전기는 어떻게 생산되어 공급되는 걸까? 전기의 생산, 공급

 

우리나라에서 사용하는 대부분의 전기는 발전소에서 생산되어 가정과 학교 등에 공급됩니다. 

화력 발전소는 가열기 안에서 석탄, 석유 등의 연료를 태워서 만든 에너지로 물을 끓여 수증기를 만듭니다. 

이 때 만들어진 수증기가 터빈을 회전시키면 발전기 안의 전자석으로 된 원통이 회전하면서 전기가 만들어집니다. 

대부분의 발전소에서는 각기 다른 에너지원을 사용하지만 공통적으로는 터빈의 회전으로 발전기에서 전기를 생산합니다.

 

최초의 발전기

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최초의 발전기는 영국의 과학자 마이클 패러데이(1791-1867)에 의해 만들어졌습니다. 

패러데이는 자석으로 전기를 만들 수 있을 것이라고 생각했습니다.

그는 전선을 고리 모양으로 감은 후, 그 고리에 막대자석을 넣었다 뺐다 하는 실험을 하였으며 그 순간 전기가 흐르는 것을 발견하였습니다. 

패러데이는 실제로 U자 모양의 말굽자석 사이에 구리 원판을 놓고 돌리면서 전기를 만들었는데 이것이 발전기의 원리가 되었습니다. 

 

패러데이의 발전기

 

발전소의 종류

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아래는 우리나라에서 생산되는 전기 생산량을 에너지 자원별로 나타낸 것입니다. 

우리나라의 전기 생산에 가장 많이 사용되는 에너지원은 석탄, 천연가스 등의 화석 원료이며, 그 다음으로 많은 양을 차지하는 것이 원자력입니다. 그렇다면 각 발전소들은 어떻게 전기를 생산하는지 알아볼게요. 

 

 

화력 발전

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보일러에서 연료를 태워서 발생한 열을 이용해 물을 끓여 증기를 만들고, 만들어진 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다. 

우리나라 화력 발전소에서는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석 연료를 에너지원으로 가장 많이 사용합니다. 

우리나라서 대부분의 전기는 화력발전소에서 생산하며, 한국전력공사에서 분리, 독립된 회사들이 큰 규모로 자리잡고 있고, 이에 뒤따르는 많은 민간 회사들이 화력발전소를 작은 규모로 운영하고 있습니다.

 

화력 발전소

 

원자력 발전

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연료로 방사선 원소인 우라늄이나 플루토늄을 이용하는 것이 다를 뿐 원자력 발전소도 화력 발전과 비슷한 방식으로 전기를 만듭니다. 

화력 발전의 경우 연소라는 화학적 반응이 일어난다면, 원자력 발전의 경우 원자로 안에서 우라늄이 핵분열을 일으킬 때 생기는 막대한 열을 이용해 증기를 만들고 그 힘으로 터빈을 돌려 전기를 만듭니다. 핵분열의 경우 적은 양으로 많은 에너지를 얻을 수 있기 때문에 화력 발전보다 운영 비용이 적게 들고 화석 연료보다 오랜 기간 사용이 가능하지만, 환경을 파괴하고, 사람에게 치명적인 방사능 누출 위험이 있다는 단점이 있습니다. 

원자력 발전소는 방사능과 매우 밀접한 관계가 있고, 원자력 사고의 영향으로 매우 위험한 시설 취급을 받기도 합니다. 그러나 시설을 엄청나게 크게 만들 수 있고 안정적인 연료 수급만 가능하다면 kW당 발전 원가가 다른 발전소에 비해 적고 안정적으로 많은 전력을 공급할 수 있기에 여러 국가에 건설되어 있습니다. 원자력 발전소의 전력비중은 전 세계적으로 약 14~15%로, 2015년 가장 많이 차지하는 국가는 프랑스로 76.3%를 차지하고 있으며 대한민국은 31.7%의 전력을 충당하고 있습니다. 전 세계에서 가장 많이 원자력 발전소를 운영하는 회사는 EDF로 영국/프랑스 다 해서 혼자서만 78개의 원자로를 가동하고 있습니다. 

 

원자력 발전소

 

수력 발전

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하천이나 호수 등에서 물이 갖고 있는 위치 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 방식으로, 댐을 만든 뒤 수로를 통해 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지는 물의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식입니다.

수력 발전에서 전기 생산량은 물이 떨어지는 낙차와 수량과의 곱에 비례하므로, 터빈에 큰 낙차가 작용할 수 있도록 인공적으로 댐을 막기도 하고 수로를 바꾸기도 합니다. 그래서 아래와 같은 유형이 고안되었습니다.

• 댐식
  가장 기초적인 형태. 하천의 경사가 큰 구간에 댐을 설치하고 가둔 물을 떨어트려 그 낙차로 터빈을 돌립니다.

• 수로식
  감입곡류하천에서 쓸 수 있는 유형. 댐을 설치하고 그 지점보다 아래의 특정 지점까지 수로를 직선으로 이으면, 곡선으로 돌아가는 원래 하천보다 낙차가 더 증가하는데, 그 낙차로 터빈을 돌립니다.

• 유역변경식
  경동지형에서 자주 쓰는 유형. 고지대에 댐을 설치하고 도수터널을 통해 산 너머의 경사가 급한 저지대로 떨어트려 그 낙차로 터빈을 돌린다. 수로식과의 차이점은, 수로식은 발전을 하고 나가는 물이 취수되었던 강으로 다시 유입되지만 유역변경식은 이름답게 취수된 강과 다른 수계로 흘러나갑니다. 한국지리 시간에는 동고서저 지형을 이용한 강릉수력발전소가 주로 언급되며, 섬진강 유역에서는 일제강점기 때부터 써먹었다. 대한민국 최고령 수력발전소인 보성강수력발전소도 이 유형입니다.

• 댐수로식
  댐과 수로를 합한 유형.

• 양수식
  다른 발전소와 유기적으로 작동하여 손실되는 전기를 줄이는 방식. 댐을 높이가 다른 곳에 2개 만들어 밤에는 남아도는 전기를 이용해 하부의 물을 상부로 끌어들이고, 낮에는 상부의 물을 하부로 떨어트려 다시 발전합니다. 밤에는 전기 사용량이 낮은데, 원자력 발전소 같은 경우 전기 사용량이 낮다고 함부로 출력을 낮출 수 없기 때문에 남아도는 전기가 생깁니다. 그리고 그 잉여 전력을 사용하지 않으면 그대로 손실되는데, 잉여 전력을 물을 끌어올리는 데 사용하여 전기의 손실을 막는 것입니다. 일종의 초대형 배터리인 셈입니다.

수력 발전소

 

송전

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발전소에서 생산된 전기는 송전용 변전소로 보내집니다. 이곳에 모여진 전기는 먼 곳에 있는 공장 또는 가정으로 보내기 위하여 전압을 초고압(154,000V, 345000V, 765,000V)으로 높여 배전용 변전소로 보내지게 됩니다. 쉽게 말해, 전기를 흐르는 물에 비유하면 우리가 고무호스 입구 부분을 손으로 누르면 물줄기가 힘차고 멀리 나아가듯이 전기도 전압이 높을수록 전류가 멀리 나가게 됩니다. 이와 같은 원리로, 높은 전압으로 전기를 보낼수록 송전 손실이 적어져서 효율이 높아지게 됩니다. 배전용 변전소에서는 전압을 22,900V로 낮추어 공장과 같이 전기를 많이 사용하는 곳에 보내고, 우리 가정에서는 전봇대에 있는 변압기를 통해 전압을 220V로 낮추어 전기를 공급 받습니다.