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스터링엔진 가정용 열병합발전 개발 착수

스터링엔진 가정용 열병합발전 개발 착수

  • 기자명 정욱형 기자
  • 입력 2009.10.22 10:07
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2015년까지 150억 투입, 유럽도 개발진행중인 미래기술

콘덴싱 가스보일러와 스터링엔진이 만난다. 전기도 생산하고 난방과 온수도 한꺼번에 해결하는 가정용 스터링엔진 열병합발전 시스템 개발이 국내연구진들에 의해 진행되는 것이다. 스터링엔진은 이론적으로 고효율 저오염 저진동 부분부하에서의 우수한 성능 등 잠재력이 많은 첨단기술 분야일 뿐만아니라 태양광, 태양열, 바이오매스 등 각종 신재생에너지를 열원으로 함께 사용할 수 있어 가스 수요확대는 물론 가정용 스마트그리드를 실현시킬 매개로 사용될 수 있어 관심이 집중되고 있다.
가정용 스터링엔진 열병합발전시스템은 에너지절감과 온실가스 저감효과가 탁월해 유럽, 일본, 미국 등 선진국을 중심으로 2010년부터 상용화 보급할 예정으로 있는 미래기술이다. 스터링엔진의 원천기술은 미국의 Microgen, Infinia와 뉴질랜드의 Whispergen 등이 갖고 있다. Vaillant, Viessmann, BAXI 등 대부분 유럽의 보일러사들은 미국의 Microgen과 Bosch그룹과 일본 RINNAI는 미국의 Infinia와 개발 중이다.

너지기술개발사업 중 에너지효율향상기술로 ‘초소형 가정용 1kW급 스털링엔진 열병합발전시스템 개발’ 연구가 2012년 5월까지 3년간 총 150억6000만원이 투입돼 진행된다. 경동나비엔이 총괄주관하고 한국기계연구원, 한국에너지기술연구원, 한양대학교, 국민대학교, 한국가스안전공사 등 대학ㆍ연구기관이 참여한다.

▲ 지난 10월 13~16일 동안 열린 2009 대한민국 녹색에너지대전에 참가한 경동나비엔 부스에서 관람객들이 스터링엔진을 관심있게 살펴보고 있다.
가정용 스털링엔진 열병합발전 시스템은 기존 가정용 보일러 대신 스털링엔진과 콘덴싱보일러를 통합해 전기, 온수, 난방에너지를 동시에 공급함으로써 발전효율 25%, 총괄효율 93%이상을 실현할 수 있는 저탄소 고효율기기이다.

이번 시스템 도입으로 가정에서 전기와 가스를 포함해 연간 에너지비용의 30% 이상을 절감할 수 있으며 기존 일반보일러를 설치한 주택과 대비한 온실가스 저감량은 연간 약 1 Ton-CO₂eq에 달한다는 것이 연구참여진들의 설명이다.

또한 기존 가정용보일러와 설치방법, 장소가 유사해 손쉽게 대체할 수 있으며 도시가스 공급망을 그대로 사용할 수 있어 녹색에너지기기를 보급하는 사회적 비용이 절약되는 장점을 가지고 있다.

현재 초소형 스털링엔진 열병합발전시스템의 국내 기술개발 수준은 보조열을 생산하는 고효율 콘덴싱보일러 부분에서는 해외 선진국과 기술차이는 없으나 스털링엔진과 열병합발전시스템 부문은 기술격차가 크고 개발경험이 부족한 상황이다.

그러나 이번 기술 개발을 통해 국내에 설치된 1040만대 가스보일러를 대체함으로써 에너지효율 향상과 온실가스를 저감할 수 있을 뿐만 아니라 저탄소 녹색제품의 해외시장 진출을 선도하게 될 것이라는 것이 경동측의 설명했다.

이번 과제의 총괄책임자인 김용범 경동나비엔 에너지기술연구소장은 “고효율 친환경 콘덴싱기술을 국내에 상용화한 20여년 노하우를 살려 국내 여건에 가장 손쉽게 적용할 수 있는 초소형 열병합발전 기술을 2012년까지 선진국 수준으로 끌어올려 국가 에너지절감과 온실가스 저감에 기여하겠다”라며 “보일러 및 온수기 수출을 주도하고 있는 당사로서는 연간 2000만대에 달하는 세계 시장에서 경쟁력이 더욱 강화될 것”이라고 포부를 밝혔다.

 

TIP1    스터링엔진이란?

스터링엔진은 작동 유체(AIR)가 가열, 팽창, 냉각, 압축과정을 거치는 열역학적인 밀폐재생사이클에 의해 열에너지을 변화시키는 기계적 장치로 1816년 영국의 Robert Stirling에 의해 개발됐다. 스터링엔진의 열역학적 효율은 Carnot Cycle에 가장 가까운 높은 이론적 열효율을 가지며, 외연기관으로 다양한 열원의 활용이 가능하다. 또한 내연기관 특유의 폭발 가능성이 없어 소음·진동이 적으며, 연료 분사 밸브 등 각종 주변 장치가 생략됨으로서 기계적 구조가 간단하고, 고장 및 수리요인이 적은 장점이 있어 최근 환경에 대한 관심이 높아지면서 유럽 일본 등 선진국에서 연구가 활발히 진행되고 있다.

최근 LG전자 한국과학기술원 한국기계연구원 한국에너지기술연구원 포스코 현대건설 등에서 스터링엔진과 관련한 열교환기술, 연소실의 설계, 재생에너지 이용 등으로 특허를 출원해 가정용뿐만 아니라 상업용 등에서의 연구가 진행되고 있음을 반영한다.

 

TIP2    가정용 열병합발전 시스템이란?

열병합발전시스템은 어떤 에너지원으로부터 발전을 하고 나오는 폐열을 회수하고, 이를 효과적으로 이용함으로써 전체 에너지 이용 효율을 높인 시스템으로 ‘총합에너지시스템(TES)’ 또는 ‘CHP(Combined Heat and Power)’라고 한다.

소규모 열병합발전이란 통상 발전용량이 200kW 이하인 시스템을 의미하며, 가정용 열병합은 일반적으로 1kW용량을 말한다. 가정용 내지 주거용 열병합발전시스템은 원동기에 따라 왕복동 내연기관, 소형터빈, 연료전지, 스터링엔진 등 4종류가 있다.

 

 

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