가스 화력 발전소

섬네일|베를린의 열병합 발전소
섬네일|분야별 세계 전력 생산을 나타내는 도표. 가스는 전 세계 전력의 20% 이상을 생산한다.
섬네일|가스 발전량 점유율
가스 화력 발전소()는 때때로 가스 발전소(), 천연가스 발전소() 또는 메테인 가스 발전소()라고도 불리며, 천연가스를 연소시켜 전기를 생산하는 화력 발전소이다. 가스 화력 발전소는 전 세계 전력의 거의 4분의 1을 생산하며 온실 기체 배출의 주요 원인이다. 그러나 이 발전소들은 수력이나 상호 연결망을 사용할 수 없는 경우 변동성 재생 에너지 부족을 보완하기 위해 계절별, 수급 조절 가능한 에너지 생산을 제공할 수 있다. 2020년대 초반에는 배터리가 가스 첨두부하 발전소와 경쟁력을 갖게 되었다.

 기본 개념: 열에너지를 역학적 에너지로, 역학적 에너지를 전력량으로 

가스 화력 발전소는 화석 연료 발전소의 한 종류로, 주로 메테인인 천연가스에 저장된 화학 에너지가 순차적으로 열에너지, 역학적 에너지로 전환되고, 최종적으로 전력량으로 전환된다. 열에너지를 유용한 일로 전환하는 카르노사이클 한계를 초과할 수는 없지만, 초과 열(즉, 소모된 화학 에너지와 생성된 유용한 일의 차이)은 열병합 발전소에서 건물 난방, 온수 생산 또는 산업 규모의 재료 가열에 사용될 수 있다.

 발전소 유형 
 가스 터빈 

섬네일|캘리포니아의 복합 사이클 가스 화력 발전소인 게이트웨이 발전소는 두 대의 GE 7F.04 연소 터빈을 사용하여 천연가스를 연소시킨다.
섬네일|GE H 시리즈 발전용 가스 터빈: 복합 사이클 구성에서 최고 열역학적 효율은 62.22%이다.
산업용 가스 터빈은 항공기용 설계와 달리 프레임, 베어링, 블레이딩이 더 무겁게 제작된다. 또한 이 터빈들은 종종 발전기와 같은 전력 공급 장치와 잔류 에너지(주로 열)를 회수하는 데 사용되는 2차 에너지 장비와 훨씬 더 밀접하게 통합되어 있다.

가스 터빈은 터빈에서 발생하는 폐열이 열회수 증기 발생기(HRSG)에 의해 회수되어 복합 사이클 구성에서 기존의 증기 터빈을 구동할 때 특히 효율적일 수 있다. 605 MW 제너럴 일렉트릭 9HA는 에 달하는 고온에서 62.22%의 효율을 달성했다.
2018년 제너럴 일렉트릭은 적층 제조와 연소 기술 혁신 덕분에 2017년 주문 대비 63.7%에서 향상된 64% 이상의 효율로 복합 사이클에서 826 MW HA를 제공하며, 2020년대 초반까지 65% 달성을 목표로 하고 있다.
2018년 3월, 제너럴 일렉트릭 파워는 7HA 터빈으로 63.08%의 총 효율을 달성했다.

항공기 유도 가스 터빈도 복합 사이클에 사용될 수 있어 효율을 높일 수 있지만, 특별히 설계된 산업용 가스 터빈만큼 높지는 않을 것이다. 이 터빈들은 열병합 구성으로도 운전될 수 있다. 배기 가스는 공간 난방이나 온수 난방에 사용되거나, 흡수식 냉각기를 구동하여 흡입 공기를 냉각하고 출력 전력을 증가시키며, 이 기술은 터빈 흡입 공기 냉각으로 알려져 있다.

또 다른 중요한 장점은 몇 분 안에 켜고 끌 수 있어 피크 또는 비정규 수요 시 전력을 공급할 수 있다는 점이다. 단일 사이클(가스 터빈만) 발전소는 복합 사이클 발전소보다 효율이 낮기 때문에, 일반적으로 첨두부하 발전소로 사용되며, 이는 해당 지역의 전력 수요와 발전 용량에 따라 하루에 몇 시간에서 일년에 수십 시간 동안 운전된다. 기저 부하 및 수급 조절 발전소 용량이 부족하거나 연료 비용이 낮은 지역에서는 가스 터빈 발전소가 하루 중 대부분의 시간을 정기적으로 운전할 수 있다. 대형 단일 사이클 가스 터빈은 일반적으로 100~400메가와트의 전력을 생산하며 35~40%의 열역학적 효율을 갖는다.

섬네일|핀그리드의 가스 터빈 발전소인 포르사, 핀란드

 단순 사이클 가스 터빈 
개방 사이클 가스 터빈(OCGT) 발전기라고도 알려진 단순 사이클 가스 터빈에서는 고온 가스가 가스 터빈을 구동하여 전기를 생산한다. 이 유형의 발전소는 건설 비용이 비교적 저렴하고 매우 빠르게 시동할 수 있지만, 효율이 낮기 때문에 첨두부하 발전소로 하루에 몇 시간만 가동된다.

 복합 사이클 가스 터빈 (CCGT) 

CCGT 발전소는 브레이턴 사이클을 사용하는 단순 사이클 가스 터빈과 이어서 열회수 증기 발생기 및 랭킨 사이클을 사용하는 증기 터빈으로 구성된다. 가장 일반적인 구성은 두 대의 가스 터빈이 한 대의 증기 터빈을 지탱하는 것이다. 이 발전소들은 단순 사이클 발전소보다 약간 더 비싸지만 최대 55%의 효율을 달성하고 약 30분의 송전 시간을 갖는다.

 증기 터빈 
가스-증기 발전소는 가스를 사용하여 보일러를 가열하여 증기를 생산하고, 이 증기로 증기 터빈을 돌린다. 이러한 유형의 발전소는 20세기 내내 석탄 발전소의 직접적인 대안으로 많이 건설되었다. 이 발전소들은 단순 사이클 가스 터빈 발전소와 같은 빠른 시동 능력이 부족하며, 복합 사이클 발전소보다 훨씬 덜 효율적이다. 이러한 발전소들의 노후화와 단점 때문에 미국에서 폐기되는 가스 발전소의 대부분을 차지하지만, 가스 버너로 전환하여 배출량을 줄이면서 석탄 발전소의 수명을 연장하는 옵션으로 여전히 남아 있다.

 왕복 기관 

왕복 내연기관은 일반적으로 20MW 미만으로 다른 유형의 천연가스 발전기보다 훨씬 작으며, 주로 비상 전력이나 풍력 및 태양광과 같은 변동성 재생 에너지를 균형 맞추는 데 사용된다.

 온실 기체 배출 
복합 사이클 가스 터빈을 기반으로 하는 비교적 효율적인 가스 화력 발전소는 생산된 전력 킬로와트시당 약 의 를 배출한다. 이는 석탄화력발전소의 절반 정도이지만, 원자력 발전소나 재생 가능 에너지보다 훨씬 많다. 그러나 더 유연한 단순 사이클 터빈은 훨씬 더 높은 배출 강도를 가지며, 종종 kWh당 최대 의 CO2를 배출하고, 일부 오래된 가스 터빈은 가장 배출 강도가 높은 석탄 발전소와 맞먹는 배출 강도를 가질 수 있다.

그러나 가스 화력 발전소의 전체 전 생애 주기 배출량은 가스 생산 및 분배 파이프라인과 관련된 가스 누출로 인한 메테인 배출과 탄소 포집 및 저장이 사용되는 경우 아민 가스 처리 후 폐기 CO2의 상당한 방출로 인해 증가한다.

 탄소 포집 
탄소 포집 및 저장 시설을 갖춘 발전소는 매우 드물다.

 수소 
가스 화력 발전소는 수소를 연료로 사용하도록 개조될 수 있으며, 제너럴 일렉트릭에 따르면 CCS보다 경제적으로 더 실현 가능한 옵션은 가스 터빈 연료에 수소를 점점 더 많이 사용하는 것이다. 수소는 처음에 수증기 개질을 통해 천연가스에서 생성되거나, 탄소를 침전시키기 위해 가열함으로써 수소경제로 나아가는 단계로, 궁극적으로 탄소 배출량을 줄일 수 있다. 그러나 다른 이들은 저탄소 수소(예: 천연 수소)가 탈탄소화하기 더 어려운 비료 생산과 같은 용도로 사용되어야 하며, 따라서 전력 생산에 충분하지 않을 수 있다고 생각한다.

 경제성 
 신규 발전소 
때때로 새로운 배터리 저장 발전소가 태양 에너지 발전 또는 풍력 발전과 함께 기존 가스 발전소를 건설하는 것보다 장기적으로 더 저렴할 수 있는데, 이는 가스 발전소가 좌초자산이 될 위험이 있기 때문이다.

 기존 발전소 
 몇몇 가스 화력 발전소는 너무 빨리 가동을 멈추거나 시작할 수 없기 때문에 폐기되고 있다. 변동성 재생 에너지의 비용이 하락하고 있음에도 불구하고, 대부분의 기존 가스 화력 발전소는 여전히 수익성이 있다. 특히 탄소가격제가 없는 국가에서는 수급 조절 발전이 가능하고 셰일가스와 액화천연가스 가격이 건설 당시보다 하락했기 때문이다. 심지어 EU와 같이 탄소가격제가 있는 곳에서도 기존 가스 화력 발전소는 여전히 경제적으로 실행 가능하며, 이는 부분적으로 석탄 화력 발전의 오염으로 인한 규제 강화 때문이다.

 정치 
석탄 발전을 대체하는 경우에도 새로운 발전소 건설 결정은 논란의 여지가 있을 수 있다.

 같이 보기 
 천연가스 발전소 목록

 각주 

 외부 링크 
 Global gas plant tracker by Global Energy Monitor

분류:천연가스 화력발전소
분류:온실 기체 배출