천연 자원 상태의 1차 에너지를 효율적으로 이용하는 발전 시스템으로 주목 받는 것이 전기와 열을 동시에 생산하는 분산형 전원으로서의 '열병합발전(CHP : Combined Heat and Power Generation 또는 Cogeneration System)'이다. 각종 산업 시설, 업무용 빌딩, 주거용 아파트 단지 등 전기와 열을 모두 필요로 하는 곳에 적합한 시스템이다. 우리나라는 하절기에 냉방 부하가, 동절기에 난방 부하가 발전 설비에 큰 부담을 주어 최근 블랙아웃Blackout이란 대규모 정전 사태의 문턱까지 오가는 일이 잦아졌다. 정부는 그러한 위기 상황에 직면할 때마다 수요 측면에서 대국민 에너지 절약만 호소할 뿐 공급 측면에서 이렇다 할 방안을 제시하지 못한다. 중앙 집중형 발전 시설은 건설 기간이 길고 비용이 많이 들며 각종 민원 문제로 절차가 까다롭기 때문이다. 물론, 태양광과 풍력 등 신재생에너지도 있지만, 아직까지 생산 단가가 여타 발전원에 비해 높으며, 기후변화에 따라 전력 공급이 불안정해 품질이 좋지 않다. 이러한 문제들을 비교적 단기간에 모두 해결하는 것이 열병합발전이다. 에너지 절감 효과가 뛰어나고, 중앙 집중형 발전소와 송 · 변전 건설비를 줄이며, 환경 개선과 사회적 시설 투자 감소 등 장점이 많다. 각국에서 열병합발전소의 보급확대에 관심을 기울이는 이유다.
정리 윤홍로
토마스 에디슨이 1882년 6대 발전기로 전기를 생산해 최초로 공급한 이후 줄곧 전력 산업은 발전소에서부터 송 · 배전에 이르기까지 독점체제하에서 공룡처럼 몸집만 부풀려 왔다. 100여년이 지나서야 전력 산업 진입 규제를 완화함에 따라 독점에서 자율 경쟁 체제로 바뀌며, 지역 또는 구역 단위 소비를 위한 분산 전원이 부상했다.
우리나라도 전력 산업 구조 개편 논의 과정에서 난항을 겪자, 그 대안으로 2004년부터 분산 전원의 하나인 '구역전기사업'을 시행해 왔다. 전력 산업구조 개편을 추진한 배경을 보면, 전력 설비 건설에 따른 막대한 비용 문제와 님비NIMBY 현상으로 말미암은 각종 민원 문제 등 재정난과 입지난도 무시하지 못한다. 하지만 전력 산업 구조 개편은 현재 답보 내지 기형적 상태에 머물며 9 · 15 정전 사태를 초래했다.
분산형 전원이란
9 · 15 정전 사태는 실책의 대소를 불문하고, 한마디로 정부와 한국전력거래소, 한전의 합작품이다. 전력 수요에 준하는 안정적인 공급 능력(전력 예비력) 부재, 중 · 장기 전력 수급 방안 미흡, 원전을 포함한 대규모 발전소 중심의 전원 정책 때문이다. 상황이 이렇다 보니 9 · 15 정전 사태를 겪은 지 두 달 만에 발표한 겨울철 전력 수급 비상 대책도 변변한 게 없다. 현 상황에서 전력 대란을 막는 효과적인 대응 방안은 분산형 전원인 자가발전 설비, 집단에너지 발전 설비, 구역전기사업 발전 설비 등을 최대한 활용하는 것이다. 그러나 그동안 분산형 전원 정책에 소홀했기에 이와 관련한 유인책을 내놓지 못했다.
분산형 전원이란 무엇일까. IEA(International Energy Agency)는 분산 전원(DG : Distributed Generation)을 최종 수요처 부근 또는 배전 선로 지원용으로 설치하는 엔진, 소규모 가스터빈, 연료전지 및 태양광을 포함하는 발전 시설로 정의한다(대단위 풍력발전 단지 제외). 분산형 전원은 수요 지역에서 중앙 집중형 설비에 비해 규모가 작은 발전시설을 이용해 자체적으로 전력을 생산하기에 송 · 배전 계통의 건설비와 운영비를 줄일 수 있다. 그리고 분산형 전원의 주류를 이루는 열병합발전은 주로 천연가스(LNG) 등을 사용해 전기와 열을 동시에 생산하는 시스템으로 CO2를 적게 배출할 뿐만아니라, 여타 발전 설비에 비해 에너지 효율이 높다. 현 정부에서 2008년 8월 발표한 '저탄소 녹색성장'비전 달성을 위한 전원으로도 적합하다.
무엇보다 분산 전원으로서 열병합발전은 광역 송전 계통의 사고 또는 고장으로 말미암은 대규모 정전 사태에 대비할 수 있다. 9 · 15 전력 사태를 계기로 한전 발전 자회사의 대규모 발전원과 광역형 전력 계통망이 아닌, 소규모 지역형 분산 전원에 관심을 기울여야 한다. 열병합발전은 분산 전원으로서 기능뿐만 아니라 재해 시 긴급 전원 시설로도 적합하기 때문이다.
전기와 열을 동시에… 열병합발전
열병합발전은 하나의 에너지원으로부터 2차 에너지인 전력과 열을 동시에 생산하는 종합 에너지 시스템으로, 에너지원 중 천연 자원 상태로 공급하는 석탄 · 석유 · LNG 등 1차 에너지를 절약하는 고효율 에너지 이용 기술이다.
중앙 집중형 화력발전에 비해 분산형 전원으로서 열병합발전 시스템의 이점은 무엇일까. 먼저, 한전으로부터 수전受電에만 의존하지 않고, 전기와 열에너지를 자체 발전 시설로 생산하므로 국가적으로 전력 예비율 확보에 일조한다. 전력을 생산하는 과정에서 배출되는 열[排熱]을 이용하기에 화력발전방식보다 30∼40% 에너지를 절약한다. 즉, 화력발전은 투입 연료의 많은 양이 냉각 과정에서 사라지지만, 열병합발전은 고온부는 전기 생산에, 저온부는 공정 열(산업단지용 스팀이나 지역 냉 · 난방용 열)로 이용하므로 에너지 절감 효과가 뛰어나다. 전체 에너지 효율을 보면 화력발전은 약 40%이며, 여기에 송전 손실까지 포함하면 약 35%에 불과하다.
반면, 열병합발전은 발전기 형식과 용량 등에 따라 다르지만 발전 효율은 25∼40%, 폐열 이용 효율은 40∼60%로 종합 에너지 효율이 매우 높다.
한국지역난방공사에서 2008년 1월 화성 열병합발전소에서 실시한 시험 결과에 따르면, 전력 생산 효율은 42.1%, 열 생산 효율은 38.6%로 총 80.7%의 에너지 효율을 나타냈다. 동일한 양의 전기와 열을 생산하는 데 필요한 1차 에너지 투입량을 약 30% 줄인 것으로, 그만큼 화석연료 연소 과정에서 나오는 이산화탄소, 아황산가스, 이산화질소, 미세 먼지 등 대기 오염 물질을 줄였음을 뜻한다.
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열병합발전 시스템
열병합 시스템은 동력원인 원동기, 전기를 생산하는 발전기, 폐열을 회수하는 폐열 회수기 및 회수한 에너지를 효율적으로 이용하는 열 이용 기기로 이뤄진다. 실제 구성 기기에 발전기반 · 보조 기기반 · 방열 장치 · 시동 장치 등 각종 주변 기기를 포함하며, 발전 출력이나 배열 이용과 보완 관계인 상용 전력 계통이나 보조 열원 기기도 포함한다.
열병합발전용 원동기
일반적으로 디젤엔진, 가스엔진, 가스터빈 원동기를 사용해 발전기를 구동한다. 이들 원동기를 구동하려면 연료 공급 장치, 시동 장치, 원동기 냉각 장치 등이 필요하다. 한편, 연료를 개질改質해 얻은 수소와 대기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 직접 전기를 얻는 연료전지는 발전기를 기계적으로 구동하는 시스템은 아니지만, 전기와 열을 동시에 얻기에 열병합발전 시스템의 범주에 포함한다.
원동기의 장단점을 살펴보면, 디젤엔진은 발전효율이 높고 연료 가격이 저렴하며 실적이 풍부하지만, 연소 과정에서 발생하는 배가스를 처리해야하고 보수비용이 높으며 소음과 진동이 클 뿐만 아니라 냉각수 온도가 낮다. 가스엔진은 배가스가 거의 없으며 열 회수 및 보수가 쉽지만 소음과 진동이 크며 가격이 비싸다. 가스터빈은 소형 · 경량이고 냉각수가 필요 없으며 저소음 · 저진동이지만, 발전효율이 낮다. 연료전지(인산형)는 발전 효율이 높고 저진동 · 저소음이며 배가스가 적지만, 가격이 비싸다.
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 열병합발전용 발전기
동기 발전기와 유도 발전기가 있으며, 발전 규모나 계통 연계 유무에 따라 선정한다. 열병합발전 시스템에 발전기를 사용하려면 발전기 외에 계통 분리는 전환반이, 계통 연계는 동기반이나 보호 계전기가 필요하다.
규모에 따른 열병합발전 분류
열병합발전은 규모에 따라 '집단에너지'인 지역냉난방 열병합, 산업단지 열병합, 구역형 집단 에너지 열병합 그리고 '소형 열병합'인 산업체 자가 열병합, 소형 열병합 등으로 구분한다.
열병합발전은 세계적 추세
IEA는 2050년 CO2 배출량을 현재 수준으로 유지하는 방안으로 열병합발전을 강조했고, 2007년 G8 정상회담에서도 열병합발전소의 비율을 획기적으로 증가시킨다는 선언문을 채택했으며, 유럽열병합협회(Euroheat & Power)는 열병합발전을 통해 2008년부터 2012년까지 매년 9.3%씩 온실가스를 감축하기로 했다. 선진국은 에너지 자립형 도시 건설에 열병합발전 시스템을 기저 부하로 활용하고, 신재생에너지를 보조 동력을 활용하는 추세다.
미국은 1978년 카터 정부 때 국제 석유 파동으로 말미암은 유가 폭등과 에너지 공급 제약 등에 대응하고자 에너지 절약 및 에너지의 유효 이용을 목적으로 한 <에너지 5법>을 제정했다. 그 가운데 <공익사업규제정책법(PURPA)>은 열병합발전을 포함해 소규모 발전 사업자가 생산한 전력을 전력 회사에서 구입하도록 한 의무 규정이다. 미국의 열병합발전은 이 법률을 제정한 이후에 급속히 증가했다. 그 결과 현재 열병합발전 설비 용량은 약 2500만㎾로 전체 발전 설비 용량의 5% 정도를 차지한다.
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EU의 열병합발전 프로젝트
유럽의 복합 열병합발전 관련 비정부 기구 COGEN Europe은 지난해 EU 집행위원회의 지원을 받아 30개월간 EU 회원국의 '2004 EU 열병합발전 지침'실행 현황을 조사한 CODE(Cogeneration Observatory Dissemination Europe) 프로젝트 진행결과 보고서를 발표했다. 보고서에 따르면 에너지 시장 개방, 금융 위기, EU ETS, 내부수익률, EU 차원의 에너지 효율 제고 지침 부재, 전력망과 연결 문제 등이 EU 내 열병합발전의 전면적 확대 실시를 저해하는 장해요인으로 작용했다.
 EU의 열병합발전 현황 | EU는 각국의 열병합발전소 건설을 촉진하기 위한 공통 프레임워크 설립을 위해 '2004 EU 복합 열병합발전 지침'을 제정했다. 이 지침의 목표는 단기적으로 기존 열병합발전을 강화하고 신규 열병합발전소 건설을 촉진하며, 중장기적으로 고효율 열병합발전을 통해 CO2 배출을 감축해 지속 가능한 발전을 도모하는 것이다.
EU는 열병합발전을 통해 CO2 배출을 2020년까지 2.5억 톤 감축할 것으로 예상했다. 보고서에 따르면 EU 회원국은 기술적 제약이 없을 경우, 2020년까지 열병합발전 능력을 122GW까지 확대할 수 있으며, 그 결과 대부분의 국가에서 열병합발전 능력이 2배로 증가할 것으로 예상했다. 122GW 발전 능력은 455TWh의 전력과 1000TWh의 열을 유럽에 공급할 수 있는 양이다. 그러나 지난해까지 설치한 열병합발전 능력은 독일이 21GW로 최대며, 영국은 5GW에 그친다.
열병합발전 확대 장애 요인 | 스페인과 벨기에 등은 에너지 시장 개방이 열병합발전의 전면적 실시를 가로막는 원인으로 보았다. 이는 가스 가격 인상에도 시장 개방으로 전력요금 인상이 용이하지 않기때문이다. 열병합발전은 전기와 열을 동시에 판매해야 하기에 전기 판매 가격을 시장 상황에 따라 최적화할 수 없다. 금융 위기로 말미암은 대출 규제와 각국이 설정한 내부 수익률 또한 열병합발전에 대한 투자를 어렵게 만든다. 지역난방 시스템을 개선하려는 동구권 회원국 사이에서 열병합발전이 주목받고 있으나, 금융 위기로 신규 투자에 필요한 자금확보에 어려움을 겪고 있다.
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유럽에서 덴마크는 열병합발전 보급이 활발한 국가다. 덴마크는 에너지 공급을 원유 수입에 절대적으로 의존하다가 1970년대 국제 석유 파동이란 위기를 극복하고자 1976년 '종합 에너지 관리 정책'을 도입했다. 북해 유전 · 가스 개발을 통해 자원을 안정적으로 확보하고, 신기술 도입과 에너지 소비절감 정책 등을 통해 에너지 효율성을 극대화함으로써 1997년 에너지 자립에 성공했다. 특히, 열병합발전과 지역난방을 에너지 정책의 근간을 삼아 과감한 투자와 단계적 계획에 의해 열병합발전과 지역난방 시설을 전국적으로 분산 설치해 에너지효율을 극대화했다. 현재 50만여 개의 지역난방 시설에서 전체 난방의 약 60%를 공급하는데, 이 가운데 80% 이상이 열병합발전이다.
1970년대까지만 해도 덴마크는 우리나라와 마찬가지로 에너지 사용의 95% 이상을 수입에 의존했으나, 20여 년 만에 에너지 자립 목표를 달성했으며, 현재 전체 발전량의 약 50%를 열병합발전으로 공급하는 유럽 최대 열병합발전 국가로 성장했다.
전력 대란과 고유가로 말미암아 몸살을 앓는 입장이고 보면, 우리에게 필요한 것은 '덴마크 따라 하기'가 아닐까. 열병합발전을 에너지 정책의 근간을 삼아 에너지 자립에 성공한 덴마크를…….
<Energy News>
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