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발전 (전기)

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목차

1. 개요

발전(電氣)은 에너지를 전기의 형태로 변환하는 기술 및 과정을 의미한다. 1866년 에른스트 베르너 폰 지멘스의 전자석 발전기 발명 이후, 마이클 패러데이의 전자기 유도 법칙 발견과 니콜라 테슬라의 교류 송전 방식 개발을 통해 획기적인 발전을 이루었다. 초기에는 수력, 석탄 등을 이용했으나, 현재는 석탄, 원자력, 천연 가스, 수력, 풍력, 태양 에너지 등 다양한 에너지원을 활용한다. 발전 방식은 화력, 원자력, 수력, 신재생 에너지 등 다양하며, 2022년 기준 세계 총 발전 설비 용량은 약 8.9 테라와트(TW)이다. 환경 문제와 관련하여 저탄소 발전의 필요성이 강조되며, 일부 생물은 자체적으로 전기를 생산하는 능력을 갖추고 있다.

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발전 (전기)
개요
발전 방법
발전량 추이
미래 전망

2. 발전의 역사

1895년 에디슨 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(Edison General Electric Company)에 설치된 다이너모와 엔진


전기 발전은 1820년대와 1830년대 초 영국의 과학자 마이클 패러데이가 발견한 전자기 유도 현상을 기반으로 한다. 패러데이 원판에서 볼 수 있듯이, 전선 루프나 원판을 자석의 극 사이에서 움직이면 전기가 생성된다. 이 원리는 오늘날에도 발전기의 기본 원리로 사용된다.[43]

변압기를 사용하여 전력을 고전압으로 전송하고 손실을 줄이는 교류 (AC) 전력 전송 방식이 개발되면서 중앙 발전소가 경제적으로 실용화되었다. 초기에는 화학 반응이나 배터리 셀을 이용하거나, 전신과 같이 제한적인 용도로만 전기를 사용했지만, 제2차 산업 혁명을 거치며 전기의 기계적 생산이 가능해졌다. 특히 토머스 에디슨과 니콜라 테슬라와 같은 인물들이 전기 발전에 크게 기여했다.

1880년대 백열 전구의 등장은 전기 사용의 폭발적인 증가를 가져왔다. 조셉 스완과 토머스 에디슨을 비롯한 여러 발명가들이 전구를 개발했지만, 특히 에디슨과 스완의 발명이 가장 큰 성공을 거두었다. 19세기 후반, 전기 기술과 공학의 발전은 전기를 일상생활의 필수 요소로 만들었다. 전기 수요가 증가함에 따라, 많은 기업들이 전기 시스템에 투자하여 최초의 공공 유틸리티를 탄생시켰다.[8]

증기 터빈과 같은 기술의 발전은 전기 생산의 효율성과 경제성을 크게 향상시켰다. 열 에너지를 기계적 작업으로 변환하는 것은 증기 기관과 유사했지만, 증기 터빈은 더 큰 규모에서 훨씬 효율적으로 작동했다. 이러한 발전은 중앙 집중식 발전 시스템의 핵심 요소가 되었다.

20세기 중반, 여러 전력 회사들은 경제적 이점과 효율성을 높이기 위해 전력 배전 네트워크를 통합하기 시작했다. 장거리 전력 전송 기술이 발전하면서 발전소 간의 조정이 이루어졌고, 지역 시스템 운영자를 통해 안정성과 신뢰성을 확보했다. 1920년대 북유럽과 북아메리카의 대도시와 도시 지역을 중심으로 가정의 전기화가 시작되었고, 1930년대에는 농촌 지역까지 확대되었다.[9]

한국의 발전 역사는 다음과 같이 요약할 수 있다.

연도내용
1923년한국 최초의 수력발전소인 금강산 중대리(中臺里)발전소(금강산전기철도회사 소유) 건설, 서울로 송전 시작.[43]
1929년부전강 제1발전소 송전 시작.[43]
1941년압록강에 동양 최대 규모의 수풍(水豊)발전소(60만kW) 완공.[43]
1945년 (8·15 직전)남북한 수력 총발전 지점 163개 소[43]
1972년 말남한 총발전량 , 총시설용량 3872000kW, 최대출력 2097000kW, 평균출력 1348000kW[43]


2. 1. 초기 전기의 활용

마이클 패러데이는 1820년대와 1830년대에 전기 발전의 기본 원리를 발견했다. 토머스 에디슨과 니콜라 테슬라 등은 전기를 이용한 다양한 발명을 가능하게 한 선구자였다. 이전에는 화학 반응이나 배터리 셀을 통해서만 전기를 생산할 수 있었고, 전신에만 제한적으로 사용되었다.[43]

1882년 뉴욕에 최초의 대규모 화력발전소인 펄 스트리트 발전소가 건설되었다. 이 발전소는 증기 기관으로 운전되었으며, 중앙발전소에서 110V의 직류 송전 계통을 구축하여 전등까지 전력을 공급했다. 이는 기업화로 이어졌다.[43] 펄 스트리트 (맨해튼)의 공공 조명에도 직류 전류가 사용되었다.[7]

백열 전구의 도입은 전기의 인기를 급증시켰다. 조셉 스완과 토머스 에디슨 이전에 22명의 전구 발명가가 있었지만, 에디슨과 스완의 발명이 가장 성공적이었다. 19세기 후반, 전기 기술 및 공학의 발전으로 전기는 일상 생활의 일부가 되었다. 가정 내 전기 수요가 급증하면서 많은 기업가들이 전기 시스템에 투자했고, 최초의 공공 유틸리티가 만들어졌다.[8]

2. 2. 발전 기술의 발달

지멘스는 1866년에 전자석을 사용한 대형 발전기를 최초로 완성했는데, 이는 와트의 증기기관에 비견될 만한 획기적인 것이었다.[43] 1870년에는 벨기에의 그람이 고리형 코일 발전기를, 1873년에는 독일의 알테네크가 드럼형 코일 발전기를 발명했다. 그러나 당시 발전소는 전압 안정성이나 효율 면에서 만족스럽지 못했다.[43] 미국의 에디슨은 자신이 발명한 탄소선 전구에 사용할 수 있는 새로운 발전기를 연구하기 시작했다.[43]

1882년 9월, 에디슨은 뉴욕에 최초의 대규모 화력발전소를 건설하고, 110V의 직류 송전 계통을 기업화했다.[43] 이후 미국의 웨스팅하우스에 의해 교류 송전 방식이 실현되었다.[43] 테슬라는 삼상교류 방식을 완성했다.[43]

2. 3. 한국 발전 산업의 변천

한국 최초의 수력발전소는 1923년 금강산전기철도회사의 자가용 발전소인 금강산 중대리(中臺里)발전소이며, 이곳에서 서울로 송전한 것이 최초이다. 1929년에는 부전강 제1발전소가 송전을 시작하였다. 압록강에는 1941년 완공된 동양 최대 규모의 수풍(水豊)발전소(시설용량 60만kW)가 있다. 8·15 직전 조사에 의하면 남북한의 수력 총발전 지점은 163개 소였다. 1972년 말 남한의 총발전량은 , 총시설용량은 3872000kW, 최대출력은 2097000kW, 평균출력은 1348000kW였다.[43]

3. 발전의 원리

발전의 주요 원리는 다음과 같다.


  • 전자기 유도: 마이클 패러데이가 발견한 원리로, 자석과 코일을 이용하여 전기를 생산한다. 발전기는 이 원리를 이용한다.
  • 전기화학 반응: 전지는 전기화학 반응을 통해 전력을 생산한다. 1차 전지는 바로 전원으로 사용되고, 2차 전지는 충전하여 사용한다. 연료 전지도 이 원리를 이용한다.
  • 광기전 효과: 태양 전지는 빛 에너지를 전기로 변환한다. 태양광 패널은 햇빛을 직류 전기로 변환하며, 필요에 따라 교류 전기로 바꿀 수 있다.
  • 제베크 효과: 열전 소자는 온도차를 전기로 변환한다.


이 외에도 마찰전기 효과, 압전 효과 등 틈새 시장에서 사용되는 발전 방식이 있다.

발전은 발전소 뿐만 아니라 가정이나 기업에서도 이루어진다(자가 발전).[36] 과거에는 자전거 전조등을 켜기 위해 페달을 밟는 힘으로 다이나모를 돌려 발전하기도 했다. 오토바이나 자동차는 교류 발전기로 발전하여 전장품 등을 작동시키며, 수소 연료 전지 자동차는 연료 전지로 발전하여 전동기를 움직인다.

정전기와 관련된 정전 유도, 유전 분극, 강유전 효과, 압전 효과 등은 기전력 유지 시간이 짧아 주로 센서나 스위치 등에 사용된다.

3. 1. 외르스테드(Oersted)가 발견한 발전 원리

외르스테드는 1820년 전류와 자기의 관계를 발견했다. 그는 전류가 흐르는 전선 주위에 자기장이 형성되며, 자석의 바늘이 움직이는 현상을 관찰했다.[7]

3. 2. 패러데이(Faraday)의 법칙(전자유도)

패러데이(영국, 1791 ~ 1867)는 1831년 변화하는 자기(磁氣)가 코일에 전류를 유도한다는 사실을 발견했다.[7] 즉, 코일 근처에서 자석을 움직이면 전류가 흐르고, 자석을 계속 움직이면 전류도 계속 흐른다. 발전기는 패러데이의 법칙에 기반하여 운동 에너지를 전기로 변환한다. 이는 도체 재료(예: 구리선)를 닫힌 루프 내에서 자석을 회전시켜 실험적으로 확인할 수 있다. 거의 모든 상업용 전기 발전은 기계적 에너지가 발전기를 회전하도록 하는 전자기 유도를 사용한다.[7]

전자기 유도에 의한 발전은 자기력선을 도체가 가로지르면서 일어나는 현상이며, 얻을 수 있는 출력은 다음과 같다.

:e=-vBl\sin\theta\,

  • ''e''는 기전력(V)
  • ''v''는 속도(m/s)
  • ''B''는 자속 밀도(Wb/m2)
  • ''l''은 가로지르는 도체의 길이 (m)
  • θ는 자기력선으로부터의 편각 (rad)


이는 자기력선을 길이 ''l''의 도체가 속도 ''v''로 가로지를 때 도체에 발생하는 기전력을 구하는 식이다. 이 식으로부터 전자기 유도에 의해 큰 기전력 ''e''를 얻기 위해서는,

# 자기장을 강하게 한다.

# 속도를 높인다.

# 자력 면적을 확대한다.

는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다.

3. 3. 전기화학 반응

전지는 전기화학 반응을 통해 전력을 생산한다. 전기화학 반응은 둘 이상의 활물질 접촉에 의해 발생하며, 전극 간 전압을 출력으로 얻는다.[11] 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 전기화학 발전은 휴대용 및 이동형 기기에서 중요하다. 현재 대부분의 전기화학적 전력은 배터리에서 나온다. 1차 전지(아연-탄소 배터리 등)는 직접 전원으로 작용하지만, 2차 전지(충전식 배터리)는 1차 발전 시스템보다는 저장 시스템에 사용된다. 연료 전지로 알려진 개방형 전기화학 시스템은 천연 연료 또는 합성 연료로부터 전력을 추출하는 데 사용될 수 있다. 삼투압 발전은 염수와 담수가 합쳐지는 곳에서 가능하다.

3. 4. 광기전 효과

태양 전지는 광기전 효과를 이용하여 빛 에너지를 전기로 변환한다.[12] 태양광 패널은 햇빛을 직류 전기로 변환하며, 필요에 따라 전력 인버터를 사용하여 교류 전기로 바꿀 수 있다. 햇빛은 무료이며 풍부하지만, 태양광 발전 전기는 패널의 비용 때문에 대규모 기계 발전보다 생산 비용이 더 비싼 경우가 많았다. 저효율 실리콘 태양 전지의 비용은 감소하고 있으며, 30%에 가까운 변환 효율을 가진 다중 접합 전지가 현재 상용화되어 있다. 40% 이상의 효율은 실험 시스템에서 입증되었다.

최근까지 광기전력은 상업용 전력망에 접근할 수 없는 원격지나 개별 가정 및 사업체의 보조 전력원으로 가장 일반적으로 사용되었다. 제조 효율성과 광기전력 기술의 최근 발전은 환경 문제로 인한 보조금과 결합되어 태양광 패널의 설치를 급격히 가속화했다. 설치 용량은 독일, 일본, 미국, 중국, 인도의 증가에 힘입어 연간 약 20%씩 증가하고 있다.

3. 5. 제베크 효과

열전 소자는 제베크 효과를 이용하여 온도차를 전기로 변환한다.[10] 제베크 효과는 둘 이상의 물체의 접점 온도차에 의해 생기는 것으로, 반응에 의해 생성된 전극 간의 전압을 출력으로 얻는다. 두 종류의 물체를 사용한 경우 이 출력은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

:e = (S_\mathrm{B} - S_\mathrm{A}) \cdot (T_2 - T_1)

''e''는 기전력(V), ''S''A와 ''S''B는 각각 물체 A, B의 제베크 계수, ''T''1과 ''T''2는 두 접점의 온도(K)이다.

4. 발전 방식

발전이란 전력 이외의 에너지를 전력으로 변환하는 것이다. 발전 방식은 에너지원에 따라 수력 발전, 풍력 발전, 태양광 발전, 지열 발전, 화력 발전, 원자력 발전 등으로 나눌 수 있다.

일반적으로 위치 에너지나 열에너지를 기계의 회전에너지로 변환시킨 후 발전기를 돌리는 방식이 사용된다.[10] 가장 기본적인 발전 방법은 수력 발전으로, 높은 곳에서 떨어지는 물의 낙차를 이용하여 터빈을 돌려 발전기를 구동한다. 화력 발전은 석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석 연료를 연소시켜 발생하는 고온, 고압의 증기로 증기 터빈을 돌려 발전기를 구동하는 방식이다. 원자력 발전은 핵반응 시 발생하는 열에너지를 이용한다는 점에서 화력 발전의 일종으로 볼 수 있다.

2021년 세계 발전량의 출처별 현황은 다음과 같다.[10]

2021년 세계 발전량 출처별 현황 (총 발전량: 28 페타와트시)
출처비율 (%)
석탄36
천연 가스23
수력15
원자력10
풍력7
태양광4
기타5



전기 발전기를 회전시키거나 태양광 발전 시스템을 통해 유틸리티 규모의 발전을 이룰 수 있다. 이 외에도 마찰전기 효과, 압전 효과, 열전 효과, 베타 전지를 이용한 발전 방식이 틈새 시장에서 사용된다.

전력 생산 방식의 선택은 수요와 지역에 따라 경제적 타당성을 고려하여 결정된다. 수력 발전소, 원자력 발전소, 화력 발전소, 재생 가능 에너지원은 각각 장단점을 가지며, 지역의 전력 요구 사항과 수요 변동에 따라 선택된다.

집중식 발전은 대규모 집중식 시설에서 전기를 생산하여 송전선을 통해 소비자에게 전송하는 방식이다. 분산형 발전은 소규모의 소비 그룹에 전기를 생산하는 방식으로, 재생 에너지 발전 방식(예: 지붕형 태양광 발전)을 사용할 수 있다는 장점 때문에 최근 인기를 얻고 있다.[30]

발전 원리로는 기계 에너지(운동 에너지)를 전자기 유도를 이용하여 전력으로 변환하는 발전기뿐만 아니라, 화학 변화 에너지를 이용한 전지, 광기전 효과를 이용한 태양 전지, 제베크 효과를 이용한 열전 소자, 압전 소자, 물건과 물건을 마찰시켜 생기는 정전기를 이용하는 방법 등이 있다.[35]

발전은 발전소뿐만 아니라 가정이나 기업 등에서도 이루어지며(자가 발전),[36] 자전거 전조등, 오토바이나 자동차 전장품 작동, 수소 연료 전지 자동차 전동기 구동 등에도 활용된다.

4. 1. 발전기에 의한 발전

풍력 터빈은 일반적으로 전력 생산의 다른 방법과 함께 전기 발전을 제공한다.


로터가 제거된 대형 발전기


발전기는 전자기 유도를 통해 운동 에너지를 전력으로 변환하는 장치이다. 패러데이의 법칙에 기반하여 전력을 생산하는데, 이는 도체 재료(예: 구리선)를 닫힌 루프 내에서 자석을 회전시켜 실험적으로 확인할 수 있다. 거의 모든 상업용 전기 발전은 기계적 에너지가 발전기를 회전하도록 하는 전자기 유도를 사용한다.[14]

외르스테드는 1820년 봄 코펜하겐 대학에서 물리학 강의를 하던 중, 전류가 흐르는 전선과 평행하게 놓은 자석 바늘이 흔들리다가 전류와 직교하는 위치에서 멈추는 현상을 발견했다. 이를 통해 전류가 자석 바늘을 움직이는 힘을 미친다는 사실, 즉 전기와 자기 사이의 관계가 처음으로 밝혀졌다.

마이클 패러데이는 1831년에 코일 근처에서 자석을 움직이면 코일에 전류가 흐르고, 자석을 계속 움직이면 전류도 계속 흐른다는 사실을 발견했다. 즉, 변화하는 자기는 코일에 전류를 흐르게 하는 전자기 유도 현상을 일으킨다.

발전기는 이러한 발견 이후 1830년대에 간단한 형태로 알려졌다. 일반적으로 엔진이나 터빈과 같은 원동기가 고정된 전선 코일을 지나 회전하는 자기장을 구동하여 기계적 에너지를 전기로 변환한다.[14] 발전기를 사용하지 않는 유일한 상업 규모의 전력 생산 형태는 태양광 발전과 연료 전지이다.

동력을 무엇으로부터 얻는지에 따라 다음과 같이 다양한 종류의 발전기가 있다.

종류설명
화력 발전연료의 연소를 통해 열을 얻고, 이를 운동 에너지로 변환한다.
원자력 발전핵반응을 통해 열 에너지를 얻는다.
수력 발전물의 위치 에너지 및 운동 에너지를 이용한다.
지열 발전, 태양열 발전, 풍력 발전, 파력 발전, 해류 발전, 조력 발전신재생 에너지를 이용하는 발전 방식들이다.
고로 가스 발전, 냉열 발전, 해양 온도차 발전, 인력 발전기타 발전 방식들이다.


4. 1. 1. 화력 발전

화력 발전은 연료의 화학 에너지를 연소를 통해 열에너지로 변환하고, 이를 다시 운동 에너지로 변환하는 발전 방식이다. 열을 얻는 방법, 열에서 운동을 얻는 방법에 따라 세분화된다.

  • 증기력 발전: 열에 의해 수증기를 만들고, 증기 터빈을 돌리는 발전이다. 넓은 의미에서는 증기 터빈을 사용하는 발전을 총칭한다.
  • 내연력 발전: 연료의 연소에 의한 기체(연소 가스)의 팽창으로 내연 기관을 돌리는 발전이다.
  • 복합 화력 발전: 내연력 발전의 배열로 증기력 발전을 하는 발전이다.
  • 폐기물 발전: 폐기물을 에너지원으로 하는 발전이다.

4. 1. 2. 원자력 발전

원자력 발전은 핵반응에서 발생하는 열에너지를 이용하는 발전 방식이다. 핵분열 과정에서 핵 원자가 쪼개질 때 열의 형태로 에너지가 방출된다. 이 열을 사용하여 증기를 생성하고, 이 증기가 증기터빈을 돌려 발전기를 작동시켜 전기를 생산한다.[32] 일반적으로 증기 터빈을 사용하여 운동 에너지로 변환한다.

원자력 발전소는 단일 유닛으로 엄청난 양의 전력을 생산할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 쓰리마일 섬 원자력 발전소 사고, 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고, 후쿠시마 원자력 발전소 사고와 같은 원자력 사고는 원자력의 안전에 대한 우려를 제기했으며,[33] 원자력 발전소의 건설 비용은 매우 높다.

원자로 사고 발생 시 다량의 방사성 동위원소가 환경으로 방출되어 생명체에 장기간 위험을 초래할 수 있으며, 이는 환경 운동가들의 지속적인 관심사이다. 원자력 발전소의 일반적인 배출물은 주로 폐열과 방사성 사용후 핵연료이다.[33]

현재 원자력 발전은 전 세계 전력 생산의 약 10%를 차지하고 있다.[10] 대부분의 원자로는 연료원으로 우라늄을 사용한다.[32]

4. 1. 3. 수력 발전

수력 발전은 물의 위치 에너지와 운동 에너지를 이용하는 발전 방식이다.[10] 터빈은 발전기를 구동하여 전자기 유도를 통해 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는데, 수력 발전의 경우 하천이나 호수 등 높은 곳에서 떨어지는 물의 낙차가 주로 이용된다. 수력 터빈에 의해 물의 움직임으로부터 에너지를 포착한다. 현재 수력 발전소는 세계 전력의 약 16%를 공급한다.[15]

중국의 싼샤 댐과 같은 대형 댐은 많은 양의 수력 발전을 제공할 수 있으며, 22.5 GW의 능력을 가지고 있다.


수력 발전소는 낙하하는 물의 위치 에너지를 터빈을 구동하고 전력을 생산하는 데 활용할 수 있는 지역에 위치한다. 물의 흐름을 저장하는 능력이 제한적이고 연간 생산 주기 동안 부하가 너무 많이 변동하는 경우, 경제적으로 실행 가능한 단일 생산원이 아닐 수 있다.

4. 1. 4. 신재생 에너지 발전

지열 발전은 땅속의 열을 이용하여 전기를 만드는 방식이다. 태양열 발전은 태양의 열을 모아 전기를 생산한다. 풍력 발전은 바람의 힘으로 풍차를 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 파력 발전은 파도의 힘을, 해류 발전은 바닷물의 흐름을 이용해 전기를 만든다. 조력 발전은 밀물과 썰물 때 물 높이의 차이를 이용하여 전기를 생산하는 방식이다.[10]

4. 1. 5. 기타 발전

고로 가스 발전은 고로의 고압 가스를 이용하는 발전 방식이다. 냉열 발전은 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하는 발전 방식이다. 해양 온도차 발전은 해수 온도차를 이용하는 발전 방식이다. 인력 발전은 인간의 힘을 동력원으로 사용하는 발전 방식이다.

4. 2. 운동 에너지 외의 에너지를 이용한 발전


  • 연료 전지 발전: 화학 에너지를 전력으로 변환하는 발전 방식이다. 고체 고분자형 연료 전지에서는 촉매로 사용되는 백금이 매우 비싸고, 수명이 7~8년 정도로 짧다는 단점이 있다.[36]
  • 태양광 발전: 태양 전지를 이용하여 태양광을 전력으로 변환하는 발전 방식이다. 연료를 구입할 필요가 없는 자연 에너지를 사용한다.[36]
  • 우주 태양광 발전: 우주 공간에서 태양광 발전을 하여 얻은 전력을 지상으로 보내는 방식이다. 현재 많은 과제에 대해 논의 중이다.[36]
  • MHD 발전: 패러데이의 법칙에 기초하여 플라즈마 등을 이용하는 발전 방식이다.[36]
  • 열전 발전: 온천수와 하천수 등의 온도차를 이용하여 열전 변환 소자로 발전하는 방식이다.[36]
  • 방사성 동위원소 열전 발전: 방사성 동위원소를 열원으로 사용하는 방식이다.[36]
  • 진동 발전: 압전 소자와 진동판을 조합하여 소리나 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전 방식이다.[36]
  • 폭약 발전: 폭약의 폭발을 전기 에너지로 변환하는 발전 방식이다. 실험용 또는 군사용으로 사용된다.[36]

5. 발전과 환경

전기 발전을 하는 국가 간의 차이는 환경에 대한 우려에 영향을 미친다. 프랑스에서는 전기의 10%만이 화석 연료에서 생산되는 반면, 미국은 70%, 중국은 80%이다.[17] 전기의 청정성은 그 원천에 달려 있다. 화석 연료 기반의 전기 생산에서 발생하는 이산화 탄소 배출량과 천연 가스 생산 과정에서의 메탄 누출[18]은 세계 온실 가스 배출량의 상당 부분을 차지한다.[19]

중앙 집중식 발전과 현재 사용되는 전기 생산 방식의 근본적인 문제는 많은 발전 과정이 상당한 부정적인 환경 영향을 미친다는 것이다. 석탄 및 가스와 같은 과정은 연소될 때 이산화탄소를 배출할 뿐만 아니라, 땅에서 추출하는 과정도 환경에 영향을 미친다. 노천 탄광은 석탄을 추출하기 위해 넓은 지역의 토지를 사용하며, 굴착 후 생산적인 토지 이용 가능성을 제한한다. 천연 가스 추출은 땅에서 추출될 때 대기 중에 많은 양의 메탄을 방출하여 전 세계 온실 가스를 크게 증가시킨다.

발전된 전기 단위당 석탄 및 가스 화력 발전의 에너지원별 생애 주기 온실 가스 배출량은 다른 발전 방식보다 항상 최소 10배 이상 높다.[28]

전원 구성은 발전에 사용하는 에너지원이나 발전 방법의 조합을 말하며, 에너지 믹스라고도 한다.[37] 2015년 전 세계 총 발전량은 24,255TWh였으며, 이는 지구가 태양으로부터 1년 동안 받는 에너지의 0.001%에 해당한다. 전력원 내역을 살펴보면, 66.3%는 화석 연료, 23.1%는 재생 가능 에너지, 10.6%는 원자력에 의한 것이다. 화석 연료의 대부분은 석탄과 천연 가스이며, 석유에 의한 발전량은 총 발전량의 4.1%이다. 재생 가능 에너지는 수력이 16.0%로 대부분을 차지하며, 수력 외의 재생 가능 에너지는 전체의 7.1%이다. 자원량 전체에서는 풍력보다 태양광, 태양열이 훨씬 크지만(「재생 가능 에너지」항목 참조), 태양광 발전에 의한 발전량은 총 발전량의 1%에 불과했다.[38]

세계 총 전력의 전력원 (2015년)
석탄석유가스원자력수력풍력태양광재생 가능 에너지 전체합계
전력 (TWｈ/년)9,5389905,5432,5713,9788382475,53424,176
비율39.4%4.0%22.9%10.6%16.4%3.4%1.0%22.8%100%



5. 1. 환경 문제

화석 연료를 사용하는 발전 방식은 이산화 탄소 배출, 메탄 누출 등으로 인해 지구 온난화를 가속화하는 주요 원인 중 하나이다.[19] 특히, 석탄 및 가스 화력 발전은 발전 단위당 온실 가스 배출량이 다른 발전 방식보다 최소 10배 이상 높다.[28] 미국에서는 화석 연료 연소로 인한 이산화 황 배출량이 산성비 주요 원인의 65%를 차지하며,[20] 전기 생산은 NOx, 일산화 탄소, 대기 입자 물질의 네 번째로 높은 복합 원인이기도 하다.[21]

원자력 발전은 핵분열 과정에서 발생하는 열을 이용하여 전기를 생산하는 방식으로, 이 과정에서 이산화탄소는 배출되지 않는다. 하지만, 쓰리마일 섬 원자력 발전소 사고, 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고, 후쿠시마 원자력 발전소 사고와 같은 사고에서 볼 수 있듯이, 방사성 사용후 핵연료 처리 문제와 원자로 사고 시 방사성 물질 누출 위험이 존재한다.[33]

5. 2. 저탄소 발전의 필요성

국제 에너지 기구(IEA)는 기후 변화의 심각한 영향을 막기 위해 2040년까지 저탄소 발전이 전 세계 발전량의 85%를 차지해야 한다고 제안했다.[22] 에너지 임팩트 센터(EIC) 및 유엔 유럽 경제 위원회(UNECE) 등은 이러한 목표를 달성하기 위해 원자력 발전과 재생 에너지 확대를 촉구했다.[24]

EIC 설립자 브렛 쿠겔마스는 원자력 발전이 대기 중 기존 탄소 배출량을 제거하는 직접 공기 포집에도 전력을 공급할 수 있기 때문에, 전기 생산을 저탄소 경제로 만드는 주요 방법이라고 주장한다.[26] 또한 원자력 발전소는 지역 난방 및 담수화 프로젝트를 통해 탄소 배출량과 전기 생산량 확대의 필요성을 줄일 수 있다.[27]

6. 발전 설비 용량 (국가별)

2022년 기준, 전 세계 총 발전 설비 용량은 약 8.9 테라와트(TW)이다.[16] 중국은 세계 최대 발전 설비 용량을 보유하고 있으며, 미국이 그 뒤를 잇는다. 대한민국은 세계 10위권의 발전 설비 용량을 보유하고 있다.[16]

다음은 2022년 기준 45개 국가의 총 발전 설비 용량을 나타낸 표이다.

국가총 설비 용량 (GW)1인당 평균 설비 용량 (와트)
세계8,8901,120
중국2,5101,740
미국1,3303,940
유럽 연합1,0802,420
인도556397
일본3702,940
러시아2962,030
독일2673,220
브라질2221,030
캐나다1674,460
대한민국1603,130
프랑스1482,280
이탈리아1332,230
스페인1192,580
영국1111,640
튀르키예1071,240
멕시코104792
호주95.83,680
사우디 아라비아85.32,380
이란83.3977
베트남72.2721
남아프리카 공화국66.71,100
폴란드641,690
태국63901
우크라이나62.21,440
이집트61.1582
대만582,440
네덜란드53.33,010
스웨덴52.15,100
아르헨티나51.91,130
파키스탄42.7192
노르웨이41.77,530
아랍에미리트40.74,010
말레이시아37.91,110
칠레371,930
베네수엘라34.11,210
카자흐스탄29.61,600
스위스27.82,960
오스트리아26.72,890
알제리25.9590
그리스24.42,400
이스라엘23.72,520
핀란드22.23,980
덴마크21.33,710
아일랜드13.32,420
뉴질랜드11.62,320
아이슬란드3.248,990


7. 발전하는 생물

일부 생물은 발전 기관을 통해 전기를 생산하여 공격, 탐지, 의사소통 등에 활용한다. 이러한 능력을 가진 종의 대부분은 어류이다.[41]


  • '''약전기 어류''': 5V 전후의 전압을 만들어내는 발전 어류이다.
  • 코끼리코 물고기
  • 짐나르쿠스
  • 가오리
  • 칼고기
  • 카라포
  • 아이겐마니아
  • 블랙 고스트[42]

  • '''발전 세균''':
  • 셰와넬라속

참조

[1] 뉴스 Factbox: Getting out of gas - the sold and scrapped projects https://www.reuters.[...] 2021-11-27
[2] 웹사이트 Solar PV – Analysis https://www.iea.org/[...] 2021-11-27
[3] 뉴스 What would a world powered entirely by offshore wind look like? https://www.economis[...] 2021-11-27
[4] 웹사이트 Electricity – Global Energy Review 2021 – Analysis https://www.iea.org/[...] 2021-11-27
[5] 웹사이트 Accelerated renewables-based electrification for the future http://www.selectsci[...] 2021-11-27
[6] 웹사이트 World's electricity supply close to 'peak emissions' due to growth of wind and solar https://www.carbonbr[...] 2023-11-08
[7] 웹사이트 Pearl Street Station - Engineering and Technology History Wiki http://ethw.org/Pear[...] 2016-08-14
[8] 웹사이트 History of Electrification Sites https://edisontechce[...] 2019-06-08
[9] 웹사이트 Power Grid History https://www.itc-hold[...] 2019-06-08
[10] 웹사이트 Yearly electricity data https://ember-energy[...] 2023-12-23
[11] Webarchive World's Largest Utility Battery System Installed in Alaska http://www.eere.ener[...] 2008-06-27
[12] Webarchive "New World Record Achieved in Solar Cell Technology'" http://www.doe.gov/n[...] 2007-04-23
[13] 뉴스 Will Natural Gas Stay Cheap Enough To Replace Coal And Lower Us Carbon Emissions https://www.forbes.c[...] 2015-06-20
[14] 서적 2009 IEEE International Electric Machines and Drives Conference 2009-05-01
[15] 웹사이트 Coal & electricity http://www.worldcoal[...] 2016-08-14
[16] 웹사이트 Yearly electricity data https://ember-climat[...] 2023-12-23
[17] 웹사이트 Statistics and Balances http://www.iea.org/s[...] 2011-07-12
[18] 웹사이트 Massive methane leaks mapped from space https://www.livescie[...] 2022-06-29
[19] 뉴스 Carbon-emissions culprit? Coal http://seattletimes.[...] 2007-06-03
[20] 웹사이트 Sulfur Dioxide http://www.epa.gov/a[...] US Environmental Protection Agency 2010-04-23
[21] 웹사이트 AirData http://www.epa.gov/c[...] US Environmental Protection Agency 2010-04-21
[22] 뉴스 Can nuclear power help save us from climate change? https://cen.acs.org/[...] 2021-11-23
[23] 뉴스 Last Energy raises $3 million to fight climate change with nuclear energy https://venturebeat.[...] 2021-11-23
[24] 뉴스 Global climate objectives fall short without nuclear power in the mix: UNECE https://news.un.org/[...] United Nations Economic Commission for Europe 2021-11-23
[25] 뉴스 End new oil, gas and coal funding to reach net zero, says IEA https://www.reuters.[...] Reuters 2021-11-23
[26] 뉴스 Want to stop climate change? Embrace the nuclear option. https://www.usatoday[...] 2021-11-23
[27] 뉴스 How an AP1000 Plant Is Changing the Nuclear Power Paradigm Through District Heating, Desalination https://www.powermag[...] 2021-11-23
[28] 간행물 Quantification of the carbon intensity of electricity produced and used in Europe 2022-01-01
[29] 웹사이트 Centralized Generation of Electricity and its Impacts on the Environment https://www.epa.gov/[...] 2019-05-21
[30] 간행물 High resolution global spatiotemporal assessment of rooftop solar photovoltaics potential for renewable electricity generation 2021-10-05
[31] 웹사이트 Natural gas power plant https://energyeducat[...] 2019-06-08
[32] 웹사이트 Nuclear power https://energyeducat[...] 2019-06-08
[33] 웹사이트 Nuclear Power and the Environment – Energy Explained https://www.eia.gov/[...] 2019-06-08
[34] 웹사이트 発電とは https://kotobank.jp/[...] 2021-05-28
[35] 문서 ブリタニカ国際大百科事典「発電機」に「機械エネルギー」とある。
[36] 문서 ソーラーパネルを備え付けている家屋も増えている。
[37] 웹사이트 電源構成とは https://kotobank.jp/[...] コトバンク 2022-11-28
[38] 웹사이트 IEA Statistics/Electricity and Heat by country http://www.iea.org/s[...] IEA/OECD
[39] 웹사이트 Field Listing Electricity generation sources https://www.cia.gov/[...] アメリカ合衆国中央情報局 (CIA) 2022-11-28
[40] 웹사이트 Field Listing Electricity https://www.cia.gov/[...] アメリカ合衆国中央情報局 (CIA) 2022-11-28
[41] 웹사이트 世界の電気魚 http://square.umin.a[...]
[42] 웹사이트 ブラックゴースト・熱帯魚カタログ http://webaf.biz/200[...]
[43] 백과사전 발전기술의 발달 글로벌 세계 대백과사전


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