천연가스를 이용한 열병합발전

오늘은 LNG를 이용한 발전 편입니다. 
여러분들은 기존의 발전들의 효율이 어느 정도인지 아시나요? 100%의 효율 중에 얼마나 사용할 수 있다고 생각하나요?
절반은 사용하겠죠? 라고 생각하신다면 실망하실 겁니다.. ㅠㅠ
기존의 발전들은 보통 종류에 따라 다르지만 40%대의 효율정도를 보여줍니다. 생각보다는 손실에너지와 버리는 에너지가 큰 것입니다. 그렇다면 오늘 소개할 열병합 발전의 효율은 얼마일까요? 대략 80%의 효율을 가집니다. 왜 그럴 수 있는지 한 번 알아보죠.

열병합발전이란?

두 가지의 열기관 사이클을 조합하여 발전하는 방식을 말합니다. 여기서 대표적으로 사용하는 소스가 가스인 LNG이고 사용하는 발전 사이클은 가스터빈을 활용한 사이클 증기터빈을 이용한 사이클입니다. 이렇게 하면 기존의 40%대의 전기생산 효율이 40% 정도에서 10% 정도 향상된 50%의 효율을 가집니다.
아까 80%라고 그랬는데… 네 맞습니다!!
50%는 전기 발생 효율이구요. 30%는 열로 사용합니다. 즉, 전기로 바꾸지 않고 열 그대로 지역난방에 사용하는 것이지요. 전기+열이라는 방식으로 똑같은 열량 대비 효율이 80%를 보여주게 됩니다.
그럼 여기서 사용하는 두 사이클에 관해서 알아보겠습니다!!

랭킨 사이클

증기 터빈에 해당하는 사이클입니다. 여기서 사이클이라는 것은 열에너지를 일로 사용하기 위해 순환하는 회로라고 생각하시면 됩니다.
과정은 등엔트로피 압축→등압 가열→등엔트로피 팽창→등압 방열의 과정으로 순환됩니다.
말로 풀어보겠습니다. 여기서 엔트로피는 무기력도를 나타내는 척도이므로 엔트로피가 일정하다는 것은 외부에서 들어온 열원이 없다는 말입니다. 즉 이 사이클에 새로운 열원이 없다라고 생각하시면 됩니다.

자 그럼 처음부터 따라가 보죠. 등엔트로피 압축을 하는 시점입니다. 이 시점은 위 계통도에서 펌프가 물에 압력을 가해 보일러에 집어넣는 과정입니다. 이 시점에서 펌프는 등엔트로피 압축을 합니다. 압축은 압력을 가하니까 이해가 가실거라고 생각하고 등엔트로피에 대해서 설명하겠습니다. 실제 압력을 가하면 어떻게 되나요? 내부 압력이 증가하고 유체끼리와 펌프 벽과의 충돌이 높아져서 열이 발생하겠죠? 이러한 손실로 열이 밖으로 방출되고 엔트로피는 낮아지는 것이 정상입니다. 하지만 이 과정을 순식간에 진행했다고 생각해보죠. 순식간에 열이 빠져나갈 틈도 안 주고 압축을 해서 보일러로 밀어 넣었다고 생각해보세요. 그럼 손실은 생각만큼 크지 않습니다. 따라서 약간의 감소가 있지만 등엔트로피 압축이라고 생각할 수 있습니다.
그다음 두 번째로 보일러에서 터빈으로 들어가는 과정을 집중해보겠습니다. 보일러에서 유입된 물을 끓입니다. 하지만 압력은 일정하죠. 그래서 등압 가열을 하게 됩니다.
그리고 다음 과정은 터빈을 지나는 과정입니다. 터빈을 지나면서 터빈에 있는 회전자에 부딪힌 뜨거운 증기는 에너지를 잃고 이 에너지는 회전자의 운동에너지로 바뀌게 됩니다. 이 과정에서도 등엔트로피 팽창을 하게 됩니다. 팽창하는 것은 에너지를 잃고 압력이 낮아지면서 팽창하게 됩니다.
마지막 과정은 복수기에서 열을 버려 증기에서 물로 돌아오게 됩니다. 이때는 일정한 압력을 가지고 열을 버리게 됩니다.
여기까지의 과정이 단순한 랭킨 사이클입니다.

브래이튼사이클

가스터빈에 해당하는 사이클입니다.
과정은 등엔트로피 압축→등압 가열→등엔트로피 팽창→등압 열 방출 입니다.
!!? 앞의 랭킨 사이클과 같은 느낌이죠? 네, 사이클 자체는 같지만 다른 점이 존재합니다. 바로 작동 유체가 물이 아닌 공기인 것이지요. 그래서 사이클에 차이가 존재하죠.

이 부분은 터빈을 보면 이해가 쉽습니다. 가스터빈의 경우 공기를 압축시켜 유입시킵니다. 이 과정이 등엔트로피 압축입니다. 그리고 가스를 이용해 압축된 공기와 만나게 하여 연소시킵니다. 이 과정이 등압 가열입니다. 이 연소시킨 공기는 터빈으로가 터빈을 돌리게 됩니다. 등엔트로피 팽창입니다. 그리고 사용한 공기는 방출 시킵니다. 등압 열방출입니다.
조금 더 자세히 설명하고 싶은데 점점 길어지는군요. 단순 사이클을 넘어서 효율을 높인 사이클에 관해서는 나중에 기회가 되면 조금 더 자세히 각각의 주제에 대해서 다루는 시간을 가지겠습니다.

어쨌든!! 여기서 알아본 두 사이클 중에 브래이튼사이클이 상부 사이클이라 하여 먼저 가스가 연소해서 전기를 생산합니다. 그리고 여기서 버리는 열을 받아 보일러를 끓입니다. 여기서부터는 랭킨사이클인 하부사이클이라고 합니다. 여기서 열병합을 위해서는 랭킨사이클에서 복수기가 있는 부분에서 열기를 일부 받아서 지역난방을 위해 사용합니다.
효율을 극대화한 발전이죠. 여기서 열을 사용하는 방식은 정말 칭찬할만한 아이디어입니다. 화력발전은 공해문제와 석탄의 용이한 공급을 위해 주거단지와 떨어져 있죠. 이 발전소는 그래서 열은 난방으로 사용하지 못하고 버리게 됩니다. 원자력발전도 마찬가지 이유와 사람들의 인식문제가 있지요.
이런 점에서 열병합 발전은 장점을 충분히 가진 것이지요.
오늘은 열병합 발전에 대해서 알아보았습니다. 이런 효율이 높은 발전이 있다는 점도 알아두시면 좋을 것 같습니다. 앞으로 탈석탄 탈원전이 지속되는 한 이런 발전 방식은 증가하지 않을까 생각합니다. 

-이미지 출처-

1. https://mechanical-engg.com/profile/67774-ronauk-maharana/?status=11890&type=status
2. http://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2017091814242889985
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Rankine_cycle
4. http://www.thermopedia.com/content/1072/
5. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/brayton.html
6. http://www.turbinetechnologies.com/
7. http://www.skcareersjournal.com/365