발전소

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1. 개요

발전소는 에너지를 전기로 변환하는 시설로, 다양한 에너지원을 활용하여 전력을 생산한다. 1868년 수력 발전소 건설을 시작으로, 화력, 원자력, 신재생 에너지 등 다양한 형태의 발전소가 등장했다. 발전소는 에너지원, 구동 방식, 부하 추종 여부 등에 따라 분류되며, 환경 문제, 입지 선정, 중복성 확보 등 다양한 고려 사항을 필요로 한다. 발전소는 전력망에 연결되어 전력을 공급하며, 총 발전량과 순 발전량으로 생산량을 측정한다.

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발전소
지도 정보
기본 정보
유형	발전 시설
주요 기능	전기 에너지 생산
작동 방식	동력 변환
입력 에너지	화석 연료 핵 연료 태양 에너지 풍력 에너지 수력 에너지 지열 에너지 조력 에너지 파력 에너지 바이오매스
상세 정보
주요 구성 요소	발전기 터빈 변압기 제어 시스템 냉각 시스템 연료 저장 시설
발전 용량	메가와트 (MW) 단위
전력망 연결	전력망 연결
환경 영향	온실가스 배출 대기 오염 수질 오염 소음 공해 토지 사용
발전 방식별 특징
화력 발전	장점: 높은 효율, 안정적인 전력 공급 단점: 환경 오염, 온실가스 배출
수력 발전	장점: 친환경적, 재생 가능 단점: 지형 의존적, 생태계 영향
원자력 발전	장점: 높은 에너지 밀도, 낮은 탄소 배출 단점: 사고 위험, 방사성 폐기물
신재생 에너지 발전	장점: 친환경적, 재생 가능 단점: 간헐적 발전, 높은 설치 비용
지열 발전	장점: 지속 가능, 안정적 발전 단점: 지역 제한적, 초기 투자 비용 높음
기타
발전소 설계	토목 공학 기계 공학 전기 공학 화학 공학
발전소 운영	안전 관리 효율 관리 유지 보수
미래 전망	스마트 그리드 에너지 저장 기술 재생 에너지 확대
관련 분야	에너지 정책 환경 공학 경제학 사회학

2. 역사

1868년 잉글랜드의 암스트롱 남작은 자신이 소유한 호수에 지멘스 다이너모를 설치해 수력 발전소를 만들었다. 1878년에는 윌리엄 암스트롱 제1남작(William, Lord Armstrong)에 의해 크랙사이드(Cragside)에 수력 발전소가 설계 및 건설되었으며, 그의 영지에 있는 호수의 물을 이용하여 지멘스 다이나모(dynamo)를 가동했다.^[2] 생산된 전기는 조명, 난방, 온수 공급, 엘리베이터 가동, 노동력 절약 장치 및 농장 건물에 사용되었다.^[2]

최초의 화력발전소는 1878년 지그문드 스추커트(Sigmund Schuckert)가 바이에른주 에탈에 세운 것이다. 이 발전소는 린더호프 궁전에 전력을 공급하기 위한 것이었고, 스팀 엔진을 이용한 24개의 발전기로 구성되어 있었다.^[36]

1871년 초 벨기에의 발명가 제노브 그람(Zénobe Gramme)은 산업용으로 상업적 규모의 전력을 생산할 수 있을 만큼 강력한 발전기를 발명했다.^[1]

1882년 1월, 세계 최초의 석탄 화력 발전소인 에디슨 전기 조명소(Edison Electric Light Station)가 런던에 건설되었다.^[3] 이는 토마스 에디슨(Thomas Edison)의 프로젝트로 에드워드 존슨(Edward Hibberd Johnson)이 조직했다.^[3] 밥콕 앤 윌콕스(Babcock & Wilcox) 보일러는 125마력(hp) 증기 기관을 가동했고, 이는 27톤(long ton) 발전기를 구동했다.^[3] 이 발전소는 런던 시티 성당(City Temple (London))과 올드 베일리(Old Bailey), 우체국 등에 전기를 공급했다.^[3]

1882년 9월, 에디슨은 뉴욕에 펄 스트리트 발전소(Pearl Street Station)를 설립하여 맨해튼 아래 지역에 전기 조명을 공급했다. 이 발전소는 왕복 증기 기관을 사용하여 직류 발전기를 회전시켰으며, 1890년 화재로 소실될 때까지 운영되었다. 직류 배전 방식의 한계 때문에 서비스 지역은 전압 강하로 인해 제한되었다. 1886년 조지 웨스팅하우스(George Westinghouse)는 장거리 송전을 위해 전압을 높이고 실내 조명을 위해 전압을 낮추는 변압기를 사용하는 교류 시스템을 구축하기 시작했다. 전류의 전쟁은 결국 교류 배전 및 활용에 유리하게 결론이 났지만, 일부 직류 시스템은 20세기 말까지 지속되었다.^[3]

교류 시스템은 부하의 종류에 따라 다양한 전력계통 주파수(Utility frequency)를 사용했다. 조명 부하는 더 높은 주파수를 사용하고, 견인 시스템과 대형 모터 부하 시스템은 더 낮은 주파수를 선호했다. 공통 주파수로 작동하는 통합 조명 및 전력 시스템이 개발되면서 중앙 발전소의 경제성이 크게 향상되었다.

20세기 초 수십 년 동안 중앙 발전소는 더 커지고 더 높은 증기압을 사용하여 효율성을 높였으며, 여러 발전소의 상호 연결에 의존하여 신뢰성과 비용을 개선했다. 고전압 교류 송전을 통해 수력 발전을 먼 폭포에서 도시 시장으로 편리하게 이동할 수 있었다. 1906년경 중앙 발전소에서 증기 터빈의 출현으로 발전 용량이 크게 확장되었다. 중앙 발전소에서 전력 시스템을 구축하려면 동일한 비율의 기술적 기술과 재정적 수완이 필요했다. 중앙 발전소의 개척자로는 미국의 조지 웨스팅하우스(George Westinghouse)와 새뮤얼 인설(Samuel Insull), 영국의 페란티와 찰스 헤스터먼 머즈(Charles Hesterman Merz) 등이 있다.^[5]

다양한 유형의 발전소의 모듈식 블록 개요. 점선은 복합 사이클 및 열병합 발전 또는 선택적 저장과 같은 특수 추가 기능을 보여줍니다.

2. 1. 세계 발전소의 역사

1868년 잉글랜드의 암스트롱 남작은 자신이 소유한 호수에 지멘스 다이너모를 설치해 수력 발전소를 만들었다.^[2] 1878년에는 윌리엄 암스트롱 제1남작(William, Lord Armstrong)에 의해 크랙사이드(Cragside)에 수력 발전소가 설계 및 건설되었으며, 그의 영지에 있는 호수의 물을 이용하여 지멘스 다이나모(dynamo)를 가동했다.^[2] 생산된 전기는 조명, 난방, 온수 공급, 엘리베이터 가동, 노동력 절약 장치 및 농장 건물에 사용되었다.^[2]

최초의 화력발전소는 1878년 지그문드 스추커트(Sigmund Schuckert)가 바이에른주 에탈에 세운 것이다. 이 발전소는 린더호프 궁전에 전력을 공급하기 위한 것이었고, 스팀 엔진을 이용한 24개의 발전기로 구성되어 있었다.^[36]

1871년 초 벨기에의 발명가 제노브 그람(Zénobe Gramme)은 산업용으로 상업적 규모의 전력을 생산할 수 있을 만큼 강력한 발전기를 발명했다.^[1]

1882년 1월, 세계 최초의 석탄 화력 발전소인 에디슨 전기 조명소(Edison Electric Light Station)가 런던에 건설되었다.^[3] 이는 토마스 에디슨(Thomas Edison)의 프로젝트로 에드워드 존슨(Edward Hibberd Johnson)이 조직했다.^[3] 밥콕 앤 윌콕스(Babcock & Wilcox) 보일러는 125마력(hp) 증기 기관을 가동했고, 이는 27톤(long ton) 발전기를 구동했다.^[3] 이 발전소는 런던 시티 성당(City Temple (London))과 올드 베일리(Old Bailey), 우체국 등에 전기를 공급했다.^[3]

1882년 9월, 에디슨은 뉴욕에 펄 스트리트 발전소(Pearl Street Station)를 설립하여 맨해튼 아래 지역에 전기 조명을 공급했다. 이 발전소는 왕복 증기 기관을 사용하여 직류 발전기를 회전시켰으며, 1890년 화재로 소실될 때까지 운영되었다. 직류 배전 방식의 한계 때문에 서비스 지역은 전압 강하로 인해 제한되었다. 1886년 조지 웨스팅하우스(George Westinghouse)는 장거리 송전을 위해 전압을 높이고 실내 조명을 위해 전압을 낮추는 변압기를 사용하는 교류 시스템을 구축하기 시작했다. 전류의 전쟁은 결국 교류 배전 및 활용에 유리하게 결론이 났지만, 일부 직류 시스템은 20세기 말까지 지속되었다.^[3]

교류 시스템은 부하의 종류에 따라 다양한 전력계통 주파수(Utility frequency)를 사용했다. 조명 부하는 더 높은 주파수를 사용하고, 견인 시스템과 대형 모터 부하 시스템은 더 낮은 주파수를 선호했다. 공통 주파수로 작동하는 통합 조명 및 전력 시스템이 개발되면서 중앙 발전소의 경제성이 크게 향상되었다.

20세기 초 수십 년 동안 중앙 발전소는 더 커지고 더 높은 증기압을 사용하여 효율성을 높였으며, 여러 발전소의 상호 연결에 의존하여 신뢰성과 비용을 개선했다. 고전압 교류 송전을 통해 수력 발전을 먼 폭포에서 도시 시장으로 편리하게 이동할 수 있었다. 1906년경 중앙 발전소에서 증기 터빈의 출현으로 발전 용량이 크게 확장되었다. 중앙 발전소에서 전력 시스템을 구축하려면 동일한 비율의 기술적 기술과 재정적 수완이 필요했다. 중앙 발전소의 개척자로는 미국의 조지 웨스팅하우스(George Westinghouse)와 새뮤얼 인설(Samuel Insull), 영국의 페란티와 찰스 헤스터먼 머즈(Charles Hesterman Merz) 등이 있다.^[5]

2. 2. 한국 발전소의 역사

1891년(메이지 24년) 교토시에서 일본 최초의 일반 급전용 발전소인 게이게 발전소가 송전을 개시했다.^[33] 이 발전소는 비와호 취수로를 이용한 수력 발전으로, 80kW의 직류 발전기와 1,300등분의 교류 발전기로 구성되어 있었다.^[33] 1907년(메이지 40년)에는 도쿄전등회사가 야마나시현 게이가와에 驹橋발전소를 건설하여 15,000kW(=15MW)의 발전 전력을 55kV로 도쿄에 송전했다.^[33] 1914년에는 이나와시로 수력전기회사가 이나와시로 제1발전소를 건설하여 37,500kW(=37.5MW)의 발전 전력을 115kV로 도쿄에 송전했다.^[33]

1960년대까지는 단기로 30~40만kW(=300~400MW)의 발전 능력을 가진 수력 발전이 주를 이루었으나,^[33] 이후 고도 경제 성장으로 인해 화력 발전소가 전력 소비지인 도시 주변에 다수 건설되기 시작했다. 1970년대 이후 원자력 발전이 본격적으로 등장하면서 양수 발전소가 일본 각지에 건설되기 시작했다.^[33]

1995년 전력사업법 개정으로 대량 전력 수요가에 대한 전기의 공급 판매가 자유화되었고,^[33] 21세기에는 재생 가능 에너지 발전 전력을 전력 회사가 매입하는 제도가 도입되었다. 대한민국은 1970년대부터 경제 발전에 필요한 전력을 안정적으로 공급하기 위해 화력 발전과 원자력 발전을 중심으로 발전 설비를 확충해왔다. 최근에는 기후 변화 대응과 미세먼지 문제 해결을 위해 신재생 에너지 발전 비중을 늘리고, 노후 화력 발전소의 친환경 연료 전환을 추진하고 있다.

3. 분류

이카타 원자력 발전소(Ikata Nuclear Power Plant), 일본

핀란드 반타(Vantaa) 마르틴라악소(Martinlaakso)에 있는 대형 가스 및 석탄 화력 발전소

네스야벨리르 지열 발전소(Nesjavellir Geothermal Power Station), 아이슬란드

발전소는 다양한 기준에 따라 분류할 수 있다.

에너지원에 따른 분류
* 화력 발전: 석탄, 석유, 천연가스 등 화석 연료를 연소시켜 발생하는 열에너지로 발전한다.^[37] 연소에서 발생하는 열에너지를 회전 에너지로 변환하는 열기관을 통해 기계적 에너지를 생산한다.^[6] 작동 방식에 따라 기력발전소, 내연력 발전소, 가스 터빈 발전소 등으로 구분된다. 사용 연료에 따라 석탄 화력발전소, 중유 화력발전소, 석탄-중유 혼합연소 화력발전소, LNG화력발전소, LPG화력발전소 등으로 구분되기도 한다. 열역학 제2법칙에 따라 모든 열에너지를 기계적 에너지로 변환할 수는 없으므로, 항상 환경으로 열이 손실된다.^[6] 이러한 손실열을 산업 공정이나 지역 난방에 유용한 열로 사용하는 발전소는 열병합 발전소 또는 CHP(열병합발전) 발전소라고 한다.

* 원자력 발전소: 우라늄과 같은 방사성 동위원소의 핵분열 과정에서 나오는 열에너지로 발전한다.^[38] 1995년 현재 전 세계에서 500개소 이상이 가동 중이며 가장 많은 양의 전기를 생산하는 발전소이다.^[39] 프랑스의 경우 전체 전기의 70% 이상을 핵발전소에 의존하고 있다.^[39] 그러나 스리마일섬 원자력 발전소 사고와 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 같은 대형 핵발전소 사고 이후 부작용에 대한 반대여론이 확산되고 있다.^[39]

* 수력 발전소: 댐 등으로 가둔 물의 위치 에너지를 이용하여 발전한다.^[38] 전력 수요가 적을 때는 상부 저수지로 물을 올려보내고, 전력이 필요할 때 발전할 수 있는 형태의 수력발전소는 양수 발전소라 한다. 중국은 2010년 721테라와트시의 생산량으로 수력발전 생산량이 가장 많은 국가이며, 이는 국내 전력 사용량의 약 17%를 차지한다.
* 신재생 에너지 발전소: 태양광 발전, 풍력 발전, 지열 발전, 바이오매스 등 재생 가능한 에너지원을 이용하여 발전한다.
** 태양광 발전소: 햇빛을 받으면 광전 효과에 의해 전기를 발생시키는 태양 전지를 이용하여 전기를 생산해내는 발전소이다.^[20]

미국 네바다주에 위치한 넬리스 태양광 발전소 (Nellis Solar Power Plant)

** 풍력 발전소: 바람의 운동에너지로 터빈을 돌려 전기에너지를 생산한다. 수직축 발전기는 바람의 방향에 상관없이 발전이 가능하나, 하중이 많아 수리가 어렵고 대용량화가 어렵다. 수평축은 바람 방향을 기준으로 블레이드 앞이나 뒤에 발전기가 있는 형태로, 현재 가장 많이 보급되고 있는 발전기이다.

** 지열 발전소: 마그마의 대류에 의해 지구 표면으로 올라오는 지열을 이용한 발전소로 10-23%의 효율을 보인다. 24개 국가가 사용 중이다.
** 해양 발전소: 파랑, 조류, 염분차, 해수 온도차에 의해 운반되는 에너지를 활용하여 전기를 생산한다.

** 바이오매스 발전소: 사탕수수 폐기물, 생활 쓰레기, 매립지 메탄 또는 기타 형태의 바이오매스를 연료로 사용한다.

구동 방식에 따른 분류
* 증기터빈 발전소는 팽창하는 증기가 발생시키는 동압을 이용하여 터빈 날개를 회전시킨다. 거의 모든 대형 수력 발전소가 아닌 발전소는 이 시스템을 사용하며, 세계에서 생산되는 전력의 약 90%는 증기터빈을 통해 생산된다.^[12]
* 가스터빈 발전소는 흐르는 기체(공기와 연소 생성물)의 동압을 이용하여 터빈을 직접 작동시킨다. 천연가스(및 석유)를 연료로 사용하는 연소 터빈 발전소는 빠르게 시작할 수 있으므로 수요가 많은 기간 동안 "피크" 에너지를 공급하는 데 사용되지만, 기저부하 발전소보다 비용이 더 많이 든다. 이러한 발전소는 비교적 소규모일 수 있으며, 때로는 완전히 무인으로 원격 조작될 수 있다. 이 유형은 영국이 개척했으며, 프린스타운^[13]이 1959년에 준공된 세계 최초의 발전소이다.
* 복합화력발전소는 천연가스를 연료로 하는 가스터빈과 가스터빈의 고온 배기가스를 이용하여 전기를 생산하는 증기 보일러 및 증기터빈을 모두 갖추고 있다. 이는 발전소의 전반적인 효율을 크게 높이며, 많은 새로운 기저부하 발전소가 천연가스를 연료로 하는 복합화력발전소이다.
* 내연 왕복동 엔진은 고립된 지역에 전력을 공급하는 데 사용되며, 소규모 열병합 발전소에 자주 사용된다. 병원, 사무실 건물, 산업 시설 및 기타 중요 시설에서도 정전 시 예비 전력을 공급하는 데 사용된다. 이러한 엔진은 일반적으로 경유, 중유, 천연가스 및 매립가스를 연료로 사용한다.
* 마이크로터빈, 스터링 엔진 및 내연 왕복동 엔진은 매립가스, 정수장의 소화조 가스 및 석유 생산의 폐가스와 같은 기회 연료를 사용하기 위한 저렴한 솔루션이다.
부하 추종 여부에 따른 분류
* '''기저 발전소'''(기저발전소)는 하루 또는 일주일 동안 변하지 않는 최소한의 전력 수요를 담당하기 위해 거의 지속적으로 운영된다. 연료 비용이 낮고 효율이 높지만, 전력 수요 변화에 따라 빠르게 가동을 시작하거나 중단하기 어렵다. 대형 현대식 석탄 화력 발전소, 원자력 발전소, 예측 가능한 수량의 물을 공급받는 수력 발전소 등이 기저 발전소에 해당한다.
* '''첨두 발전소'''(피크발전소)는 하루 중 전력 수요가 가장 높은 시간대에 가동된다. 가동 비용은 기저 발전소보다 높지만, 전력 시스템의 안정을 위해 필요하다. 단순 사이클 가스 터빈, 왕복 내연 기관 등이 첨두 발전소로 활용되며, 수력 발전소도 첨두 부하를 담당하도록 설계될 수 있다.
* '''중간 부하 발전소'''(중간부하발전소)는 기저 발전소와 첨두 발전소 사이의 전력 수요 변동을 담당한다. 첨두 발전소보다는 저렴하고 기저 발전소보다는 유연하게 전력 수요 변화에 대응할 수 있다.

양수발전은 잉여 전력을 저장하는 대표적인 방식이다. 양수 발전소는 비첨두 시간대에 남는 전력을 사용하여 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼 올린다. 이때 사용되는 전력은 주로 풍력 발전, 석탄 화력 발전, 원자력 발전, 지열 발전 등 기저 부하 발전소에서 생산된 것이다. 주간 전력 수요가 높은 시간에는 상부 저수지의 물을 다시 하부 저수지로 흘려보내 전력을 생산한다. 팔미엣 양수발전소와 잉굴라 양수발전소는 남아프리카 공화국의 대표적인 양수 발전소이다. 냉각 상태에서 가동까지 12시간 이상 걸리는 석탄 발전소와 달리, 수력 발전기는 몇 분 안에 가동할 수 있어 첨두 부하 수요를 충족하는 데 적합하다.

일반적인 화력 발전은 연료 투입량을 조절하여 발전량을 조절할 수 있다. 그러나 태양광 발전은 날씨에 따라, 풍력 발전은 바람에 따라 발전량이 달라지기 때문에 안정적인 발전이나 원하는 시점의 가동이 어렵다. 원자력 발전은 화력 발전만큼 발전량 변경이 쉽지 않다. 따라서 야간에 남는 전력을 활용하여 양수 발전을 병행하는 경우가 있다.

3. 1. 에너지원에 따른 분류

에너지원에 따라 발전소는 다음과 같이 분류할 수 있다.

화력 발전소: 석탄, 석유, 천연가스 등 화석 연료를 연소시켜 발생하는 열에너지로 발전한다.^[37] 연소에서 발생하는 열에너지를 회전 에너지로 변환하는 열기관을 통해 기계적 에너지를 생산한다.^[6] 작동 방식에 따라 기력발전소, 내연력 발전소, 가스 터빈 발전소 등으로 구분된다. 사용 연료에 따라 석탄 화력발전소, 중유 화력발전소, 석탄-중유 혼합연소 화력발전소, LNG화력발전소, LPG화력발전소 등으로 구분되기도 한다. 열역학 제2법칙에 따라 모든 열에너지를 기계적 에너지로 변환할 수는 없으므로, 항상 환경으로 열이 손실된다.^[6] 이러한 손실열을 산업 공정이나 지역 난방에 유용한 열로 사용하는 발전소는 열병합 발전소 또는 CHP(열병합발전) 발전소라고 한다.

원자력 발전소: 우라늄과 같은 방사성 동위원소의 핵분열 과정에서 나오는 열에너지로 발전한다.^[38] 1995년 현재 전 세계에서 500개소 이상이 가동 중이며 가장 많은 양의 전기를 생산하는 발전소이다.^[39] 프랑스의 경우 전체 전기의 70% 이상을 핵발전소에 의존하고 있다.^[39] 그러나 스리마일섬 원자력 발전소 사고와 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 같은 대형 핵발전소 사고 이후 부작용에 대한 반대여론이 확산되고 있다.^[39]

수력 발전소: 댐 등으로 가둔 물의 위치 에너지를 이용하여 발전한다.^[38] 전력 수요가 적을 때는 상부 저수지로 물을 올려보내고, 전력이 필요할 때 발전할 수 있는 형태의 수력발전소는 양수 발전소라 한다. 중국은 2010년 721테라와트시의 생산량으로 수력발전 생산량이 가장 많은 국가이며, 이는 국내 전력 사용량의 약 17%를 차지한다.
신재생 에너지 발전소: 태양광 발전, 풍력 발전, 지열 발전, 바이오매스 등 재생 가능한 에너지원을 이용하여 발전한다.
태양광 발전소: 햇빛을 받으면 광전 효과에 의해 전기를 발생시키는 태양 전지를 이용하여 전기를 생산해내는 발전소이다.^[20]

풍력 발전소: 바람의 운동에너지로 터빈을 돌려 전기에너지를 생산한다. 수직축 발전기는 바람의 방향에 상관없이 발전이 가능하나, 하중이 많아 수리가 어렵고 대용량화가 어렵다. 수평축은 바람 방향을 기준으로 블레이드 앞이나 뒤에 발전기가 있는 형태로, 현재 가장 많이 보급되고 있는 발전기이다.

지열 발전소: 마그마의 대류에 의해 지구 표면으로 올라오는 지열을 이용한 발전소로 10-23%의 효율을 보인다. 24개 국가가 사용 중이다.
해양 발전소: 파랑, 조류, 염분차, 해수 온도차에 의해 운반되는 에너지를 활용하여 전기를 생산한다.

바이오매스 발전소: 사탕수수 폐기물, 생활 쓰레기, 매립지 메탄 또는 기타 형태의 바이오매스를 연료로 사용한다.

대규모 발전에 사용되는 에너지원에는 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석 연료 에너지, 우라늄(Uranium)을 원료로 하는 방사성 물질의 핵에너지, 하천이나 호수, 늪 등의 강수를 원천으로 하는 물의 위치에너지, 태양광, 풍력, 조력, 지열, 바이오매스(Biomass) 등 기타 에너지가 있다.^[34]

3. 2. 구동 방식에 따른 분류

증기터빈 발전소는 팽창하는 증기가 발생시키는 동압을 이용하여 터빈 날개를 회전시킨다. 거의 모든 대형 수력 발전소가 아닌 발전소는 이 시스템을 사용하며, 세계에서 생산되는 전력의 약 90%는 증기터빈을 통해 생산된다.^[12] 가스터빈 발전소는 흐르는 기체(공기와 연소 생성물)의 동압을 이용하여 터빈을 직접 작동시킨다. 천연가스(및 석유)를 연료로 사용하는 연소 터빈 발전소는 빠르게 시작할 수 있으므로 수요가 많은 기간 동안 "피크" 에너지를 공급하는 데 사용되지만, 기저부하 발전소보다 비용이 더 많이 든다. 이러한 발전소는 비교적 소규모일 수 있으며, 때로는 완전히 무인으로 원격 조작될 수 있다. 이 유형은 영국이 개척했으며, 프린스타운^[13]이 1959년에 준공된 세계 최초의 발전소이다. 복합화력발전소는 천연가스를 연료로 하는 가스터빈과 가스터빈의 고온 배기가스를 이용하여 전기를 생산하는 증기 보일러 및 증기터빈을 모두 갖추고 있다. 이는 발전소의 전반적인 효율을 크게 높이며, 많은 새로운 기저부하 발전소가 천연가스를 연료로 하는 복합화력발전소이다. 내연 왕복동 엔진은 고립된 지역에 전력을 공급하는 데 사용되며, 소규모 열병합 발전소에 자주 사용된다. 병원, 사무실 건물, 산업 시설 및 기타 중요 시설에서도 정전 시 예비 전력을 공급하는 데 사용된다. 이러한 엔진은 일반적으로 경유, 중유, 천연가스 및 매립가스를 연료로 사용한다. 마이크로터빈, 스터링 엔진 및 내연 왕복동 엔진은 매립가스, 정수장의 소화조 가스 및 석유 생산의 폐가스와 같은 기회 연료를 사용하기 위한 저렴한 솔루션이다.

3. 3. 부하 추종 여부에 따른 분류

발전소는 부하 추종 여부에 따라 기저 발전소, 중간 부하 발전소, 첨두 발전소로 분류할 수 있다.

기저 발전소(기저발전소)는 하루 또는 일주일 동안 변하지 않는 최소한의 전력 수요를 담당하기 위해 거의 지속적으로 운영된다. 연료 비용이 낮고 효율이 높지만, 전력 수요 변화에 따라 빠르게 가동을 시작하거나 중단하기 어렵다. 대형 현대식 석탄 화력 발전소, 원자력 발전소, 예측 가능한 수량의 물을 공급받는 수력 발전소 등이 기저 발전소에 해당한다.

첨두 발전소(피크발전소)는 하루 중 전력 수요가 가장 높은 시간대에 가동된다. 가동 비용은 기저 발전소보다 높지만, 전력 시스템의 안정을 위해 필요하다. 단순 사이클 가스 터빈, 왕복 내연 기관 등이 첨두 발전소로 활용되며, 수력 발전소도 첨두 부하를 담당하도록 설계될 수 있다.

중간 부하 발전소(중간부하발전소)는 기저 발전소와 첨두 발전소 사이의 전력 수요 변동을 담당한다. 첨두 발전소보다는 저렴하고 기저 발전소보다는 유연하게 전력 수요 변화에 대응할 수 있다.

양수발전은 잉여 전력을 저장하는 대표적인 방식이다. 양수 발전소는 비첨두 시간대에 남는 전력을 사용하여 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼 올린다. 이때 사용되는 전력은 주로 풍력 발전, 석탄 화력 발전, 원자력 발전, 지열 발전 등 기저 부하 발전소에서 생산된 것이다. 주간 전력 수요가 높은 시간에는 상부 저수지의 물을 다시 하부 저수지로 흘려보내 전력을 생산한다. 팔미엣 양수발전소와 잉굴라 양수발전소는 남아프리카 공화국의 대표적인 양수 발전소이다. 냉각 상태에서 가동까지 12시간 이상 걸리는 석탄 발전소와 달리, 수력 발전기는 몇 분 안에 가동할 수 있어 첨두 부하 수요를 충족하는 데 적합하다.

일반적인 화력 발전은 연료 투입량을 조절하여 발전량을 조절할 수 있다. 그러나 태양광 발전은 날씨에 따라, 풍력 발전은 바람에 따라 발전량이 달라지기 때문에 안정적인 발전이나 원하는 시점의 가동이 어렵다. 원자력 발전은 화력 발전만큼 발전량 변경이 쉽지 않다. 따라서 야간에 남는 전력을 활용하여 양수 발전을 병행하는 경우가 있다.

4. 고려 사항

4. 1. 입지

발전 방식에 따라 필요한 환경이 다양하기 때문에, 입지 장소 또한 다양해진다. 수력발전뿐만 아니라, 화력발전이나 원자력발전에서도 많은 냉각수가 필요하므로, 하천이나 바다 근처에 설치되는 경우가 많다. 물의 위치 에너지를 사용하는 경우에는 높낮이 차이가 필요하므로 산악 주변이 선택되기 쉽다. 하천의 경우 유량과 수질이 변하기 때문에, 많은 양의 물을 안정적으로 공급하려면 해안 지역이 선택되기 쉽다.

더 나아가, 해상이나 수중에서의 건설도 연구되고 있다.

송전에 드는 손실을 줄이기 위해, 전력 소비지에 가까우며 전력 계통에 쉽게 통합할 수 있어야 한다.

발전소에서는 배기, 배수, 소음이 다량·지속적으로 배출되며, 원자력 발전에서는 방사능 대책도 필요하고, 거주자나 자연 생태계 보호와 같은 주변 환경에 대한 배려도 필수적이다. 극단적인 오지에서는 건설 자재와 설비 장치의 반입로도 고려된다.

우주 공간에서 발전하여 마이크로파 등을 이용해 지상으로 송전하는 우주 태양광 발전 시스템도 구상되고 있다.

4. 2. 중복성 (冗長性)

정전 등 전력 공급 문제를 피하기 위한 신뢰성 설계로서, 발전소 내 설비는 여러 개를 갖춰 중복성(冗長性)을 확보한다. 나아가 송전망 전체의 신뢰성을 향상시키기 위해 여러 발전소의 전력을 병렬로 전력망에 연결하여 수요에 여유를 두고 전력이 공급된다. 발전소나 송전망의 일부에 고장이 발생해도 공급 전압에 영향이 없도록 예비 발전 능력과 송전선의 허용 용량을 파악한 위기 관리 체계가 마련되어 있다.

4. 3. 환경 문제

4. 4. 운영 체제

발전소 운영 요원은 기계 및 전기 장비 수리 작업반의 안전을 책임진다. 정기적인 검사를 통해 장비를 유지 관리하고, 온도, 압력 등 중요 정보를 기록한다. 운영자는 필요에 따라 발전기를 기동 및 정지시키고, 시스템에 영향을 주지 않고 추가 발전의 전압 출력을 작동 중인 전력 시스템과 동기화 및 조정한다. 또한, 시설 문제 해결 및 비상 상황 대처 절차를 숙지해야 한다.

1950년대 이전에는 기계식 제어 시스템 사용으로 운영 및 유지보수에 많은 인력이 필요했다. 1960년대부터 전기식 제어 시스템으로 교체되면서 유지보수 노력이 절감되었고, 일본에서는 소규모 수력발전의 집중 제어 및 무인화가 진행되었다. 1990년대부터 디지털 제어 기술 발전에 따라 원격 감시 및 조작, 자동 운전 설비가 증가했다. 소규모 내연력발전은 자동 운전에 의한 무인화·순회 유지보수화가 이루어졌고, 중규모 화력발전도 자동화되어 근무 체계가 변경되었다. 시설에 따라서는 평상시 자동 제어만으로 무인 운전되는 경우도 있으며, 도서 지역이나 벽지의 소규모 발전소는 발전기와 송전 설비만으로 운영되기도 한다.

5. 구성 설비

발전소의 구성 설비는 다음과 같다.^[34]

발전 설비: 에너지를 전기로 변환하는 주요 설비이다. (터빈, 발전기 등)
변전·송전 설비: 발전된 전기를 송전하기 위한 설비로, 승압 변압기, 차단기, 전선 등으로 구성된다.
통신 설비: 운전 조작, 원격 감시 등 관계 각처와의 통신을 수행한다.
비상용 전원:
* 비상용 발전기: 외부 전원, 주 발전기 양쪽 모두 정지했을 경우 사용한다.
* 비상용 배터리
보안 설치류
환경 대책 장치류: 대기 오염, 수질 오염 등을 방지하기 위한 장치이다.

발전기의 전력은 송전망에 보내기 전에 위상을 동기시켜야 한다. 송전망에 연결된 후에도 발전소가 보내는 전압은 항상 계통 전압에 맞춰야 한다. 동기 발전기의 여자 전류를 조정함으로써 그 역할을 담당하는 것이 자동 전압 조정 장치(Automatic voltage regulator, '''AVR''')이다.^[34] 발전 설비 시동에 외부 전원을 필요로 하는 경우가 많아, 구내에 예비 전원을 갖추고, 또 다른 발전소로부터의 공급을 받을 수 있도록 전력망이 양방향으로 연결되어 있기도 하다.

6. 냉각 방식

모든 화력발전소는 유용한 전기에너지를 생산하는 부산물로 폐열 에너지를 생성한다. 가스 발전소는 최대 65%의 변환 효율을 달성할 수 있는 반면, 석탄 및 석유 발전소는 약 30~49%의 효율을 달성한다. 폐열은 대기 온도 상승을 초래하지만, 같은 발전소에서 배출되는 온실가스 배출에 의한 온도 상승에 비하면 작다.

많은 원자력 발전소와 대규모 화석연료 발전소의 자연 통풍식 습식 냉각탑은 물의 증발을 통해 폐열을 주변 대기로 방출하는 대형 쌍곡면 굴뚝과 같은 구조물을 사용한다. 그러나 많은 대형 화력발전소, 원자력발전소, 화석연료 발전소, 정유소, 석유화학 플랜트, 지열 발전소, 바이오매스 및 폐기물 발전소의 기계식 유도 통풍식 또는 강제 통풍식 습식 냉각탑은 팬을 사용하여 하향하는 물을 통해 상향으로 공기 흐름을 제공하며, 쌍곡면 굴뚝과 같은 구조물이 아니다. 유도 통풍식 또는 강제 통풍식 냉각탑은 일반적으로 상향하는 공기와 하향하는 물의 혼합을 향상시키는 재료로 채워진 직사각형의 상자 모양 구조물이다.^[14]^[15]

물 사용이 제한된 지역에서는 증발 냉각을 위한 보충수를 얻는 비용 또는 환경적 결과가 과도하게 될 수 있으므로 건식 냉각탑 또는 직접 공랭식 라디에이터가 필요할 수 있다. 이러한 냉각기는 일반적인 습식 증발 냉각탑에 비해 효율이 낮고 팬을 구동하는 에너지 소비량이 높다.

발전소는 전통적으로 물 공급이 제한적이거나 비용이 많이 드는 지역에서 공랭식 응축기(Air-cooled condenser, ACC)를 사용할 수 있다. 공랭식 응축기는 물을 사용하지 않고 냉각탑(발열 방출)과 같은 목적을 수행한다. 하지만 추가적인 보조 전력을 소비하므로 기존 냉각탑에 비해 탄소 발자국이 더 클 수 있다.

발전회사들은 종종 냉각탑 대신 바다 또는 호수, 강, 냉각지(cooling pond)의 물을 냉각수로 사용하는 것을 선호한다. 이러한 일회 통과 방식(Once-through cooling) 시스템은 냉각탑 건설 비용을 절감하고 발전소 열교환기(heat exchanger)를 통과하는 냉각수 펌핑에 필요한 에너지 비용을 낮출 수 있다. 그러나 배출되는 물은 폐열로 인해 열 오염을 일으킬 수 있다. 냉각을 위해 자연 수역을 이용하는 발전소는 냉각 설비로의 유기체 유입을 제한하기 위해 어류 차단망(fish screen)과 같은 장치를 설계에 포함한다. 하지만 이러한 차단망은 부분적으로만 효과적이어서 매년 수십억 마리의 어류와 기타 수생 생물이 발전소에 의해 폐사한다.^[16]^[17] 예를 들어, 뉴욕의 인디언 포인트 에너지 센터의 냉각 시스템은 매년 10억 개가 넘는 어란과 유생을 죽인다.^[18] 또 다른 환경적 영향으로는, 더 따뜻한 배출수에 적응한 수생 생물이 추운 날씨에 발전소가 가동 중단될 경우 피해를 입을 수 있다는 점이 있다.

발전소의 용수 사용은 점점 더 심각한 문제가 되고 있다.^[19]

최근에는 재활용 폐수 또는 회색수(greywater)가 냉각탑에 사용되고 있다. 위스콘신(Wisconsin)주의 캘파인 리버사이드(Calpine Riverside)와 캘파인 폭스(Calpine Fox) 발전소, 그리고 미네소타(Minnesota)주의 캘파인 맨카토(Calpine Mankato) 발전소가 그러한 시설에 해당한다.

6. 1. 냉각탑

대부분의 화력 발전소와 원자력 발전소는 냉각탑을 사용하여 폐열을 대기로 방출한다.^[14]^[15] 모든 화력발전소는 유용한 전기에너지를 생산하는 부산물로 폐열 에너지를 생성한다. 가스 발전소는 최대 65%의 변환 효율을 달성할 수 있는 반면, 석탄 및 석유 발전소는 약 30~49%의 효율을 달성한다. 많은 원자력 발전소와 대규모 화석연료 발전소의 자연 통풍식 습식 냉각탑은 물의 증발을 통해 폐열을 주변 대기로 방출하는 대형 쌍곡면 굴뚝과 같은 구조물을 사용한다.

그러나 많은 대형 화력발전소, 원자력발전소, 화석연료 발전소, 정유소, 석유화학 플랜트, 지열 발전소, 바이오매스 및 폐기물 발전소의 기계식 유도 통풍식 또는 강제 통풍식 습식 냉각탑은 팬을 사용하여 하향하는 물을 통해 상향으로 공기 흐름을 제공하며, 쌍곡면 굴뚝과 같은 구조물이 아니다. 유도 통풍식 또는 강제 통풍식 냉각탑은 일반적으로 상향하는 공기와 하향하는 물의 혼합을 향상시키는 재료로 채워진 직사각형의 상자 모양 구조물이다.^[14]^[15]

물 사용이 제한된 지역에서는 건식 냉각탑 또는 직접 공랭식 라디에이터가 필요할 수 있다. 이러한 냉각기는 일반적인 습식 증발 냉각탑에 비해 효율이 낮고 팬을 구동하는 에너지 소비량이 높다.

6. 2. 공랭식 응축기 (ACC)

발전소는 물 공급이 제한적이거나 비용이 많이 드는 지역에서 공랭식 응축기 (Air-cooled condenser, ACC)를 사용하기도 한다. 공랭식 응축기는 물을 사용하지 않고 냉각탑과 같은 목적을 수행한다. 하지만, 냉각탑에 비해 탄소 발자국이 더 클 수 있다.

6. 3. Once-through 냉각 시스템

발전소는 종종 냉각탑 대신 바다, 호수, 강, 냉각지의 물을 냉각수로 사용하는 것을 선호한다. 이러한 일회 통과 방식(Once-through cooling) 시스템은 냉각탑 건설 비용을 절감하고 발전소 열교환기를 통과하는 냉각수 펌핑에 필요한 에너지 비용을 낮출 수 있다.^[16]^[17] 그러나 배출되는 물은 폐열로 인해 열 오염을 일으킬 수 있다. 냉각을 위해 자연 수역을 이용하는 발전소는 냉각 설비로의 유기체 유입을 제한하기 위해 어류 차단망과 같은 장치를 설계에 포함한다. 하지만 이러한 차단망은 부분적으로만 효과적이어서 매년 수십억 마리의 어류와 기타 수생 생물이 발전소에 의해 폐사한다.^[16]^[17] 예를 들어, 뉴욕의 인디언 포인트 에너지 센터의 냉각 시스템은 매년 10억 개가 넘는 어란과 유생을 죽인다.^[18] 또한 더 따뜻한 배출수에 적응한 수생 생물이 추운 날씨에 발전소가 가동 중단될 경우 피해를 입을 수 있다. 발전소의 용수 사용은 점점 더 심각한 문제가 되고 있다.^[19]

7. 출력

발전소에서 생산되는 전력은 일반적으로 메가와트(10⁶ 와트) 또는 기가와트(10⁹ 와트)와 같은 와트의 배수로 측정된다.^[27] 발전소의 용량은 발전소의 종류와 역사적, 지리적, 경제적 요인에 따라 크게 달라진다.

2021년 전 세계 발전소 설비 용량은 347GW 증가했으며, 태양광 및 풍력 발전소 용량은 1년 만에 80% 증가했다.^[27] 2022년 기준 로스코 풍력 발전 단지가 세계 최대 육상 풍력 발전 단지이며 8000 MW의 전력을 생산하고 있으며, 바들라 태양광 발전소가 2245 MW로 세계 최대 태양광 발전소이다. 아이반파 태양열 발전 시설은 392 MW의 출력으로 미국에서 가장 큰 태양열 발전 시설이다.

대규모 석탄화력, 원자력 및 수력 발전소는 수백 메가와트에서 수 기가와트까지 전력을 생산할 수 있다. 남아프리카 공화국의 코버그 원자력 발전소는 정격 용량이 1860메가와트이고, 영국의 석탄화력 래트클리프온소어 발전소는 정격 용량이 2기가와트이다. 이집트의 아스완 댐 수력 발전소는 용량이 2.1기가와트이고, 중국의 삼협 댐 수력 발전소는 용량이 22.5기가와트이다.

가스터빈 발전소는 수십에서 수백 메가와트의 전력을 생산할 수 있다. 영국 콘월의 인디언 퀸즈 발전소는 단일 가스터빈으로 140메가와트, 영국 켄트의 메드웨이 발전소는 두 개의 가스터빈과 하나의 증기 터빈으로 700메가와트의 정격 용량을 갖고 있다.^[28]

발전소의 정격 용량은 발전소가 생산할 수 있는 최대 전력에 가깝다. 일부 발전소는 기저부하 발전소로서 항상 정격 용량에 거의 근접하여 운영되지만, 많은 발전소는 일반적으로 정격 용량보다 훨씬 적은 전력을 생산한다.

간헐적 에너지원을 사용하는 경우, 운영자는 최대 이용 가능 전력을 끌어내려고 노력하지만, 이용 가능한 전력은 크게 변동한다. 경제적 이유로 운영자가 의도적으로 전력 생산량을 줄이는 경우도 있다. 부하 추종 발전소나 피크 발전소는 상대적으로 높은 한계비용을 가지므로, 운영자는 대부분의 시간 동안 발전소를 꺼두거나 최소 연료 소비량으로 운영한다.

발전소에서 생산된 전력이 모두 배전 시스템으로 전달되는 것은 아니다. 발전소는 일반적으로 자체적으로 일부 전력을 사용하는데, 이 경우 발전량은 '총 발전량'과 '순 발전량'으로 분류된다.

'''총 발전량'''은 특정 기간 동안 발전소에서 발전된 전력의 총량이다.^[29] 발전소 단자에서 측정되며, 킬로와트시, 메가와트시,^[30] 기가와트시, 또는 대규모 발전소의 경우 테라와트시 단위로 측정된다. 여기에는 발전소 보조 설비와 변압기에서 사용되는 전력이 포함된다.^[31]

'''순 발전량'''은 소비자 사용을 위해 송전 및 배전되는 발전소에서 생산된 전력량이다. 순 발전량은 발전소 자체에서 펌프, 모터 및 오염 제어 장치와 같은 보조 장비에 전력을 공급하는 데 사용되는 일부 전력이 있기 때문에 총 발전량보다 적다.^[32]

참조

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발전소