발전소: 가스 터빈의 배기가스에서 폐열을 이용한다. 연료는 보통 천연가스이다.
가스 엔진 열병합 발전소: 왕복 가스 엔진을 사용하며, 약 5 MW까지 가스 터빈보다 경쟁력이 높다. 연료는 보통 천연가스이다. 공장, 부지 내/외부에 설치 가능하도록 완전 조립식으로 제조되며, 가스 공급, 배전망, 난방 시스템에 간단히 연결된다.
바이오 연료 엔진 열병합 발전소: 개조된 왕복 가스 엔진 또는 디젤 엔진을 사용하며, 바이오 연료 종류에 따라 다르다. 가스 엔진 열병합 발전소와 유사하며, 화석 연료 소비를 줄여 탄소 배출량 감소에 기여한다.
목재 가스화기 열병합 발전소: 목재 펠릿/칩 바이오 연료를 무산소 고온 환경에서 가스화하여 생성된 가스를 가스 엔진에 사용한다.
복합 화력 발전: 열병합 발전에 적합하도록 개조된다.
용융 탄산염 연료 전지 및 고체 산화물 연료 전지: 고온 배기를 가져 난방에 적합하다.
증기 터빈 열병합 발전소: 증기 터빈의 증기 응축기로 난방 시스템을 사용한다.
원자력 발전소: 다른 증기 터빈 발전소와 유사하게 터빈에 추출기를 설치하여 부분 팽창 증기를 난방 시스템으로 보낸다. 난방 시스템 온도 95 °C에서 10 MW 열/MW 전력 손실, 130 °C에서 7 MW 열/MW 전력 손실.^[8]

7. 대한민국 현황

한국지역난방공사, 서울에너지공사, GS파워, 인천종합에너지 등 여러 업체가 지역난방 형태로 열병합 발전을 공급하고 있다.^[16] 송도국제도시, 영종도 공항 신도시, 청라국제도시 등 신도시를 중심으로 열병합 발전 시스템이 도입되고 있다.

가정용 열병합 발전 시스템(연료전지, 가스 엔진)도 보급되고 있다. 대표적인 예시는 다음과 같다.

연료 전지(에네팜)
에코윌(소형 가스 엔진 발전) - 2017년 9월 판매 종료
콜레모(소형 가스 엔진 발전) - 홋카이도, 도호쿠 등 한랭지에서 판매

8. 바이오매스 코제너레이션

바이오매스는 사탕수수, 식물성 기름, 나무, 유기 폐기물, 농업 부산물 등 열이나 전기의 원료로 재사용할 수 있는 식물 또는 동물 물질을 말한다. 브라질은 바이오매스 발전 분야의 선두 주자로 꼽힌다.^[33]

바이오매스 발전 중에서도 사탕수수 찌꺼기를 화력 발전소의 연료로 사용하여 전력을 생산하는 방식이 주목받고 있다.^[34] 사탕수수 산업에서 열병합 발전은 사탕수수 정제 과정에서 나오는 사탕수수 찌꺼기를 태워 증기를 생산하고, 이 증기로 터빈을 돌려 전력을 생산한다.^[35]

브라질 사탕수수 산업은 에너지 열병합 발전을 통해 자체 전력 수요를 충족시키고, 남는 전력을 판매하기도 한다.^[36]^[37]

8. 1. 장점

화석 연료 기반의 열전기 발전소와 비교했을 때, 바가스를 이용한 열병합 발전은 배출량이 적어 환경적 이점을 가진다.^[38]

열병합 발전은 생산된 에너지를 최종적으로 사용하는 과정에서 열전기 발전에 비해 효율성이 높다. 열전기 발전에서는 생산된 열의 일부가 손실되지만, 열병합 발전에서는 이 열을 생산 과정에 활용하여 전체 효율을 높인다.^[38]

8. 2. 단점

사탕수수 재배에는 염화칼륨(KCl)과 같이 염소 농도가 높은 칼륨 비료가 사용된다.^[39] 사탕수수는 이러한 칼륨 비료를 통해 다량의 염소를 흡수하게 된다.^[39]

이 때문에 사탕수수 찌꺼기를 열병합 발전에 사용하면 다이옥신^[39]과 염화메틸^[40]이 배출된다. 다이옥신은 독성이 매우 강하며 발암 물질로 알려져 있다.^[41]^[42]^[43]

염화메틸은 성층권에 도달하면 오존층을 파괴하는 주범이 된다.^[40] 염소 원자가 오존 분자와 결합하여 오존 분자를 파괴하는 연쇄 반응을 일으키기 때문이다.^[40] 염소 원자 하나가 수천 개의 오존 분자를 파괴할 수 있으며, 이로 인해 자외선 흡수 능력이 저하되어 지구 표면의 UV 방사량이 증가하고 지구 온난화를 심화시킨다.^[40]

9. 해외 현황

화학 공장, 정유 공장, 펄프 및 제지 공장과 같은 많은 공정 산업은 화학 반응기, 증류탑, 증기 건조기 등 많은 양의 공정 열을 필요로 한다. 이 열은 증기 형태로 사용되며, 낮은 압력에서 생성되어 난방에 사용되거나, 높은 압력에서 생성되어 터빈을 통과해 전기를 생산할 수 있다. 터빈에서 증기의 내부 에너지가 일로 변환되면서 증기 압력과 온도가 낮아지는데, 이때 나오는 저압 증기를 공정 열에 사용한다.

화력 발전소의 증기 터빈은 고압 증기를 공급하도록 설계되며, 이 증기는 응축기에서 터빈을 빠져나온다. 열병합 발전을 위한 증기 터빈은 여러 터빈 단계를 거친 후 더 낮은 압력에서 일부 증기를 추출하며, 추출되지 않은 증기는 응축기로 간다. 추출된 증기는 공정 가열에 사용되지만, 열병합 발전은 기회 비용을 갖는다.^[4]^[5]

제지 공장의 발전 터빈은 각 시설에 맞게 압력이 설계된다. 고압 대신 산업용으로 공정 증기를 생성하는 것만으로는 전력을 생성할 수 있는 충분한 압력이 없기 때문에 기회 비용이 발생한다. 고압 보일러, 터빈 및 발전기의 자본 및 운영 비용은 상당하며, 이러한 장비는 일반적으로 지속적으로 작동하므로 자체 생성 전력은 대규모 작업으로 제한된다.

복합 사이클 발전소에서는 바텀 사이클의 응축기로 난방 시스템을 사용하여 열을 추출할 수 있다. 예를 들어, 모스크바의 RU-25 MHD 발전기는 기존 증기 발전소의 보일러를 가열했으며, 그 응축수는 공간 난방에 사용되었다. 현대적인 시스템은 천연 가스로 구동되는 가스 터빈을 사용하여 배기 가스가 증기 발전소에 동력을 공급하고 응축수가 열을 공급할 수 있다. 복합 사이클 발전 장치를 기반으로 하는 열병합 발전소는 80% 이상의 열효율을 가질 수 있다.

열병합 발전(CHP)의 생존 가능성은 현장(또는 근처) 전기 수요와 열 수요 모두를 기준으로 하는 양호한 기본 부하 작동에 따라 달라진다. 열과 전기의 요구 사항이 정확하게 일치하는 경우는 거의 없지만, 열에 대한 요구 사항을 충족하거나 폐열을 일부 사용하는 발전소로 가동될 수 있다. 삼중 발전 기회가 있는 경우 생존 가능성이 크게 증가하며, 이때 CHP 발전소의 열은 흡수식 냉각기를 통해 냉각을 제공하는 주요 에너지원으로도 사용된다.

CHP는 열을 현장이나 매우 가까운 곳에서 사용할 수 있을 때 가장 효율적이다. 열을 더 먼 거리로 수송해야 하는 경우 전반적인 효율이 감소하며, 이는 비용이 많이 들고 비효율적인 단열 파이프가 필요하다. 반면에 전기는 비교적 간단한 전선을 따라 동일한 에너지 손실로 훨씬 더 먼 거리로 전송할 수 있다.

자동차 엔진은 겨울철에 폐열이 차량 내부를 따뜻하게 하는 데 유용할 때 CHP 발전소가 된다. 이는 CHP의 배치가 열 엔진 근처에서 열 사용에 달려 있다는 점을 보여준다.

열적으로 향상된 오일 회수(TEOR) 플랜트는 종종 상당한 양의 과잉 전기를 생산한다. 전기를 생산한 후, 이 플랜트는 남은 증기를 중유 우물에 펌핑하여 오일이 더 쉽게 흐르도록 하여 생산량을 늘린다.

열병합 발전소는 도시의 지역 난방 시스템, 더 큰 건물(예: 병원, 호텔, 교도소)의 중앙 난방 시스템에서 발견되며, 산업에서는 공정수, 냉각, 증기 생산 또는 CO₂ 비료를 위한 열 생산 공정에 일반적으로 사용된다.

삼중 발전 또는 냉방, 난방 및 전력 결합(CCHP)은 연료 연소 또는 태양열 집열기에서 전기와 유용한 난방 및 냉방을 동시에 생성하는 것을 의미한다. 열병합 발전 및 삼중 발전이라는 용어는 전기, 열 및 산업용 화학 물질(예: 합성 가스)을 동시에 생성하는 전력 시스템에도 적용될 수 있다. 삼중 발전은 폐열이 일반적으로 흡수식 냉장고에서 난방 및 냉방 모두에 사용된다는 점에서 열병합 발전과 다르다. 냉방, 난방 및 전력 결합 시스템은 열병합 발전 또는 기존 발전소보다 더 높은 전반적인 효율을 달성할 수 있다. 미국의 건물의 삼중 발전 적용을 건물 냉방, 난방 및 전력이라고 하며, 난방 및 냉방 출력은 필요와 시스템 구조에 따라 동시 또는 번갈아 작동할 수 있다.

열병합 발전은 펄프 및 제지 공장, 정유 공장 및 화학 공장에서 흔히 사용된다. 이러한 산업용 열병합 발전/CHP에서 열은 일반적으로 100°C 이상의 온도에서 회수되어 공정 증기 또는 건조 작업에 사용된다. 이는 저등급 폐열보다 더 가치 있고 유연하지만, 발전량에 약간의 손실이 있다. 지속 가능성에 대한 관심이 높아짐에 따라, 산업용 CHP는 현장에서 증기를 생성하거나 연료를 연소하고 전력망에서 전력을 수입하는 것과 비교하여 탄소 발자국을 실질적으로 줄이므로 더욱 매력적이다.

소규모 산업용 열병합 발전 장치의 출력 용량은 5–25 MW이며, 탄소 배출량을 줄이기 위한 다양한 원격 응용 분야에 대한 유망한 오프 그리드 옵션을 나타낸다.^[32]

9. 1. 유럽

유럽 연합(EU)은 열병합 발전 지침을 통해 열병합 발전을 에너지 정책에 적극적으로 통합해 왔다. 2008년 9월 유럽 의회에서 에너지 위원인 안드리스 피에발스는 "공급의 안전은 실제로 에너지 효율에서 시작된다"고 말했다.^[51] 에너지 효율과 열병합 발전은 유럽 연합의 열병합 발전 지침 2004/08/EC의 서문에서 인정받고 있다. 이 지침은 열병합 발전을 지원하고 국가별 열병합 발전 능력을 계산하는 방법을 설정하는 것을 목표로 한다.

유럽 연합은 열병합 발전을 사용하여 전력의 11%를 생산한다.^[52] 그러나 회원국 간에 에너지 절감량은 2%에서 60%까지 큰 차이를 보인다. 유럽에는 세계에서 열병합 발전 경제가 가장 집중된 3개국인 덴마크, 네덜란드, 핀란드가 있다.^[53] 2012년 핀란드에서 기존 화력 발전소에서 생산된 28.46 TWh의 전력 중 81.80%가 열병합 발전이었다.^[54]

다른 유럽 국가들도 효율성을 높이기 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 독일은 현재 국가 전체 전력 수요의 50% 이상을 열병합 발전을 통해 제공할 수 있다고 보고했다. 독일은 2020년까지 전력 열병합 발전량을 국가 전력의 12.5%에서 25%로 두 배로 늘리는 목표를 설정하고 이에 맞춰 지원 법률을 통과시켰다.^[55] 영국도 열병합 발전을 적극적으로 지원하고 있다. 2050년까지 이산화탄소 배출량을 60% 감축하려는 영국의 목표에 비추어, 영국 정부는 2010년까지 정부 전력 사용량의 최소 15%를 열병합 발전에서 조달하는 목표를 설정했다.^[56]

IEA의 G8 국가 열병합 발전 확장에 대한 2008년 모델링에 따르면, 프랑스, 독일, 이탈리아, 영국에서 열병합 발전이 확장되면 2030년까지 기존 1차 연료 절감량이 효과적으로 두 배가 될 것이다. 이는 유럽의 절감량을 현재의 155.69 TWh에서 2030년 465 TWh로 증가시킬 것이다. 또한 2030년까지 각 국가의 총 열병합 발전 전력이 16%에서 29% 증가할 것이다.

COGEN Europe는 유럽 에너지 정책의 최신 업데이트에 대한 정보 허브 역할을 하는 조직으로, 정부는 이러한 조직의 지원을 받고 있다. COGEN은 열병합 발전 산업의 이익을 대표하는 유럽의 주요 조직이다.

유럽의 공공-민간 파트너십 연료 전지 및 수소 공동 사업 제7차 프레임워크 프로그램 프로젝트인 ene.field는 2017년에^[57] 12개 주에 최대 1,000개의 주거용 연료 전지 열병합 발전(마이크로 열병합 발전) 설비를 배치한다.

영국에서는 ''열병합 발전 품질 보증'' 제도가 열과 전기의 병합 생산을 규제한다. 이 제도는 1996년에 도입되었다. 이 제도는 투입 및 산출 계산을 통해 기존의 열 및 전기 개별 생산에 비해 1차 에너지 절감을 달성하는 측면에서 "우수 품질 열병합 발전"을 정의한다. 열병합 발전 품질 보증 준수는 열병합 발전 설비가 정부 보조금 및 세금 인센티브를 받을 자격을 갖추기 위해 필요하다.^[61]

9. 2. 미국

토머스 에디슨은 1882년 펄 스트리트 발전소를 건설했는데, 이는 세계 최초의 상업용 열병합 발전소였다. 이 발전소는 전력과 열 에너지를 모두 생산하고, 폐열을 이용해 인근 건물을 난방했다.^[62] 에디슨의 발전소는 이 재활용을 통해 약 50%의 효율을 달성했다.

1900년대 초에는 지역 유틸리티가 관리하는 중앙 집중식 발전소 건설을 통해 농촌 전력화를 촉진하는 규정이 등장했다. 이 규정은 전국적인 전력화를 장려했지만, 열병합 발전과 같은 분산형 발전은 억제했다.

1978년, 미국 의회는 중앙 발전소의 효율성 정체를 인식하고, 공공 유틸리티 규제 정책법(PURPA)을 통해 효율성 개선을 장려하고자 했다. 이 법은 유틸리티가 다른 에너지 생산자로부터 전력을 구매하도록 장려했다.

이에 따라 열병합 발전소가 급증하여, 곧 미국 전체 에너지의 약 8%를 생산하게 되었다.^[63] 그러나 법 시행과 집행은 개별 주에 맡겨져, 많은 지역에서 거의 또는 아무런 성과를 내지 못했다.

미국 에너지부는 2030년까지 열병합 발전이 발전 용량의 20%를 차지하도록 하는 공격적인 목표를 설정했다. 전국에 8개의 청정 에너지 응용 센터가 설립되어,^[64] "청정 에너지"(열병합 발전, 폐열 회수, 구역 에너지) 기술을 실행 가능한 에너지 옵션으로 이끌고, 구현 관련 위험을 줄이기 위한 기술 적용 지식과 교육 인프라 개발을 목표로 하고 있다. 응용 센터는 최종 사용자, 정책 입안자, 유틸리티, 업계 관계자에게 아웃리치 및 기술 배치 프로그램을 제공하는 데 초점을 맞추고 있다.

뉴잉글랜드와 중부 대서양 지역은 전기 요금이 높아 열병합 발전에 가장 유리한 지역이다.^[65]^[66]

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