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화력발전
화력발전(Thermal power generation, 火力發電)은 열에너지를 전기에너지로 변환하는 방식이다. 화력발전은 석탄, 석유, 원자력, 지열(지열 발전), 태양열, 쓰레기 소각, 천연가스, 바이오매스를 열원으로 사용하여 물을 끓여 증기로 터빈을 돌려 발전한다. 터빈을 지난 물은 복수기에서 냉각된 후에 다시 사용하는 과정을 랭킨 사이클이라고 한다.[1][2][3]
개요
화력발전은 크게 보일러, 터빈, 발전기 이 세 가지로 구성되어 있으며 화력 에너지로 물을 가열시켜 발생하는 고압증기가 발전소의 터빈을 돌려 기계적 에너지로 변환하며 전기에너지가 만들어진다. 화력발전 에너지원의 대부분은 석유, 석탄, 천연가스 등과 같은 화석연료에 의한 것으로 연료별로는 석탄 화력이 전 세계 발전량의 약 40%이다. 화력발전은 열역학제이법칙에 의하여 열에너지를 역학적 에너지로 변환하는 열효율이 근본적으로 제한되어 있어서 효율은 보통 50% 이하이며 비교적 낮은 편이다. 환경 오염과 낮은 효율에도 불구하고 화력발전소가 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 도입되었고 화력발전 과정에서 버려지는 폐열을 이용하여 전기를 재생산하거나 지역난방에 이용하는 열병합발전 방식도 도입되었다.
화력발전은 터빈에 동력을 전달하는 기체의 종류에 따라 세부적으로 기력발전, 가스터빈발전, 복합화력 발전 등으로 나눈다. 기력발전은 전통적인 방식으로 마치 주전자에 물을 끓이면 운동에너지를 가진 수증기가 발생하여 물레방아를 돌리듯이 증기터빈에 동력을 제공하는 방식이다. 가스터빈발전은 디젤기관에서와 마찬가지로 흡입된 공기와 분사 연료가 만나면서 연소가 일어나 폭발적으로 가스가 팽창하는데 이것을 동력으로 하여 터빈을 돌리는 방식이다. 기력발전에 비해 비용 및 열효율적인 측면에 어려움이 있으며 이 두 가지 방식을 결합한 복합화력발전은 가스터빈의 폐열을 이용하여 기력발전에 수증기를 제공한다. 복합발전 방식을 이용하여 화력발전의 효율을 개선할 수 있는 것으로 알려져 있다.
화력발전에 관련해 우리나라의 에너지기술연구원에서도 국가적 에너지 위기관리 및 환경문제 개선을 목적으로 석탄발전기술의 고효율화와 대용량화를 위한 여러 가지 기술들을 개발하고 있다. 그중에는 초임계압 미분탄 화력발전기술, 석탄가스화 복합 기술, 가압 유동층 화력발전기술 등이 있다. 국내는 조선전력주식회사가 강원도 영월군에 건설한 영월화력이 시초이며 1937년 10월에 5만kw의 1호기가 완공되었다. 1981년에는 국내 화력발전 설비용량이 8,047㎿로서 전체 발전설비의 81.8%에 차지하였으며 2012년 화력발전 설비용량이 4만 9537㎿를 차지하였는데 이는 전체 발전설비의 60.6%에 해당하며 약 30년간 화력발전의 설비용량은 6배 이상 증가하였다.[4][5]
효율
일반적인 화력발전에서의 전력 효율은 약 33%에서 48% 정도이다. 이 효율은 모든 열기계들이 따르는 열역학 때문에 제한되며 나머지 에너지는 열로 빠져버린다. 이 폐열은 주로 복수기에서 냉각수와 냉각탑에서 빠져버리게 된다. 이 폐열을 지역난방에 사용하는 발전소를 가리켜 열병합 발전소라고 칭한다. 사막 국가에 위치한 화력 발전소는 전력과 더불어 폐열을 이용하여 탈염 설비를 가동하기도 한다.
본질적으로 화력발전소의 효율은 증기의 절대 온도의 비율에 제한되어 있어 효율을 높이기 위해서 증기를 고온 고압으로 만드는 것이 중요하다. 역사상에는 물 대신에 수은을 이용한 화력 발전소 실험이 있었다. 수은은 물보다 더 높은 온도를 가지면서도 더 낮은 압력으로 발전하는 것이 가능하였으나 수은의 독성과 낮은 열순환 능력으로 인해서 사용하지 않는다.
종류
- 기력발전
석탄, 석유, 가스 등 화석연료를 통해 열을 얻고 열을 통해 수관에 있는 물을 가열시켜 증기를 발생시켜 생성된 증기를 과열기를 통해 과열증기로 바꾼 후 이를 통해 터빈발전기를 돌려 발전한다. 터빈을 통해 남은 증기는 복수기로 배기되고 복수기에서는 증기를 냉각시켜 절탄기로 물을 공급하고 절탄기에서는 배기가스의 남은 열을 통해 급수를 예열시켜 발전효율을 높인다.
- 가스터빈 발전
연료를 연소시킨 연소가스로 직접 가스 터빈을 회전시켜 터빈에 연결된 발전기를 구동해 발전하는 방식이다. 가스 터빈은 장치가 간단하고 보조설비가 작다는 특징이 있으며 보수가 쉽고 건설비도 싸며 급속 기동이 가능하다는 장점도 있다.
- 복합화력 발전
가스터빈 발전과 기력발전을 조합한 형태이다. 석탄, 석유, 가스 등의 화석 연료를 연소시킨 연소가스로 직접 가스 터빈을 회전시켜 터빈에 연결된 발전기를 통해 1차적으로 발전한다. 가스 터빈을 돌리고 나온 배기가스의 남아있는 열을 이용해 배열회수보일러를 거쳐 증기를 발생시키고 발생된 증기를 이용해 증기터빈을 회전시켜 증기터빈에 연결된 발전기로 2차 발전을 시킨다.
장점
- 에너지 변환 효율이 높다.
화력발전은 수력발전을 제외한 다른 발전 방식보다 에너지 변환 효율이 우수하다. 에너지 변환 효율이 높을수록 원래의 에너지에서 전력으로 변환될 때 손실되는 에너지가 적고 효율적으로 발전할 수 있다.
- 유연하게 출력 조절이 가능하다.
화력발전소는 출력 조정을 전문으로 하고 있으며 전력 수요에 따라 발전량을 바꿀 수 있다. 태양광발전이나 풍력발전 등 발전량이 날씨에 의존하는 발전 방식은 미세 조정이 어렵고 수력발전이나 원자력발전 등 '장기 고정 전원'은 발전 방식도 단시간에 출력을 조정할 수 없다.
- 발전량이 안정되어있다
화력 발전소는 연료만 있으면 안정적으로 발전할 수 있다.
- 부지 면적이 작다.
풍력발전이라면 일정 이상의 풍속을 기대할 수 있는 장소에 시설을 설치해야 한다. 수력발전도 하천이나 댐이 필요하며 지열 발전은 화산 근처의 평지가 좋은 등 각각에 제약이 설치 장소의 자유도는 낮다. 화력발전은 위와 같은 제약이 적고 비교적 작은 면적의 토지에 건설할 수 있으며 도시 지역에 가까운 곳에도 건설할 수 있어 송전 손실을 최소화하면서 도시에 전력을 공급할 수 있다.
단점
- 이산화탄소 배출
연료를 태워 발전하는 특성상 화력발전은 다른 발전 방식보다 많은 이산화탄소를 배출한다. LNG를 이용한 화력발전은 석유나 석탄을 사용하는 것보다 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있지만 그래도 다른 발전 방식보다 많은 이산화탄소를 배출하고 있다.
- 연료를 국내에서 조달할 수 없다.
화력 발전에 사용하는 연료의 조달은 모두 해외에서 수입에 의존하고 있다.
- 화석 연료는 유한 자원이다.
화력발전의 연료로 LNG, 석유, 석탄 등 화석 연료는 모든 채취량에 한계가 있는 자원이다. 앞으로도 화력을 이용하여 계속하면 결국 화석 연료는 바닥나고 다음의 세대에 자원을 남길 수 없다.[6]
각주
- ↑ 〈화력발전소〉, 《위키백과》
- ↑ 〈화력발전〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ "Thermal power station", Wikipedia
- ↑ 〈화력발전〉, 《국가기록원》
- ↑ 〈전기생산의 중심, 발전소에 대해 알아보자 (3부) 화력 발전〉, 《한국전력》, 2017-04-05
- ↑ by 휴식의 KaNonx카논, 〈화력 발전의 장단점과 특징에 대해서 소개한다.〉, 《티스토리》, 2020-12-11
참고자료
- 〈화력발전소〉, 《위키백과》
- 〈화력발전〉, 《네이버 지식백과》
- "Thermal power station", Wikipedia
- 〈화력발전〉, 《국가기록원》
- 〈전기생산의 중심, 발전소에 대해 알아보자 [3부 화력 발전]〉, 《한국전력》, 2017-04-05
- by 휴식의 KaNonx카논, 〈화력 발전의 장단점과 특징에 대해서 소개한다.〉, 《티스토리》, 2020-12-11
같이 보기
