온배수 영향·저감

왜 배우는가: 온배수는 화력발전소와 원자력발전소가 해안에 입지할수록 실제로 마주치는 해양환경 문제이다. 해양환경 및 해수 이용 영역에서 자주 묻는 주제이므로, 정의와 원리, 영향을 한 흐름으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제137회 3교시 2번, 제134회 4교시 5번, 제125회 4교시 3번, 제122회 3교시 4번, 제101회 2교시 4번, 제96회 2교시 3번, 제89회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

온배수는 발전소의 복수기에서 증기를 냉각하는 데 쓰인 뒤 수온이 높아진 상태로 바다에 배출되는 냉각수이다.

답안의 첫 줄은 이 정의로 시작하고, 이어서 아래 키워드로 정의의 각 부분을 설명한다. 키워드는 온배수의 원인, 해역의 반응, 저감의 기준을 잇는 말이므로 뜻을 정확히 구분해야 한다.

• 온배수(溫排水): 발전 설비의 냉각 과정을 거쳐 자연 수온보다 높은 상태로 하천·호소·바다에 배출되는 물이다. 열오염을 일으키는 대표적인 배출원이다.
• 복수기(復水器): 터빈을 돌린 증기를 해수와 열교환시켜 다시 물로 응축하는 설비이다. 온배수가 만들어지는 직접적인 장소이다.
• 열오염(熱汚染): 배출수가 지닌 열에너지가 수역의 수온을 바꾸어 생태계에 영향을 주는 현상이다. 물질이 아니라 열이 오염원이라는 점에서 일반 수질오염과 구분된다.
• 수온 상승폭: 배출수의 온도와 주변 해수 온도의 차이이다. 영향 범위와 생태계 반응을 가르는 기본 지표로 쓰인다.
• 열부하: 단위 시간에 해역으로 들어가는 열량이다. 배출 유량과 수온 상승폭의 곱에 비례하며, 해역 영향을 판단하는 기준이 된다.
• 해양환경용량: 해역이 열부하를 수용할 수 있는 한계이다. 생물에 부적합한 수온 변화가 생기지 않는 범위로 산정한다.
• 심층방류: 배출수를 수심이 깊은 곳에서 내보내 표층 수온 상승을 줄이는 방류 방식이다. 온배수 저감대책의 대표적 방식으로 꼽힌다.

2. 개념 풀이

온배수의 정식 정의는 발전 과정에서 냉각에 쓰인 물이 자연 수온보다 높은 온도로 수역에 배출되는 것이다. 화력발전소와 원자력발전소는 터빈을 돌린 증기를 복수기에서 다시 물로 응축해야 하므로 다량의 냉각수를 바닷물에서 취수한다. 이 냉각수는 복수기 전열관을 지나며 증기의 열을 흡수하고, 그 상태로 바다에 방류된다.

원리는 증기의 응축에 있다. 증기가 물로 응축되면 체적이 크게 줄어 압력차가 생기고, 이 압력차가 증기의 순환 속도를 유지한다. 따라서 냉각수는 발전 운전에 필수적인 요소이며, 온배수는 발전에 쓰이지 않고 버려지는 열이 물에 실려 나간 결과이다. 발전 효율을 확보하려면 많은 냉각수가 필요하므로 온배수 문제는 발전 방식과 떼어 놓을 수 없다.

온배수의 수온 상승폭은 약 7℃ 상승이 일반적이다. 상승폭은 발전 형식과 운전 조건에 따라 달라진다. 배출된 온배수는 주변 해수와 섞이면서 열을 대기로 발산하여 점차 주위 수온에 가까워진다. 이때 주변 해수와 섞여 온도가 낮아지는 과정을 혼합희석이라 한다. 방류구 가까운 곳에서는 온도가 가장 높고, 멀어질수록 온도가 낮아지는 온도 분포가 만들어진다.

영향의 크기는 온도와 유량을 함께 봐야 한다. 열부하는 다음 식으로 나타낸다.

$Q = \rho C_p q \Delta T$

여기서 Q는 열부하(W), ρ는 해수 밀도(kg/㎥), C_p는 해수 비열(J/(kg·K)), q는 배출 유량(㎥/s), ΔT는 수온 상승폭(K 또는 ℃)이다. 같은 열부하에서도 배출 유량이 늘어나는 경우가 수온만 높아지는 경우보다 주변 수온을 더 올리고 영향 범위를 넓히는 것으로 나타난다. 그래서 해역의 영향은 해역이 수용할 수 있는 열부하의 한계인 해양환경용량 개념으로 평가하며, 이 값을 기준으로 방류 조건을 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

온배수 문제는 산업화와 함께 시작되었다. 18세기 중엽 영국을 중심으로 산업혁명이 일어나면서 냉각 과정에 쓰는 물의 양이 급격히 늘었고, 철강·종이·화학제품을 만드는 공업단지가 커지면서 주변 수역으로 흘러드는 온배수의 양도 함께 늘었다. 당시에는 수온 상승이 생물의 분포와 생장에 미치는 영향이 거의 주목받지 못했다.