[발전 공부] 발전소의 종류

발전소의 종류

 

발전소는 열 에너지나 기계적 에너지와 같이 자연에 존재하는 다양한 에너지원을 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 시설입니다.

 

발전소의 종류는 이용하는 에너지원과 발전 방식에 따라 다양하게 분류됩니다.

이번 포스팅에서는 발전소의 종류를 크게 4가지로 나누어 설명해보도록 하겠습니다.

 

1. 화력 발전소 (Thermal Power Plant)

          

화력 발전소는 석탄, 천연가스, 중유 등의 화석 연료를 태워서 얻는 열에너지를 이용해 전기를 생산하는 발전소입니다.

가장 일반적인 형태인 기력발전(증기의 힘으로 발전) 방식의 과정은 다음과 같습니다.

          

1) 연소 : 보일러에서 석탄, 가스 등의 화석 연료를 태워 열을 발생시킵니다.

2) 증기 발생 : 이 열로 물을 끓여 고온/고압의 증기를 만듭니다.

3) 터빈회전 : 생성된 고온/고압의 증기를 터빈으로 불어넣어 터빈의 날개를 회전시킵니다.

4) 발전 : 터빈에 연결된 발전기가 함께 회전하면서 전기를 생산합니다.

5) 응축 및 재사용 : 터빈을 돌린 증기는 복수기에서 차가운 물(주로 바닷물)로 식혀져 물로 응축되고, 이 물은 다시 보일러로 보내져 재 사용됩니다.

 

장점으로는

• 날씨나 시간에 크게 영향받지 않아 전력 수요 변화에 맞춰 유연하게 발전량 조절이 가능합니다.
• 건설 비용이 원자력 발전소 등에 비해 저렴합니다.

 

단점으로는

• 연료 연소 과정에서 이산화탄소를 비롯한 온실가스와 미세먼지(황산화물, 질소산화물 등) 등의 오염물질이 배출되어 환경 문제(기후 변화, 대기 오염)를 유발합니다.
• 화석 연료를 사용하기 때문에 자원 고갈 문제와 연료 가격 변동에 민감합니다.

 

화력 발전소의 종류는 다음과 같습니다.

 

• 석탄 화력 발전소 (현재 국내에 충남 4개소 / 인천 1개소 / 강원 3개소 / 호남 1개소 / 영남 3개소 운영 중)
• 중유 화력 발전소 (지난달(25.11) 붕괴 사고가 일어난 울산화력발전소가 이에 속함)
• 복합 화력 발전소 (현재 국내에 수도권 9개소 / 충정 2개소 / 호남 2개소 / 영남 4개소 / 제주 1개소 운영 중)
• 열병합 발전소 (현재 국내에 한국지역난방공사(경기권) 3개소 / GS파워(경기권) 2개소 / 포스코에너지(인천) 1개소 운영 중)
• 내연력 발전소 (국내 없음)

 

2. 원자력 발전소 (Nuclear Power Plant)

 

원자력발전소는 우라늄과 같은 무거운 원소의 핵분열 반응을 이용하여 얻는 막대한 열에너지로 전기를 생산하는 발전소입니다.

발전 방식을 요약하면 다음과 같습니다.

 

1) 핵분열 (Nuclear Fission) : 원자로에서 우라늄-235와 같은 핵연료에 중성자를 충돌시키면, 원자핵이 쪼개지면서 2~3개의 새로운 중성자와 함께 막대한 열에너지를 방출합니다. 이 새로운 중성자들이 또 다른 원자핵과 충돌하여 반응이 지속되는 것이 연쇄반응입니다.

2) 열 이용 및 증기 발생 : 핵분열로 발생한 열은 냉각재(1차 냉각수)를 고온/고압으로 데웁니다.

이 뜨거운 1차 냉각수는 증기 발생기로 이동하여, 방사성 물질에 오염되지 않은 2차 냉각수(경수)를 가열해 고온/고압의 증기를 만듭니다.

3) 발전 : 생성된 증기가 터빈을 고속으로 회전시키고, 터빈에 연결된 발전기가 돌아가면서 전기를 생산합니다.

4) 순환 : 터빈을 돌린 증기는 복수기에서 다시 물로 응축되어 증기 발생기로 돌아가 재사용됩니다.

 

에너지 변환 과정을 요약하면, [핵에너지 → 열에너지 → 증기의 운동에너지 → 발전기의 기계 에너지 → 전기 에너지] 입니다.

 

장점으로는

• 발전 과정에서 이산화탄소, 아황산가스 등 대기오염 물질이 거의 배출되지 않는 친환경 발전 방식입니다.
• 소량의 연료(우라늄)으로 대용량의 전력 생산이 가능하며, 연료 수송 및 저장이 용이합니다.
• 연료비가 발전비용에서 차지하는 비중이 작 경제적입니다.

 

단점으로는

• 핵분열 후 발생하는 고준위 방사성 폐기물은 높은 방사능과 열을 발생시켜, 관리 및 처분 부담이 큽니다.
• 사고가 발생하면 방사성 물질이 외부로 누출되어 환경과 인체에 치명적인 악영향을 미칩니다.
• 초기 건설 비용이 많이 들고, 엄격한 안전 규제가 필요합니다.

 

원자력 발전소의 종류는 다음과 같습니다.

• 원자력 발전소 (현재 국내에 영광 / 부산 / 경주 / 울진에 각각 1개소씩 운영 중)
• 소형모듈원자로 (SMR)

 

 

3. 수력 발전소 (Hydroelectric Power Plant)

 

수력발전소는 높은 곳에 저장된 물의 위치 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 발전 방식입니다.

주로 댐을 건설하여 물을 저장하고 그 낙차를 이용합니다.

발전 방식은 다음과 같습니다.

 

1) 위치 에너지 확보 : 댐을 건설하여 강물을 가두면, 높은 수위의 물에 위치 에너지가 생깁니다.

2) 운동 에너지 변환 : 전기가 필요할 때 수문을 열면, 물이 수압관로(Penstock)를 따라 낮은 곳으로 떨어지면서 위치 에너지가 운동 에너지로 변환됩니다.

3) 터빈 회전 : 빠르게 떨어지는 물이 터빈의 날개를 때리면서 수차를 고속으로 회전시킵니다.

4) 발전 : 수차에 연결된 발전기가 함께 회전하면서 전자기 유도 원리를 통해 전기를 생산합니다.

5) 방류 : 발전에 사용된 물은 원래의 하천으로 다시 방류됩니다.

 

에너지 변환 과정을 요악하면, [물의 위치 에너지 → 물의 운동 에너지 → 수차의 기계 에너지 → 전기 에너지] 입니다.

 

장점으로는

• 발전 과정에서 이산화탄소나 대기오염 물질이 거의 배출되지 않는 친환경 방식입니다.
• 발전 시작부터 정지까지 시간이 매우 짧아 전력 수요 변화에 따라 신속하게 발전량을 조절할 수 있습니다.
• 댐 건설을 통해 발전 외에도 홍수 조절, 농업용수 공급(관개), 식수 공급, 관광 등 다목적으로 활용 가능합니다.

 

단점으로는

• 대규모 댐 건설로 인해 넓은 지역이 수몰되어 생태계와 지역 주민 생활에 큰 영향을 미칩니다.
• 초기 댐 건설에  비용이 소모됩니다.
• 댐을 건설할 수 있는 입지조건(큰 낙차와 충분한 유량)이 한정되어 있습니다.
• 강수량이 적은 가뭄 시기에는 발전량이 크게 감소합니다.

 

수력 발전소의 종류는 다음과 같습니다.

• 수력 발전소 (현재 국내에 경기 2개소 / 충정 3개소 / 강원 4개소/ 전북 1개소 / 경북 2개소 / 경남 1개소 운영 중)
• 양수 발전소 (현재 국내에 경기 1개소 / 강원 1개소 / 전북 1개소 / 경남 4개소 운영 중)

 

 

4. 신재생 에너지 (Renewable Energy)

 

신재생 에너지 발전소는 고갈되지 않는 태양, 바람, 물, 생물자원 등 자연에서 얻거나 기존 화석연료를 새로운 방식으로 변환하여 사용하는 친환경 에너지원으로 전기를 생산하는 시설입니다.

 

1) 재생에너지 : 태양광, 풍력, 지열, 수력 등 재생 가능한 자원을 변환시킨 에너지입니다.

재생에너지의 정확한 명칭은 '재생 가능 에너지 (Renewable Energy)' 입니다.

계속 사용해도 다시 자연적으로 재생되는 천연 자원으로부터 얻는 에너지를 의미합니다.

재생에너지 종류는 나라마다 약간의 차이가 있습니다.

우리나라는 아래의 총 8가지를 재생에너지로 정의하고 있습니다. (신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법)

          

• 태양광 : 태양의 빛 에너지를 태양전지를 이용해 직접 전기로 변환
• 태양열 : 태양의 열 에너지를 모아 난방 또는 온수 생산에 이용하거나 발전(태양열 발전)에 이용
• 풍력 : 바람의 힘으로 터빈을 돌려 전기 생산
• 수력 : 물의 낙차를 이용해 터빈을 돌려 전기 생산 (댐식, 수로식 등)
• 지열 : 땅속의 열을 이용해 난방, 냉방, 온수 공급 또는 발전에 이용 (온천, 마그마 등)
• 해양 : 조력(밀물/썰물), 파력(파도), 해류, 해양온도차 등을 이용해 전기 생산
• 바이오 : 동식물 등 생물 유기체(바이오매스)를 연료로 하여 열이나 전기 생산
• 폐기물 : 생활 및 산업 폐기물을 소각하거나 처리하는 과정에서 발생하는 열 또는 가스를 이용해 에너지 생산

 

2) 신에너지 : 기존의 화석연료를 가스 등으로 변환시켜 탄소 배출을 줄이거나 수소·산소 등의 화학반응으로 전기 또는 열을 발생시키는 에너지입니다.

즉, 기존의 자원을 신기술을 통해 친환경적으로 변환하여 사용하는 것입니다.

신에너지의 종류는 아래의 3가지가 있습니다.

          

• 수소에너지 (Hydrogen Energy) : 물이나 천연가스 등에서 수소를 분리하여 사용하는 에너지입니다.
• 연료전지 (Fuel Cell) : 수소(연료)와 산소(산화제)가 가진 화학 에너지를 전기화학 반응을 통해 직접 전기와 열로 변환시키는 발전 장치입니다.
• 석탄 액화·가스화 및 중질잔사유 가스화 에너지 (Coal Gasification and Liquefaction & Heavy Residual Oil Gasification) : 석탄이나 정유 과정에서 낭는 중질잔사유와 같은 저급 연료를 고온·고압 상태에서 처리하여 청정한 가스(합성가스)나 액체 연료로 변환시키는 기술입니다.

• 석탄 가스화 : 석탄을 불완전 연소 또는 가스화 반응시켜 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스(Syngas)를 만듭니다. 이 합성가스를 이용해 발전하면 기존 석탄 발전보다 효율이 높고 오염물질 배출이 적습니다.
• 석탄 액화 : 석탄을 휘발유, 디젤 등의 액체 연료로 전환시키는 기술입니다.

 

이처럼 발전소의 종류를 크게 4가지로 나누어 알아보았습니다.

 

전세계적으로 강화되고 있는 환경 규제는 화석 연료 발전의 비중을 줄이고, 신재생 에너지 (태양광, 풍력 등) 발전 설비의 확대를 가속화하고 있습니다.

기존 발전소 또한 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술 도입이나 고효율 운전 등을 통해 환경 영향을 최소화하는 방향으로 변화하고 있습니다.