[에너지] 화력발전의 미래

그동안 화력발전은 꾸준한 발전을 지속하면서 전력생산의 주축을 이루고 있지만,
앞으로도 화석연료의 고갈이라는 큰 짐을 짊어지고 꾸준히 발전해 나갈 것으로 기대됩니다.
화력발전의 장래 전망을 알아봅니다.

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화력발전소

1. 화력발전의 고효율화

화력발전기술은 꾸준이 발전을 거듭하면서 고도화되어 왔습니다. 그 고도화의 흐름은 고효율화와 연료 이용의 고도화, 다양화를 향하고 있습니다. 기본적인 발전소의 구성은 보일러, 터빈, 발전기이며 이들 기본 구성기기의 대용량화, 운전조건의 고도화에 따라서 발전효율의 향상이 진전되어 왔습니다.

 

화력발전의 고효율화는 특히 증기 사이클계의 고온화, 고압화로 달성되어 왔습니다. 화력발전은 초초임계압까지 이르게 되었으며 이에 따라 발전효율도 평균 40%를 넘어서게 되었습니다. 

초임계(SC) 및 초초임계 (USC) 발전소는 물의 임계점보다 높은 온도 및 압력, 즉 물의 액체 상태와 기체 상태가 평형 상태로 공존하는 온도 및 압력보다 높은 온도 및 압력에서 작동합니다. 초임계 증기 발생기는 임계압력 이상에서 작동합니다.  이러한 조건에서 액체 물의 밀도는 상변화 없이 완만하게 감소하여 증기와 구별할 수 없게 됩니다. 수온은 고압터빈에서 작동하여 발전기의 응축기로 들어가기 때문에 임계점 아래로 떨어지며 결과적으로 연료 사용량이 약간 줄어듭니다. 초임계 증기 발생기를 갖춘 발전소의 효율은 아임계 증기 발생기보다 더 높습니다. 열역학적 효율은 온도 강하 크기와 직접적으로 관련되기 때문입니다. 초임계압에서는 더 높은 온도의 증기가 터빈에서 기계적 에너지로 더 효율적으로 변환됩니다

 

그러나 기력 사이클계의 고도화 기술은 현재의 기술로는 거의 한계에 와 있어서 이것만으로는 더 이상의 발전효율 향상을 기대하기 어려운 상황입니다. 이 흐름을 타파하는 방책으로 최근 급속한 진전을 보이고 있는 것이 복합 사이클 발전기술입니다.

 

2. 복합사이클 

복합사이클은 기존 기력 사이클에 가스터빈 사이클을 조합시켜 발전효율을 향상을 도모한 것입니다. 오늘날 천연가스 이용의 발전에서는 이 복합 사이클이 화력발전 기술의 주류가 되고 있으며, 고효율이면서 배출가스가 비교적 깨끗하다는 이유에서 천연가스연료의 신설 화력발전소는 대부분 이 기술을 채용합니다. 복합사이클의 주된 개발요소는 가스터빈 기기 입니다. 보일러계, 증기 터빈계의 개선은 앞서 설명한 바와 같이 기력 사이클로서 거의 한계에 이를 정도로 고도화 되어 있기 때문에 앞으로의 기술개발 과제는 가스터빈계의 연소온도 고온화에 달려 있습니다.

 

3. 연료 이용의 고도화 

 

에너지 이용면에서는 세계적인 석유자원의 고갈화에의 대응이 그 발단이 되어서 연료이용의 고도화, 다양화가 한층 더 진전될 전망입니다.

 

현재 석유를 연료로 하는 화력 발전설비의 신설은 세계적인 약속으로 제한되고 있으며, 우리나라에서도 신설의 화력발전소는 천연가스 및 석탄만을 연료로 삼는다는 것을 원칙으로 삼아왔습니다. 천연가스는 깨끗하고 품질이 좋은 연료로서 현재는 복합 사이클 발전용 연료로 널리 사용되고 있으나, 석유와 마찬가지로 지역적인 편재가 있고 추후 고갈될 것으로 예상되고 있습니다. 이에 반해 석탄은 지역적인 편재가 없고 가격도 싸고 그 매장장도 풍부하기 때문에 화력발전의 연료로 이용이 확대되고 있습니다. 다만 이 석탄은 오늘날 지구 환경문제의 주된 원인이 되는 온실가스 배출원이므로 석탄이용에 대한 기술과제는 어떻게 하면 이산화탄소 배출양을 줄일수 있을까 하는 Clean coal 개발 기술 입니다.

 

• 석탄가스화 복합발전: IGCC 발전소는 현대식 연소 및 증기터빈발전기를 활용하여 전기를 생산합니다. 석탄, 석유 코크스, 바이오매스, 폐기물 등으로부터 합성가스를 생산합니다 . 따라서 광범위한 공급원료 옵션을 지원합니다. 합성가스는 규모의 경제에 따라 추가 수익을 창출할 수 있는 다양한 종류의 가치 있는 제품을 생산할 수 있는 길을 열어줍니다. 가스화는 다른 석탄 기반 발전시스템에 비해 환경오염 가능성이 가장 낮습니다 . IGCC 시스템은 기존발전소 보다 더 효율적입니다 .가스화기에서 생산된 뜨거운 합성가스는 가스 정화 및 PM 제거를 위해 처리됩니다. 그런 다음 연소기와 가스터빈으로 보내져 전기를 생산합니다. 가스화 공정에서 생산된 증기와 함께 가스 터빈에서 나오는 배기 가스의 열에서 회수된 추가 증기는 증기 터빈 발전기를 가동하여 추가 전력을 생산합니다.
• 가압유동상연소방식: PFBC 시스템은 유동층 연소 보일러와 가스 터빈을 결합합니다. 가스터빈은 고압의 연소공기를 연소기에 공급하고, 사이클론에서 정화된 가스가 가스터빈을 구동한다. 연소기의 튜브 다발에서 증기가 동시에 생성되어 증기 터빈을 구동하는 석탄복합발전소입니다.

 

4. 운용의 변화

최근 전력수요의 경향은 민간용 수요에서 냉방부하의 증가, 산업용수요에서는 야간 작업보다는 주간 작업의 증가에 따른 부하율의 저하, 주간 첨두형으로 바뀌고 있습니다. 이와 같이 전력수요의 주야간 격차의 확대라든지 원자력 발전의 비율증대로 중간부하대응으로서 대용량 화력발전소가 야간 최저 출력 운전할 경우가 많아지고 또한 중소용량 화력발전소가 매일 기동 정지운용할 경향이 확대될 것입니다.

이에 대처하기 위해서 중간부하 담당화력은 높은 열효율과 빈번한 기동정지가 동시에 요구되메 따라 기저부하 담당을 목표로 해 온 종래의 운전기술과는 또다른 변압운전 기술 등을 실시하게 되는데 앞으로 이러한 추세는 더욱 심화될 것입니다.

 

*같이가치업의 생각*
미래의 에너지 공급 기술은 눈부시게 진전하고 있습니다. 더 꺠끗하고 더 효율적인 우수한 발전 시스템이 기대됩니다.