발전 (전기)

발전(Electricity generation, 發電)은 기구나 시설을 이용하여 인위적으로 전기를 발생시켜 동력을 얻는 과정을 일컫는 말이다. 발전은 역학에너지, 열에너지, 화학에너지 등 다른 에너지를 전기에너지로 변환시키는 과정이다.

개요

전기에너지는 1882년 토머스 에디슨(Thomas Edison)이 발명한 6대의 발전기에 의해서 동력으로 수용자에게 최초로 공급되었다. 발전은 보통 대규모 발전에서는 발전기를 회전시켜 전자기유도에 의해 원래의 에너지를 전기에너지로 변환시키는 방식이 쓰인다. 발전을 하려면 다른 형태의 에너지를 소비해야 하는데 이 에너지의 근원이 되는 자원을 발전 자원이라고 한다. 발전하기 위해 사용되는 자원으로는 물, 석탄, 석유, 원자력, 땅속 에너지, 바람, 조수 등이 이용되며 발전 자원에 따라 수력발전, 화력발전, 원자력발전, 조력발전, 풍력발전, 지열발전, 태양광발전 등으로 구별된다. 화력발전은 석탄, 석유, 가스 등 화석연료를 연소시켜서 얻는 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸어 다시 전기에너지로 변환하는 방식의 발전이며 수력발전은 유량 Q(m3/s)를 낙차 H(m)로 떨어뜨렸을 때의 수력 에너지에 의해 수차를 회전시키고 물이 갖는 에너지를 운동에너지로서 추출하여 발전기에 의하여 그것을 전기에너지로 변환시키는 것을 말한다. 수력발전의 운용방법, 취수 방법별로 각각 유입식, 조정지식, 저수지식, 양수식 등과 수로식, 댐식, 댐수로식 등으로 구별한다. 원자력 발전은 핵분열반응에서 발생하는 에너지를 이용하는 것으로 소량의 연료에서 다량의 에너지가 발생한다는 장점이 있다. 그러나 원자력발전에서는 핵분열에 따른 방사선이 배출되므로, 방사선을 발생시키는 기기를 콘크리트 등의 차폐 재료로 둘러싸는 등 방사선의 강도를 인체에 대한 허용 값 이하로 약하게 하는 것이 필요하다. 또 기체, 액체, 고체 상태의 방사성 폐기물이 나오기 때문에 이를 안전하게 처리하는 것이 필요하다.

역사

독일의 에른스트 베르너 폰 지멘스(Ernst Werner von Siemens)는 1866년에 처음으로 전자석을 사용한 대형발전기를 완성시켰는데 그것은 기술사 상 와트의 증기기관에 비교할 만한 획기적인 것이었다. 이어서 벨기에의 그람(Gramme)은 1870년에 고리형(環型) 코일 발전기를 개발하고 독일의 알테네크(Alteneck)는 1873년에 드럼(장고)형 코일 발전기를 발명했다. 당시의 발전소는 전압의 안정성이라든가 효율 같은 측면에서 만족스럽지 못했다. 미국의 토머스 에디슨(Thomas Edison)은 그 때문에 자기가 발명한 탄소선전구(炭素線電救)에 사용할 수 있는 새로운 발전기를 연구하기 시작했다. 그리고 1882년 9월 뉴욕에 최초의 대규모 증기기관으로 운전되는 화력발전소를 건설하였고 중앙 발전소로부터 말단의 전등까지 110V의 직류 송전 계통을 이룩해 내고 이것을 기업화했다. 그 후 곧이어 미국의 웨스팅하우스(Westinghouse)에 의해서 교류 송전 방식이 실현되고 삼상교류 방식을 완성한 사람은 에디슨 밑에서 일하고 있었던 니콜라 테슬라(Nikola Tesla)이다. 한국 최초의 수력발전소는 1923년에 금강산전기철도회사의 자가용 발전소인 금강산 중대리(中臺里)발전소에 의해 서울로 송전한 것이 최초이고 1929년에 부전강 제1발전소가 송전하기 시작하였다.

원리

• 외르스테드(Oersted)가 발견한 발전 원리

자석의 양극(兩極)은 서로 잡아당기기도 하고 반발하기도 하면서 서로 힘을 미친다. 이 자기의 힘은 퍽 오랜 옛날부터 알려져 있었지만 전기가 동력으로서 이용되기 위해서는 우선 전류와 자기(磁氣)의 힘 간의 관계가 발견되지 않으면 안 되었다. 이 중요한 관계를 우연히 발견한 사람은 한스 크리스티안 외르스테드(Hans Christian Ørsted)이다. 그는 전류가 열과 빛을 일으키는 것으로부터 유추하여 전류가 자기적(磁氣的) 영향을 일으킬 수 있을지도 모른다고 생각하고 많은 실험을 하였다. 그러다가 1820년 봄 코펜하겐 대학에서 물리학 강의를 하고 있을 때 학생들과 대화를 하던 중 우연히 자석을 전류가 흐르고 있는 전선과 평행으로 놓았더니 자석의 바늘은 마치 요술에 걸린 것처럼 흔들리다가 전류와 직교(直交)하는 위치에서 멈추었다. 전류는 그 둘레에 자석의 바늘을 움직이는 힘을 미치고 있었던 것이다. 이렇게 해서 전기와 자기 사이의 제1 관계가 발견되었다.

• 패러데이(Faraday)의 법칙(전자유도)

1831년 영국의 물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 전기와 자기를 연결시키는 제2의 관계를 발견했다. 그는 코일 근처에서 자석을 움직이면 코일 가운데에서 전류가 흐른다는 것과 자석을 계속 움직이면 전류도 계속 흐른다는 것을 발견했다. 즉 변화하는 자기(磁氣)는 코일에 전류를 흐르게 하였다. 이후 패러데이는 전자기 유도라는 기본적인 원리를 이용하여 역학적 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치인 발전기를 개발하였다.

종류

수력발전

수력발전은 강물, 호수 등 저수가 갖고 있는 중력 퍼텐셜 에너지를 물레방아, 터빈 등을 이용해 전기로 바꿔주는 방식이다. 수력발전은 물의 낙수차를 이용하여 전기를 생산한다. 물의 낙차 에너지를 사용하는 발전 방법은 보통 2가지가 있는데 하나는 물에 대전된 전하를 특정 방향으로 집진하여 전기를 생산하는 것이고 다른 하나는 떨어지는 물의 운동에너지를 사용해 터빈을 돌려 발전기를 구동하는 식이며 후자의 방법이 가장 많이 쓰인다. 수력발전은 물의 낙차를 이용하는 것이므로 수력발전을 하려면 반드시 물이 내려가는 경사를 급하게 만들어야 한다.

화력발전

화력발전은 화석원료를 이용하는 기력발전, 내연력발전, 가스터빈발전 등의 총칭이며 석탄, 원자력, 지열(지열 발전), 태양열과 쓰레기 소각, 천연가스, 바이오매스를 열원으로 사용하여 물을 끓인 증기를 이용하여 터빈을 돌려 발전하는 방식이다. 열에너지가 터빈에 의해 운동에너지로 전환되고 다시 교류발전기를 통해 전기에너지로 변환되는 방식이다. 그러나 열역학제이법칙에 의하여 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 열효율이 근본적으로 제한되어 있어서 화력발전의 효율은 보통 50% 이하로 비교적 낮은 편이다. 환경오염과 낮은 효율에도 불구하고 화력발전이 다른 발전 방식에 비해 건설비가 저렴하고 도시 근교에 설치할 수 있어 송전 중 전력 손실을 줄일 수 있는 등의 장점으로 인해 많이 운용되고 있다. 화력발전의 낮은 열효율을 향상시키기 위해 화력발전 계통 내 여러 가지 발전 방식을 조합하는 복합 화력발전 방식이 도입되었다. 복합 발전 방식은 연료를 연소시켜 가스터빈을 거친 가스를 다시 한 번 증기 보일러로 보내 증기를 발생시키면 이 증기를 다시 증기 터빈으로 보내서 2차 발전을 하는 방식이다.

원자력발전

원자력발전은 핵분열을 이용해서 발전하는 발전 방식이다. 원자력은 방사성원소의 방사선 붕괴 포함한 원자핵 붕괴 또는 원자핵의 질량 변화에 의해 방출되는 에너지를 동력자원으로 활용하는 경우를 말하며 일반적으로 핵분열과 핵융합 과정을 통해 에너지를 생산하는 방식이 알려져 있다. 원자력을 이용한 발전은 1951년 미국 아이다호주에서 실험용원자로 EBR-1을 이용한 세계 최초의 원자력발전이 시작되었고 1954년 구소련의 오브닌스크 원자력발전소도 원자력발전을 개시했다. 대한민국에선 박정희 대통령 재임 중 고리 원자력 발전소가 건설된 이후 지금까지 총 4곳의 원자력 발전소가 건설되었으며 또한 삼척, 영덕에 추가 원자력 발전소 건립 계획도 존재한다. 건립 계획이 안 그래도 반대가 심한데 2011년에 일어난 후쿠시마 원자력발전소 사고 및 대한민국의 탈원전 때문에 추가 건립 논의는 중단되었다. 2020년 세계에는 총 445개의 가동 중인 상업발전 원자로가 있고 2019년 1년간 2657TWh의 전력을 생산하였으며 실제 가동률은 70% 좌우로 전 세계 상업 발전 전력의 약 10%가 원자력으로 생산된다.

조력발전

조력발전은 조수 간만의 차이를 이용하여 터빈을 돌려서 발전하는 방식이며 달의 인력으로 지구의 바닷물은 높이가 때때로 달라지고 이를 이용하여 발전하며 바다의 수력발전이다. 밀물 때 저수지에 물을 채워 저장하고 썰물 때 반대편 해수면의 높이가 충분히 낮아져서 낙차가 생기는 경우 저장한 물을 배출하여 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 세계 최초의 조력발전소는 1967년 프랑스에 완공된 리으나그느(Lienagn) 조력발전소이며 24MW 용량의 발전기가 10대 설치되어 총 240MW급 조력발전소이다. 우리나라에서는 254㎿급 경기도 안산 시화호조력발전소가 유명하며 세계에서 제일 크다.

풍력발전

풍력발전은 바람의 힘을 이용하여 풍차의 원리로 발전기를 가동하여 전기를 생산하는 방식으로 경쟁력이 있는 재생에너지 발전 방식이다. 지구는 필연적으로 대류 현상이 일어나기 때문에 거의 항시 공기의 흐름(바람)이 생기므로 다른 연료의 소비 없이 발전이 가능하다. 다른 발전 방식과 달리 쓰레기나 폐기물 발생이 적은 편이고 설치 이후엔 온실가스를 배출하지 않아 지구 온난화 해결에 도움이 된다. 발전에 최소 전력을 필요로 하지 않기 때문에 완공한 뒤 바람(cut-in 풍속인 3~4m/s)이상 만 불어오면 가동해서 전력을 공급할 수 있다.

지열발전

지열발전은 지열(地熱)의 힘을 이용하여 전기를 생산해 내는 발전 방법이다. 그래서 주로 화산활동이 많거나 온천이 발달한 지역에 주로 설치된다. 대부분의 지열 발전소는 미국, 인도네시아, 필리핀, 아이슬란드, 뉴질랜드와 같이 화산 폭발과 활발한 판의 활동이 있는 지역이 선정되어 건설된다. 세계 지열 발전량은 2019년 기준 미국, 인도네시아, 필리핀이 각각 1, 2, 3위를 차지하며 필리핀, 뉴질랜드, 아이슬란드 등은 지열 발전량이 국가 전력 소비량 중 두 자릿수 이상의 높은 비율을 차지하는 국가다. 지열을 이용하는 방식에 따라 직접 이용과 간접 이용으로 분류된다. 직접 이용 방식은 지열을 이용해 열을 생산하여 건물에 냉난방이나 급탕에 활용하는 것이고, 간접 이용 방식은 지열을 활용해 전기를 생산하는 것을 말한다. 지열발전은 일정한 출력을 유지하려 추가적인 연료를 투입하는 형태도 있지만 어떤 형태라도 비용이 극히 적고 유지 보수도 간단한 편이다.

참고자료

• 〈발전(전기)〉, 《위키백과》
• 〈발전〉, 《네이버 지식백과》
• "Electricity generation", Wikipedia

같이 보기

• 전기
• 전기에너지
• 발전기
• 수력발전
• 화력발전
• 원자력발전
• 태양광발전

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