열병합발전소

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열병합발전소(熱倂合發電所)는 발전소의 한 종류이다. 열병합발전의 방식으로 전기와 열 모두를 판매하는 발전소이다. 화석연료의 발전효율은 약 1/3에 불과하고, 나머지 2/3는 버려지는데 이렇게 버려지는 폐열을 모아 지역난방 등으로 활용하는 발전 방식이다.

화력 발전의 열효율은 평균 40% 정도이다. 그러나 열병합발전은 30% 정도가 전기에너지로 변환되고 나머지 중 60% 가량은 증기 에너지로 활용할 수 있어 열효율이 80%~90%까지 높아질 수 있다. 대한민국의 경우, 서울 목동 및 인천 청라 등지에 쓰레기 소각 및 화력 발전을 겸하는 열병합발전소가 있다.

 개요 
300px|썸네일|right|덴마크의 마스네두 CHP 발전소. 이 발전소는 짚을 연료로 사용한다. 인접한 온실들은 발전소의 지역 난방에 의해 난방된다.
화학 공장, 정유 공장, 펄프 및 제지 공장과 같은 많은 공정 산업에서는 화학 반응기, 증류탑, 증기 건조기 등의 가동에 막대한 양의 공정열이 필요하다. 일반적으로 증기 형태로 사용되는 이 열은 난방에 사용되는 낮은 압력에서 생성하거나, 훨씬 높은 압력에서 생성한 후 터빈을 통과시켜 전기를 생산하는 방식으로 얻을 수 있다. 터빈에서는 증기의 내부 에너지가 일로 변환되면서 증기의 압력과 온도가 낮아집니다. 터빈을 빠져나가는 저압 증기는 공정열로 활용될 수 있다.

화력 발전소의 증기 터빈은 일반적으로 고압 증기를 공급받도록 설계되어 있으며, 이 증기는 주변 온도보다 몇 도 높은 온도와 수 밀리미터 수은 절대 압력으로 작동하는 응축기에서 배출한다. (이를 응축형 터빈이라고 한다.) 실질적으로 이 증기는 응축되기 전까지는 유용한 에너지가 거의 없다. 열병합 발전용 증기 터빈은 여러 터빈 단계를 거친 후 저압으로 일부 증기를 추출하도록 설계되어 있으며, 추출되지 않은 증기는 터빈을 통과하여 응축기로 보내진다. 이 경우 추출된 증기는 터빈의 하류 단계에서 기계적 동력 손실을 발생시킨다. 또는 추출 여부와 관계없이 최종 배출 시 배압(비응축형)을 유지하도록 설계되기도 한다. 추출되거나 배출된 증기는 공정 가열에 사용됩니다. 일반적인 공정 가열 조건에서 증기는 여전히 상당한 양의 엔탈피를 가지고 있어 발전용으로 활용될 수 있으므로 열병합 발전에는 기회비용이 발생한다.

제지 공장의 일반적인 발전용 터빈은 추출 압력이 160psi와 60psi(1.10MPa와 0.41MPa)일 수 있다. 일반적인 배압은 60psi(0.41MPa)이다. 실제로 이러한 압력은 각 시설에 맞게 맞춤 설계된다. 반대로, 고압으로 발전시키는 대신 산업용 공정 증기만 생산하는 것에도 기회비용이 발생한다(증기 공급 및 배기 조건 참조). 고압 보일러, 터빈 및 발전기의 초기 투자 비용과 운영 비용은 상당하다. 이러한 장비는 일반적으로 연속적으로 가동되므로 자가 발전은 대규모 시설에만 적용 가능하다.

썸네일|left|프랑스 메츠에 있는 열병합 발전소. 45MW 보일러는 폐목재 바이오매스를 에너지원으로 사용하여 3만 가구에 전기와 열을 공급한다.

복합 사이클(여러 열역학 사이클이 전기를 생산하는 방식)은 발전소 하부 사이클의 응축기로 난방 시스템을 활용하여 열을 추출하는 데에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 모스크바의 RU-25 MHD 발전기는 기존 증기 발전소의 보일러를 가열했고, 이때 발생하는 응축수는 난방에 사용되었다. 보다 현대적인 시스템으로는 천연가스를 연료로 사용하는 가스 터빈을 이용하여 배기가스를 증기 발전소에 공급하고, 증기 발전소에서 발생하는 응축수를 열로 활용하는 방식이 있다. 복합 사이클 발전 장치를 기반으로 하는 열병합 발전소는 80% 이상의 열효율을 달성할 수 있다.

특히 소규모 열병합 발전소의 경우, 열병합 발전(CHP)의 경제성(이용률이라고도 함)은 현장(또는 인근 지역)의 전기 수요와 열 수요 모두에서 안정적인 기저부하 운영에 달려 있다. 실제로 열 수요와 전기 수요가 정확히 일치하는 경우는 드물다. 열병합 발전소는 열 수요를 충족하거나(열 구동 운전) 폐열을 일부 활용하여 발전소처럼 운영할 수 있는데, 후자는 이용률 측면에서 불리하고 따라서 전체 효율도 떨어진다. 삼중발전이 가능한 경우 경제성을 크게 높일 수 있다. 이러한 경우, 열병합 발전소에서 발생하는 열을 흡수 냉동기를 통해 냉방을 제공하는 주요 에너지원으로 활용할 수 있다.

열병합 발전(CHP)은 열을 현장에서 또는 매우 가까운 곳에서 사용할 수 있을 때 가장 효율적다. 열을 장거리로 수송해야 할 경우 전체 효율이 떨어집니다. 이를 위해서는 고가이면서 비효율적인 단열 파이프가 필요하지만, 전기는 비교적 간단한 전선을 통해 훨씬 먼 거리까지 동일한 에너지 손실로 전송할 수 있다.

자동차 엔진은 겨울철에 배출되는 열을 차량 내부 난방에 활용할 수 있으므로 CHP 발전소 역할을 합니다. 이 예시는 CHP의 활용이 열기관 주변의 열 사용처에 달려 있음을 보여줍니다.

열증강 석유회수(TEOR) 설비는 종종 상당한 양의 잉여 전력을 생산한다. 이러한 설비는 전력 생산 후 남은 증기를 중질유정에 주입하여 석유의 흐름을 원활하게 함으로써 생산량을 증대시킨다.

열병합 발전소는 도시의 지역난방 시스템, 대형 건물(예: 병원, 호텔, 교도소)의 중앙난방 시스템에 흔히 사용되며, 산업 현장에서는 공정수, 냉각, 증기 생산 또는 CO2 시비와 같은 열 생산 공정에 널리 활용된다.

삼중발전 또는 복합 냉난방 발전(CCHP)은 연료 연소 또는 태양열 집열기를 통해 전기를 생산하는 동시에 유용한 냉난방을 제공하는 시스템을 말한다. 열병합 발전과 삼중발전이라는 용어는 전기, 열, 산업용 화학물질(예: 합성가스)을 동시에 생산하는 발전 시스템에도 적용될 수 있다. 삼중발전은 폐열을 냉난방에 모두 활용한다는 점에서 열병합 발전과 차이가 있으며, 일반적으로 흡수식 냉장고에 사용됩니다. 복합 냉난방 발전 시스템은 열병합 발전이나 기존 발전소보다 전반적인 효율이 더 높을 수 있다. 미국에서는 건물에 적용되는 삼중발전을 건물 냉난방 발전(Building Cooling, Heating, and Power)이라고 한다. 냉난방 출력은 필요와 시스템 구조에 따라 동시에 또는 교대로 작동할 수 있다.

 종류 
썸네일|upright=1.0|하나사리 발전소, 핀란드 헬싱키에 위치한 석탄 화력 발전소
토핑 사이클 발전소는 주로 증기 터빈을 이용하여 전기를 생산한다. 부분적으로 팽창된 증기는 가열 응축기에서 응축되어 지역 난방이나 해수 담수화와 같은 용도에 적합한 온도로 가열된다.

하부 사이클 발전소는 산업 공정에 필요한 고온의 열을 생산하고, 폐열을 회수한 보일러를 통해 발전소에 공급한다. 하부 사이클 발전소는 유리 및 금속 제조용 용광로와 같이 매우 높은 온도가 필요한 산업 공정에만 사용되므로 일반적이지 않는다.

대형 열병합 발전 시스템은 산업 현장이나 마을 전체에 난방수와 전력을 공급한다. 일반적인 CHP 플랜트 유형은 다음과 같다:
 가스 터빈 열병합 발전소는 가스 터빈의 배기가스에 포함된 폐열을 이용한다. 연료로는 일반적으로 천연가스가 사용한다.
 가스 엔진 열병합 발전소는 왕복식 가스 엔진을 사용하는데, 이는 일반적으로 약 5MW까지는 가스 터빈보다 경쟁력이 있다. 연료로는 주로 천연가스를 사용한다. 이러한 발전소는 일반적으로 완전 패키지 형태로 제작되어 기계실이나 외부 발전소 부지에 설치할 수 있으며, 현장의 가스 공급, 전기 배전망 및 난방 시스템에 간단하게 연결할 수 있다. 일반적인 출력 및 효율은 대형 설비 예시를 참조하세요.
 바이오연료 엔진 열병합 발전소는 사용되는 바이오연료에 따라 개조된 왕복식 가스 엔진 또는 디젤 엔진을 사용하며, 그 외 설계는 가스 엔진 열병합 발전소와 매우 유사하다. 바이오연료를 사용하는 이점은 화석 연료 소비를 줄여 탄소 배출량을 감소시키는 것이다. 이러한 발전소는 일반적으로 완전 패키지 형태로 제작되어 발전소 내 설비실이나 외부 부지에 설치할 수 있으며, 현장의 전기 배전 및 난방 시스템에 간단하게 연결할 수 있다. 또 다른 유형으로는 목재 가스화 열병합 발전소가 있는데, 이 발전소에서는 목재 펠릿이나 목재 칩 바이오연료를 산소가 없는 고온 환경에서 가스화하여 생성된 가스를 가스 엔진의 동력으로 사용한다.
 CHP에 적합한 복합 사이클 발전소
 용융탄산염 연료전지와 고체산화물 연료전지는 배기가스가 뜨거워 난방에 매우 적합하다.
 난방 시스템을 증기 터빈의 증기 응축기로 사용하는 증기 터빈 CHP 플랜트
 원자력 발전소는 다른 증기 터빈 발전소와 마찬가지로 터빈에 부분적으로 팽창된 증기를 난방 시스템으로 배출하는 추출 장치를 설치할 수 있다. 난방 시스템 온도를 95°C로 설정하면 손실되는 전력 1MW당 약 10MW의 열을 추출할 수 있다. 온도가 130°C일 경우 열 추출량은 약간 줄어들어 손실되는 전력 1MWe당 약 7MW를 얻을 수 있다. 체코 연구팀은 열병합 발전 옵션에 대한 검토의 일환으로 사용후 핵연료봉에서 발생하는 열을 주거용 난방에 활용하는 "테플라토르(Teplator)" 시스템을 제안했다.

소형 열병합 발전 장치는 왕복 엔진이나 스털링 엔진을 사용할 수 있습니다. 열은 배기가스와 라디에이터에서 제거된다. 소형 가스 및 디젤 엔진은 소형 가스 또는 석유 연소식 증기 발전소보다 비용이 저렴하기 때문에 이러한 시스템은 소형 규모에서 널리 사용된다.

일부 열병합 발전소는 바이오매스 또는 산업 및 도시 고형 폐기물(소각 참조)을 연료로 사용한다. 일부 열병합 발전소는 폐가스를 전기 및 열 생산을 위한 연료로 사용합니다. 폐가스는 축산 폐기물 가스, 매립지 가스, 탄광 가스, 하수 가스 및 가연성 산업 폐가스 등이 있다.

일부 열병합 발전소는 기술적 및 환경적 성능을 더욱 향상시키기 위해 가스 발전과 태양광 발전을 결합한다. 이러한 하이브리드 시스템은 건물 단위는 물론 개별 주택까지 규모를 축소할 수 있다.

 바이오매스를 이용한 열병합 발전 
바이오매스는 사탕수수, 식물성 기름, 목재, 유기성 폐기물, 식품 및 농업 산업 잔류물과 같이 열이나 전기의 에너지원으로 재활용될 수 있는 모든 식물 또는 동물성 물질을 의미한다. 브라질은 현재 바이오매스를 이용한 에너지 생산 분야에서 세계적인 선두 주자로 인정받고 있다.

바이오매스를 이용한 발전 분야에서 특히 주목받는 것은 설탕 및 주류 산업으로, 주로 사탕수수 찌꺼기를 열 및 전기 에너지 생산을 위한 연료로 사용한다..

 열펌프와의 비교 
열펌프는 CHP(열병합 발전) 장치와 다음과 같이 비교할 수 있다. 열에너지를 공급하기 위해 터보 발전기에서 배출되는 증기를 시스템에서 가장 많이 생산하는 온도보다 높은 온도에서 취해야 하는 경우, 손실되는 전력 생산량은 마치 열펌프를 사용하여 발전기에서 더 낮은 출력 온도와 더 높은 효율로 전력을 취하여 동일한 열을 공급하는 것과 같다. 일반적으로 전력 1단위 손실당 약 90°C(194°F)의 열 약 6단위가 생성된다. 따라서 CHP의 유효 성능 계수(COP)는 열펌프에 비해 6배이다. 그러나 원격으로 작동되는 열펌프의 경우, 전력 배전망에서의 손실을 고려해야 하며, 그 손실률은 약 6%이다. 손실은 전류의 제곱에 비례하므로, 피크 시간대에는 손실이 이보다 훨씬 더 커진다. 따라서 열펌프가 도시 전체에 광범위하게 적용될 경우, 배전 및 송전망이 대폭 보강되지 않는 한 과부하가 발생할 가능성이 높다.

또한 열 수요를 주요 요인으로 하는 열 구동 운전과 열 펌프를 결합하여 운전하는 것도 가능하다. 이 경우 잉여 전력(열 수요가 결정적인 요소임)을 열 펌프 구동에 사용한다. 열 수요가 증가함에 따라 열 펌프 구동에 필요한 전력이 더 많이 생산되며, 이때 발생하는 폐열은 난방 유체를 가열하는 데에도 사용된다.

열펌프의 효율은 고온부와 저온부의 온도 차이에 따라 달라지기 때문에(온도 차이가 작을수록 효율이 높아짐), 가정 난방에는 적합하지 않은 비교적 낮은 온도의 폐열이라도 열펌프와 결합하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 15°C(59°F)의 냉각수를 충분히 저장해 두면, 영하 20°C(-4°F)의 추운 밤에 냉기를 이용하는 공기열원 펌프에 비해 냉각수를 이용하는 열펌프의 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 냉방과 온수 수요가 모두 높은 여름철에는 같은 냉각수를 에어컨에서 배출되는 폐열을 저장하는 "배출구" 역할과 온수를 공급하는 펌프의 "열원" 역할 모두에 활용할 수 있다. 이러한 점들을 고려하여, 지역난방에 일반적으로 사용되는 열원보다 훨씬 낮은 온도의 열을 이용하는 "저온 지역난방"이라는 방식이 개발되었다.

 분산발전 
대부분의 산업 국가는 대규모 전력 생산 능력을 갖춘 중앙 집중식 시설에서 전력 수요의 대부분을 충족한다. 이러한 발전소는 규모의 경제 효과를 누리지만, 장거리 송전으로 인해 송전 손실이 발생할 수 있다. 열병합 발전 또는 삼중 발전은 지역 수요에 따라 제약을 받기 때문에 때로는 수요에 맞춰 열이나 냉방 생산량을 줄여야 할 수도 있다. 대도시에서 열병합 발전 및 삼중 발전이 적용된 사례로는 뉴욕시의 증기 발전 시스템을 들 수 있다.

 비용 
일반적으로 가스 화력 발전소의 경우 전체 설치 비용은 kW당 약 400파운드(미화 577달러)로 대형 중앙 발전소와 비슷하다.

 같이 보기 
 열병합

 각주 

분류:발전소