전기는 어떻게 만들어질까요? 대부분의 발전소는 "무언가를 돌려서 전기를 만든다"는 공통 원리를 가지고 있습니다. 하지만 태양광처럼 전혀 다른 방식도 있습니다. 각 발전 방식의 원리를 알기 쉽게 설명합니다.
연료를 태워 물을 끓이고, 그 증기(스팀)로 터빈을 돌려 발전합니다. 세계적으로 가장 많은 전기를 생산하는 방식입니다.
| 단계 | 과정 | 설명 |
|---|---|---|
| 1 | 연료 연소 | 석탄, LNG(천연가스), 석유를 보일러에서 연소 |
| 2 | 증기 생성 | 연소열로 보일러 내 물을 가열 → 고온고압 증기(약 540°C, 170기압) |
| 3 | 터빈 회전 | 증기가 터빈 날개를 밀어 고속 회전 (분당 3,600회전) |
| 4 | 발전기 회전 | 터빈 축에 연결된 발전기 회전 → 전기 생산 |
| 5 | 증기 냉각 | 사용된 증기를 복수기(냉각탑)에서 물로 되돌림 → 순환 |
| 연료 | 장점 | 단점 | 효율 |
|---|---|---|---|
| 석탄 | 연료비 저렴, 안정적 공급 | CO2 배출 최대, 미세먼지 | 약 38~42% |
| LNG | CO2 석탄의 절반, 빠른 기동 | 연료비 비쌈, 수입 의존 | 약 55~62% (복합) |
| 석유 | 비상 발전, 소규모 적합 | 연료비 최고, CO2 배출 | 약 35~40% |
LNG를 사용하는 최신 방식입니다. 가스터빈 + 증기터빈을 함께 사용하여 효율을 극대화합니다.
한 번의 연소로 두 번 발전하므로 효율이 60% 이상에 달합니다.
핵연료(우라늄)의 핵분열 반응에서 나오는 열로 물을 끓여 증기터빈을 돌립니다. 원리는 화력 발전과 비슷하지만, 열원이 "연소"가 아닌 "핵분열"입니다.
우라늄-235 원자핵에 중성자가 충돌하면 원자핵이 쪼개지면서 막대한 열에너지와 함께 새로운 중성자가 나옵니다. 이 중성자가 또 다른 우라늄을 쪼개는 연쇄반응이 지속됩니다.
| 단계 | 과정 | 설명 |
|---|---|---|
| 1 | 핵분열 | 원자로 내 우라늄 연료봉에서 핵분열 연쇄반응 |
| 2 | 열 전달 | 1차 냉각수(약 320°C, 155기압)가 열을 흡수 |
| 3 | 증기 생성 | 1차 냉각수의 열이 증기발생기에서 2차 냉각수를 증기로 변환 |
| 4 | 터빈 회전 | 증기가 터빈을 회전 → 발전기 가동 |
| 5 | 냉각 | 사용된 증기를 해수/냉각탑으로 냉각 → 순환 |
| 종류 | 특징 | 한국 적용 |
|---|---|---|
| 가압경수로 (PWR) | 가장 보편적. 1차/2차 냉각 분리 | 한국 원전 대부분 (고리, 한빛, 신한울 등) |
| 가압중수로 (PHWR) | 중수(D2O) 사용. 천연 우라늄 사용 가능 | 월성 원전 (CANDU형) |
| APR1400 | 한국형 차세대 원전. 1,400MW급 | 신고리 3,4호, 신한울 1,2호, UAE 수출 |
높은 곳의 물이 떨어지는 힘(위치에너지 → 운동에너지)으로 수차(물터빈)를 돌려 발전합니다. 가장 오래된 발전 방식이며, CO2를 배출하지 않는 청정 에너지입니다.
| 단계 | 과정 |
|---|---|
| 1 | 댐에 물을 가둬 높은 수위 유지 |
| 2 | 수문을 열어 물을 수압관(도수로)으로 낙하 |
| 3 | 낙하하는 물이 수차(Water Turbine) 회전 |
| 4 | 수차 축에 연결된 발전기가 회전 → 전기 생산 |
| 5 | 발전에 사용된 물은 하류로 방류 |
| 종류 | 원리 | 예시 |
|---|---|---|
| 댐식 | 대형 댐으로 물을 가두고 낙차 이용 | 충주댐, 소양강댐 |
| 수로식 | 하천 경사를 이용, 수로로 물을 유도 | 산간 지역 소수력 |
| 양수식 | 전기 남을 때 물을 퍼올리고, 부족할 때 방류 발전 | 양양, 청송, 삼랑진 |
| 조력식 | 조수간만의 차이(밀물/썰물) 이용 | 시화호 조력발전소 |
다른 발전 방식과 근본적으로 다릅니다. 터빈을 돌리지 않고, 태양빛이 반도체(실리콘)에 닿으면 직접 전기가 발생하는 광전효과(Photovoltaic Effect)를 이용합니다.
빛(광자)이 반도체 물질에 닿으면 내부 전자가 에너지를 받아 이동합니다. P형 반도체와 N형 반도체를 접합하면 전자의 이동이 한 방향으로 흐르면서 직류(DC) 전기가 발생합니다.
| 단계 | 과정 |
|---|---|
| 1 | 태양빛이 태양전지(Solar Cell) 표면에 도달 |
| 2 | 광자가 실리콘 내 전자를 여기(excite)시킴 |
| 3 | P-N 접합에 의해 전자가 한 방향으로 이동 → 직류(DC) 전류 발생 |
| 4 | 인버터가 직류(DC)를 교류(AC) 220V/380V로 변환 |
| 5 | 변환된 교류를 배전선로(전주)에 연결하여 송전 |
| 구성요소 | 역할 |
|---|---|
| 태양전지(Cell) | 빛 → 전기 변환의 최소 단위 (약 0.5V) |
| 모듈(Module) | 셀 60~72개를 묶은 판넬 (약 300~400W) |
| 어레이(Array) | 모듈 여러 장을 묶은 발전 단위 |
| 인버터 | DC → AC 변환, 계통 연계 |
| 접속함 | 여러 모듈의 전선을 모아 인버터로 연결 |
| 구분 | 태양광 (PV) | 태양열 (CSP) |
|---|---|---|
| 원리 | 광전효과 (빛 → 전기 직접) | 태양열로 물 끓임 → 증기터빈 |
| 설비 | 실리콘 판넬 | 거울/반사판 + 보일러 + 터빈 |
| 규모 | 소규모~대규모 모두 가능 | 대규모만 경제적 |
| 국내 현황 | 대부분 이 방식 | 거의 없음 |
바람의 운동에너지로 풍차(블레이드)를 돌려 발전기를 회전시킵니다.
| 단계 | 과정 |
|---|---|
| 1 | 바람이 블레이드(날개)에 힘을 가함 |
| 2 | 블레이드 회전 (분당 10~20회전, 저속) |
| 3 | 증속기(Gearbox)가 회전수를 약 100배로 높임 |
| 4 | 고속 회전으로 발전기 가동 → 전기 생산 |
| 5 | 변압기로 전압을 높여 배전선로/송전선로에 연결 |
| 부분 | 역할 |
|---|---|
| 블레이드 | 바람을 받아 회전하는 날개 (보통 3장, 길이 50~80m) |
| 허브 | 블레이드가 연결되는 중심축 |
| 나셀 | 증속기, 발전기, 제어장치가 들어있는 본체 (꼭대기 상자) |
| 타워 | 나셀을 높이 올리는 기둥 (높이 80~150m) |
| 요 시스템 | 바람 방향에 따라 나셀 방향을 자동 회전 |
| 피치 시스템 | 블레이드 각도 조절 (풍속에 따라 최적 각도 유지) |
수소(H2)와 산소(O2)의 화학 반응으로 직접 전기를 생산합니다. 연소가 아닌 전기화학 반응이므로 효율이 높고 오염물질이 적습니다.
지하 깊은 곳의 뜨거운 지열수/증기로 터빈을 돌립니다.
목재 펠릿, 농업 부산물, 바이오가스(음식물 쓰레기 발효) 등을 연소하여 증기터빈을 돌립니다. 원리는 화력 발전과 동일하지만, 재생 가능한 연료를 사용합니다.
| 발전 방식 | 에너지원 | 핵심 원리 | CO2 | 24시간 가동 |
|---|---|---|---|---|
| 화력(석탄) | 석탄 연소열 | 증기 → 터빈 | 많음 | 가능 |
| 화력(LNG) | 가스 연소열 | 가스터빈 + 증기터빈 | 중간 | 가능 |
| 원자력 | 핵분열열 | 증기 → 터빈 | 없음 | 가능 |
| 수력 | 물의 낙차 | 물 → 수차 | 없음 | 수량에 따라 |
| 태양광 | 태양빛 | 광전효과 (직접) | 없음 | 낮에만 |
| 풍력 | 바람 | 블레이드 → 발전기 | 없음 | 바람에 따라 |
| 연료전지 | 수소 | 전기화학 반응 (직접) | 없음 | 가능 |