열병합발전, 태양열·폐열·바이오 발전 등 응용분야 다양

분산전원 역할 기대…국내 기술개발 활성화 여건 마련돼야
국내외 에너지기업 스털링엔진 개발 및 상용화에 박차

스털링엔진 개요

스털링엔진은 19세기 초반 스코틀랜드의 로버트 스털링(Robert Stirling)에 의해 열공기엔진(Hot air engine)으로 개발된 외연기관으로 1930년대에 네덜란드의 필립스사에 의해 군용발전기로 본격적인 개발이 시작되었으며, 1960년대에 수백 kW 급에 이르는 다양한 엔진이 개발됐다.

1900년대 초반에는 스털링엔진이 효율이 높고 소음이 적은 장점이 있음에도 증기기관과 내연기관에 밀려 거의 자취를 감췄다. 그러나 가스는 물론 액체·고체 연료를 모두 사용할 수 있고 유해가스 배출도 적다는 점 등이 부각되면서 최근 재조명을 받고 있다.

스털링엔진은 1970년대에 필립스 및 포드사에 의해 저공해·탈석유·연비향상 등을 위한 차세대 자동차용 엔진으로 본격 개발되기 시작했다. 최근에는 가정용 열병합발전, 태양열발전, 열펌프, 우주시설 등 다양한 목적으로 여러 형태의 엔진이 개발, 적용되고 있다.

스털링엔진은 부품의 정밀가공 및 까다로운 공차관리로 단가가 높아 보급활성화가 쉽지 않은 품목이다. 그러나 정밀설계가 필요한 부품 외에는 과도한 공차관리를 피하면 단가를 절감시킬 수 있기 때문에 향후 적용 가능성은 충분히 확장할 수 있을 것으로 보인다.

스털링엔진 발전기술

스털링엔진은 피스톤과 실린더로 이루어진 공간 안에 헬륨, 수소 등의 작동가스를 밀봉하고, 이를 외부에서 가열, 냉각시킴으로써 발생하는 피스톤의 운동을 통해 기계적인 에너지를 얻는 외연기관이다.

스털링엔진은 고온열교환기, 재생열교환기, 저온열교환기 등 3종류의 열교환기와 복수의 피스톤 또는 왕복기·피스톤으로 구성되며 △압축 및 팽창피스톤이 2개의 독립된 실린더에 구성되는 α형 △하나의 실린더에 두 개의 피스톤(피스톤, 왕복기(displacer))을 배치하는 β형 △피스톤과 왕복기가 별개의 실린더에 배치되는 γ형 △다기통화 듀열액팅(Dual-acting)형 스털링엔진 등으로 구분된다. 또한 기계적 구동형의 kinematic 스털링엔진과 이를 제거한 자유피스톤을 사용하는 FPSE(Free Piston Stirling Engine)로 분류할 수 있다. (그림 1 참조)

스털링엔진은 이상적으로 가장 높은 효율을 가지고 있으며, 등온팽창, 등적냉각, 등온압축, 등적가열의 4개 과정으로 구성된다. 피스톤 이동을 통해 압축된 작동유체는 피스톤 및 왕복기의 이동에 의해 재생열교환기를 통과하면서 가열되고, 왕복기에 의한 연속적 팽창으로 고온열원(열교환기)으로부터 열을 흡수한다. 또한 고온의 작동유체는 왕복기 및 피스톤의 이동에 의해 재생열교환기를 통과하면서 저온으로 냉각되며, 피스톤을 통해 외부 출력을 발생하게 된다.

Kinematic 스털링엔진은 피스톤의 선형운동을 회전력으로 변환하여 동력을 출력하며, 회전부가 없어 물리학적으로 측력(側力)이 발생되지 않아 무윤활 운전이 가능하다. FPSE는 동력피스톤과 변위기를 직선구조로 배치해 β형 엔진을 구성, 피스톤에 선형발전기(linear alternator)를 직접 연결할 수 있어 소형발전에 적합한 엔진 형태다. 최근에는 10 kW 이하의 출력용으로 주로 이용되고 있다. (그림2 참조)

FPSE는 일반적으로 왕복기와 피스톤, 재생기, 열교환기로 구성되며, 질량-스프링 시스템의 공진주파수로 운전되고, 변위기 상부에서 연소기로부터의 열전달을 통해 시스템의 압력이 상승되며, 왕복기 하부에서의 냉각을 통해 시스템의 압력이 감소한다. 이와 같은 압력의 변화는 피스톤의 운동을 발생시키며, 피스톤과 연결된 선형발전기의 코일 또는 자석의 운동에 따라 전기가 발생된다.

스털링엔진의 개발현황 및 응용분야

스털링엔진의 응용을 위해 효율 및 수명 개선, 연료다양화, 저공해, 가격개선 등을 통해 열병합발전, 태양열·폐열·바이오 발전, 군사 및 우주용 전원 등의 다양한 용도의 스털링엔진이 개발된 바 있다. (표1 참조)

스털링엔진 개발은 초기 필립스사의 영향으로 현재 대다수 스털링엔진 제작사가 25 kW 이하 출력의 스털링엔진 개발에 주력하여 내구 및 신뢰성 확보에 주력하고 있다.

태양열 발전시스템은 접시형태의 집광기를 통해 태양의 복사에너지를 스털링엔진에서 흡수하여 전기를 발생시킨다. 집광기는 태양의 고도와 방위로 추적하며, 약 1,000~10,000의 집광비로 태양을 집광하고 25~30%의 태양열 스털링엔진 발전효율을 보인다.

공랭식 엔진 적용으로 특히 사막지역이나 일조량이 많은 지역에서 사용이 용이하다. 고(高)일사지역의 경우 접시형 태양열발전 효율이 태양광 발전에 비해 2배 이상으로, 대량생산을 통한 경제성을 확보할 경우 시장 경쟁력이 높다.

소형 열병합발전 분야에서는 최근 유럽의 보일러 회사를 중심으로 가정용 열병합발전 시스템의 개발 및 실증시험이 활발히 진행되고 있다.

2002년 최초로 Wispertech(뉴질랜드)사가 850kW의 Wobble-yoke 기구에 기반을 둔 스털링엔진 발전기를 이용한 열병합 발전 시스템을 상용화하여 판매를 시작했다. 2001년에는 BG그룹(영국)과 린나이(일본)가 Sunpower(미국)사의 자유피스톤 스털링엔진 발전기를 이용한 1 kWe급 가정용 열병합 발전시스템 공동개발에 합의하여 현재 Microgen(영국)사를 통해 제품을 보급하고 있다.

아울러 분산발전 관련회사인 ENECO, 보일러사 ATAG, 스털링엔진 전문기업 ECN 등 3사가 합작하여 만든 회사인 ENATEC(네델란드)도 프로토타입을 제작, 시험 중에 있다. STM Power(미국)사 역시 25 kWe급 스털링엔진 발전기를 적용한 소형 열병합발전 시스템을 개발, 상용화를 준비하고 있다.

국내에서는 한국에너지기술연구원, 한국기계연구원 및 ㈜우신이 10 kWe급 스털링 엔진을 이용한 태양열 발전시스템을 시도한 데 이어 한국기계연구원은 1 kWe급 양방향 자유피스톤형 스털링엔진 발전기 개발에 성공, 상용화를 준비하고 있다.

소형 열병합발전 시스템의 경쟁력과 전망

소형 열병합발전 시스템은 사용하는 곳에서 직접 전력을 생산하기 때문에 송전손실을 배제할 수 있고, 발전소와 달리 시스템 가동준비에 거의 시간이 필요하지 않기 때문에 전력 공급 부족에 즉각적으로 대응할 수 있는 장점을 지녔다.

더욱이 대규모 전력을 생산하는 발전소의 건설에 막대한 비용과 시간이 요구되기 때문에 전력수요가 나날이 증가하는 현대 사회에서 분산발전의 필요성에 대한 공감대가 형성되고 있다.

그 중에서 가정용 열병합 발전시스템은 기존의 가정용 보일러에 열에너지로부터 전기에너지를 생산할 수 있는 엔진을 장착해 난방 및 온수 공급과 함께 전력을 생산하는 시스템이다.

여러 형태의 엔진 가운데 특히 스털링엔진은 효율과 안전 측면에서 가정용 소형 열병합발전 시스템에 적합한 것으로 판단되고 있다. 이와 같이 스털링 엔진은 열에너지 및 환경문제를 고려하면 열병합발전 및 태양열발전 시스템에 적용될 가능성이 높다.

또한 자동차 배열 및 산업용 폐열을 이용한 발전시스템을 비해 저소음이 요구되는 잠수함이나 우주탐사 및 미래병사체계용 전원, 액체질소 제조 및 초전도체 냉각용 극저온 냉동기에 응용하는 실증 연구가 활발히 진행되고 있어 앞으로 스털링엔진은 다양한 분야에서 경쟁력을 가질 것으로 전망된다.

이에 국내에서는 스털링엔진 발전기 개발을 보다 활성화시켜 외국기업의 국내 시장 잠식에 대비하는 한편, 해외 역수출이 가능한 시장여건을 마련돼야 할 것으로 보인다.