발전소 잉여 수송열을 이용한 열전발전 시스템 개발한국전기연구원(www.keri.re.kr)열전변환기술팀 박수동 선임연구원(055)280-1636 / john@keri.re.kr개발 기술 배경지구환경 보존을 위한 국제적 노력의 일환으로 97년 12월에 비준된 ‘교토의정서’가 있다. 교토의정서에 따르면 미국, 일본, 영국 등의 선진국을 우선 적용 대상으로 하여 2008~2012년 5년 동안 온실가스 배출량을 90년(기준년도)에 비해 평균 5.2%를 강제적으로 줄여야만 한다. 우리나라는 인도, 중국 등과 함께 아직까지는 의무감축국에서 제외되어 있지만, 화석연료 의존도가 74.7%, CO2 배출량이 2.39백만 TC로 세계 10위인 우리나라의 경우 지속적으로 온실가스 감축 압력을 받을 것은 자명하다. 특히 현재 조건으로 우리나라가 온실가스 감축에 동의할 경우, 최악의 시나리오로 2010년 국내총생산(GDP)이 80년대 중반 수준으로 후퇴할 수도 있을 것으로 예측되는 만큼, 이에 대한 대응책이 매우 시급하며 정부에서도 범국가적 대응책을 마련하고 있는 실정이다. 특히 에너지 생산기지로서 다양한 열원과 배송열원으로 구성되는 발전소의 열 공해 및 에너지 소비 효율 향상은 그 설비 특성상 향후 시행될 CO2 배출권 관리를 위한 우선적 관리 대상이 될 수밖에 없을 것으로 예상되므로 그 대책이 매우 시급하다. 이에 한국전기연구원 열전변환기술팀과 한국동서발전㈜, ㈜우창엔지니어링은 공동으로 발전소 열원의 효과적 활용과 생산 효율 향상을 위해, 기존 방식으로는 활용이 어려운 100℃ 내외의 열원을 재활용하고자 신에너지 기술로 부각되고 있는 열전발전 기술의 적용 가능성을 조사 평가하여, 발전소 잉여 수송열을 이용한 열전발전 시스템을 개발했다. 현재까지 열병합발전소는 가스터빈을 통한 기본 발전 구조와 이 과정에서 발생한 열을 가장 효율적으로 재활용하여 발전과 난방용 가정 온수 등으로 공급하는 시스템으로, 열병합발전소에서는 순수 의미에서의 폐열은 ‘없다’고 표현할 수 있다. 그럼에도 하절기에 발생하는 잉여 난방수, 각종 기기로부터 발생하는 방사열, 복수기 등에서의 배열, 배관부에서 유출되는 고온 유출수 등과 같은 미활용 열원들과 함께, 이송 열원매체의 수송을 책임지는 각종 고압 배관에는 다양한 잉여 수송열 등과 같은 미활용 열원들이 존재하므로 이들의 활용을 통해 에너지 생산 효율을 증가시킬 필요성이 있다. 본 개발에서는 복합 발전소 내에 다양한 형태로 배송되고 있는 150℃ 내외의 저급 잉여 수송열을 이용한 열전발전 가능성을 평가하고 조사함으로써, 작업성과 안정성 및 경제성 차원에서 그 효용가치가 큰 저온열의 재활용 방안을 열전발전기술을 통해 도출하고자 하였다. 단, 본 개발에서는 현재 기동 중인 발전 설비를 이용해 시스템을 구축했기에 안정성을 기반으로 한 전력기기의 운용을 위해 충분한 실증 결과와 응용 방안들이 직접적으로 적용될 수 없었음을 밝힌다. 또한 향후 추가 실증 연구를 통해 본 기술 개발로 얻어진 열전발전 기술의 응용 가능성이 차세대 고효율 발전설비 개발에 적극적으로 이용될 수 있기를 기대한다. 기술 개발 의의 본 연구를 통하여 개발된 5㎾급 열전발전기는 발전소에서 발생하는 잉여 배열만을 이용하여 전력을 생산함으로써 현재 사용 가능 에너지로의 재생이 어려워 폐기되고 있는 발전소 내의 미활용 저온열도 에너지화할 수 있다는 것을 나타내는 중요한 기술적 성과물이다. 이 결과의 본격적 응용을 통해 향후 발전소의 발전 효율 향상에 크게 기여할 수 있을 뿐 아니라 산업전반에 전량 회수되지 못하고 폐기되고 있는 100℃급 저온열을 전력화할 수 있어 산업전반에 미치는 효과가 지대할 것으로 예상된다. 또한 발전소·소각설비 사업장·제강·제철·섬유업체·제지업체 등과 같이, 많은 배열과 폐열을 발생시키는 주요 에너지다소비 업장에서 응용이 가능해 산업전반에 있어 에너지 생산 및 소비효율 향상, CO2 배출 억제 및 열 공해 문제를 동시에 해결할 수 있다는 친환경적 이점이 매우 크다. 이 같은 이유로 최근에는 국제적으로도 지구환경문제에 대응한 지속가능한(Renewable) 대체 에너지 생산 수단으로 새롭게 부각되어 관련 연구들이 적극적으로 수행되고 있다.열전발전 기술 원리 및 구조 열전발전(Thermoelectric Power Generation) 기술이란 ‘물질에 가해지는 열 차이(온도차)에 의한 전기에너지 발생 현상(Seebeck효과)을 이용하여 전력을 생산하는 것’으로 산업 배·폐열, 자연 열, 체열 등과 같은 다양한 열원을 이용한 발전(전력생산)이 가능할 뿐만 아니라 정밀, 급속냉각 등이 가능한 미래형 친환경 에너지 변환기술이다. 기본적으로 열전발전은 p형과 n형으로 구성된 열전반도체 상하단에서 온도차가 조성될 경우, 여기된 캐리어(정공, 전자)의 이동에 의해 열기전력이 발생한다. 이를 전극을 통해 서로 연결하고 소정의 부하를 회로적으로 구성하면 전류의 흐름이 발생하여 전력을 생산하게 된다. 이와 같은 기본 원리에 따라 열전발전은 태양광 발전과 같이 반도체에 의한 직류전류 생산을 그 특징으로 한다. <표 1>은 열전발전 시스템의 장단점을 요약한 것이다.통상적으로 열전발전용 모듈은 <그림 1>에서와 같이 p와 n형으로 구성된 열전반도체 소재가 일정한 쌍으로 전극을 통해 직렬화된 단위체로, 열전발전 시스템 역시 기본적으로 이들의 적정한 직·병렬 조합을 통해 구성된다.