화력발전소의 열효율은 왜 100%에 크게 못 미치나요?

Question

화력발전소가 투입한 열에너지의 상당 부분을 잃는다고 배우는데, 열역학적으로 이런 손실이 왜 불가피한지, 최신 발전소는 이 효율을 어떻게 개선하고 있는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

열역학 제2법칙인 카르노의 효율한계 때문인데, 열기관은 고온의 열을 전부 일로 바꿀 수 없으며, 수증기를 다시 물로 되돌리는 과정에서 막대한 폐열이 냉각수를 통해 밖으로 버려지기 때문입니다.

초창기 화력발전소의 효율은 30~40% 에 머물렀으나 최신 발전소는 내부 압력과 온도를 한계치까지 올린 기술을 사용하여 현재는 40~50% 수준까지 끌어올린 상태 입니다.

그리고 최신에는 가스터빈을 먼저 돌린 후 배출되는 고온의 가스로 증기터빈을 한번 더 구동하는 복합화력 발전 시스템을 통해 버려지는 열을 재활용하여 최종 열효율을 60%까지 끌어올려 사용하고 있습니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)

Answer 2

안녕하세요. 이동호 전문가입니다.

화력발전소의 열 효율이 100%가 될 수 없는 가장 근본적인 이유는 열역학 제 2법칙 때문입니다.

열기관은 높은 온도의 열을 받아 일부를 일(Work)로 바꾸고,, 나머지는 반드시 낮은 온도의 외부로 방출해야 합니다.

즉 투입된 열을 전부 전기에너지로 바꿀 수 없습니다.

실제 발전소에서는 터빈을 지난 증기를 다시 물로 응축하면서 많은 열이 냉각수로 빠져나가고,

배기가스/마찰/펌프 등에서도 손실이 발생합니다.

발전소의 고온부와 저온부의 온도차이가 클 수록 이론적으로 더 높은 효율을 얻을수 있지요.

그래서 최신 발전소는 증기의 온도와 압력을 높이는 초초임계 발전, 폐열을 다시 활용하는 방식 등을 사용합니다.

특히 가스터빈의 뜨거운 배기가스로 다시 증기터빈을 돌리는 복합화력발전은 열을 여러 단계로 활용해 효율을 크게 높여주지요.