화력 발전소

3. 화력 발전의 종류

화력 발전은 사용하는 열원에 따라 다양한 종류로 나뉜다. 석탄, 원자력, 지열, 태양열, 쓰레기 소각, 천연 가스, 바이오매스 등이 열원으로 사용된다. 천연 가스는 보일러 연소뿐만 아니라 가스터빈을 이용한 발전에도 쓰이며, 가스터빈에서 나오는 폐열은 복합 화력 발전소에서 효율을 높이는 데 활용된다.^[36]

석탄 화력 발전소, 석유, 원자력, 지열, 태양열 발전, 쓰레기 소각장, 그리고 천연가스 발전소는 대부분 열을 이용해 발전을 한다. 천연 가스는 연소되어 가스 터빈과 보일러에서 자주 사용된다. 가스 터빈의 폐열은 열회수증기발생기(HRSG)를 통해 증기를 발생시키고, 이 증기는 복합 발전 설비의 증기 터빈을 구동하여 효율을 높인다.

상업용 발전소는 대규모로 건설되어 지속적인 운전이 가능하도록 설계되며, 3상 발전기를 사용하여 50Hz 또는 60Hz의 주파수로 교류(AC) 전력을 생산한다. 일부 기업이나 시설에서는 자체 발전소를 운영하여 전기와 열, 증기를 공급받기도 한다. 열병합 발전소는 전기와 함께 발전 과정에서 발생하는 폐열을 활용하여 지역 난방을 제공하는 종합 에너지 시스템(Total Energy System)이다.

3. 1. 발전 방식에 따른 분류

• '''기력 발전소'''^[36]

• '''내연력 발전소'''

• '''복합화력 발전소'''

3. 2. 연료 종류에 따른 분류

• '''석탄 화력 발전소''': 석탄을 연소시켜 발전하는 방식이다. 효율이 높고 연료 공급이 안정적이지만, 이산화탄소 배출량이 많다는 단점이 있다.^[36]
• * 예시
• ** JERA 헤키난 화력 발전소
• ** 전력개발 마쓰시마 화력발전소
• '''석유 화력 발전소''': 중유, 원유, 경유 등을 연료로 사용하는 방식이다. 유연한 운용이 가능하지만, 연료비가 비싸고 공급 안정성이 낮다. 제2차 오일쇼크의 여파로 1979년 5월에 개최된 제3차 국제에너지기구(IEA) 장관회의에서 채택된 '''「석탄 이용 확대에 관한 IEA 선언」'''에 '''석유 화력발전소 신설 금지'''가 포함되어, 일본에서는 원칙적으로 석유(원유) 화력발전소를 신설할 수 없게 되었다.^[47]
• '''천연가스(LNG) 화력 발전소''': 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 방식이다. 환경 부하가 적고 효율이 높지만, 부대 설비 건설에 시간과 비용이 소요된다.
• * 예시
• ** JERA 후츠 화력 발전소
• ** JERA 소데가우라 화력발전소
• '''혼소 화력 발전소''': 여러 종류의 연료를 혼합하여 사용하는 방식이다.
• * 예시
• ** 도호쿠 전력 니가타 화력 발전소
• '''암모니아 화력 발전소 (개발 중)''': 암모니아를 연료로 사용하여 이산화탄소 배출을 줄이는 방식으로, 현재 연구 개발 중이다.

4. 화력 발전소의 구성 요소 및 작동 원리

화력 발전소는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료나 바이오매스를 연소시켜 발생하는 열에너지로 물을 끓여 증기를 만들고, 이 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 시설이다. 원자력 발전소, 지열 발전소, 태양열 발전소 등도 열을 이용해 증기를 발생시켜 전기를 생산한다는 점에서 넓은 의미의 화력 발전소에 포함된다.

화력 발전소는 크게 보일러, 터빈, 발전기, 복수기 등으로 구성된다.

• '''보일러''' (증기 발생기): 연료를 연소시켜 물을 증기로 바꾸는 장치이다.
• '''터빈''': 증기의 힘으로 회전하는 장치로, 발전기에 연결되어 있다.
• '''발전기''': 터빈의 회전력을 이용해 전기를 생산하는 장치이다.
• '''복수기''': 터빈을 돌린 증기를 다시 물로 응축시키는 장치이다.

4. 1. 증기 발생기 (보일러)

4. 2. 연료 예열 시스템

석탄 화력 발전소에서는 먼저 석탄을 작게 조각낸 다음 저탄기에 저장한다. 저탄기에 저장된 석탄은 미분기(분쇄기)에서 고운 가루로 만들어 공기예열기에서 나온 고온의 공기와 함께 보일러로 불어넣는다.^[53][54][55]

석유 화력 발전소에서는 석유를 탱크 안에서 가열하여 굳는 것을 방지한다. 석유는 보통 보일러의 분사 노즐로 들어가기 전에 100°C 정도로 가열된다.

천연가스 화력 발전소에서는 천연가스를 가공하여 사용하며, 몇몇 화력 발전소에서는 보조 연료로 사용되기도 한다.

4. 3. 증기 터빈 발전기

4. 4. 복수기

4. 5. 급수 가열기

4. 6. 탈기기

4. 7. 기타 시스템

5. 화력 발전의 효율

일반적인 상업 발전소의 전력 효율은 약 33%에서 48% 정도이다. 이는 모든 열기관이 따르는 열역학 법칙에 의해 제한된다. 나머지 에너지는 열로 빠져나가는데, 이 폐열은 주로 복수기에서 냉각수와 냉각탑을 통해 배출된다. 폐열을 지역난방에 사용하는 발전소를 열병합 발전소라고 한다. 사막 국가의 화력 발전소는 전력과 함께 폐열을 이용하여 탈염 설비를 가동하기도 한다.

화력 발전소의 효율은 증기의 절대 온도 비율에 제한되어 있기 때문에, 효율을 높이기 위해서는 증기를 고온 고압으로 만드는 것이 중요하다. 카르노 효율에 따르면 증기 온도를 높이면 더 높은 효율을 달성할 수 있다.

초임계 압력 설계는 40%대 중반의 효율을 가지며, 4400psi 이상의 압력과 다단 재가열을 사용하는 새로운 "초초임계" 설계는 45~48%의 효율에 도달한다.^[6] 임계점인 약 373.9°C 이상에서는 물에서 증기로의 상전이가 없고, 밀도가 점진적으로 감소할 뿐이다.

발전에 사용되지 않는 에너지는 환경으로 열의 형태로 배출되어야 한다. 이 폐열은 응축기를 통과하여 냉각수 또는 냉각탑으로 배출될 수 있다. 폐열이 대신 지역난방에 사용되는 경우 열병합발전이라고 한다.

6. 환경 문제 및 대응

화력 발전소는 화석 연료를 연소시켜 발생하는 열로 물을 끓여 증기를 만들고, 이 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 시설이다. 이 과정에서 여러 환경 문제가 발생하는데, 주요 문제는 다음과 같다.
미세먼지 및 대기오염화력 발전소, 특히 석탄 화력 발전소는 미세먼지, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등 다양한 대기오염 물질을 배출한다. 이러한 오염 물질은 호흡기 질환, 심혈관 질환 등을 유발하고, 산성비의 원인이 되기도 한다.^[20]

플라이애쉬는 미세한 구형의 재 입자로, 직물 백 필터나 전기집진기를 통해 제거된다. 제거된 플라이애쉬는 콘크리트 제조에 사용되기도 한다. 그러나 이러한 배연가스 정화 시설은 모든 발전소에 설치되어 있지는 않다. 유럽, 일본, 미국 등에서는 법률을 통해 배연가스 정화 기술 사용을 의무화하고 있지만, 중국 등 일부 국가에서는 여전히 오염 문제가 심각하다.
온실가스 배출화석 연료 연소 과정에서 이산화탄소(CO2) 등 온실가스가 대량으로 배출된다. 온실가스는 지구 온난화와 기후변화의 주요 원인으로 지목되고 있다.

탄소 포집 및 저장(CCS) 기술은 발전소에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 지하에 저장하는 기술이지만, 비용 문제와 저장된 CO₂에 대한 장기적인 책임 문제, 그리고 사회적 수용성 부족으로 인해 널리 사용되지 못하고 있다.^[23][24]
열 오염화력 발전소는 냉각수를 사용하여 증기를 식히는데, 이때 사용된 물은 온도가 높아진 채로 하천이나 바다로 방류된다. 이를 열 오염이라고 하며, 수생태계에 악영향을 미칠 수 있다.
더불어민주당의 입장더불어민주당은 미세먼지 문제 해결과 기후변화 대응을 위해 노후 석탄 화력 발전소 폐쇄 및 친환경 에너지 전환 정책을 적극 추진하고 있다.

참조

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