한국중부발전을 다녀와서

한국중부발전을 다녀와서

대학생신재생에너지기자단 20기 이주선, 21기 오서영, 21기 한세민, 22기 박주은

 

국내 가장 오래된 발전소는 어디일까? 바로 서울시 마포구에 위치한 한국중부발전 서울발전본부이다. 1930년, 국내 최초의 화력 발전소였던 당인리 발전소부터 시작해 지금까지 100년에 가까운 역사를 자랑한다. 1930년 1호기가 건설되고 1935년 2호기 건설되어 서울에 전기를 공급했다. 1940년 한국 전쟁에 의해 서울 탈환, 중공군의 남하, 그리고 서울 재탈환의 과정에서 당인리 발전소는 파괴 및 응급 수리에 따른 정지와 가동을 반복하였다. 이후 휴전 이후 1954년 미국으로부터 ICA자금 (개발도상국 원조자금)을 지원받아 1956년 3호기가 건설되었다. 이후, 1969년에 5호기가 건설되었고 이에 노후화된 1, 2호기를 1970년에 폐지하였다. 연이어 1971년에 4호기가 준공되고 1982년에 3호기 또한 폐지한다. 이후 발전소의 명칭을 서울화력 발전소로 변경하며 70년대에는 서울 전력의 75%를 공급하며 산업 발전의 원동력이 되었다. 

[자료 1. 서울 발전의 역사 ]

출처 : ⓒ오서영

 1960년대까지만 해도 발전소가 위치한 곳은 농사를 짓는 서울의 한적한 변두리였다. (1930년 1호기 건설 당시에는 서울시가 아닌 경기도 고양군에 해당했다.) 그러나 발전소 인근이 개발되고 주민이 늘어감에 따라 발전소에 대한 민원이 발생하였다. 70년대까지 질 낮은 국내 무연탄을 사용하였기에 새까만 연기가 뿜어져 나오는 굴뚝과 까매진 근무자들의 얼굴 등 산업화 초기의 전형적인 발전소의 모습이었기 때문이다. 이에 1982년 석탄과 중유에서 벗어나 저유황유(LSMR)로 연료를 교체하였는데 이는 국내 화력 발전소 가운데 최초였다. 이어 1993년 액화천연가스(LNG)로 전환해 현재까지 이어가고 있다. 이처럼 환경 오염을 줄이기 위한 시대의 흐름에 맞춰 걸어가고 있다.

[자료 2. 한국중부발전 서울발전본부 ]

출처 : 한국중부발전 서울발전본부

세계 최초 도심 지하 발전소

정부의 제4차 전력수급기본계획에 따라 노후화된 서울화력 4, 5호기의 폐지가 결정되었다. 그리고 2006년 이를 대체할 서울 복합 1, 2호기의 신규 건설이 확정되었다. 변화한 시대에 도심 속에 위치한 발전소인 만큼 주민들과 함께 살아가기 위해 발전소의 건설 방식은 새로운 것이었다. 발전기는 지하로 옮기고 지상은 공원화하는 방안을 제시하였다. 그러나 지역의 반대로 인해 경기도 고양으로의 발전소 이전이 정해졌으나, 해당 지방자치단체에서도 반대하여 결국 2011년 정부는 기존의 위치에 지하 복합화력 발전소를 건설하기로 최종 결정하였다. 여전한 주민들의 반대를 해결하기 위해 수십차례의 주민 설명회화 협의회를 통해 정확한 정보의 제공과 꾸준한 홍보를 통해 지역 주민들을 설득해 나갔다. 결국 2012년 지방자치단체와의 건설 이행 협이 체결되어 2013년 서울 복합 1, 2호기의 건설이 시작되었다.

도심지의 지하발전소라는 건설 여건은 기존의 건설 현장보다 많은 어려움을 만들어냈다. 지하 공간에서 토목, 건축, 기계, 전기 등의 분야 간의 간섭을 최소화해야 했고, 많은 작업을 최소 인원으로 진행하여 직원 한명의 몫이 늘어났다. 또한, 현장 부지가 좁고 지하 최하층은 겨울 한파에 배관과 설비가 동파되는 등 시운전 과정에서 문제가 발생하기도 하였다. 이에 다양한 어려움 속에서도 공사가 효율적으로 이루어질 수 있게 수시로 계획을 조정하고 대응하였다. 기존과 다른 공사 현장이기에 새로운 공법들이 적용되어 현장의 여건에 맞는 솔루션들을 제공하였는데 이는 서울 발전본부의 기술력을 인정받는 기회가 되기도 하였다.

결국 2019년 11월 13일 서울 복합 1, 2호기는 시운전을 완료하고 상업 운전에 들어갔다. 이는 국내를 넘어 세계 최초의 대용량 지하 복합 발전소라는 기록을 쓰게 되었다. 지하에 발전소를 두고 지상에는 공원을 조성하여 시민과 함께 살아가는 발전소의 이상적인 모습을 갖추게 되었다. 이 점은 전 세계에서 인정을 받으며 서울 발전본부는 미국 S&P Global Platts사의 제22회 Global Energy Awards에서 올해의 건설 사업상을 수상하였다. 이는 에너지 분야 세계 최고 권위의 상으로, 특히 올해의 건설사업 부문은 美항공우주국(NASA), CS Energy(호주) 등 강력한 최종 후보들과의 경쟁에서 승리했다는 점에서 더욱 의미가 깊다. 또한, 2022년 2월 20일, 서울 발전본부는 무재해 30배를 기록하였다. 이 기록은 1980년 11월 7일 무재해 개시일 이후부터 30배수를 달성한 것으로 41년 3개월에 해당한다. 이는 국내 유일하고 최장 기간이다.

[자료 3. 올해의 건설사업상 수상]

출처 : 한국중부발전 블로그

 

서울 본부의 발전 방법 및 원리

[자료 4. 복합발전]

출처 : 한국중부발전 홈페이지

한국 중부 발전은 위에서 언급한 것과 마찬가지로 지하발전소이며 복합화력 발전소이다. 복합발전이란 가스터빈과 증기터빈을 조합하여 전력을 생산하는 방식을 말한다. 즉 1차 발전설비와 2차 발전설비를 조합하는 방식이다. 가스터빈 내부에서 연료를 연소시켜 연료가스를 만들고, 이 연소가스로 가스터빈을 돌려 1차로 전기를 생산한다. 이때 사용하는 서울발전본부의 연료원은 LNG로 석탄화력발전소와 달리 황산화물과 먼지가 배출되지 않는다. LNG는 기화할 때의 냉열에너지를 전력으로 회수할 수 있다. 현재 도시가스로 주로 사용되고 있으며 전력이나 공업용으로도 이용되고 있다. 이후에 배출되는 배기가스에 남아있는 열을 이용하여 배열회수 보일러에서 물을 가열, 고온, 고압의 증기를 만들어 증기터빈을 돌려 2차로 전기를 생산하게 된다. 

[자료 5. 가스터빈의 작동 원리]

출처 : ⓒ이주선

복합발전인 만큼 발전설비인 가스터빈과 증기터빈은 두 개의 심장으로 불린다. 가스터빈은 공기를 압축하여 중유,천연가스 등을 연소시킬 때 생기는 열로 가열한 후 팽창시켜 동력을 얻는 것으로, 주축의 회전속도는 매분 수천 회전에 이른다. 자료에서와 같이 가스터빈은 공기를 흡입 후 공기를 압축한다. 연소기에서 연료를 주입하여 연소시키는데 여기서 급격히 팽창한 가스는 회전력으로 변환되며, 변환된 에너지가 터빈 블레이드를 회전시킨다. 마지막으로 배기가스가 발생되는 것으로 동작은 마무리된다. 즉 에너지를 변환하여 회전력으로 터빈을 돌려서 전기를 만드는 방식이다.

[자료 6. 증기 터빈의 작동 원리]

출처 : ⓒ이주선

증기 터빈은 고압증기를 팽창시킴으로써 발생하는 기계적 에너지를 이용하여 터빈을 구동시켜 전기를 발생시키는 발전기기이다. 에너지를 전환하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식은 가스터빈과 유사하다. 증기터빈은 우선 증기가 투입되고 터빈이 회전하는 것으로 동작이 시작된다. 투입된 증기는 배출되어 배열회수 보일러로 이동한 후 재가열된다. 중압터빈에서 증기가 투입되며 저압터빈으로 증기가 이동된 후 발전이 마무리 된다.

 

서울 본부의 환경관리 및 업무 (오염물질 배출 최소화)

발전소 하면 대부분의 사람들은 연기 또는 매연이 뿜어져 나오는 굴뚝을 상상할 것이다. 하지만 발전소도 시대의 흐름과 가치관에 맞추어 꾸준히 성장하고 혁신하고 있다. 한국중부발전은 경영복표 중 하나가 대기오염물질 저감률 80%라고 밝힌 만큼, 오염물질 배출에 많은 노력을 하고 있다. 한국중부발전은 천연가스(LNG)를 주원료로 지하에 있는 가스터빈과 증기터빈을 통해 에너지를 얻어낸다.

서울발전본부는 천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 친환경 발전소이다. 이를 관리하는 것이 서울발전본부 환경관리의 일부이다.

[자료 7. 친환경연료 LNG]

출처 : ⓒ한세민

천연가스는 공기보다 가벼워 누출이 되어도 쉽게 날아가며, 발화온도가 높아 폭발의 위험이 거의 없는 안전한 에너지이자, 전세계에 광범위하게 매장되어 있어 장기적으로 안정적인 공급이 가능한 에너지이다. 또, 천연가스는 액화과정에서 분진, 황, 질소 등이 제거되어 연소 시 환경물질이 거의 발생하지 않는 친환경적인 연료이다.

또한, 천연가스의 사용과 함께 오염물질 배출을 더욱 최소화하기 위해 노력하고 있다. 현재 서울발전본부에서 배출되는 오염물질은 질소산화물로 약 5ppm을 배출하고 있다고 한다. 이는 서울시 권고 기준의 1/4 수준으로 적은 양이며, 비상 시에는 4ppm을 배출할 수 있는 설비가 마련되어 있다고 한다.

[자료 8. 서울발전본부와 백연현상]

출처 : ⓒ한세민

그렇다면 겨울철 발전소의 연돌(굴뚝)에서 보이는 연기는 무엇일까?

한국중부발전 서울발전본부 견학 날에도 기온이 낮아 연돌에서 배출되고 있는 연기를 볼 수 있었다. 이는 백연현상으로 설명할 수 있다. 백연현상은 공기의 온도 차 때문에 발생하는데, 고온다습한 공기가 상대적으로 찬 공기와 만나게 되면 과포화된 수증기가 마치 연기처럼 보이게 되는 현상이다. 겨울철 발전소의 연돌에서 보이는 연기는 천연가스의 연소 시 발생한 고온의 수증기가 찬 공기를 만나 눈에 보이게 되는 현상이다. 이 수증기는 높은 연돌을 거쳐 배출되어 지표면과 먼 대기 중으로 흩어지게 된다.

 

한국중부발전 서울발전본부의 환경관리 매커니즘에 대해 자세히 알아보자.

발전소는 사용하는 연료에 따라 배출하는 물질이 달라진다. 서울발전소에서 사용하는 천연가스의 경우, 먼지와 황산화물질을 배출하지 않는다. 대신 질산화합물을 배출하게 된다. 질소산화물(NOx)은 배기가스에서는 거의 일산화탄소(NO)로 존재하지만 대기 중에서 인체에 유해한 이산화질소(NO2)로 산화되어 태양광과 작용하여 광화학 스모그를 일으키는 직접적인 공해의 원인이 된다. 따라서 NOx를 제거하는 기술로 SCR을 사용한다. SCR(Selective Catalytic Reduction)은 선택적 촉매 환원공정이다.

SCR은 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원제인 NH3와 탈질 촉매를 이용하여 반응시킨다. 그 결과 NOx는 인체에 무해한 질소(N2)와 물(H2O)로 환원되어 배출된다.

발전을 할 때 사용하는 재생수도 그냥 방류되는 것이 아니다. 사용된 재생수는 난지 하수처리장을 거쳐서 한강으로 나가게 설비가 갖추어져 있다.

[자료 9. TMS 한국중부발전 서울발전본부 측정 결과]

출처 : TMS

한국 중부 발전 서울발전본부의 대기 배출 상태가 궁금하다면 TMS로 실시간 확인이 가능하다. TMS는 굴뚝자동측정기기로 환경부와 한국환경공단에서 운영하고 있다. 미세먼지에 대한 국민적 관심과 우려가 높아지면서 미세먼지 배출사업장에 대한 감시 필요성에 따라 2019년 말부터 시행되었다. 대기오염물질 7개 항목인 먼지, 황산화물, 질소산화물, 염화수소, 불화수소, 암모니아, 일산화탄소에 대한 측정값을 제공하고 있다. 한국중부발전 서울발전본부는 질소산화물만을 배출하기 때문에 해단 페이지에서 질소산화물 배출농도를 확인할 수 있었다.

 

신재생에너지와 이산화탄소 포집

한국중부발전의 전략목표가 친환경에너지 사업 선도인 만큼 환경을 위해 모든 본부에서 새로운 시도와 노력을 하고 있다.

그 첫 번째 노력이 바로 이산화탄소 포집 및 저장 기술이다. CCS(Carbon Capture and Storage) 기술이라고 불리는 이 기술은 온실가스 배출을 감소시키기 위해 연료연소 후 발생한 이산화탄소를 고농도로 포집, 저장하여 다양한 산업분야에 활용하는 기술이다. 한국중부발전의 보령발전본부에서 이 기술을 적극적으로 사용하고 있다.

[자료10. CCS원리]

출처 : ©박주은

CCS 기술의 원리는 5 단계로 나눌 수 있다. 첫번째, 화력발전소에서 발생한 배기가스가 CCS 설비 흡수탑으로 공급된다. 두번째, 흡수제가 이산화탄소를 흡수하여 분리한다. 세번째, 분리된 이산화탄소와 흡수제는 재생탑으로 이송된다. 네번째, 스팀으로 가열하여 흡수제와 이산화탄소를 분리한다. 다섯번째, 압축, 액화 설비를 통해 액화 이산화탄소로 저장한다. 이때, 액화 이산화탄소로 저장하는 이유는 운송에 용이하기 때문이다.

이런 과정을 통해 저장된 이산화탄소는 가장 대표적으로 에코팜에 사용된다. 이산화탄소는 광합성을 촉진시켜 농작물의 성장속도를 가속화 시킨다. 따라서 CCS기술은 온실가스 감축과 농업생산성 증대라는 효과를 얻어낼 수 있다. 그 외에도 기타 산업 분야에서 다양하게 활용될 수 있다.

 

두번째 노력은 신재생에너지 사업이다. 한국중부발전의 경영목표는 신재생에너지 발전량 비율 30%이다. 이를 위해 신규 신재생에너지 사업을 개발하고 있다. 특히, 풍력, 바이오, 태양광, 연료전지의 4대 핵심전원을 중심으로 지속적인 신규 사업을 개발하며 신재생에너지를 이용해 전력을 생산해 나가고 있다.

 한국중부발전에서 개발하고 있는 4대 핵심전원을 비롯한 신재생에너지에 대해 간략히 알아보았다.

 

1. 태양광발전

[자료11. 태양광발전]

출처 : ©한세민

 4대 핵심전원인 태양광발전이다. 태양광발전은 광기전 효과를 이용하여 태양으로부터 오는 빛을 전기에너지로 바꾸어 주는 발전 방법이다. 여기서 광기전 효과란 물질이 태양빛을 받아 전자를 방출하면 그 전자와 양공(hole)이 물질 내부에서 이동하여 전위차를 만드는 것을 말한다. 그리고 광기전 효과를 이용하여 에너지를 전환시키는 장치가 바로 태양 전지이고, 태양 전지를 이용한 패널을 사용한다.

 현재 한국중부발전의 태양광 국내설비현황으로는 설비용량이 3,687MW이며, 인천태양광, 서울태양광, 신보령태양광, 보령태양광, 서천태양광, 영광태양광, 무안태양광, 괴산태양광, 고속도로태양광, 여수EXPO태양광, 남정수상태양광, 제주대태양광, 제주태양광 등이 운영 중이다.

 

2. 풍력발전 및 해상풍력발전

[자료12. 풍력발전(왼)과 해상풍력발전(오)]

출처: ©한세민, ©박주은

 다음 4대 핵심전원 중 하나인 풍력발전은 육상풍력과 해상풍력으로 구분된다. 바람으로 움직이는 풍력터빈에 의해 전기를 생산하고, 연결된 송전 및 배전망을 통해 소비지역으로 운반된다.

 현재 한국중부발전의 국내설비현황으로는 육상풍력은 설비용량이 2,743MW이며 양양풍력, 강원풍력, 금봉풍력, 매봉산풍력, 영광약수풍력&영광약수 ESS, 상명풍력을 운영 중이다. 해상풍력은 60MW으로 서남해해상풍력, 제주한림해상풍력을 운영 중이다.

 

3. SRF 발전

[자료13. SRF 발전]

출처 : ©한세민

 SRF란 플라스틱, 폐비닐 등의 생활 폐기물 속 재활용 가능한 자원으로 만든 고체재생연료를 뜻한다. SRF를 연료로 사용하여 환경오염문제를 해결하고 전기를 생산하는 발전방식으로, 한국중부발전에서는 원주그린열병합발전소에서 설비용량 10MW의 SRF발전사업을 추진하고 있다.  

 

4. 소수력발전

[자료14. 소수력 발전]

출처 : ©한세민

 소수력발전(Small hydropower generation)은 작은 물의 힘을 사용하여 에너지를 얻는 발전 방식으로 작은 규모의 계곡과 하천에서도 에너지를 얻을 수 있다. 일반적으로 출력용량에 따라 구분하며, 1MW~10MW까지를 소수력으로 본다. 생산 방식은 물의 운동에너지를 이용해 수차(수력 터빈의 회전자)를 돌리고, 수차와 연결된 발전기로 전력을 생산하는 방식이다. 기본적인 발전원리는 물이 갖는 위치에너지를 수차를 이용해서 기계에너지로 변환하고, 기계에너지는 발전기를 거치며 전기에너지로 변환하는 것으로 수력발전과 완벽하게 동일하다. 설비가 작은 만큼 비용이 적게 들어 경제적이고, 관리가 쉬워 시설의 수명도 평균적으로 길다는 장점이 있다.

 현재 한국중부발전 보령발전본부에서는 7.5MW(1.25MW*6기)의 설비용량을, 신서천발전본부에서 2.586MW, 신보령발전본부 5MW(2.5MW*2기) 을 갖추고 있다.  

 

5. 연료전지발전

[자료15. 연료전지발전]

출처 : ©한세민

 연료전지발전은 한국중부발전의 핵심전원이다. 연료전지란 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 수소와 산소를 양극과 음극에 공급해 전기를 만들어내는 원리이다. 연료극에서 산화작용이 일어나 수소이온, 전자를 방출하고, 외부 도선을 통해 공기극으로 전자가 이동하는 흐름이 발생해 전류가 형성되고 전기가 발생하는 것으로, 수증기가 함께 배출되어 환경에 무해하다.

현재 한국중부발전의 연료전지 설비용량은 132.8MW로, 인천연료전지, 서울연료전지, 보령제2연료전지, 세종연료전지가 있다.

 

[자료16. 국내 운영 설비]

출처 : 한국중부발전

[자료17. 에너지원별 개발 계획]

출처 : 한국중부발전 

 

한국중부발전의 에너지원별 개발 계획은 2030년까지 태양광은 3,945MW, 육상풍력 6,669MW, 연료전지 205MW 등 설비용량을 늘려 나가고, 바이오, 소수력, 무탄소전원 등의 에너지원의 설비용량도 늘려 나갈 것이라고 한다.

 

끝없는 도전 현재 진행중

[자료 18. 중부발전 전경]

출처 : ©박주은

한국중부발전은 마포구 당인동 첫 화력발전소에 이어 세계 최초 도심 대용량 지하발전 건설이라는 위업을 달성했다. 하지만 여기서 멈추지 않고 끝없는 도전을 하고 있다. 한국중부발전은 포스트 코로나 시대 경제혁신과 일자리 창출을 위해 뉴딜 종합계획을 추진하고 있다.

그중 하나는 스마트 디지털 발전소 구현을 통해 더 안정적인 발전소를 만들어가는 것이다. 빅데이터 플랫폼 활용도 제고 및 공공데이터를 개방하고자 한다. 또한 5G 통신인프라 및 증강현실 기반 발전설비 점검과 영상 자동분석, 통합 고장예측을 통해 안정적이고 스마트한 인프라를 갖추고자 한다. 또한 인공지능 서비스 확충을 통한 지능형 디지털 발전소를 구축하고자 한다.

대신기는 이번 중부발전 견학을 통해 ESG하는 시대적 트렌드에 발맞추어 끊임없이 혁신하고 노력하는 한국중부발전을 볼 수 있었다. 앞으로도 안정적인 전기 공급과 환경을 위해 지속적으로 나아가기를 희망한다.

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한국중부발전에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "석탄화력발전소 가고, LNG 발전소 온다", 작성자(18기 서현영,  18기 이유나), https://renewableenergyfollowers.org/3396

2. "자원전쟁, 핵심 광물을 차지하라", 작성자(22기 한예림), https://renewableenergyfollowers.org/3850

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참고문헌

[세계 최초 도심 지하 발전소]

1) 이종국 외 77인, “한국중부발전 20년사”, vol.01., 2021.12

2) 한국중부발전, 한국중부발전 블로그, “미국 S&P Global Platts사 Global Energy Awards 수상”, 2021.01.04., https://blog.naver.com/komipo_official/222195627757

[서울 본부의 발전 방법 및 원리]

1) "LNG", 네이버 지식백과, 2020.09.14, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=933767&cid=43667&categoryId=43667 

2) 한국중부발전, "복합화력발전의 원리", https://www.komipo.co.kr/kor/content/81/main.do?mnCd=FN100404#link 

3) 한국중부발전, "서울발전본부", https://www.komipo.co.kr/fr/content/31/main.do?mnCd=FN021104 

4) "가스터빈발전",두산백과,  https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1054895&cid=40942&categoryId=32375 

5) "증기 터빈 발전기", 네이버 지식백과, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=6073392&cid=67350&categoryId=67350 

[서울 본부의 환경관리 및 업무 (오염물질 배출 최소화)]

1) 이경빈 김동화 이창용, 화력발전소 SCR촉매의 활성저하 특성, Appl. Chem. Eng., Vol. 21, No. 1, P.104, 2010

2) HSD engine, R&D 친환경 기자재 개발, http://www.hsdengine.com/page.do?seqId=0000000412

[신재생에너지와 이산화탄소 포집]

1) 네이버물리학백과, ‘태양광발전’, 2022.12.02, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5741385&cid=60217&categoryId=60217

2) 네이버지식백과, ‘풍력발전’, 2022.12.02, https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1835855&cid=49077&categoryId=49077

3) 녹색에너지연구원, 연료전지, 2022.12.02, http://www.gei.re.kr/bbs/board.php?bo_table=bbs4_01&wr_id=7

4) 한국중부발전, “작지만 소중한! 작지만 강한 에너지! 소수력발전”, 2022.05.24, https://blog.naver.com/komipo_official/222744033515