미국에서 많은 석탄 발전소가 왜 문을 닫거나 천연가스로 전환했는지, 그리고 그 전환 방식이 무엇이었는지를 살펴본다.
지난 수백 년의 대부분 동안, 전력 생산을 위한 연료로는 석탄이 가장 선호되었다. 18세기 초 영국에서 발명된 Thomas Newcomen의 증기기관은 석탄 연소로 구동되었고, 이는 석탄을 사용 가능한 에너지로 점점 더 효율적으로 바꾸는 일련의 장치들 가운데 첫 번째였다. 사실 Newcomen 기관은 너무 비효율적이어서 석탄을 엄청나게 많이 소비했기 때문에, 연료를 싸게 구할 수 있는 탄광에서 거의 전적으로 사용되었다. 18세기와 19세기에 뒤이어 등장한 개량형 증기기관들 — Watt의 회전 기관, 고압 Cornish 기관, 삼중 팽창 기관, Parsons의 증기 터빈 — 역시 석탄을 연료로 사용했다. 20세기 초가 되자 영국은 공장과 광산에 동력을 공급하기 위해 해마다 5,200만 톤의 석탄을 태우고 있었다.
20세기 초 가솔린 자동차의 부상은 석탄 소비의 상당 부분을 석유로 옮겨 놓았지만, 산업용 동력에서는 여전히 석탄이 선호되었다. 그리고 전력망이 등장한 뒤에도 이것은 바뀌지 않았다. Thomas Edison이 뉴욕 펄 스트리트에 세운 최초의 중앙집중식 발전소는 석탄 화력 왕복기관을 사용했고, 석탄은 21세기에 들어설 때까지도 미국에서 전력을 생산하는 주된 방식이었다.
하지만 20세기 말에 이르러 이런 추세는 바뀌기 시작했다. 20세기의 대부분 동안 석탄은 미국 전력 생산의 약 50%를 차지했지만, 1980년대 중반 약 57%로 정점을 찍은 뒤 미국 전력 생산에서 차지하는 비중이 하락하기 시작했다. 그리고 대략 2008년부터는 석탄 발전 전력이 절대량 기준으로도 감소하기 시작해, 2009년 1.6조 킬로와트시를 넘던 생산량이 2020년에는 약 0.8조로 떨어졌다. 오늘날 석탄은 미국 전력의 약 16%를 공급하며, 이 비중은 장기적으로 계속 하락할 가능성이 커 보인다.
석탄의 인기가 떨어지면서, 많은 석탄 발전소들 — 2008년 이후 200곳 이상 — 은 그냥 폐쇄되었다.1 하지만 이들 가운데 일부는 폐쇄 대신 석탄 대신 천연가스를 태우도록 전환되었다. 2008년 이후 이런 전환은 약 140건 있었다.
최근 Trump 행정부가 발전소를 계속 가동하도록 강제하고, 새로운 석탄 발전소 건설에 자금을 지원하려 시도하는 등 석탄 산업을 다시 활성화하려는 움직임을 보이고 있는 만큼, 왜 এত 많은 발전소 운영자들이 석탄 연소를 중단하고 천연가스로 전환했는지 이해해 볼 가치가 있다.
대략 2008년경 시작된 석탄-가스 전환의 물결은 두 가지 요인의 산물이었다.
첫 번째는 규제였다. 석탄 연소는 수은 같은 유해 오염물질을 대량 배출하며, 시간이 지나면서 이러한 배출에 대한 규제는 더 엄격해졌다. 2000년에 환경보호청(EPA)은 수은 배출 규제를 마련하기로 결정했고, Bush 행정부로 인해 잠시 지연되기는 했지만 2008년이 되자 석탄 발전소 배출 규제가 더 엄격해질 것이라는 점은 분명해졌다. 2011년 EPA는 석탄 발전소 배출 제한의 새로운 기준인 Mercury and Air Toxics Standards (MATS)를 제안했고, 이는 석탄 및 석유 발전소가 배출할 수 있는 수은, 독성 금속, 산성 가스의 양을 극적으로 줄였다. 하지만 MATS는 천연가스 발전소에는 적용되지 않았는데, 가스는 훨씬 더 깨끗하게 연소하며 유해한 입자상 배출물도 훨씬 적게 만들어내기 때문이다.
이처럼 더 엄격한 새로운 규제와 더불어, 미국의 셰일가스 붐은 천연가스를 발전용 연료로 점점 더 매력적으로 만들었다. 1980년대 후반부터 2011년 사이에 천연가스는 미국 전력 생산에서 10%에서 거의 30%까지 늘어났다. 그리고 2000년대 초반 내내 가스 가격은 상승했지만, 2008년부터는 급격히 하락하기 시작했다. 게다가 당분간 저렴한 상태가 유지될 것으로 전망되었다.
점점 더 엄격해지는 환경 규제와 널리 이용 가능하면서도 저렴한 천연가스의 부상에 직면해, 석탄 발전소 소유주들에게는 몇 가지 선택지가 있었다. 하나는 발전소를 아예 폐쇄하는 것이었다. 또 하나는 MATS 규정을 준수할 만큼 배출을 줄이기 위해 필요한 장비를 설치하는 것이었다. 이 장비는 설치 비용이 비쌌고, 작동에 에너지가 필요했기 때문에 발전소 효율을 떨어뜨리는 요인이 되기도 했지만, 그럼에도 종종 투자할 만한 가치가 있었다. 오늘날 미국에는 219기의 가동 중인 석탄 발전소가 있으며, 이들 모두는 원래의 MATS 규정을 준수하고 있다.
하지만 일부 발전소 운영자들은 MATS 준수를 위해 필요한 배출 저감 장비를 설치하는 대신, 발전소를 천연가스를 태우도록 전환하는 길을 택했다. 전환된 발전소는 대체로 더 오래되고, 설비 용량이 작으며, 비교적 비효율적이었고, 기저부하 전력을 공급하기보다는 필요할 때 추가 용량을 제공하는 용도로 사용되던 곳들이었다.
석탄 발전소를 천연가스를 태우도록 바꾸는 것은 새로운 아이디어가 아니었다 — 이 구상은 1980년대에 처음 논의되기 시작했고, 1990년대와 2000년대 동안 몇몇 발전소가 실제로 전환되었다 — 하지만 셰일 붐과 더 엄격해진 MATS 규제가 결합되면서 그렇게 할 유인이 훨씬 강해졌다.
원래 설비 가운데 얼마나 많이 교체하느냐에 따라, 석탄 화력발전소를 천연가스 발전소로 전환하는 방법은 몇 가지가 있다. 큰 틀에서 보면 석탄 발전소는 석탄을 태워 그 에너지로 물을 증기로 바꾸는 보일러, 증기의 열에너지를 회전 에너지로 바꾸는 터빈, 그리고 그 터빈에 연결되어 기계적 회전 에너지를 전류로 바꾸는 발전기로 이루어진다. 서로 다른 전환 전략은 이 설비의 서로 다른 부분을 교체한다.
석탄 발전소 도식, 출처: USGS.
가장 단순하고 저렴한 선택지는 석탄 보일러를 천연가스를 태울 수 있도록 개조하는 것이다. 보일러를 천연가스만 사용하도록 바꿔 석탄 연소 능력을 잃게 할 수도 있고, 가스, 석탄, 혹은 그 둘의 조합을 태울 수 있도록 개조할 수도 있다.
최소한 이런 종류의 전환에는 천연가스를 보일러 내부로 공급하는 시스템을 추가하고, 석탄 버너를 천연가스 버너로 교체하는 작업이 필요하다. 하지만 천연가스는 석탄과 다르게 연소하기 때문에, 새로운 화염 스캐너(보일러 내부에서 연소가 어떻게 진행되는지 감시하는 장치)나 구조적 보강(천연가스를 태울 때 보일러 일부 구역의 온도가 더 높아질 수 있기 때문) 같은 다른 업그레이드가 필요할 수도 있다. 또한 가스를 발전소까지 가져오기 위한 천연가스 파이프라인을 새로 깔아야 하는 경우가 많으며, 여기에는 지하 파이프라인을 20마일 이상 매설하는 작업이 포함될 수 있다. 천연가스는 석탄과 같은 복잡한 자재 취급을 필요로 하지 않기 때문에 — 단순히 배관을 통해 보일러로 직접 공급할 수 있다 — 업그레이드된 발전소는 원래의 석탄 발전소보다 일반적으로 훨씬 적은 인력이 필요하다. 시카고 인근의 Joliet 석탄 발전소는 2016년에 천연가스 피커 발전소로 전환되었고, 이후 2023년에 완전히 폐쇄되었는데, 이런 종류의 석탄-가스 전환 사례다.
이런 종류의 전환의 장점은 비교적 단순하고 비용이 적게 든다는 점이며, 미국의 석탄-가스 발전소 전환 대부분이 이 유형에 속했다. 단점은 보일러가 원래 설계되지 않은 연료를 태우게 되기 때문에, 전환된 발전소는 석탄을 태울 때보다 효율이 더 낮고 설비 용량도 줄어들며, 완전히 새로 지은 복합화력 발전소와 비교하면 효율이 훨씬 낮다는 것이다.
또 다른 선택지는 나머지 발전 설비는 유지한 채 석탄 보일러 전체를 천연가스 보일러로 교체하는 것이다. 이는 덜 흔하지만 실제로 일어나기도 한다. 이런 종류의 전환 사례로는 46메가와트 규모의 소형 열병합 석탄 발전소를 운영했던 Iowa State University가 있다. 2016년에 이 대학교는 발전소의 석탄 화력 보일러 5기 중 3기를 천연가스 보일러로 교체했다. (나머지 두 보일러도 결국 천연가스를 태울 수 있도록 개조되었다).
석탄 보일러를 가스 보일러로 단순 교체하는 것보다 더 흔한 방식은, 석탄 보일러를 가스 터빈 그리고 가스 보일러(이 구성에서는 Heat Recovery Steam Generator, 즉 HRSG라고 부른다)로 교체해 더 효율적인 복합화력 발전소를 만드는 것이다. 이런 종류의 전환은 때때로 “repowering”이라고 불리며, 사례로는 플로리다주 탬파 인근의 Big Bend 석탄 화력발전소가 있는데, 이 발전소는 2023년에 전환되었다.
마지막으로, “전환”은 기존 발전소 전체 — 보일러, 터빈, 발전기 — 를 모두 뜯어내고 이를 현대적인 복합화력 발전소로 완전히 대체하는 것을 뜻할 수도 있다. 이것은 본질적으로 새 발전소이지만, 기존 발전소의 일부 서비스(송전망 접속, 용수 확보)를 활용한다. Tennessee주 Memphis 인근의 Tennessee Valley Authority Allen 발전소는 이런 유형의 전환 사례다. 이 유형의 전환은 가장 비용이 많이 들지만, 운영자에게 가장 큰 효율 향상을 제공한다. 미국의 석탄 발전소 전환 가운데 대략 3분의 1은 이런 전면 교체 방식이었다.
이런 석탄-가스 전환이 앞으로 많이 더 일어날 것 같지는 않다. 우선 미국에는 예전보다 석탄 발전소 자체가 훨씬 적다. 거의 600기에 달하던 정점에서 이제는 200기를 조금 넘는 수준으로 줄었다. 전환 후보로 가장 명백했던, 즉 피커 용도로 유용할 수 있는 더 작고 오래된 발전소들은 아마 이미 전환되었을 가능성이 크다. 그리고 계통 규모 배터리가 피커 전원의 경제성을 바꾸면서, 신규 가스 발전소조차 예전만큼 매력적이지 않게 보이고 있다. 하물며 효율이 더 낮은 전환형 석탄 발전소는 더욱 매력도가 떨어질 것이라고 생각할 수밖에 없다.
더 엄격한 대기오염 규제가 새로 도입된다면, 기존 발전소들 가운데 일부가 석탄 대신 천연가스를 태우도록 밀어붙여질 가능성은 있다. 다만 Trump 행정부 동안 그런 일이 벌어질 가능성은 낮다. (2024년에 Biden 행정부는 원래의 MATS 규칙을 강화했지만, 이후 이러한 추가 조치는 Trump 행정부에 의해 폐지되었다.) 비슷하게, AI 붐이 초래한 막대한 전력 수요도 어느 정도 영향을 줄 수 있다. 이미 높은 전력 수요와 천연가스 터빈 같은 설비의 엄청난 공급 지연 때문에, 폐쇄 예정이던 석탄 발전소들이 대신 계속 가동되는 모습을 보고 있다. 이런 논리가 남아 있는 일부 석탄 발전소를 천연가스를 태우도록 전환하는 유인을 만들 수도 있다. 하지만 전체적으로 보면, 석탄-가스 전환의 전성기는 이미 지나갔다고 나는 생각한다.
2008년 미국에는 가동 중인 석탄 발전소가 약 586기 있었고, 오늘날은 219기다. 이 가운데 약 140기는 천연가스로 전환되었고, 따라서 약 230기 정도는 폐쇄된 것으로 추정된다.
