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GS파워, 배기가스 잠열회수 효과 탁월

인천종합에너지에 국내 최초 상업운전
발전효율 3.8%P ↑·연 5,000CO₂톤 감축

지난 2016년 1월에 준공된 국내 최초 열병합발전소 배기가스 잠열회수시스템이 인천종합에너지에서 상업운영 중이다. 이 시스템은 발전소 내부로부터 약 15.6Gcal/h의 미활용에너지를 회수해 인천·송도지역에 공급하고 있다. 이는 아파트 3,600여가구에서 1년간 사용할 수 있는 열량에 해당된다.

열병합발전사업은 국가 에너지안보 및 온실가스 저감을 비롯해 1차에너지 소비 저감 등 일석삼조의 에너지이용방식이다. 열병합발전을 통한 집단에너지시설은 개별 열·전기공급방식대비 에너지절감은 18.8%, 온실가스는 20.0%, 오염물질은 25.8%를 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다.

하지만 에너지가격, 인구포화도 등 불확정 요인으로 열병합발전사업의 투자경제성이 당초 설계대로 이뤄지지 않는 경우가 많다. 인천송도지역 집단에너지 사업자인 인천종합에너지 역시 10여년간 적자로 운영되다 2014년 공공기관 선진화 계획의 일환으로 일부 경영권 지분을 매각하면서 수익구조 향상에 박차를 가해 오고 있다.

열병합발전 효율화사업이란
열병합발전효율화사업은 발전소 내부의 각종 미활용에너지(Utilized Energy) 회수를 주 목적으로 한다. 미활용에너지는 인간의 생활, 생산활동을 위해 사용한 에너지 중 경제적 가치, 이용방법 한계 등의 이유로 더이상 사용하지 못하고 자연계로 최종 배출되는 에너지와 자연에너지 중 대체에너지사용촉진법에서 제외된 에너지를 가용에너지로 변환시켜 유효하게 이용하기 위한 기술을 통칭한다.

현재 미활용에너지기술은 산업통상자원부 ‘에너지기술개발 10개년 계획’의 에너지절약기술개발 프로그램 중 중점기술개발분야 중 하나이며 국가과학기술위원회에서 선정, 발표한 6대 기술분야 총 77개의 미래유망신기술 중 ET분야의 하나다. 

또한 최근 작성된 국가과학기술지도(NTRM)에서도 에너지환경분야의 핵심기술 중 하나로 돼 있다. 열병합발전소 내에는 굴뚝 배기가스, 장비방열, 냉각탑 방열 등 많은 종류의 미활용에너지가 존재하지만 30~40℃ 저온의 형태로 있어 활용하지 못하고 대기로 방출되고 있다. 이런 열의 방출은 별도의 냉각에너지가 소모될 뿐만 아니라 대기환경에도 악영향을 주고 있다.

이번 사업의 시행사인 GS파워는 안양, 부천 지역에 450MW급 열병합발전소 2기를 운영하고 있으며 해당 지역 약 30만가구에 지역난방을 공급하고 있다. GS파워는 열병합발전설비 운영에 대한 노하우를 바탕으로 타 발전소에서 에너지효율화 사업을 개발하는 것을 신성장동력으로 추진하고 있다. 2008년부터 지속적으로 집단에너지와 연계한 미활용에너지 회수기술에 대한 연구를 진행해 자체 발전설비에 국내 최초로 발전기 냉각열, 연료전지 냉각열, 하수열 등 미활용에너지 회수시스템을 설치해 운영하고 있다.

또한 2011년부터 국내 최초로 전기구동식 히트펌프가 아닌 열구동식 히트펌프를 이용한 미활용에너지 회수기술을 보급하기 시작해 미활용에너지 회수 시스템의 효율성, 수익성을 한층 향상시키는데 성공했다.

발전소 내에 존재하는 미활용에너지는 모두 발전 1차연료(석탄, LNG 등)에서 발생된다. 현재까지 회수한 기기냉각열(회전기기 마찰발열, 압축방열 등)은 발전소 1차에너지소비의 약 1%에 불과하나 배기가스 잠열은 발전소에서 소비하는 1차에너지의 10%에 해당해 미활용에너지 개발의 처녀지로 되고 있다. 또한 조건이 가장 까다로운 열발전 설비(가스터빈) 적용에 성공할 경우 보급률이 높은 보일러, 냉온수기 등 분야까지 쉽게 확대가 가능해 잠재력이 큰 시장이다.


배기가스 잠열회수 효과 ‘탁월’
화석연료인 LNG는 연소과정에서 이산화탄소(CO₂)와 물(H₂O)을 생성한다. 이중 물은 반응과정에서 증발되면서 LNG가 갖고 있던 열량의 약 10%를 소모하게 되며 최종 연소 배기가스 형태로 대기에 방출된다. 발전소 굴뚝에서 보이는 백연이 바로 이런 수분이 공기 중에 방출되면서 발생된다.

배기가스 잠열회수는 바로 이런 수분을 배출 전 응축시켜 응축잠열을 이용이 가능한 열에너지로 전환하며 동시에 대기에 배출되던 대량의 물자원을 회수, 재활용하게 된다.

그러나 종전의 배기가스 잠열회수에 대한 연구는 △응축수에 의한 부식 △열교환 효율 △배압손실 △백연발생 △설치공간 △히트펌프 전력소모 등의 많은 난제들이 존재하고 있었으며 대용량 발전설비에 적용하기에는 막대한 투자와 리스크를 동반해 현실화에 많은 어려움을 겪고 있었다. 현재까지 국내에는 물유동층방식, 흡수제방식으로 배기가스 잠열회수에 대해 Pilot Test설비를 구축해 테스트하는 단계이며 실제 사업화해 상업운전단계에 들어간 것은 이번 사업이 처음이다.

이번 사업에 적용된 배기가스 잠열회수시스템은 크게 잠열회수를 위한 열회수설비와 잠열을 유용한 에너지로 전환하는 히트펌프시스템으로 구성됐다. 배기가스가 40cm에 불과한 공간을 통과하면서 대량의 열을 방출할 수 있게 하는 전열기술과 열병합발전 공정에 융합된 열구동 히트펌프에 대한 시스템 구축이 핵심기술이다.

이 시스템은 80MW급 가스터빈으로부터 약 8.6Gcal/h의 연소잠열을 회수해 지역난방열로 공급하고 있다. 또한 전기를 구동력으로 하지 않는 열구동식 히트펌프와 복합시켜 시스템 효율성을 극대화해 연간 약 5,000t의 CO₂배출 감축효과와 약 8억원의 에너지비용 절약효과를 보고 있다. 이외 배기가스로부터 매일 약 100t의 물자원을 재생, 활용해 추가적인 수익도 창출되고 있다. 시스템 특허를 보유하고 있는 GS파워의 관계자는 “열병합발전소, 집단에너지플랜트 등 에너지다소비시설에서 이번 시스템이 확대, 보급될 경우 국가적인 탄소배출감축, 에너지절약 및 사업자의 수익성 개선에도 크게 기여하게 될 것”이라고 밝혔다.

이 관계자는 “앞으로 배기가스 처리기술 확대 보급에 전력을 다할 것”이라며 “대기 배출가스의 백연감축, 유해물질 감소 등 대기환경 개선부분에서도 지속적인 기술개발을 진행해 향후 신재생에너지사업과 에너지절약사업의 신성장동력으로 적극 확대할 계획”이라고 강조했다.

미활용에너지회수는 기존 에너지에 대한 대체효과와 미래형 에너지구조개혁에도 기여할 수 있으며 신재생에너지 개발에 상당한 효과가 있다.

GS파워의 관계자는 “현재 정부정책 및 지원이 신재생에너지에 치중돼 있어 사업자로서는 자체적으로 연구, 개발, 투자, 운영을 진행하기에 너무 큰 부담이 되고 있어 사업화에 적극 나서기가 어려운 상황”이라며 “미활용에너지를 현재 시행 중인 신재생에너지보급 활성화와 연계된 정책 지원이 무엇보다 시급한 상황”이라고 제안했다.