화석 연료 발전소

[섬네일|upright=1.35|폴란드 [베우하투프 발전소의 5,400 MW 설비 – 세계 최대 석탄 화력 발전소 중 하나.]]
섬네일|upright=1.35|화석 연료에서 생산되는 전력의 비율

**화석 연료 발전소**()는 석탄, 원유, 천연가스와 같은 화석연료를 태워 전기를 생산하는 화력 발전소이다. 화석 연료 발전소에는 연소로 인한 열에너지를 역학적 에너지로 전환하여 전기 발전기를 구동하는 기계가 있다. 는 증기 터빈, 가스 터빈 또는 소규모 발전소에서는 왕복 가스 기관일 수 있다. 모든 발전소는 증기 또는 연소 가스와 같은 뜨거운 가스의 팽창에서 추출된 에너지를 사용한다. 다양한 에너지 변환 방법이 존재하지만, 모든 화력 발전소 변환 방법은 카르노 효율에 의해 효율이 제한되므로 폐열을 발생시킨다.

화석 연료 발전소는 전 세계에서 사용되는 대부분의 전력량을 공급한다. 일부 화석 연료 발전소는 기저부하 발전소로서 연속 운전을 위해 설계되었고, 다른 일부는 피크 부하 발전소로 사용된다. 그러나 2010년대부터 많은 국가에서 기저부하 공급을 위해 설계된 발전소들이 변동성 재생 에너지의 증가하는 발전을 균형 맞추기 위한 조절 가능한 발전으로 운영되고 있다.

화석 연료 발전소 운영의 부산물은 설계 및 운영 시 고려되어야 한다. 화석연료 연소로 인한 연도가스는 이산화 탄소와 수증기뿐만 아니라 질소 산화물 (NOx), 황 산화물 (SOx)과 같은 오염 물질과 석탄 화력 발전소의 경우 수은, 기타 금속의 흔적, 그리고 비산회를 포함한다. 일반적으로 모든 이산화 탄소와 일부 다른 오염 물질은 대기로 배출된다. 석탄 화력 보일러에서 발생하는 고체 폐기물 재도 제거해야 한다.

화석 연료 발전소는 지구 온난화의 주요 원인인 온실 기체인 이산화 탄소 (CO2)의 주요 배출원이다. 2016년 연구 결과에 따르면, 대기업 주주들이 이용할 수 있는 순이익은 단일 석탄 화력 발전소로 인한 미국 내 자연재해 관련 온실 기체 배출 책임으로 인해 상당한 감소를 겪을 수 있다고 한다.
그러나 2015년 기준으로 미국에서는 그러한 손해 배상 소송에서 배상이 판결된 사례는 없다. 전력 에너지 단위당 갈탄은 천연가스보다 거의 두 배 많은 CO2를 배출하며, 무연탄은 갈탄보다 약간 적게 배출한다.

, 배출물에 대한 탄소 포집 및 저장은 화석 연료 발전소에 대해 경제적으로 실현 가능하지 않으며, 지구 온난화를 1.5&nbsp;°C 미만으로 유지하는 것은 여전히 가능하지만, 더 이상 화석 연료 발전소가 건설되지 않고 일부 기존 화석 연료 발전소가 조기에 폐쇄되며 재조림과 같은 다른 조치들이 함께 이루어져야만 가능하다.

## 기본 개념: 열을 역학적 에너지로

화석 연료 발전소에서는 석탄, 연료유, 천연가스, 오일 셰일 및 공기 중의 산소와 같은 화석 연료에 저장된 화학 에너지가 차례로 열에너지, 역학적 에너지, 그리고 최종적으로 전기 에너지로 변환된다. 각 화석 연료 발전소는 복잡하고 맞춤 설계된 시스템이다. 토지, 천연 자원 및 노동의 효율적인 사용을 위해 단일 부지에 여러 발전 장치가 건설될 수 있다. 전 세계 대부분의 화력 발전소는 화석 연료를 사용하며, 원자력, 지열 발전, 바이오매스 또는 집광형 태양광 발전소를 능가한다.

열역학 제2법칙에 따르면 모든 닫힌 루프 사이클은 연소 중에 생성된 열의 일부만을 역학적 일로 변환할 수 있다. 나머지 열, 즉 폐열은 사이클의 복귀 부분에서 더 차가운 환경으로 방출되어야 한다. 더 차가운 매체로 방출되는 열의 비율은 냉각 시스템(환경)과 열원(연소로)의 절대 온도 비율과 같거나 커야 한다. 로 온도를 높이면 효율이 향상되지만, 주로 건설에 사용되는 합금 선택으로 인해 설계가 복잡해져 로가 더 비싸진다. 폐열은 더 차가운 냉각 시스템 없이는 역학적 에너지로 변환될 수 없다. 그러나 열병합 발전소에서 건물 난방, 온수 생산 또는 일부 정유 시설, 공장, 화학 합성 공장과 같이 산업 규모에서 재료를 가열하는 데 사용될 수 있다.

유틸리티 규모 전기 발전기의 일반적인 열효율은 석탄 및 석유 화력 발전소의 경우 약 37%이며, 복합 화력 발전 가스 화력 발전소의 경우 56-60% (LEV)이다. 정격 용량으로 작동할 때 최대 효율을 달성하도록 설계된 발전소는 설계 외 조건(즉, 온도가 너무 낮은 경우)에서 작동할 때 효율이 낮아진다.

열기관으로 작동하는 실제 화석 연료 발전소는 열 에너지를 유용한 작업으로 변환하는 카르노 사이클 한계를 초과할 수 없다. 연료전지는 열기관이 아니므로 동일한 열역학적 한계를 가지지 않는다.

화석 연료 발전소의 효율은 BTU/킬로와트시 또는 메가줄/킬로와트시로 표시되는 열 소비율로 표현될 수 있다.

## 발전소 종류

### 증기
증기 터빈 발전소에서 연료는 노에서 연소되고 뜨거운 가스는 보일러를 통과한다. 보일러에서 물은 증기로 변환되며, 증기를 과열시키기 위한 추가 가열 단계가 포함될 수 있다. 뜨거운 증기는 제어 밸브를 통해 터빈으로 보내진다. 증기가 팽창하고 냉각됨에 따라 에너지는 터빈 블레이드로 전달되어 발전기를 회전시킨다. 사용된 증기는 압력과 에너지 함량이 매우 낮으며, 이 수증기는 응축기를 통해 공급되어 증기에서 열을 제거한다. 응축된 물은 다시 보일러로 펌핑되어 사이클을 반복한다.

보일러에서 나오는 배출물에는 이산화 탄소, 황 산화물, 그리고 석탄의 경우 연료 내 불연성 물질에서 나오는 비산회가 포함된다. 응축기에서 나오는 폐열은 공기로 전달되거나 때로는 냉각 연못, 호수 또는 강으로 전달된다.

### 가스 터빈 및 복합 가스/증기

[섬네일|480 [메가와트 GE H 시리즈 발전용 가스 터빈]]
[섬네일|[모나 (유타주)|모나 근처의 커런트 크릭 발전소는 천연가스 화력 발전소이다.]]

한 종류의 화석 연료 발전소는 열회수 증기 발생기(HRSG)와 함께 가스 터빈을 사용한다. 이것은 가스 터빈의 브레이턴 사이클과 HRSG의 랭킨 사이클을 결합하기 때문에 복합 화력 발전소라고 불린다. 터빈은 천연가스 또는 연료유로 구동된다.

### 왕복 엔진

디젤 엔진 발전기는 광범위한 전력망에 연결되지 않은 지역사회에서 주 전원으로 자주 사용된다. 비상(대기) 전력 시스템은 연료유 또는 천연가스로 작동하는 왕복 내연기관을 사용할 수 있다. 대기 발전기는 공장이나 데이터 센터의 비상 전원으로 사용될 수 있으며, 유틸리티로부터의 최대 전력 수요 요금을 줄이기 위해 지역 유틸리티 시스템과 병렬로 작동될 수도 있다. 디젤 엔진은 비교적 낮은 회전 속도에서 강력한 토크를 생성할 수 있어 일반적으로 교류 발전기를 구동할 때 바람직하지만, 장기 보관된 디젤 연료는 물 축적 및 화학분해로 인한 문제에 취약할 수 있다. 거의 사용되지 않는 발전기는 연료 시스템 유지보수 요구 사항을 최소화하기 위해 천연가스 또는 액화석유가스로 설치될 수 있다.

휘발유, 프로페인 또는 액화석유가스로 작동하는 불꽃 점화 내연기관은 건설 작업, 비상 전원 또는 레크리에이션 용도로 휴대용 임시 전원으로 일반적으로 사용된다.

스털링 기관과 같은 왕복 외연기관은 다양한 화석 연료뿐만 아니라 재생 가능 연료 또는 산업 폐열로 작동할 수 있다. 전력 생산을 위한 스털링 기관 설치는 비교적 드물다.

역사적으로 최초의 중앙 발전소는 왕복 증기 기관을 사용하여 발전기를 구동했다. 서비스해야 할 전기 부하의 크기가 커지면서 왕복 장치는 경제적으로 설치하기에는 너무 크고 번거로워졌다. 증기 터빈은 중앙 발전소 서비스에서 모든 왕복 엔진을 빠르게 대체했다.

## 연료
### 석탄
섬네일|upright=1.35|일반적인 증기 사이클 석탄 발전소의 다이어그램(왼쪽에서 오른쪽으로 진행)

석탄은 지구상에서 가장 풍부한 화석연료이며, 화력 발전소의 에너지원으로 널리 사용되는 비교적 저렴한 연료이다. 석탄은 불순한 연료이며, 동일한 양의 석유나 천연가스보다 더 많은 온실 기체와 오염을 발생시킨다. 예를 들어, 1000MWe 석탄 화력 발전소의 운영은 우라늄 채굴, 원자로 운영 및 폐기물 처리를 포함하여 동등한 원자력 발전소의 136인-렘/년에 비해 490인-렘/년의 핵 방사선량을 초래한다.

석탄은 트럭, 열차, 바지선, 석탄 운반선 또는 석탄 슬러리 파이프라인을 통해 운반된다. 광산에 인접한 발전소는 컨베이어 벨트 또는 거대한 디젤 전기 구동 트럭으로 석탄을 공급받을 수 있다.
석탄은 일반적으로  미만의 크기로 분쇄하여 사용 준비를 한다.

### 천연가스

가스는 매우 흔한 연료이며, 미국과 영국과 같이 20세기 후반 또는 21세기 초에 가스가 발견된 국가에서는 대부분 석탄을 대체했다. 때때로 석탄 화력 증기 발전소는 순이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 천연가스를 사용하도록 개조된다. 석유 연료 발전소는 운영 비용을 낮추기 위해 천연가스로 전환될 수 있다.

### 석유
중질 연료유는 한때 전력 생산을 위한 중요한 에너지원이었다. 1970년대 유가 상승 이후 석유는 석탄에 의해, 이후에는 천연가스에 의해 대체되었다. 정제유는 여전히 특히 전력망에 연결되지 않은 고립된 지역사회에서 사용되는 디젤 엔진 발전소의 연료원으로 중요하다. 액체 연료는 가스 터빈 발전소에서도 사용될 수 있으며, 특히 피크 부하나 비상 서비스에 사용된다. 세 가지 화석 연료원 중 석유는 고체 석탄보다 운송 및 취급이 용이하고 천연가스보다 현장 저장이 용이하다는 장점이 있다.

## 열병합 발전
열병합 발전(CHP)은 화력 발전소를 사용하여 전력과 열(후자는 예를 들어 지역 난방 목적으로 사용됨)을 모두 공급하는 것을 말한다. 이 기술은 가정용 난방(저온)뿐만 아니라 산업 공정열(종종 고온열)에도 적용된다. 계산에 따르면, 기존 화석 연료를 계속 태운다면, 열병합 지역 난방(CHPDH)이 탄소 배출량을 줄이는(그러나 완전히 제거하지는 않는) 가장 저렴한 방법이다.

## 환경 영향
[섬네일|[라플린 (네바다주)|라플린 근처의 1,580 MW 석탄 화력 발전소인 모하비 발전소, 환경 규제로 인해 2005년부터 가동 중단]]
화력 발전소는 독성 가스와 미세먼지를 생성하는 주요 인공 발생원 중 하나이다. 화석 연료 발전소는 , SOx, , CO, PM, 유기 가스 및 다환 방향족 탄화수소와 같은 오염 물질을 배출한다. 세계 기구와 IEA와 같은 국제 기관들은 화석 연료 연소와 특히 석탄 연소의 환경 영향에 대해 우려하고 있다. 석탄 연소는 산성비와 대기 오염에 가장 큰 기여를 하며, 지구 온난화와 관련되어 있다. 석탄의 화학적 조성 때문에 연소 전에 고체 연료에서 불순물을 제거하는 데 어려움이 있다. 현대의 석탄 발전소는 연통의 배출 공기를 여과하는 새로운 "스크러버" 기술 덕분에 구형 설계보다 오염이 적다. 그러나 다양한 오염 물질의 배출 수준은 여전히 천연가스 발전소보다 평균적으로 몇 배 더 높으며, 스크러버는 포집된 오염 물질을 폐수로 이동시키는데, 이는 수역 오염을 방지하기 위해 여전히 처리가 필요하다. 이러한 현대적인 설계에서 석탄 화력 발전소의 오염은 이산화 탄소, 질소 산화물, 이산화 황과 같은 가스를 대기로 배출하는 것뿐만 아니라 납, 수은, 카드뮴, 크로뮴뿐만 아니라 비소, 셀레늄 및 질소 화합물(질산염 및 아질산염)을 포함할 수 있는 상당한 양의 폐수에서 발생한다.

산성비는 질소 산화물과 이산화 황의 배출로 인해 발생한다. 이 가스들은 그 자체로는 약산성이지만, 대기와 반응하여 아황산, 질산, 황산과 같은 산성 화합물을 생성하며, 이는 비로 내린다. 그래서 산성비라는 용어가 사용된다. 유럽과 미국에서는 더 엄격한 배출 법규와 중공업의 감소로 인해 이 문제와 관련된 환경 위험이 줄어들었으며, 1960년대 정점을 찍은 후 배출량이 감소했다.

2008년에 유럽 환경청 (EEA)은 유럽 연합 발전소의 실제 배출량을 기반으로 한 연료별 배출 계수를 기록했다.

### 이산화 탄소

[섬네일|세계 최대 [이산화 탄소 배출원인 타이중 석탄 화력 발전소]]

탄소 기반 연료를 이용한 전력 생산은 전 세계 이산화 탄소 (CO2) 배출량의 상당 부분을 차지하며, 2010년 미국 인공 이산화 탄소 배출량의 34%를 차지한다. 미국에서는 전기의 70%가 화석 연료 연소로 생산된다.

석탄은 석유나 천연가스 화석 연료보다 더 많은 탄소를 함유하고 있어, 생산된 전기 단위당 더 많은 이산화 탄소를 배출한다. 2010년에는 석탄이 발전으로 인한 CO2 배출량의 약 81%를 차지했으며, 미국에서 생산된 전기의 약 45%를 차지했다. 2000년 미국 석탄 화력 연소의 탄소 강도(CO2 배출량)는 2249&nbsp;lbs/MWh (1,029&nbsp;kg/MWh)였고, 미국 석유 화력 발전의 탄소 강도는 1672&nbsp;lb/MWh (758&nbsp;kg/MWh 또는 211&nbsp;kg/GJ)였으며, 미국 천연가스 화력 생산의 탄소 강도는 1135&nbsp;lb/MWh (515&nbsp;kg/MWh 또는 143&nbsp;kg/GJ)였다.

기후변화에 관한 정부간 협의체 (IPCC)는 대기 중 온실 기체인 이산화 탄소의 양이 증가하면 전 지구적 규모의 평균 기온 상승(지구 온난화)으로 이어질 가능성이 "매우 높다"고 보고한다. 이러한 온난화가 지구 기후를 변화시킬 잠재력에 대한 우려는 IPCC가 전 세계적으로 CO2 배출량을 대폭 줄일 것을 권고하게 만들었다.

사이클 내에서 더 효율적인 전기 생산을 위해 더 높은 연소 온도로 배출량을 줄일 수 있다.  현재 대기로 CO2를 배출하는 비용은 화석 연료 발전소에 탄소 포집 및 저장 (CCS)을 추가하는 비용보다 훨씬 낮으므로 소유자는 이를 실행하지 않았다.

#### 이산화 탄소 배출량 추정
화석 연료 발전소의 CO2 배출량은 다음 공식으로 추정할 수 있다.

CO2 배출량 = 용량 x 용량 인수 x 열 소비율 x 배출 강도 x 시간

여기서 "용량"은 발전소의 "정격 출력" 또는 최대 허용 출력이며, "용량 계수" 또는 "부하 계수"는 발전소가 정격 용량으로 쉬지 않고 작동할 경우 생산할 양과 비교하여 생산하는 전력량의 측정값이다. 열소비율은 열 에너지 입력/전기 에너지 출력이며, 배출 강도(또는 배출 계수)는 특정 연료에 대해 생성된 열 단위당 배출되는 CO2이다.

예를 들어, 평균적으로 용량의 절반으로 작동하는 새로운 1500 MW 초임계 갈탄 발전소의 연간 CO2 배출량은 다음과 같이 추정할 수 있다.

 1500MW x 0.5 x 100/40 x 101000&nbsp;kg/TJ x 1년

 1500MJ/s x 0.5 x 2.5 x 0.101&nbsp;kg/MJ x 365x24x60x60s

 1.5x103 x 5x10−1 x 2.5 x 1.01−1 x 3.1536x107 kg

 59.7 x103-1-1+7 kg

 5.97 Mt

따라서 이 예시 발전소는 매년 약 6메가톤의 이산화 탄소를 배출하는 것으로 추정된다.
유사한 추정 결과는 글로벌 에너지 모니터, 카본 트래커 및 일렉트리시티맵과 같은 조직에 의해 매핑된다.

또는 위성 관측을 통해  배출량을 측정(다른 가스를 통해 간접적으로 측정할 수도 있음)할 수도 있다.

### 미세먼지
석탄 연소와 관련된 또 다른 문제는 공중 보건에 심각한 영향을 미 미치는 미세먼지 배출이다. 발전소는 백 필터 또는 전기 집진기를 사용하여 연도가스에서 미세먼지를 제거한다. 석탄을 태우는 몇몇 새로운 발전소는 석탄 가스화 복합 발전이라는 다른 공정을 사용하는데, 이 공정에서는 석탄과 물의 반응으로 합성 가스가 만들어진다. 합성 가스는 대부분의 오염 물질을 제거하기 위해 처리된 후 초기에 가스 터빈을 구동하는 데 사용된다. 그런 다음 가스 터빈에서 나오는 뜨거운 배기 가스는 증기를 생성하여 증기 터빈을 구동하는 데 사용된다. 이러한 발전소의 오염 수준은 "고전적인" 석탄 발전소보다 훨씬 낮다.

석탄 화력 발전소에서 발생하는 미세먼지는 유해하며 건강에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 연구에 따르면 미세먼지 노출은 호흡기 및 심장 사망률 증가와 관련이 있다. 미세먼지는 폐의 작은 기도에 자극을 주어 천식, 만성 기관지염, 기도 폐쇄 및 가스 교환 문제를 증가시킬 수 있다.

화학적 조성과 크기에 따라 여러 종류의 미세먼지가 있다. 석탄 화력 발전소에서 발생하는 미세먼지의 주요 형태는 석탄 비산회이지만, 2차 황산염과 질산염도 석탄 화력 발전소에서 발생하는 미세먼지의 상당 부분을 차지한다. 석탄 비산회는 석탄이 연소된 후 남은 것이므로 석탄에서 발견되는 불연성 물질로 구성된다.

이러한 입자의 크기와 화학적 조성은 인간 건강에 미치는 영향에 영향을 미친다. 현재 거친 입자(직경 2.5 μm 이상)와 미세 입자(직경 0.1 μm ~ 2.5 μm)는 규제되고 있지만, 극미세 입자(직경 0.1 μm 미만)는 현재 규제되지 않고 있음에도 불구하고 많은 위험을 초래한다. 불행히도 어떤 종류의 미세먼지가 가장 큰 해를 끼치는지에 대해서는 아직 알려진 바가 많지 않아 미세먼지 규제를 위한 적절한 법률을 마련하기 어렵다.

석탄 화력 발전소에서 발생하는 미세먼지 배출량을 줄이는 데 도움이 되는 몇 가지 방법이 있다. 약 80%의 재는 재 호퍼로 떨어지지만, 나머지 재는 대기 중으로 운반되어 석탄-비산회가 된다. 이러한 미세먼지 배출량을 줄이는 방법은 다음과 같다.
# 백하우스
# 전기 집진기 (ESP)
# 사이클론 집진기
백하우스는 미세 필터로 재 입자를 수집하고, 전기 집진기는 전기장을 사용하여 고전압 판에 재 입자를 포집하며, 사이클론 집진기는 원심력을 사용하여 입자를 벽에 포집한다. 최근 연구에 따르면 중국의 화석 연료 발전소에서 발생하는 황 배출량이 지구 온난화의 10년 휴지기(1998-2008)를 유발했을 수 있다고 한다.

### 폐수
섬네일|upright=1.3|석탄 화력 발전소의 폐수 흐름도
화석 연료 발전소, 특히 석탄 화력 발전소는 산업 폐수의 주요 원인이다. 폐수 흐름에는 연도가스 탈황, 비산회, 바닥재 및 연도가스 수은 제어가 포함된다. 습식 스크러버와 같은 대기 오염 제어 장치를 갖춘 발전소는 일반적으로 포집된 오염 물질을 폐수 흐름으로 전달한다.

재 연못은 석탄 화력 발전소에서 널리 사용되는 표면 저류지 유형이다. 이 연못은 중력을 이용하여 발전소 폐수에서 큰 입자(총 부유 고형물로 측정됨)를 침전시킨다. 이 기술은 용해된 오염 물질을 처리하지 못한다. 발전소는 식물의 특정 폐수 흐름에 따라 오염 물질을 제어하기 위한 추가 기술을 사용한다. 여기에는 건식 재 처리, 폐쇄 루프 재 재활용, 화학 침전, 생물학적 처리(예: 활성 슬러지 공정), 막 시스템 및 증발-결정화 시스템이 포함된다. 2015년 EPA는 청정 수법에 따라 미국 발전소에서 이러한 기술 중 하나 이상을 사용하도록 요구하는 규정을 발표했다. 이온 교환막 및 전기투석 시스템의 기술 발전으로 연도가스 탈황 폐수를 효율적으로 처리하여 업데이트된 EPA 배출 기준을 충족할 수 있게 되었다.

### 방사성 미량 원소
석탄은 주로 축적된 식물성 물질로 형성된 퇴적암이며, 형성 과정에서 유기물과 함께 퇴적된 많은 무기물과 원소를 포함한다. 지구 지각의 나머지 부분과 마찬가지로 석탄에는 우라늄, 토륨 및 기타 자연적으로 발생하는 방사성 동위원소가 낮은 수준으로 포함되어 있으며, 이들이 환경으로 방출되면 방사능 오염을 유발한다. 이러한 물질들이 매우 적은 미량 불순물로 존재하더라도, 충분한 양의 석탄이 연소되면서 상당한 양의 이러한 물질들이 방출된다. 1,000 MW 석탄 연소 발전소는 연간 최대 5.2미터톤의 우라늄(우라늄-235  포함)과 연간 12.8미터톤의 토륨을 통제되지 않은 상태로 방출할 수 있다. 이에 비해 1,000 MW 원자력 발전소는 연간 약 30미터톤의 고준위 방사성 고체 포장 폐기물을 생성한다. 1982년 미국에서 석탄 연소로 방출된 통제되지 않은 방사능은 스리마일 섬 사고보다 155배 많았을 것으로 추정된다. 1937년부터 2040년까지 전 세계 석탄 연소로 인한 총 방사능은 2,700,000퀴리 또는 0.101 EBq로 추정된다. 정상 작동 시 석탄 발전소의 유효 선량 등가는 원자력 발전소의 100배이다. 그러나 정상 작동은 비교를 위한 기만적인 기준이다. 체르노빌 원자력 발전소 사고만으로도 요오드-131만으로도 약 1.76 EBq의 방사능이 방출되었는데, 이는 한 세기 동안 연소된 모든 석탄에서 나오는 총 배출량보다 한 자릿수 높은 값이며, 사고 상황에서 나오는 주요 방사성 물질인 요오드-131의 반감기는 단 8일이다.

### 석탄재로 인한 수질 및 대기 오염
2010년 8월 환경 통합 프로젝트, 시에라 클럽, 지구 정의와 같은 단체들이 미국 내 주 오염 데이터를 분석하여 발표한 연구에 따르면, 21개 미국 주에 걸쳐 매립된 석탄 화력 발전소에서 생산된 석탄재가 독성 원소로 지하수를 오염시킨 것으로 나타났다. 오염 물질에는 비소와 납과 같은 독극물이 포함되었다. 이 연구는 석탄재로 인한 수질 오염 문제가 미국에서 추정된 것보다 훨씬 광범위하다고 결론지었다. 이 연구로 인해 미국 전역에서 발전소에서 생산된 석탄재로 오염된 지하수 지점의 수가 137개로 늘어났다.

비소는 피부암, 방광암, 폐암을 유발하는 것으로 알려져 있으며, 납은 신경계를 손상시킨다. 석탄재 오염 물질은 또한 호흡기 질환 및 기타 건강 및 발달 문제와 관련이 있으며, 지역 수생 생물에 지장을 초래했다. 석탄재는 또한 다양한 독성 오염 물질을 인근 공기로 배출하여 유출되는 석탄 먼지를 호흡하는 사람들에게 건강 위협을 가한다.

#### 수은 오염
미국 정부 과학자들은 전국 291개 하천의 물고기에서 수은 오염을 검사했다. 미국 내무부의 연구에 따르면, 검사된 모든 물고기에서 수은이 발견되었다. 심지어 고립된 시골 수로의 물고기에서도 수은이 발견되었다. 검사된 물고기의 25%는 미국 환경보호청(EPA)이 정한 정기적으로 물고기를 섭취하는 사람들을 위한 안전 수준 이상의 수은 농도를 보였다. 미국에서 수은 오염의 가장 큰 원인은 석탄 연료 발전소 배출물이다.

## 화석 연료 발전소의 전환

화석 연료 발전소의 오염을 줄이고 탄소 배출량을 줄이거나 제거하는 여러 방법이 존재한다. 자주 사용되는 비용 효율적인 방법은 발전소를 다른 연료로 전환하는 것이다. 여기에는 석탄 발전소를 에너지 작물/바이오매스 또는 폐기물로 전환하는 것과 천연가스 발전소를 바이오가스 또는 수소로 전환하는 것이 포함된다. 석탄 화력 발전소를 폐기물 화력 발전소로 전환하면 쓰레기 매립지를 줄일 수 있다는 추가적인 이점이 있다. 또한, 폐기물 화력 발전소에는 물질 회수 시설을 설치할 수 있어 환경에 더욱 유익하다. 어떤 경우에는 에너지 작물/바이오매스가 전환된 화석 연료 발전소가 사용할 재료라면 바이오매스의 토레팩션이 발전소에 도움이 될 수 있다. 또한, 에너지 작물을 연료로 사용하고 바이오 숯 생산을 구현하면 화력 발전소가 탄소 중립이 아닌 탄소 네거티브가 될 수도 있다. 석탄 화력 발전소의 에너지 효율을 개선하는 것도 배출량을 줄일 수 있다.

단순히 다른 연료로 전환하는 것 외에도 일부 기업은 기존 화석 연료 발전소를 전기 축열 (ETES)을 사용하는 계통 에너지 저장 시스템으로 전환할 가능성도 제공한다.

### 석탄 오염 완화

석탄 오염 완화는 석탄을 화학적으로 광물과 불순물에서 세척하고, 때로는 가스화하고 연소하며, 생성된 연도가스를 증기로 처리하여 이산화 황을 제거하고 재연소하여 연도가스의 이산화 탄소를 경제적으로 회수하고 지하에 저장(후자는 "탄소 포집 및 저장"이라고 불림)하는 과정이다. 석탄 산업은 "청정 석탄"이라는 용어를 사용하여 석탄 추출, 준비 및 사용의 효율성과 환경적 수용성을 모두 향상시키기 위해 고안된 기술을 설명하지만, 특히 이산화 탄소에 대한 배출량의 특정 정량적 한계를 제공하지 않았다. 황이나 수은과 같은 오염 물질은 석탄에서 제거할 수 있지만, 탄소는 유용한 연료를 남기면서 효과적으로 제거할 수 없으며, 탄소격리 및 저장이 없는 청정 석탄 발전소는 이산화 탄소 배출량을 크게 줄이지 못한다. 제임스 한센은 당시 미국 대통령이었던 버락 오바마에게 보낸 공개 서한에서 "이산화 탄소를 포집 및 저장하지 않는 석탄 발전소에 대한 모라토리엄 및 단계적 폐지"를 옹호했다. 그의 저서 손주들의 폭풍에서도 한센은 그의 청지기 정신 선언(Declaration of Stewardship)을 논하는데, 그 첫 번째 원칙은 "이산화 탄소를 포집 및 격리하지 않는 석탄 화력 발전소에 대한 모라토리엄"을 요구한다.

### 천연가스에서 전환된 수소로 발전소 가동
가스 화력 발전소는 수소로 가동되도록 개조될 수도 있다.
수소는 처음에는 수증기 개질을 통해 천연가스에서 생산되어 수소경제로 나아가는 단계가 될 수 있으며, 궁극적으로 탄소 배출량을 줄일 수 있다.

2013년 이래 카를스루에 액체금속 연구소(KALLA)의 과학자들은 메탄 열분해라는 공정을 사용하여 전환 과정을 개선했다.
그들은 그을음을 쉽게 제거할 수 있게 했다 (그을음은 공정의 부산물이며 과거에는 작동 부품, 특히 니켈-철-코발트 촉매를 손상시켰다). 그을음 (탄소를 포함)은 지하에 저장될 수 있으며 대기로 방출되지 않는다.

## 화석 연료 발전소의 단계적 폐지

 아직 지구 온난화를 1.5&nbsp;°C 미만으로 유지할 기회는 남아있지만, 더 이상 화석 연료 발전소를 건설하지 않고 일부 기존 화석 연료 발전소를 조기에 폐쇄하며, 재조림과 같은 다른 조치들을 함께 시행해야만 가능하다.
화석 연료 발전소의 대안으로는 원자력, 태양 에너지 발전, 지열 발전, 풍력 발전, 수력, 바이오매스 발전소 및 기타 재생 가능 에너지 (참고: 비탄소 경제)가 있다. 이들 대부분은 산업 규모에서 입증된 기술이지만, 일부는 여전히 프로토타입 형태이다.

일부 국가에서는 전기 에너지를 생산하는 비용만 포함하고, 탄소의 사회적 비용이나 석탄 연소로 인해 발생하는 많은 오염 물질(예: 미세 연기 입자로 인한 호흡기 질환으로 인한 병원 입원 증가)과 관련된 간접 비용은 고려하지 않는다.

### 발전원별 상대적 비용

발전소 비용을 비교할 때, 몇 가지 주요 요소를 고려하여 발전기 단말에서의 전력 비용을 계산하는 것이 일반적이다. 연결 비용, 각 발전소가 배전망에 미치는 영향과 같은 외부 비용은 단말에서 계산된 전력 비용에 추가 비용으로 별도로 고려된다.

고려되는 초기 요소는 다음과 같다.
* 자본 비용, 핵에너지의 폐기물 처리 및 해체 비용 포함.
* 운영 및 유지보수 비용.
* 화석 연료 및 바이오매스 원료의 연료 비용, 폐기물의 경우 음수일 수 있음.
* 예상 연간 가동 시간 또는 부하율, 풍력 에너지의 경우 30% 정도로 낮거나 핵에너지의 경우 90% 정도로 높을 수 있음.
* 열병합 지역 난방(CHP/DH)과 같이 열 판매로 인한 상쇄 이득.

이러한 비용은 할인된 현금 흐름을 사용하여 화석 연료 발전소의 30~50년 수명 동안 발생한다.

## 같이 보기

* 바이오매스
* 바이오매스 발전소
* 증기 발생기
* 석탄 분석기
* 탄광
* 열병합
* 냉각탑 시스템
* 석탄 산업의 환경 영향
* 연도 가스 굴뚝
* 화석연료의 단계적 폐지
* 지열 발전
* 글로벌 에너지 모니터
* 지구 온난화
* 온실 기체
* 석탄 화력 발전소 목록
* 화력 발전소 고장 목록
* 수은 증기 터빈
* 천연가스
* 발전소
* 다양한 에너지원별 전력 생산 상대 비용
* 재생 가능 에너지 발전소
* 수증기 개질
* 증기 터빈
* 화력 발전소
* 수관 보일러

## 각주

## 참고 문헌
* Steam: Its Generation and Use (2005). 41st edition, Babcock & Wilcox Company, 
* Steam Plant Operation (2011). 9th edition, Everett B. Woodruff, Herbert B. Lammers, Thomas F. Lammers (coauthors), 맥그로힐 Professional, 
* Power Generation Handbook: Fundamentals of Low-Emission, High-Efficiency Power Plant Operation (2012). 2nd edition. Philip Kiameh, McGraw-Hill Professional, 
* Standard Handbook of Powerplant Engineering (1997). 2nd edition, Thomas C. Elliott, Kao Chen, Robert Swanekamp (coauthors), McGraw-Hill Professional, 

## 외부 링크

* Conventional coal-fired power plant
* Large industrial cooling towers
* Coal Power more deadly than Nuclear
* '' "Must We Suffer Smoke" '', May 1949, Popular Science article on early methods of scrubbing emissions from coal-fired power plants
* Gas Power Plant News from Power Engineering Magazine 

분류:발전 기술