에너지가 만들어지는 과정 가스복합발전(CCGT) 에너지 생성 과정 이야기

발전을 하는 방식중에 화석연료가 가진 열량을 이용하는 방식을 흔히 화력이라고 부르고 발전기를 돌릴 회전력을 얻는 방법에 따라서 기력, 내연력발전, 특수화력발전으로 나눈다.... 고 하는데 사실 기력과 가스터빈을 이용한 발전, 이 두가지가 주류라고 보면 된다. 기력은 석탄, 중유 등을 태워서 그 열로 고압의 증기를 만들어 그 증기로 터빈을 돌리는 방법이고, 

(원전의 상징인 냉각탑은 냉각수로 바다를 이용하지 않는다면 증기를 식혀야 하는 모든 발전소가 필요할 수 있다.)

+ (냉각탑쓰면 한강물로도 원전 냉각 쌉 가능함.)

가스터빈 발전은 천연가스를 연소실에서 연소시켜 배기가스의 압력으로 터빈을 돌리는 방법이다. 

(이것들은 연소가스를 밀어내며 작용-반작용으로 기체를 밀어주지만, 발전용 가스터빈은 연소가스를 이용해 터빈을 돌린다.) 발전용 가스터빈은 그래서 제트엔진과 비슷하게 생겼는데 

(GE의 최신 발전용 가스터빈인 9HA)

이렇게 생겼다. 사실 이것만 봐선 둘이 뭔 차이인지 잘 모르겠지만, 연소실에서 튀어나온 가스를 수많은 터빈 블레이드를 통해 통행세(운동에너지)를 거두어 뒤로 나가는 연소가스의 속도가 항공기의 제트엔진에 비해 낮다고 보면 될 듯하다. 

이렇게 풀려난 연소가스는 이제 대기중으로 퍼져 자유의 모미 될 것 같았지만,

돈미새들은 연소가스를 그렇게 쉽게 풀어주지 않았다. 

(자본주의의 좋은 점. 어쩌다보니 누가 시키지 않아도 환경 친화적이되려고 노력함.)

 

연소가스는 비록 속력은 줄었을지언정 그래도 불타고 나온 연기이기에 열이 뜨끈뜨끈했는데, 그걸로 물을 끓여서 한 번 더 발전을 할 수 있었던 것이다. 

그 역할은 연소가스 담당일진인 배열회수보일러(HRSG, Heat Recovery Steam Generator, 배열회수증기발생장치)가 담당한다. 

 

이렇게 두 번 태움으로서, 이 발전 방식은 복합화력(Combined Cycle)로 불리게 되고, 

CCPP (Combined Cycle Power Plant) 또는 CCGT (Combined Cycle Gas Turbine) 이렇게 부른다. 
가스터빈의 열효율은 브레이튼 사이클로 계산이 가능한데 이 공식에 따르면 열효율은 연소가스가 연소실에서 터빈으로 들어갈때 온도에 따라 결정된다. 이 온도가 높을 수록 열효율이 좋아지는데... 너무 뜨거우면 터빈 작살날 수 있으니 내열성능, 터빈소재의 강도 등을 고려해야 한다. 

그리고 이렇게 터빈을 돌리고 나온 배기가스는 증기를 만드는데 쓰이고(랭킨 싸이클) 집진설비 및 탈질설비 등을 거쳐 오염물질을 제거한 뒤 배기구를 통해 풀려나게 된다. 또는 그 열 그대로 온수를 만들어 지역난방용으로 공급하기도 한다. 

 

현실의 제품들을 하나 예로 들면~

(본인은 GE와 어떠한 관계도 없으며, 주식 1주도 보유한 적이 없음을 밝힙니다. 아 잭 웰치 자서전 잼나게 읽음)

위에 소개한 GE의 9HA.02 가스터빈은 제조사 홍보자료에 따르면 가스터민 자체 만으로 44%의 열효율을 낼 수 있다. 

(출처 : GE 홈페이지, 맨위 출력과 네번째 효율, 마지막 기동시간(분단위)를 보자.)

44%의 열효율 만으로도 열역학 좀 봤다 하는 사람은 오올~ 할텐데

여기서 나온 연소가스를 HRSG에 통과시켜 증기를 만들어 한 번 더 발전을 하면 

그 발전소의 총 열 효율은 60%가 넘게 올라갈 수 있다. 

 

(같은 터빈 두개에 HRSG 1개를 붙였을 경우 성능, 맨위 output과 네번째 efficiency에 주목하자. 아 맨 아래 기동시간도 주목, 30분 이내에 기동이 가능하다. 이거 두개에 HRSG 하나 붙이면 APR1400 원자로 1기, 1400MW 넘는 출력 나온다. )

이 터빈들은 브론즈-실버-골드 등 티어 나누듯이 class라는 것이 있다. F-class, H-class, J-class 등이 있는데 뒷자리 알파벳일수록 더 대형의 더 고효율 제품이라고 보면 된다. 예전에는 F-class가 주력이었는데 최신 제품들이 많이 나왔다. 

위의 GE의 9HA.02는 GE의 최신 발전용 가스터빈이고 이름에서 볼 수 있듯 H-class라고 보면 된다. 지들이 클라스가 다르다고 이렇게 명명했다. 일본의 미쓰비시는 지들의 동급 제품에 J를 붙여서 J-class라고 부른다. 

이 CCGT 발전소는 그 높은 열효율로 한 때 (10년 전 쯤) 친환경으로 분류하자는 이야기도 있었고, 

연료인 천연가스만 안정적으로 싸게 공급이 가능하다면

이걸 짓는 건설회사나, 이걸 운영할 발전사업자나, 송배전업체나 모두 모두 좋아할 성능을 갖추고 있는 발전방식이다.

우선 건설회사

- 건설기간이 짧음. 이건 3년이면 짓고 다른 일 하러 갈 수 있음. (아주 낙관적일 때 건설기간은 석탄화력 5년 원자력 7년 봐야 함)

- 건설현장도 비교적 덜 오지임 (개인 경험 ㅋ)

 

그 다음 발전사업자

- 건설비용이 싸다. 발전용량당 석탄화력의 1/3 이하, 원전의 1/4이하다. 

- 건설기간이 짧아서 투자금 회수가 빠르다. 3년만 지나면 영업 가능함

- 땅도 적당히 있음 되고 딱히 혐오시설도 아니라서 수요지 인근에 짓기 쉬움 (실제 도심이나 바로 외곽에 많다.)

- 가스터빈은 기성품이라 성능이 표준화 되어 있어서 견적넣고 계획세우기 좋음

- 석탄화력은 석탄을 받아서 야적하고, 태운 뒤 재를 쌓아둘 땅이 필요한데 얘는 가스관 연결하거나 가스탱크 있으면 끝. 

 

송배전업체

- 자기들 송배전망에 이거 있음 수요 많아서 급할 때 주문 넣어서 돌리기 좋음. 기동시간이 30분 이내면 거의 초광속이지

- 수요처 근처에 지어지는 경우가 많아 송전망 고민도 비교적 적음

 

인근주민

- 추운날 굴뚝에서 하얀 연기 나오는것 빼고는 잘 몰루~

 

그 외 기타

- 선진국 : 핵심설비인 가스터빈을 만드는 회사가 다 지들 회사라 잘 팔릴 수록 좋음 (GE, Siemens, 미쓰비시 중공업)

- 투자자본 : 민자발전으로 돌리기 좋은 건설기간을 갖추고 있음. 

- 환경단체 : 딱히 반대할 명분 찾기가 쉽지 않음...... ㅋㅋ

 

하지만 이렇게 좋아보여도...

 

이 가스복합 발전은 발전원가에서 건설비는 비중이 적지만 연료비 비중은 꽤나 높아서 가스값이 올라가면 발전원가가 상승하고, 

또한 이 터빈이라는 물건은 가스터빈이든 증기터빈이든 일정시간 돌리고 나면 다 뜯어서 그 수백개의 터빈블레이드가 괜찮은지 검사(오버홀)를 해야 하는 물건이라 마냥 오래 돌릴 수도 없는 단점이 있음. 

그리고 핵심설비인 가스터빈이 지금까지는 전부 외산이라 외화가 유출되고, 해외프로젝트도 우리나라가 먹을 수 있는 지분이 적다는 단점도 있음. (그래서 발주처랑 계약도 질질 끌려다니는 경우도 많았음 ㅠㅠ)

암튼 정리하면 완벽한 발전원이란 없고 필요에 따라 적재적소에 잘 써야 한다는 개인 의견으로 마무리.

끝.

 

(도시 외곽에 보이는 이런 건물은 대부분 가스복합화력발전소 또는 발전-난방을 하는 열병합 발전소다.)

(석탄화력은 해수가 아니면 증기냉각이 쉽지 않을 정도라 바닷가에 있다. 아님 냉각탑 짓고 강물 끌어다 해야..)