재생 가능에너지를 효과적으로 활용 가능한 코제너레이션 융합시스템 개발

특히, 정전 및 순시전압 저하 대책의 역할을 담당하는 전원 시큐리티의 중요성이 강조되면서 BCP(사업 계속 계획)의 관점에서 자가발전 설비 적용시 에너지 효율이 높은 코제너레이션 융합시스템(이하 열병합발전)을 선택하는 케이스가 늘고 있다. 열과 전기를 조합해 발생시키는 열병합발전은 열과 전기를 종합적으로 이용함으로써 에너지 효율을 높일 수 있기 때문에 정전 대책과 함께 효과적인 에너지 활용 방법으로 큰 기대를 모으고 있다.

또, 재생 가능에너지로서 주목을 받고 있는 태양광발전도 전국 각지에서 보급이 진행돼 분산형 전원으로서 활약하고 있다. 태양광발전은 연료를 소비하지 않고 발전할 수 있기 때문에 비상시 전원으로 활용하는 것을 목적으로 설치하는 사례가 늘고 있다. 하지만 태양광발전은 날씨에 좌우되기 때문에 비상용 전원으로 사용하기에 사실상 불안정한 면이 있다. 따라서 정전시에도 안정적으로 가동하는 열병합발전과 조합함으로써 비상시에도 태양광발전의 전력을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템을 개발했다. 여기에서는 일본에서 개발한 열병합발전 시스템 및 설치 사례를 소개한다.

코제너레이션 시스템
이 시스템은 9.9〜35kW급의 마이크로가스엔진 열병합발전과 10kW급 태양광발전으로 구성된다(그림 1). 평상시에는 열병합발전과 태양광발전, 이 두 개의 발전시스템으로 건물에 전력을 공급해 상용 전력으로부터의 수전 전력량 삭감 및 피크 전력의 절감에 기여한다. 도입 시설에 대한 전력공급은 기본적으로 ① 태양광발전, ② 열병합발전, ③ 상용 전력 순으로 실시되며, 재생 가능에너지를 우선적으로 공급하는 것이 특징이다(그림 2).

정전시에도 열병합발전과 태양광발전 양쪽의 발전시스템에서 전력을 생산해 건물에 공급할 수 있으므로 태양광발전의 전력을 효과적으로 활용할 수 있다. 일사가 충분한 경우에는 태양광발전의 전력을 우선 공급하고, 흐린 경우 등에는 열병합발전으로부터의 전력 공급량을 늘려 태양광발전의 전력 변동을 열병합발전으로 조정한다. 열병합발전의 열 이용이나 비상용 전원이 유효한 시설로서는 병원이나 복지시설, 공장, 상업시설, 호텔 및 맨션 등을 들 수 있다.

코제너레이션 융합시스템 특징
이 시스템의 특징은 다음과 같다.
그 첫 번째는 열병합발전과 태양광발전으로 에너지를 자가생산 및 자가소비할 수 있다는 점이다. 현지에서 태양에너지 및 가스에너지로 전력을 생산해 상용 전력으로부터의 수전 전력량을 삭감해 전력 자급률을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 피크시 전력 절감에도 기여한다(그림 3). 태양으로부터의 일사가 충분한 경우에는 열병합발전과 태양광발전 양쪽으로부터 전력을 공급하므로 피크 전력을 절감할 수 있다.

두 번째는 정전시에도 열병합발전과 태양광발전으로 전력 공급이 가능하다는 점이다. 상용의 열병합발전과 태양광발전을 정전시에도 활용할 수 있기 때문에 일사 상황에 의존하는 태양광발전의 불안정함을 열병합발전이 실시간으로 커버함으로써 안정된 전력 공급이 가능하다. 일본 도요계기사의 마쓰모토 본사에 9.9kW의 열병합발전과 약 4kW의 태양광발전 설비를 설치해 이 시스템의 실증시험을 실시했다(사진 1).

이 시스템의 정전시 가동 상황 사례를 그림 4로 나타냈다. 열병합발전과 태양광발전 그래프에서 태양광발전의 변동에 따라 열병합발전이 발전 출력을 증감시켜 추종 운전을 하고 있는 것을 알 수 있다. 정전시에는 태양광발전이 우선적으로 중요 부하에 전력을 공급하고, 열병합발전이 추종하는 것을 확인할 수 있다. 태양광발전의 전력을 정전시에도 효과적으로 활용하는 동시에 일사가 충분해 발전 출력이 상승할 경우에는 열병합발전의 발전 전력을 억제해 연료 소비를 제한할 수 있다.

코제너레이션 융합시스템의 흐름
이 시스템의 흐름은 평상시와 정전시의 두 개로 나눌 수 있다. 평상시의 흐름을 그림 5에 나타냈다. 그림과 같이, 평상시에는 태양광발전과 열병합발전에서 일반 부하 및 중요 부하에 전력을 공급한다. 일반 부하란 정전시에는 사용되지 않는 부하를 나타내며, 중요 부하란 정전시에 전원을 확보하는 부하를 나타낸다. 축전지를 설치하는 시스템 구성도 가능한데, 이 축전지는 피크 전력을 절감하고 싶을 때 방전 혹은 정전시에 대비해 완전히 충전시켜 두면 된다.

정전시의 플로는 두 가지 패턴이다. 정전시 플로 1을 그림 6에, 정전시 플로 2를 그림 7로 나타냈다. 정전시 플로 1은 열병합발전과 태양광발전에서 중요 부하에 전력을 공급하는 구성을 나타낸다.

태양광발전의 전력을 우선적으로 중요 부하에 공급함으로써 열병합발전의 발전 출력을 억제하고, 소비 연료의 절약에 공헌한다. 소비 연료를 절약함으로써 정전시 열병합발전의 발전시간을 연장할 수 있게 된다. 축전지를 설치할 경우에는 열병합발전이 정지할 것을 대비해 방전은 하지 않는다.

정전시 플로 2에서 나타내는 것과 같이 열병합발전이 중요 부하에 전력을 공급하고, 태양광발전은 전용 부하에 전력을 공급하는 시스템 구성도 가능하다. 열병합발전이 정지할 경우도 고려해 열병합발전이 정지한 후에도 일사가 계속되는 한 태양광발전에서 전력을 공급하는 것이 가능하고, 축전지를 설치하고 있을 경우에는 축전지와 태양광발전의 양쪽에서 전력을 공급 할 수도 있다.

코제너레이션 융합시스템 도입 사례
이 시스템은 BCP 강화를 목적으로 일본 쓰쿠바가쿠엔가스의 본사 빌딩에 도입된 바 있다(사진 2). 이 회사에서는 2010년에 본사 신사옥 건설시 마이크로가스 열병합발전 25kW×2대를 설치했으며, 이렇게 설치된 열병합발전을 활용해 태양광발전 9kW 설비와 리튬이온 축전지 16.9kWh를 새롭게 설치해 코제너레이션 융합시스템을 실현했다.

이로써 정전시에는 열병합발전과 태양광발전 전력을 비상시 활동 거점이 되는 장소에 공급할 수 있게 됐으며, 정전시 열병합발전이 정지한 경우에도 태양광발전과 축전지로부터 전력 공급을 가능하도록 함으로써 안정적인 전원 확보에 기여하고 있다.

날씨에 좌우되는 태양광발전을 정전시에도 안정적으로 가동할 수 있도록 열병합발전과 조합함으로써 비상시에도 태양광발전의 전력을 효과적으로 활용할 수 있는 시스템을 개발했다. 앞으로도 사용자의 다양한 전원 수요에 유연하게 대응할 수 있도록 열병합발전이나 태양광발전, 축전지를 조합한 시스템을 보급할 계획이다.

이시다 히사시(Ishida Hisasi) & 오자와 아키야(Ozawa Akiya)
도쿄가스엔지니어링솔루션즈, 도요계기

본 기사는 日本工業出版이 발행하는 월간 クリ－ンエネルギ－와 기사협약에 의해 轉載한 것입니다.

SOLAR TODAY 편집국(st@infothe.com)

<저작권자 : 솔라투데이 (http://www.solartodaymag.com/) 무단전재-재배포금지>