신재생에너지야 빨리 자라렴 복합화력발전소가 버티고 있을게!

신재생에너지야 빨리 자라렴 복합화력발전소가 버티고 있을게!

17기 오희린

 

탈원전에 대한 주장은 1956년 영국에서 최초의 상업용 원전을 가동할 당시부터 현재에 이르기까지 꾸준히 제기되어 왔다. 기본적으로 탈원전을 지지하는 '원자력 발전 폐지론자'들은 원자력 발전이 친환경적인 에너지가 아니며, 통제 가능한 근본적 기술을 확보하지 못한 위험한 에너지라는 생각에 동의한다. 요근래 대한민국의 탈원전 정책은 1979년 미국 스리마일 섬 원자력 발전소 사고, 1986년 소련 체르노빌 원자력 발전소 사고, 2011년 일본 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고 등 세 개의 유명한 원전 사고의 영향을 받았다.

문재인 대통령은 18대 대선에서부터 에너지 공급에서 원자력 발전의 비율을 축소하는 탈원전 에너지 정책을 제시하였다. 당시 문 후보는 '원자력 제로'를 목표로, 신규 원전 건설계획 백지화, 노후원전 수명연장 중단, 월성1호기 폐쇄, 신고리5·6호기 공사 중단 등을 주장했다. 또한 원전 비중을 2030년까지 30%에서 18%로 낮추고, LNG는 20%에서 37%, 신재생 에너지는 5%에서 20%로 높이겠다고 발표했다.

원전 비중이 줄어듦에 따라 그 대체로 LNG가스발전과 신재생 에너지 발전비중을 늘리겠다는 의미이다. 신재생에너지는 자연으로부터 에너지를 생산하는 깨끗하고 지속가능한 방식으로 대표적인 원전을 대체하는 발전방식이다. 그렇다면 LNG 가스발전은 어떤 방식으로 이루어지기에 원전발전의 대체제가 될 수 있는 것일까?

LNG(Liquefied natural gas)는 액화천연가스로써 천연가스의 주 성분인 에테를 저장 및 운송하기 위해 액화시킨 것이다. 천연가스는 공기보다 가벼워 누출시에도 쉽게 날아가 폭발 위험이 적은 안전한 에너지이고 액화 과정에서 황, 질소 등이 제거되어 연소 시 공해물질을 거의 발생하지 않는 무공해 연료이다.

[자료1. 석탄과 LNG의 유해 대기물질 배출량 비교]

출처 : GS칼텍스

 

정부 공식 자료에 의하면 천연가스로 발전할 때 온실가스는 석탄 화력발전의 44% 수준만 배출된다. 미세먼지 배출량은 석탄 화력의 10% 수준에 불과하다. 중금속 등 유해물질은 아예 배출되지 않는다. 석탄 화력에 비해 얼마나 ‘청정한 발전’인가를 단적으로 보여주는 지표들이다.

따라서 공해물질을 적게 배출한다는 의미에서 원자력 발전의 대체제로써 공해물질 배출이 많은 석탄화력발전소보다 LNG 가스발전이 적합하다는 의미이다.

그렇다면 LNG 가스를 가지고 어떤식으로 발전을 하는 것일까?

LNG 가스는 복합발전시스템에 의해 에너지를 생산해낸다.

복합화력발전소는 이름에서 알 수 있듯이 화력발전소의 한 종류이다. 영어로는 Combined cycle power plant인데 줄여서 CCPP라고 부른다.

‘복합’이라는 단어가 붙은 이유는 두 종류의 발전기를 동시에 사용하기 때문이다. 바로 가스터빈(Gas turbin 줄여서 GT)과 증기터빈(Steam turbine 줄여서 ST)이 그 두가지이다. 보통 화력발전소는 가스터빈 하나만을 돌려서 전기를 생산하는데 복합화력 발전소는 가스터빈을 돌리는 과정에서 손실되는 열에너지를 사용해 스팀터빈을 돌려 발전 효율성을 높이는 방식으로 운영된다.

그림을 보면서 자세히 발전원리를 알아보자.

[자료2. 복합화력발전소 전개도]

출처 : SK 이앤에스

 

그림의 왼쪽 위를 보면 각 물질의 이동경로를 파악할 수 있다.

그림의 왼쪽부터 각 용어들에 대한 설명은 다음과 같다.

1. GIS (Gas Insulated Switchgear) : 가스절연개폐장치. 고압 전력을 다룰 시 메인 차단기의 총칭을 의미한다. 금속용기 내에 모선, 개폐장치, 변성기, 피뢰기 등을 내장시키고 절연 성능과 비연소성, 무독성으로 우수한 불활성기체인 SF6가스로 충전, 밀폐하여 절연을 유지시키는 개폐장치이다. 가스터빈과 증기터빈에서 생산된 전력이 변압기를 통해 들어오면 받아서 한전으로 송전한다.

2. FGC (Fuel Gas Compressor) : 연료가스압축기. 천연가스를 안정적이고 효율적으로 공급하기 위해 압축시키는 장치.

3. Gas Heater : 가스히터. 공급받은 가스에 열을 가해 순간적으로 폭발시켜 고온고압의 가스를 만들고 이를 가스터빈에 공급하는 장치.

4. Gas Turbine : 가스터빈. GT라고도 하며 공급받은 고온고압의 가스를 이용해 터빈을 돌려 전력을 생산하는 장치. 복합화력발전소의 GT는 터빈을 돌리고 남은 가스의 열에너지를 HRSG(배열회수보일러) 로 공급하는 역할도 한다. 생산된 전력은 GIS로 전달한다.

5. HP/IP/LP DRM (순서대로 High, Intermediate, Low Pressure Digital Rotary Meter) : 고압, 중압, 저압 가스를 계량하는 디지털 미터기.

6. SCR (Selective Catalytic Reduction) : 선택적 촉매 환원. 가스를 연소하는 조건에서 발생되는 각종 유해물질(질소산화물, 황산화물)을 질소와 산소 등 유해하지 않은 물질로 전환시키는 장치.

7. HRSG (Heat Recovery Steam Generator) : 배열회수보일러. 가스터빈을 돌리고 나서 배출되는 가스의 열에너지를 회수해 물을 증발시켜 다시 고온, 고압의 증기로 만들어 스팀터빈을 가동할 수 있도록 하는 복합화력발전소의 핵심설비.

8. BFP (Boiler Feed Pump) : 보일러 급수 펌프. HRSG에 도달한 응축수를 최종적으로 HP 부분과 IP부분으로 분할하여 보내는 장치.

9. Steam Turbine : 스팀터빈. HRSG에서 공급받은 고온 고압의 증기를 이용해 터빈을 돌려 전력을 생산하는 장치. 터빈을 돌리고 배출되는 증기는 다시 순환할 수 있도록 냉각하기 위해 콘덴서로 보내진다. 생산된 전력은 GIS로 전달한다.

10. CEP (Condenser Extraction Pump) : 복수기 응축수 펌프. 복수기에서 응축된 물을 HRSG 로 내보내기 위한 장치.

11. CONDENSER : 복수기. 응축기. 수증기를 냉각수로 식혀서 물이 되게 하는 증기 기과의 장치.

12. CWP (Circulationg Water Pump) : 순환수 펌프. 냉각수가 콘덴서에서 순환할 수 있도록 하는 장치.

 

여기서 잠깐!

Steam turbine 과 Gas turbine 의 차이가 무엇일까?

스팀 터빈과 가스 터빈 둘 다 Turbine 을 사용하는 것으로 유체가 가지고 있는 에너지를 사용한다는 것이 동일하다. 그러나 이 둘은 사용하는 유체의 종류에 따라 분류되며 설계 방식에 차이가 있다. 또 다른 차이점은 Steam turbine 은 Turbine 내의 블레이드를 통해 확장되는 증기 에너지를 사용하여 Rankine cycle 을 적용하지만 Gas turbine 은 가스 에너지가 팽창할 때 발생하는 에너지를 사용하여 Brayton cycle 을 적용한다.

Rankine cycle (랭킨 사이클)

Steam turbine 에 적용되는 Cycle 로써 기본 주요 구성 요소는 보일러, 증기 터빈, 콘덴서, 펌프로 이루어져 있다. 작동 유체가 저압에서 고압, 보일러까지 이송된 후 가열되어 포화 증기가 되고 터빈을 통해 팽창하면서 터빈을 회전시켜 전력을 생산한다. 이때 사용된 유체가 Condenser 를 통해 회수되면 Cycle 을 반복한다.

[자료3. 랭킨 사이클의 전개도와 TS선도]

출처 : 위키미디어

 

Brayton cycle (브레이턴 사이클)

Gas turbine 에 사용되는 Brayton cycle 은 Compressor 와 Combustion, Turbine 으로 구성되어 있다. Fresh air 를 Compressor 에서 압축한 후 Fuel 와 함께 연소한 후 고온 가스가 Turbine 으로 유입되면서 동력을 생산하는 방식이다.

[자료4. 브레이턴 사이클의 전개도와 PV 선도, TS 선도]

출처 : 위키미디어

 

지금까지 탈원전의 대체제 중 LNG가스발전이 왜 대체제일 수 있는지, 그 발전방식은 무엇인지에 대해 알아보았다.

탈원전의 취지는 국민들의 안전 및 환경보호이므로 그 누구도 반박할 수 없을 것이다.

허나 그 방식이 성급하거나 미숙하다면 과잉조치로 인해 취지를 역행하는 사태가 일어날 것이다. 성급한 탈원전으로 인한 전력공급부족은 결국 석탄을 태우고 환경을 오염시켜가며 메꿔야 한다. 신재생에너지 발전소를 건립하기 위해 산림들을 파괴하거나, 전기세 폭등 및 전력공급량 부족으로 인한 블랙아웃 또한 성급한 탈원전의 부작용 예시이다.

그렇다고 탈원전을 반대하는 입장은 아니다. 정확히는 ‘성급한 탈원전’을 반대해야 한다. 대표적으로 정치권에서 투표 하나 더 받기 위해 무리한 탈원전 정책을 세우는 것은 없어져야한다. 과학의 발전과 산업의 발달을 통해 신재생에너지가 원자력에너지를 충분히 대체할 수 있을 때까지 우리는 시간과 노력을 투자해가며 천천히 바꿔나가야 한다.

여기서 LNG가스발전은 그 중간 지점에서 양 극간의 조율을 할 수 있는 방안일 것이다.

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참고문헌

1) "배열회수보일러", 네이버지식백과, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3378623&cid=42107&categoryId=42107

2) "선택적 환원촉매", 네이버지식백과, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=302286&cid=50330&categoryId=50330

3) "액화천연가스", 위키백과, 2020/05/01, https://ko.wikipedia.org/wiki/액화천연가스

4) 지앤이타임즈, GS칼텍스 미디어허브, "발전 에너지 세대교체, '석탄' 대신 '천연가스'", 2018/02/13, https://gscaltexmediahub.com/energy/natural-gas-power-generation/

5) "탈원전 정책", 위키백과, 2019/11/29, https://ko.wikipedia.org/wiki/탈원전_정책

6) 호원, 네이버블로그, "GIS (가스 절연 개폐 장치 : Gas Insulated Switchgear)", 2020/03/11, https://blog.naver.com/hohwon/221848018341

7) Chandler, INSIDE INSIGHT, "Power plant 종류와 국내 발전소 현황 그리고 전망", ,http://sadboxabc.blogspot.com/2018/11/power-plant.html

8) "cwp", 네이버국어사전, https://ko.dict.naver.com/#/entry/koko/e7129b8981aa45fb93370ebbce7e1a54

9) ELOISE, 네이버블로그, "[업무] 복합화력발전소 CCPP의 원리", 2016/10/22, blog.naver.com/micacozzang/220842819359