[분산전원의 개발 추이와 실증 ①] 열병합 발전 시스템의 도입 추이와 세계 각국 비교

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[분산전원의 개발 추이와 실증 ①] 열병합 발전 시스템의 도입 추이와 세계 각국 비교

2013년 9월 3일 (화) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2013년 9월호 - 전체 보기 )

[분산전원의 개발 추이와 실증 ①]
열병합 발전 시스템의 도입 추이와 세계 각국 비교

일본의 열병합 발전 시스템은 2009년 말 누적에서 발전 용량이 9440㎿, 설치 건수가 8444건에 이르고 있다. 이 중 산업용 열병합 발전 시스템은 발전 용량 7473㎿ 설치건수 2125건으로 전체 발전 용량의 약 89%를 차지하고 있다. 국내와 유사하게 대부분의 연료를 수입하고 있는 일본 열병합 발전 시스템은 그 비율이 원유 가격 추이 등 글로벌 정세와 국내 정책의 방향에 따라 달라지고 있다. 한편, 일본은 2020년까지 천연가스를 기반으로 한 열병합 발전 시스템을 현재의 50%, 2030년까지 배로 늘린다는 목표를 세우고 있다.

번역·정리 전화영 객원기자

본고에서는 (재)천연가스도입촉진센터 에너지고도이용촉진본부 및 그 전신前身에 해당하는 일본열병합발전연구회, 일본열병합발전센터의 그동안의 성과를 토대로 일본의 열병합 발전 시스템(이하, CGS) 도입 추이와 요인 분석, 일본과 해외의 CGS 도입 비교 등을 서술한다.

일본의 CGS 도입 추이

에너지고도이용촉진본부에서는 1986년부터 회원 앙케이트를 바탕으로 일본 내 산업용과 민생용 CGS의 도입 실적 데이터를 수집·분석해왔다. <그림 1>은 일본 내 산업용·민생용 CGS의 누적 발전 용량과 누적 설치 건수의 추이를 나타낸 것이다. 2009년 말(2010년 3월 말 시점) 누적에서 발전 용량이 9440㎿, 설치 건수가 8444건에 이르렀다. 한편, 이 데이터들은 철거된 CGS를 빼고 현재 설치된 CGS의 발전 용량과 설치 건수를 나타낸다. 산업용 CGS는 <그림 1>에서 보이듯이 2010년 3월 말 시점의 누적에서 발전 용량 7473㎿, 설치 건수 2125건으로, 전체 발전 용량의 약 80%, 전체 설치 건수의 약 1/4을 차지한다. 단순평균으로 하면 한 시설당 3.5㎿로, 비교적 대형 CGS가 설치된 셈이다. 민생용 CGS는 누적에서 발전 용량 1967㎿, 설치 건수 6319건으로, 전체 발전 용량의 약 20%, 전체 설치 건수의 약 3/4을 차지한다. 단순평균으로 하면 한 시설당 0.31㎿로, 비교적 소형 CGS가 설치된 셈이며, 산업용 CGS 규모의 1/10 이하 수준이다.

<그림 2>는 CGS의 누적 설치 건수의 연료별 비율을, <그림 3>은 누적 발전 용량의 연료별 비율을 나타낸 것이다. 연료별 설치 건수 비율에서 도시가스·LPG를 연료로 하는 CGS는 전체의 2/3 이상을 차지하며, 중유 CGS는 1/4 정도에 그친다. 그런데 연료별 발전 용량 비율에서 도시가스·LPG를 연료로 하는 CGS는 전체의 1/2 정도에 그치며, 중유 CGS는 1/3이 넘는다. 이는 도시가스·LPG로는 마이크로 CGS 등과 같은 소형 CGS의 설치 건수가 많은 데에 따른 것이다.

<그림 4>는 일본 내 연도별 CGS의 발전 용량과 설치 건수의 도입 추이를 나타낸 것이다. 이 데이터는 당해 연도에 신설·증설된 CGS(발전 용량과 설치 건수)에서 철거된 CGS를 뺐다. 누적값 추이에서 매끄러운 상승을 보이던 발전 용량도 연도 기준 추이에서는 연도마다 꽤 불규칙한 모습을 보인다. 연도별 CGS의 도입 추이를 설명하는 단계에서 우선 글로벌 지표로‘원유 가격 추이’를 들 수 있다.

<그림 5>는 세계정세와 원유 가격 추이를 나타낸 것이다. 이 그림에서 세계정세에 따른 원유 가격의 변동(안정/급등/폭락) 경위를 살펴볼 수 있다. 예컨대 원유 가격은 1987년부터‘고정 가격제’로 이행하면서 안정세를 보이다가 1990년‘이라크의 쿠웨이트 침공(8월)’, 2003년‘제2차 이라크 전쟁 발발’, 2007년‘서브프라임 문제 대두’로 급등되고, 2008년 이후‘리먼 사태’가 발단이 된 세계 금융 위기에서 폭락했다.

다음으로 일본 내 고유의 로컬 지표로‘전력 자유화(규제 완화) 시책 시행’을 들 수 있다. 자세하게는 아래와 같은 일본 정부가 행한 가이드라인 제정·제도 개혁이 여기에 속한다.

•1986. 8: 계통 연계 기술 요건 가이드라인 제정. 열병합 발전 등과 같은 분산형 전원을 전력 계통에 연계할 경우의 기술 요건 책정.

•1995.12: 제1차 전기사업제도 개혁(발전 부문에 시장 원리 도입). 전력 도매 사업에 독립계 발전 사업자(IPP)의 신규 참가.

•2000. 3: 제2차 전기사업제도 개혁(소매 부문에 경쟁 도입). 전력 소매 사업(2000㎾ 이상)에 특정 규모 전기 사업자(PPS)의 신규 참가.

•2004. 4: 제3차 전기사업제도 개혁(소매 부문에 경쟁 확대). 소매 자유화 범위를 500㎾ 이상의 고압 수요가로 확대.

이상, 설명한 글로벌 지표(원유 가격 추이)와 로컬 지표(전력 자유화 시책 시행)를 <그림 4>에 중첩한 결과가 <그림 6>이다. 이 그림에서 글로벌 지표와 로컬 지표, 연도별CGS 발전 용량의 관계를 연도순으로 살펴보면,

•1987~1990: 글로벌 지표‘고정 가격제 이행으로 원유 가격이 안정/하락’→ 이 시기 설치된 CGS의 발전 용량은 매해 300㎿를 초과.

•1991~1993: 글로벌 지표‘걸프 전쟁 발발로 원유 가격이 일시적으로 인상’→ 1992년도는 CGS 발전 용량이 일시적으로 200㎿까지 하락.

•1996~1999: 로컬 지표‘전력 도매 자유화로 분산 전원에 대한 기대가 높아짐’→ 1996년도는 CGS 발전 용량이 500㎿를 넘기고, 이후에도 400㎿에 임박.

•2000~2005: 로컬 지표‘전력 소매 자유화로 분산 전원에 대한 기대가 더욱 높아짐’→ 2004년도는 CGS 발전 용량이 700㎿를 넘기고, 그 외 연도에서도 500㎿에 임박.

•2006~ : 글로벌 지표 <제2차 이라크 전쟁과 서브프라임 문제 대두, 그 후 세계 금융 위기로 원유 가격 상승> → 이 시기에 CGS의 발전 용량은 급격하게 감소함.

이와 같은 상관성이 있음을 확인할 수 있다. 즉, 일본 내에서 CGS의 도입 추이는 위의 두 개의 지표에 의해 거시적 경향을 설명할 수 있다. 이처럼 원유 가격 추이(천연가스 가격도 연동)와 전력 자유화 시책 시행은 일본 내 CGS 보급에 큰 영향을 미쳤다.

일본과 해외의 CGS 도입 비교

해외에서는 열병합 발전(Cogeneration)을 하는 장치 또는 시스템으로 CHP(Combined Heat and Power)라는 용어가 일반적으로 쓰인다. 최근에는 ‘열+전기’출력에‘난방·냉방’또는‘수소’를 첨가해 쓰리 제너레이션Tri-generation, 폴리 제너레이션Poly-generation이라는 용어도 사용한다. <그림 7>은 IEA(International Energy Agency: 국제에너지기구) 가맹국에서 제출한‘자국 내 전체 발전 용량에 대한 CHP 발전 용량 비율’(2006년 시점)을 나타낸 것이다. 이 그림을 보면 CHP 발전 용량 비율이 낮은 국가부터 높은 국가순으로 배치됐으며, 일본은 CHP 발전 용량 비율 3.4%(발전 용량 8.7GW)로, 22개국 중 20위에 위치한다. 전체를 보면 덴마크·핀란드·네덜란드·헝가리·폴란드 같은 유럽 국가와 러시아가 상위에 위치하며, 그 다음으로 중국과 미국·캐나다 같은 북미 국가가 잇달아 위치한다. 한편, 여러 국가의 데이터에는 CHP 발전 용량에 증기터빈을 포함하나, 일본의 데이터에는 증기터빈을 포함하지 않았음에 주의한다.

<그림 8>은 유럽 각국의 CHP 발전 용량의 원동기별 내역을 나타낸 것이다. 이 그림은 유럽 각국의 CHP 발전 용량에 대해 내연 기관·가스터빈(GT)·컴바인드 사이클(Combined Cycle: CC)·복수식復水式증기터빈(복수 ST)·배압식 증기터빈(배압 ST)과 같은 원동기별 발전 용량 비율에다가 EU 25개국/15개국/10개국의 평균값을 보여준다. CHP 발전 용량이 큰 독일·영국·이탈리아를 주목해보면, <그림 8>에서 독일은 배압 ST의 비율이 70% 이상을 차지하고, 영국과 이탈리아는 증기터빈(=배압 ST+복수 ST)의 비율이 50%가 넘는다. EU 25개국의 평균값도 증기터빈의 비율이 60%가넘음을 알 수 있다. 따라서 <그림 7>의 CHP 발전 용량 비율에서 증기터빈을 제외한 원동기의 CHP 비율은 독일 약 4%, 영국 약 3%, 이탈리아 약 4.5%로, 일본의 CHP 비율(3.4%)과 비슷한 정도의 값이 된다. 결국 증기터빈을 제외하면 일본의 CHP 발전 용량 비율은 다른 선진국에 비해 특별히 낮은 값은 아니다.

다음으로 <그림 9>는 OECD에 가입한 세계 각국이 IEA에 제출한, 2015년과 2030년 자국 내 전체 발전 용량에 대한 CHP 발전 용량 비율의 보급 전망(예상치)을 나타낸 것이다. 이 그림에서도 여러 해외 국가에서 CHP 발전 용량에 증기터빈을 포함했다. <그림 9>에서 일본의 CGS 보급 전망은 2015년 기준에서 6% 정도이며, 남아프리카공화국이나 브라질 같은 개발도상국과 비슷한 정도다. 2030년 기준에서는 15%(발전 용량: 29.4GW)에 이르나, G8국가(캐나다·프랑스·독일·이탈리아·일본·러시아·영국·미국) 중에서는 보급 전망이 가장 낮음을 알 수 있다. 한편, G8+5국(G8과 브라질·중국·인도·멕시코·남아프리카공화국)의 평균 보급 전망은 2030년 기준에서 24%로, 일본의 보급 전망의 1.5배 이상으로 예측했다. 이처럼 G8+5국과 일본의 CHP 보급 전망에서 나타나는 차이는 주로 자국에서 산출되는 연료 종별과 CHP에 대한 자국 내 정책·시책에 기인하는 것으로 보인다.

일본 정부는 2010년 6월에‘에너지 기본 계획(제2차 개정)’을 내각 회의에서 결정했다. 이 기본 계획 안에는 천연가스 CGS를 2020년까지 현재 상태에서 50% 증가(총 8GW), 2030년까지 배로 늘리는(총 11GW) 도입 목표가 들어가 있다. 이 목표를 달성하고자 현재 관계 부처를 중심으로 구체적인 시책을 검토하고 있어 향후 활발한 보급 촉진이 기대된다.