상단여백
HOME 뉴스
화력 발전의 전망과 대안으로서의 핵융합 발전2030년이면 화력발전이 사라진다?
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2018.07.03 19:56
  • 댓글 0

전력이라는 것은 저축해둘 수 없다. 따라서 수요 상황에 따라 전력을 발전해야 한다. 이러한 전력 공급의 특수성에 대응할 수 있었던 것은 바로 화력발전. 하지만 2030년이면 화력발전이 사라져버릴 수도 있다고 한다. 그 이유는 무엇이며 화력 발전의 자리는 무엇이 대체하게 될 것인가?

 

원자력 발전은 안전성 문제가 있는데다 즉시 가동하거나 멈추기 어렵다. 환경 친화적인 재생 에너지, 즉 태양광 발전이나 풍력 발전은 날씨나 기후에 영향을 크게 받기 때문에 안정적으로 전력을 생산하기 여의치 않다. 하지만 이러한 문제에서 자유로운 화력발전이 있었기에, 우리는 더운 여름에도 에어컨을 맘껏 틀어 놓고 지낼 수 있었다. 그러나 전력 자유화가 추진되고, 전력 공급 시스템에 변화가 일면서 화력발전은 점차 자취를 감추게 될 것으로 전망된다. 특히 2030년에는 발전 효율이 가장 좋다고 알려진 LNG(천연가스)마저 사라질 것으로 내다보고 있다.

그렇다면 우리의 가장 든든한 에너지원으로 군림하던 화력발전은 왜 사라지게 되는 것일까?

원인은 전력 도매 시장? 

화력발전, 특히 가스를 태워 발전(發電)하는 방식의 화력발전은 연소 효율이 좋고, 많은 전력을 생산할 수 있다는 장점이 있다. 수요 상황에 따라 발전할 수 있는 대응력도 높아, 2시간 후 전력이 부족할 것 같다고 예상되면 당장이라도 발전을 개시하여 전력을 공급할 수 있다. 게다가 석탄을 이용한 화력발전과 비교해도 발전량이 많은 데다 CO2의 배출량도 한정적이다. 이러한 장점을 가지고 있음에도 불구하고 화력발전이 소멸의 위기에 처하게 된 까닭은 무엇일까? 그 이유는 바로 전력 도매 시장의 출현에 있다. 전력 자유화 이전에는 도쿄전력 등 국영 전력 회사가 발전, 송전, 판매를 모두 수행했다. 그러나 전력 자유화가 진행된 후 발전, 송전, 판매는 분리되고 새로운 전력 회사가 전력을 자유롭게 구매하여 소비자에게 판매할 수 있게 되었다.

이렇게 전기 사업에 새로운 기업들이 참여하게 되면서 전기 요금이 서로 달라지게 되었다. 즉 슈퍼에서 판매되는 채소가 유기농 제품인지 일반 채소인지에 따라 가격이 다르듯, 원자력으로 만들었는지 태양광으로 만들었는지에 따라 저마다 전기 가격이 달라진 것이다. 또한 이왕이면 저렴하면서도 깨끗하게 발전된 전력을 구매하고자 하는 수요도 등장하게 되었다.

가격 경쟁 속 생존 혹은 도태


전력 회사가 어떤 방법으로 발전된 전력을 구입할 것인가를 생각할 때, 가장 먼저 고려하게 되는 것은 바로 가격이다. 태양광 발전이나 수력 발전 등 청정 에너지는 발전 비용이 높기 때문에 전력 도매 시장에서 판매되는 가격도 높다. 하지만 신 재생 에너지의 이용과 보급 촉진을 위해 등장한 발전차액지원제도(FIT, Feed in Tariff)제도가 등장하면서 청정 에너지도 저렴하게 구입할 수 있게 되었다(FIT 제도는 신 재생 에너지로 발전한 전력이 기준가격과 차이가 날 경우, 그 금액을 지원해주는 제도다). 따라서 전기 도매 시장은 청정 에너지라 하더라도 저렴한 가격으로 경쟁할 수 있다. 결국 친환경적으로 발전된 에너지도 아니고, 가격이 특별히 저렴하지도 않은 화력발전은 경쟁에서 밀리게 된다. 발전하고도 팔리지 않으면 채산이 맞지 않기 때문에 결국 도태되는 수밖에 없는 것이다.

실제로 2016년 8월 9일 닛케이 신문에 보도된 기사에 따르면 2030년에는 LNG 발전소의 폐쇄가 이어지면서 1,300만~2,700만 개의 전력 발전 설비(원자력 발전소 13기 분)의 손실 전력이 발생할 것으로 예상된다. 전력의 수요를 효율적으로 충당하던 화력발전이 사라질 경우 그 수요를 신 재생 에너지로만 대응한다는 것은 어려운 일이다. 화력발전 소멸에 의한 에너지 부족 현상에 대응하기 위한 전략이 필요하다는 뜻이다 .

기대가 높은 만큼 넘어야 할 산도 높은 핵융합 발전 

그렇다면 에너지 부족 문제를 어떻게 타파할 수 있을 것인가? 여러 가지 대안 중 하나가 바로 핵융합 발전이다. 수소와 같이 가벼운 원자핵을 융합하여 더 무거운 원자핵을 만들면, 질량이 감소하면서 대량의 에너지가 방출된다. 이 원리를 이용하는 것이 바로 핵융합 발전이다. 이 발전 방식은 한때 '꿈의 에너지’라고도 불리며 사람들의 이목을 끌었다.

그 이유는 실용화에 성공할 경우 무한한 에너지를 생산해 낼 수 있기 때문이다. 핵융합 발전은 주로 수소를 이용하는데, 이 수소는 바닷물에 있는 중수소를 추출하여 사용하므로 손쉽게 연료 자원을 얻을 수 있다. 즉 석유, 석탄과 같은 자원 경쟁이 불필요하다는 뜻이다. 또한 청정 에너지이기 때문에 친환경적이며, 화력발전의 경우처럼 지구온난화를 걱정하지 않아도 된다. 게다가 원자력 발전 방식보다 안전하다.

이러한 장점 때문에 세계 각국에서 오랜 연구가 이어지고 있지만, 아직 사용할 수 있는 단계에는 도달하지 못했다. 핵융합 발전을 실현시키기 위해서는 태양과 같은 초고온의 환경을 인공적으로 만들어야 하기 때문이다. 실제로 핵융합을 위한 점화는 지구상에 존재하지 않는 1억 2,000만 도 이상이 필요하다. 이에 지구에서 핵융합 발전을 실현하려면 태양 중심 온도인 1억 5,000만 도보다 더 뜨거운 열 에너지를 생성하고, 이 온도를 견딜 수 있는 ‘그릇’을 준비해야 한다.

핵융합 발전, 실용화의 관건은?

앞서 언급한 ‘그릇(핵융합 가둠 장치)’이자 가장 진보한 핵융합 장치로 평가 받는 것이 바로 ‘토카막’이다. 이 방식은 세계 핵융합 연구에서 주류로 자리잡아, 현재 가동 중이거나 새로 짓는 실험용 핵융합로는 대부분 토카막 방식을 채택하고 있다. 도넛 모양으로 생긴 이 장치는 그 속에 진공 상태를 조성하여 초고온의 플라즈마*를 자기장을 이용해 가둠으로써 핵융합 반응이 일어나도록 하는 원리다.

* 플라즈마란?
플라즈마란 초고온에서 기체가 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 상태를 뜻한다. 물질은 흔히 고체, 액체, 기체 상태로 나뉘는데, 플라즈마는 기체에 고온을 가하여 전자와 원자핵으로 분리시킴으로써 물질을 제4의 상태로 만든다. 태양을 비롯한 우주는 99% 이상이 플라즈마 상태로 되어 있다.

 

[그림 1] 토카막 방식

도넛 모양의 토카막 안은 터널처럼 비어 있고, 그 주위를 감싸는 코일과 D자 모양의 초전도 자석이 자기장을 만들어 플라즈마 입자들이 질서 정연하게 움직이도록 유도한다. 이 상태에서 플라즈마 입자가 끊임 없이 돌며 에너지를 생성하는 것이다. 이러한 방식은 나중에 소개할 스텔러레이터 방식에 비해 상대적으로 구조가 단순하고 비용이 적게 든다는 장점이 있다.


반면 단점은 연속 운전이 어렵다는 것이다. 연속으로 운전해야 전력을 안정적으로 얻을 수 있는데, 현재로서는 고용량의 플라즈마 전류를 장시간 안정적으로 유지하고, 정밀하게 제어하기 어렵다. 이 문제를 해결할 대안이 되는 것이 바로 스텔러레이터다. 뫼비우스의 띠처럼 트로이달 코일을 나선형으로 여러 번 꼬아 자기장을 만드는 방식이다.

토카막의 경우 입자가 내부를 도는 과정에서 안쪽은 압축되고 바깥 쪽은 늘어나 불안정 상태가 된다. 반면 자기구조를 여러 번 나선형으로 꼬아 주면 플라즈마가 자기장을 따라 안쪽과 바깥쪽을 번갈아 오가기 때문에 불균형을 줄일 수 있다. 이처럼 스텔러레이터 방식은 토카막의 부족한 점을 보완할 수는 있지만 제작 비용이 비싸고 구조가 복잡하다는 단점이 있다.

토카막 방식과 스텔러레이터 방식은 장단점이 있기 때문에 이를 융합한 기술도 나오고 있다. 서로의 장점을 취하고 단점은 보완함으로써 초고온의 플라즈마를 오랫동안 안정적으로 붙잡아둘 수 있을 것으로 기대되기 때문이다. 이러한 방식으로 연구를 계속한다면 실용화에 더욱 가까이 갈 수 있을 것이라는 전망이다 .

실용화에 대한 희망
실제로 오랫동안 풀기 어려운 숙제였던 핵융합 발전의 실용화를 앞당기는 연구 결과들이 나오고 있다. 일본 기후현에 있는 핵융합 과학연구소에서 지난 2013년, 고온 플라즈마 상태를 48분 동안 유지하는 데 성공한 것이다. 이 연구소에서는 플라즈마를 48분간 지속한 경우의 온도는 2,300 만 도이기는 했지만, 다른 실험에서 9,400 만 도까지 달성하기도 했다.

또한 수소의 1.4 배의 고온을 내는 중수소를 사용하여 실험을 성공시킨다면 앞서 언급한 1억 2,000만 도의 기준을 충족할 가능성이 높아진다. 이에 핵융합 과학 연구소는 2018~2019년에는 1억 2,000만 도 달성을 위한 실험을 계획하고 있다. 이처럼 일본을 포함해 세계 각국에서는 핵융합 발전에 깊은 관심을 갖고 연구를 계속하고 있다 .

그 결과 불가능으로만 여겨졌던 일들이 현실화를 앞두게 되었다. 이러한 추세가 계속된다면 앞으로 약 30년 후에는 핵융합 발전을 실용화할 수 있을 것이라는 전망도 있다. 연구가 활발하게 이루어지고 있는 만큼 머지 않은 미래에 지상에서 태양을 구현해내는 날도 올 수 있지 않을까.

 

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

<저작권자 © 에너지설비관리, 무단 전재 및 재배포 금지>

한국에너지정보센터의 다른기사 보기
icon인기기사
기사 댓글 0
전체보기
첫번째 댓글을 남겨주세요.
여백
여백
여백
여백
Back to Top