가정용 전기발전 보일러 보급계획

Chosun, Biz 2015.11.06

가정용 전기발전 보일러를 이용하면 전기 요금을 깎아주는 제도가 마련된다. 일체형 태양광 모듈은 신재생에너지 설비로 인정받게 된다.

산업통상자원부는 6일 박근혜 대통령 주재로 열린 제4차 규제개혁 장관회의에서 이런 내용을 담은 ‘융합 신산업 창출을 위한 규제개혁 성과와 추가과제’를 발표했다.

산업부는 이번 회의에서 6개의 융합 신산업에 대한 규제 개선 등 지원 방안을 발표했다.

일체형 태양광 모듈은 설치와 수리가 간편하고 전력 손실이 적은 장점이 있다. 하지만 신재생에너지로 인정받지 못해 제품을 출시하기 어려웠다. 정부는 내년 말까지 일체형 태양광 모듈을 신재생에너지 설비 인증 대상에 포함시키기로 했다.

가정용 전기발전 보일러에 대한 지원책도 나왔다. 난방 보일러에 소형 발전기를 결합한 가정용 전기보일러는 열을 생산하면서 전기도 동시에 만든다. 하지만 전기요금을 계산할 근거가 없어 가정에서 실제 전기요금을 절감하는 효과는 없었다. 정부는 내년 6월까지 전기요금 상계거래 근거 규정을 만들기로 했다.

산업부는 또 IoT(만물인터넷) 융합제품을 위해 용도 자유 주파수 폭을 기존 7GHz에서 15GHz로 확대하기로 했다. 3차원(3D) 프린팅 산업 육성을 위해서는 모든 국가 산업단지에 3D 프린팅 산업 입주가 가능하도록 하고, 유해성과 안전성 등에 대한 평가 기준도 만들 예정이다.

스마트홈 시장 활성화를 위해서는 스마트홈 기기 간에 호환성을 시험할 오픈랩을 구축하고, 통신에 관한 KS 표준도 만들기로 했다. 탄소섬유 산업 활성화를 위해 올해 말부터 탄소섬유 압축천연가스(CNG) 용기 버스 시범사업 등을 진행할 예정이다.

이 밖에 정부는 그동안 각 부처가 개별적으로 시험·검사 기관을 지정하던 것을 앞으로 국가 단일 인정기구 체제로 개편하기로 했다. 이 밖에 실시간 기술규제 정보시스템을 구축하는 등 대국민 정보 서비스도 늘리기로 했다.

산업부는 또 지난 5월 자율주행차(무인자동차)와 무인항공기(드론)에 대한 실증·시범 특구를 지정해 운영하겠다고 발표한 것에 대한 후속 조치 결과도 발표했다. 산업부는 지난 8월 자율주행차 관련 법령 근거 조항을 만들고, 지난달 말 경부고속도로와 영동고속도로 일부 구간(41km) 및 경기도 지역 국도(410km)를 자율주행차 시험운행 구간으로 확정했다. 내년 2월부터는 이곳에서 자율주행차를 운행해도 된다.

무인항공기의 경우 부산 장사포 등 4개 지역을 시범 공역으로 설정하고, 15개 컨소시엄을 시범사업 사업자로 선정했다. 윤상직 장관은 “이번 대책이 성공적으로 이행될 경우 융합 신제품의 시장 진입 장벽을 낮추고 기업의 창의적 혁신 활동을 촉진할 수 있을 것”이라고 말했다.

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다기능 보일러란 온수보일러에 전기를 생산하는 여러 가지 복합기능을 수행하는 장치가 부착된 가스용품으로 대표적으로 스털링엔진 온수보일러가 이에 해당한다.

스털링엔진 온수보일러의 구조는 기존의 가정용 가스보일러에 전기를 발전하는 스털링엔진을 결합한 형태다. 밀폐된 스털링엔진 안의 가스를 서로 다른 온도에서 압축ㆍ팽창시켜 열에너지를 피스톤의 운동에너지로 전환하고 이를 다시 전자기 유도현상을 이용해 전기를 생산하는 원리다.

발전효율은 20%, 전체효율은 97%로 가정집의 1차 에너지를 약 25% 절감할 수 있고 온실가스는 기존 가스보일러 대비 연간 약 1Ton-CO2eq을 저감할 수 있어 향후 가정용 가스보일러를 점진적으로 대체할 것으로 기대된다. 
   

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참조기사: 스털링 엔진

출처: <Hello T>

스터링 엔진은 작동 공간 내의 온도차를 이용해 운전하는 외연기관으로 모든 고온 열원을 이용할 수 있는
장점이 있다. 따라서 바이오매스 연료나 태양열 등의 클린 에너지, 그리고 내연기관의 배기열이나 공장 배기열
등의 미이용 에너지를 유효하게 이용하는 기술로서 다방면으로 기대된다.

히라타 고이치(平田宏一)  해상기술안전연구소


배기열을 이용하는 스터링 엔진
지구 온난화 방지를 위한 이산화탄소 배출량 삭감 등의 환경 문제, 석유 가격 폭등 등의 사회적 배경으로 인해 환경·에너지 분야의 연구·개발이 활발하게 이루어지고 있다. 스터링 엔진은 작동 공간 내의 온도차를 이용해 운전하는 외연기관으로 모든 고온 열원을 이용할 수 있는 특징이 있다. 그러므로 바이오매스 연료나 태양열 등의 클린 에너지, 그리고 내연기관의 배기열이나 공장 배기열 등의 미이용 에너지를 유효하게 이용하는 기술로서 다방면으로 기대된다.
이 글에서는 스터링 엔진을 이용한 배기열 회수 시스템의 특징을 설명하고 필자 일행이 개발한 선박용 배기열 회수 시스템의 개발사례를 소개한다.

배기열 회수 시스템의 특징
(1) 각종 배기열 회수 시스템
산업 분야 혹은 선박 분야에서는 다양한 배기열 회수 시스템이 제안돼 실용화되고 있다.
예를 들어 대형 선박에서는 배기가스 이코노마이저라는 증기 보일러에 의해 배기열을 회수한다. 배기가스 이코노마이저에서 얻을 수 있는 증기의 열에너지는 선박의 공조나 급탕, 연료유 가열·보온 등에 이용된다. 또한 증기의 운동에너지를 이용해 증기터빈 발전기를 구동해 전기에너지로 이용하기도 한다. 한편 소형 선박이나 비교적 소규모의 육상 설비에서는 설치 공간의 제한으로 증기 보일러나 증기터빈 발전기를 설치하기가 어려워 디젤엔진의 배기가스를 그대로 대기에 방출하는 일이 많다.
그 외의 배기열 회수 시스템으로는 터보 차저의 회전축에 발전기를 설치해 배기열을 회수하는 터보 발전기가 제안됐다. 그리고 육상에서 사용되고 있는 내연기관에서는 열전 발전 모듈이나 소형 왕복동 증기엔진 등의 이용이 제안됐다. 외연기관인 스터링 엔진도 배기열 회수가 가능한 열기관의 일종이다. 각종 배기열 회수 시스템의 일반적인 특징을 표 1에 나타낸다.



(2) 배기열 이용 스터링 엔진
배기열 및 연소가스를 이용한 스터링 엔진의 기본 구성을 그림 1에 나타낸다.



배기열을 이용한 스터링 엔진은 배기열 에너지의 일부를 엔진 내에 도입하고 나머지를 출구 쪽으로 방출한다. 엔진 내부로 도입하는 열이 너무 많으면 배기가스 출구 온도가 저하되는 동시에 스터링 엔진의 작동 온도가 낮아져 엔진의 열효율이 떨어진다. 반대로 엔진 내부로 도입하는 열이 적으면 작동 온도가 올라가 열효율이 높아지지만 엔진 출력은 작아진다. 즉 배기열을 이용한 스터링 엔진은 적당량의 열을 도입해야 최대 출력을 얻을 수 있다.
한편 그림 1에 나타내는 바와 같이 연소가스를 이용한 스터링 엔진에서는 고온 열교환기 후류(後流)의 열을 이용해 연소용 공기를 예열하는 시스템을 적용할 수 있기 때문에 고효율화를 도모하기 쉽다. 이 차이가 배기열 이용 스터링 엔진의 고성능화에서 겪는 어려움이다.

배기열 이용한 스터링 엔진의 개발사례
필자 일행이 연구·개발한 스터링 엔진을 사용해 배기열 회수 시스템을 개발한 사례를 소개한다.

(1) 항만 내의 환경보전을 지향한 배기열 회수 시스템
필자 일행은 2005년부터 철도건설·운수시설정비지원기구의 기초적인 연구추진제도 하에 e스타 및 아즈마 해운과 공동으로 선박의 디젤엔진에서 방출되는 배기가스의 열을 이용해 배기열 이용 스터링 엔진을 연구·개발해 왔다.
그림 2는 배기열 회수 시스템의 개념도이다.



이 시스템에서는 400℃ 정도 되는 디젤엔진의 배기가스를 이용해 스터링 엔진을 운전하고 발전된 전기에너지를 선박 내의 배터리에 충전한다. 그리고 정박 중에 충전된 전기에너지를 선내의 전력으로 이용한다. 이 같은 시스템을 완성시키면 항만 내에서 디젤 발전기를 운전할 필요가 없어져 항만 내의 지역 환경을 개선할 수 있다.
개발한 스터링 엔진의 구조를 그림 3에, 엔진의 주요 사양을 표 2에 각각 나타낸다.





이 엔진은 1개의 실린더 내에 2개의 피스톤을 세로로 배치한 β형 형식이다.
운전 시에는 실린더의 위쪽에 배치된 히터 주위로 배기가스를 흘려보내 엔진 내에 봉입된 3~4MPa의 헬륨을 가열한다.
연구에서는 사진 1에 나타내는 바와 같이 3대의 배기열 이용 스터링 엔진을 개발하고 그것을 직렬로 배치하는 시스템을 구성했다.



이는 배기가스로 스터링 엔진에 도입되는 열에너지와 엔진 내 작동가스 온도와의 균형, 복수의 엔진을 사용하는 편이 배기열을 더욱 효율적으로 회수할 것으로 예상되기 때문이다.
그림 4는 육상에 설치돼 있는 4스트로크 디젤엔진(정격출력 257kW/ 420rpm)의 배기가스를 이용해 스터링 엔진 3대를 운전했을 때 측정한 결과 일례이다.



스터링 엔진의 출력성능은 배기가스 온도의 영향을 크게 받고 있어 400℃의 배기가스에서 1.3kW의 발전출력을 얻음을 알 수 있다. 그리고 엔진 효율(엔진에 도입된 열량에 대한 발전출력의 비율)은 7~8% 정도이고 배기열 회수율(전체 배기가스 열량에 대한 발전출력의 비율)은 1% 정도다.
이 배기열 회수 시스템은 육상에서 운전시험을 마친 후 아즈마해운 소유의 시멘트 운반선 ‘퍼시픽 시갈’에 탑재돼 실제로 해역 필드시험이 이루어졌다. 그리고 배기열 회수에 의해 충전된 배터리를 사용해 선내 전력의 일부에 전력을 공급하는 등 본 배기열 회수 시스템의 유효성이 실증됐다.

(2) 전기 추진선에 탑재한 배기열 회수 시스템
e스타는 2010년부터 철도건설·운수시설정비지원기구의 고도 선박 기술 실용화 조성 지원금을 받아 필자 일행, 아즈마해운과 함께 새로운 배기열 회수 시스템을 개발해 사이키기선 소유의 전기 추진선 카누요마루(鶴洋丸)(사진 2 참조)에 탑재했다.



그림 5는 전기 추진선에 탑재한 목표 발전출력 3kW의 배기열 이용 스터링 엔진이고 표 3은 엔진의 주요 사양이다.





기본 구조는 그림 3에 나타낸 스터링 엔진과 거의 동일하지만 고출력화를 위한 엔진의 대형화, 내구성 향상을 위한 주요 부품은 수정되었다.
배기열 이용 스터링 엔진의 제어 시스템에는 적절한 발전출력을 안정적으로 얻을 수 있을 것, 사용자가 시스템을 정지시키고자 할 경우나 시스템에 이상이 발생했을 경우 스터링 엔진을 확실하고 신속하게 정지할 수 있을 것 등의 성능이 요구된다.
배기열 회수 시스템에 사용한 제어 시스템은 인버터·컨버터를 사용해 발전기의 회전수를 제어함으로써 발전운전을 안정적으로 할 수 있고 이상 시에는 엔진을 확실하게 정지할 수 있도록 여러 가지로 연구돼 있다. 그림 6은 제어 시스템의 기본 구성으로, 연계 컨버터에 의해 선내 전력 AC 100V와의 계통 연계 운전이 이루어진다.



이 배기열 회수 시스템은 2011년 10월 선박에 탑재됐다. 그림 7은 실제로 운항 개시 후 73시간 연속 운전했을 때의 로그 데이터다.



운항 시 및 정박·하역 시에도 스터링 엔진은 대체로 안정적으로 운전하고 있다. 운항 시 디젤 발전기의 출력은 600kW 정도, 배기가스 온도는 310℃ 정도, 스터링 엔진의 발전출력은 2~2.5kW다. 실운항 개시 직후의 운전이었기 때문에 작동가스의 봉입 압력을 2.5MPa 정도로 하고 있어 정격 설계 조건보다도 약간 낮았다. 그러므로 발전출력은 목표인 3kW에는 이르지 않았다. 앞으로 시스템의 안전성·신뢰성을 확인한 다음 정격 조건으로 운전할 것이다.
본 배기열 회수 시스템을 설치하고 나서 현재까지 약 3개월간 운전한 시간은 약 620시간이고 총발전량은 약 1,246kWh다. 현재 스터링 엔진의 발전출력은 3kW 정도로, 선박용 배기열 회수 시스템으로서 에너지 절감 효과가 충분하다고는 말하기 어렵지만 스터링 엔진을 사용한 배기열 회수 시스템의 실용화에 첫걸음을 내디뎠다고 본다.

실용과 보급을 향한 기술과제
필자 일행이 개발한 2종류의 배기열 회수 시스템은 선박 탑재를 목표로 했지만 요소기술은 공장 배기열 등 육상의 산업 분야에도 적용할 수 있다.
스터링 엔진을 사용한 배기열 회수 시스템의 특징, 그리고 실용과 보급을 향한 기술과제는 다음과 같다. ① 배기열 회수 시스템은 배기열이 배출되는 기간 내내 에너지를 회수할 수 있기 때문에 가동시간이 길다. 이는 태양열 등의 자연에너지를 이용하는 기기보다 더 우위에 있다.
② 배기열 이용 스터링 엔진은 증기를 이용한 배기열 회수 시스템에 비해 시스템 구성이 간단해 시스템을 설치하기가 쉽다.
③ 고압의 작동가스 조건으로 운전하는 스터링 엔진은 내압 구조의 제한을 받기 때문에 수백kW 이상의 대출력화가 어렵다. 그리고 다른 배기열 회수 시스템에 비해 제조비용이나 엔진 치수·중량 면에 과제가 있다. ④ 스터링 엔진의 출력성능은 열원 온도의 영향을 크게 받는다. 시스템의 치수와 성능을 고려했을 경우 200℃ 이하의 저온 배기열에 대응한 실용 시스템을 구성하기는 어렵다.
⑤ 배기열 이용 스터링 엔진에서는 고성능의 고온 열교환기(히터) 개발이 중요하다. 배기가스 중의 그을음 부착이나 내부식성에의 대응과 더불어 교환 열량을 증대시킬 필요가 있다.
이상으로 미래에 활약할 수 있는 에너지 절감·환경기술의 하나로 스터링 엔진을 사용한 배기열 회수 시스템을 소개했다. 스터링 엔진은 물론 지금까지 대기로 방출했던 배기열로부터 전기에너지를 회수하는 기법은 가까운 미래에 필요한 에너지 절감 기술이다. 현재의 배기열 이용 스터링 엔진은 성능이나 비용 면에서 아직 실용·보급 기술에는 이르지 못했지만 개발 실적을 쌓아 저렴하고 신뢰성 높은 시스템을 완성시킨다면 에너지 유효 이용 기술로서 유용할 것이다.

스털링보일러가 대세가 될까요? ....기사 중에 <자율주행차>와 <무인항공기> 운행 지역을 선정한다는 것도 흥미 있습니다. 우리나라는 국토면적 대비 높은 인구밀집도로 인해 도로교통시스템과 통신시설이 잘 발달했습니다. 도시의 수많은 가로등, 교통관제시스템 등에 자율주행 자동차(무인운전 자동차)와 무인항공기(드론)을 위한 센서와 정보시스템 등을 융합하면 굉장한 부가가치를 창출할 수 있겠다고 생각한 적이 있었는데,

정부나 관련기관에서 좀더 적극적으로 신사업 육성에 나섰으면 하는 바램입니다. Fast Follow 전략 때문에 미국 등의 눈치를 보는 것 같습니다만, 이제는 신기술 표준을 선도하지 않고는 성장동력을 얻기 힘든...고도성장사회 - 선진국의 문턱 - 에 진입한 우리나라입니다. 좀 더 적극적으로 신성장산업을 모색했으면 좋겠다는 바램을 갖습니다.

무한 에너지 생각해봄니다...ㅎㅎㅎ