석탄과 가스: 열에서 전기로
연료의 열을 전기로 바꾸는 과정과 효율·배출의 차이를 알아봅니다.
오늘은 이것만 기억해요.
- 화력발전의 연료·열·회전·전기 단계를 설명할 수 있어요.
- 가스 복합발전이 남은 열을 다시 쓰는 원리를 이해해요.
- 발전 효율·연료비·배출을 같은 발전량 기준으로 비교할 수 있어요.
연료를 태운 열로 회전하는 힘을 얻어요
석탄과 천연가스에는 화학 에너지가 저장되어 있습니다. 연료를 태우면 열이 나오고, 발전소는 이를 이용해 터빈을 돌린 뒤 발전기로 전기를 만듭니다. 대표적인 석탄 발전소는 보일러에서 만든 증기로 증기터빈을 돌려요. 가스 발전은 뜨거운 연소 가스로 가스터빈을 돌릴 수 있습니다. 연료가 전선 속으로 그대로 흘러가는 것이 아니라 에너지의 형태가 여러 번 바뀌는 과정입니다. 석탄 발전에서는 보일러가 물을 증기로 만들고, 높은 압력의 증기가 터빈 날개를 밀어요. 가스 발전은 뜨거운 연소 가스가 직접 가스터빈을 돌릴 수 있고, 복합발전은 그 배기가스의 남은 열로 증기터빈까지 돌립니다. 마지막에 터빈 축에 연결된 발전기가 회전을 전기로 바꿉니다. 이 과정에서 모든 열을 일로 바꿀 수 없으며 냉각과 배출로 나가는 에너지도 있습니다. 전기 1 MWh를 만들 때 필요한 연료량은 열효율과 연료 발열량에 따라 달라지므로, 연료 톤이나 세제곱미터 수치만 비교하면 오해하기 쉽습니다.
이번 강의의 핵심 장면
가스레인지 불을 끈 뒤에도 뜨거운 냄비
냄비의 물이 끓을 때 불을 끄면 열 공급은 멈추지만 냄비와 수증기는 한동안 뜨겁습니다. 연료의 화학 에너지가 열로 바뀌고 일부는 물을 데우는 데, 일부는 주변 공기로 퍼진 것입니다. 화력발전소도 연료에서 얻은 열로 터빈을 돌리지만 모든 열을 전기로 바꾸지는 못해요. 특히 가스 복합발전은 가스터빈의 배기가스에 남은 높은 온도의 열을 증기터빈에 한 번 더 활용합니다.
읽었다면, 직접 움직여 보세요.
조작할 때 무엇이 바뀌는지 살펴보세요. 숫자와 움직임을 연결하면 이해가 쉬워집니다.
버려지던 열을 한 번 더 쓰면?
첫 발전 뒤 남은 열 중 얼마를 추가 전기로 회수할지 바꿔 보세요.
두 번째 발전은 남은 열을 활용합니다. 회수율과 전체 효율을 더하면 잘못된 계산이에요.
스스로 설명해 보세요회수율 20%는 전체 연료 에너지의 20%와 같을까요?
학습용 모형 · 연료 에너지 100, 1차 발전 효율 35%인 가상 설비입니다. 남은 65 중 일부를 회수하는 교육 모형이며 실제 복합화력 성능 수치가 아닙니다.
세 장면으로 원리를 따라가요.
화학 에너지가 열이 된다
석탄 보일러는 연소 열로 물을 증기로 만들고, 가스터빈은 고온 연소 가스가 날개를 직접 밉니다. 연료의 이름이 달라도 터빈의 회전이 발전기로 전달되는 뒤쪽 단계는 같습니다. 연료 사용량은 부피·질량만이 아니라 같은 발열량 기준의 열에너지로 맞춰 비교합니다.
배기가스의 남은 열을 다시 활용
복합발전에서는 가스터빈 배기가스의 열로 증기를 만들어 증기터빈을 추가로 돌립니다. 이는 별도 연료 없이 추가 전기를 얻을 수 있게 하지만 모든 폐열을 회수할 수는 없어요. 열병합발전은 전기와 함께 쓰기 좋은 열을 외부에 공급하는 방식이므로 목적이 다릅니다.
효율과 배출의 경계를 맞추기
같은 1 MWh 전기를 만드는 데 필요한 연료 열에너지는 효율이 높을수록 줄어듭니다. 그러나 발전소 안에서 쓴 전기를 뺀 순발전량인지도 봐야 합니다. 온실가스 비교에는 굴뚝의 연소 배출과 채굴·운송 과정의 배출을 같은 범위에서 비교해야 합니다.
한 걸음 더 들어가 볼까요?
복합발전은 남은 열로 한 번 더 일해요
가스 복합발전은 가스터빈에서 나온 고온의 배기가스로 증기를 만들고, 그 증기로 증기터빈을 추가로 돌립니다. 가스와 증기의 두 과정을 연결해 연료 에너지를 더 많이 전기로 바꿔요. 그렇다고 배기가스의 모든 열을 전기로 바꿀 수 있는 것은 아닙니다. 열병합발전은 전기와 함께 공정용 열이나 난방열을 유용하게 공급한다는 점에서 구분합니다.
효율이 높으면 같은 전기에 필요한 연료가 줄어요
학습용으로 효율 40% 발전소가 전기 1 MWh를 만들려면 연료 에너지 1 ÷ 0.4 = 2.5 MWh가 필요합니다. 효율이 50%라면 2 MWh가 필요해 연료 사용이 20% 줄어요. 두 연료량은 모두 열에너지 기준이고 같은 발열량 기준을 썼다고 가정합니다. 이 숫자는 특정 석탄·가스 발전소의 실제 효율이 아닙니다. 효율이 40%에서 50%로 오를 때 0.5 MWh만큼 줄어드는 것은 같은 전기 1 MWh를 만드는 데 필요한 연료 열에너지입니다.
열소비율은 낮을수록 적은 연료를 써요
열소비율은 전기 한 단위를 만드는 데 사용한 연료 에너지입니다. 효율과 반대로, 같은 기준에서 열소비율이 낮으면 더 적은 연료가 필요해요. 실제 발전소는 펌프·팬 등 자체 설비에도 전기를 사용하므로 총발전량과 외부로 보내는 순발전량을 구분합니다. 최대 출력에서의 효율과 출력을 낮춰 운전할 때의 효율도 같지 않을 수 있습니다.
가스도 탄소가 없는 연료는 아니에요
같은 연료 열에너지를 기준으로 천연가스의 연소 CO₂는 일반적으로 석탄보다 적지만 0은 아닙니다. 전기 1 kWh당 배출은 여기에 발전 효율도 반영해야 해요. 천연가스의 주요 성분인 메탄이 채굴·운송 과정에서 누출되면 온실효과에 영향을 줍니다. 발전소 굴뚝의 배출과 연료 공급 과정까지 포함한 배출을 섞어 비교하지 않는 것이 중요합니다. 석탄과 가스의 실제 배출 비교는 같은 전기 생산량과 동일한 배출 범위를 기준으로 해야 합니다.
효율이 바뀌면 연료는 얼마나 달라질까
두 가상 발전소가 각각 전기 1 MWh를 만들고 연료의 발열량 기준이 같다고 둡니다. 효율은 각각 40%, 50%이며 실제 특정 발전소 수치가 아닙니다.
- 01
40% 설비의 연료 열에너지는 1 MWh÷0.40=2.5 MWh입니다.
- 02
50% 설비의 연료 열에너지는 1 MWh÷0.50=2.0 MWh입니다.
- 03
차이는 0.5 MWh이고 처음의 2.5 MWh 대비 0.5÷2.5=20% 절감입니다.
효율은 10%포인트 높아졌지만 같은 전기를 만드는 데 필요한 연료 에너지는 20% 줄었습니다. 퍼센트포인트와 연료 절감률의 분모가 다르기 때문입니다.
시동·부분 부하·자체 소비, 연료 성질과 정비 상태를 무시한 계산입니다. 연료 비용과 배출량은 별도의 조건이 더 필요합니다.
천연가스 발전은 석탄보다 배출이 적으니 탄소 배출이 0이다.
천연가스를 태울 때도 CO₂가 나옵니다. 전기 한 단위당 배출은 연료 종류와 발전 효율, 메탄 누출을 포함한 비교 범위에 따라 달라집니다.
산업을 읽는 질문 · 전기 판매액에서 무엇이 빠질까?
화력발전의 수익을 보려면 판매한 전력량뿐 아니라 연료 단가, 효율, 정비비, 실제 운전 시간을 함께 봐야 합니다. 같은 판매 가격이라도 연료비를 누가 부담하는 계약인지에 따라 이익의 민감도가 달라져요. 환경 관련 비용도 해당 사업의 조건으로 확인해야 합니다. 예를 들어 효율 개선으로 필요한 연료 에너지가 줄어도 설비 개조비나 운전 중단 비용이 크면 회수 기간이 길어질 수 있습니다. 전력 판매 계약이 연료비 변동을 반영하는지, 배출 비용과 정비 주기가 어떠한지까지 한 흐름으로 읽어야 합니다.
- 연료 단가가 같은 에너지 단위와 발열량 기준인가요?
- 효율은 총발전 기준인가요, 자체 소비를 뺀 순발전 기준인가요?
- 연료비·환경 비용의 변화를 판매 가격에 반영할 수 있나요?
뉴스 한 줄을 산업의 흐름으로 바꿔요.
[가상 뉴스] 노후 가스 발전소를 복합발전으로 개조한다
- 01
배기가스 열을 증기터빈에서 한 번 더 활용하면 같은 연료에서 더 많은 전기를 얻을 수 있습니다.
- 02
연료 소요와 순발전량의 변화는 운영비와 배출 원단위에 영향을 줄 수 있습니다.
- 03
개조비·공사 기간·운전 중단, 실제 부분 부하 효율과 연료비 전가 계약을 확인해야 경제성을 판단할 수 있습니다.
발표한 효율은 자체 소비를 뺀 순발전 기준이며 자주 쓰는 출력 구간에서도 성립할까요?
이해했는지, 한 문제로 확인해요.
참고한 자료
원리 설명에 활용한 공식 자료입니다. 2026년 9월 확인.
EIA · 증기터빈·가스터빈·복합발전EIA · 열소비율과 순발전 효율EIA · 천연가스의 연소 배출과 메탄