수력발전

수력발전

수력발전(hydroelectric power generation, 水力發電)은 높은 곳에 위치한 물의 낙차(落差)를 이용하여 물의 위치에너지를 발전기 터빈의 운동에너지로 변환시켜 전기를 얻는 발전 방식이다. 수력발전은 공해가 없고 연료의 공급이 없이도 오래 사용할 수 있는 장점이 있다.

개요

수력발전은 물의 힘을 이용한 발전이라는 의미로 흐르는 물에 의해 회전하는 터빈을 통해 발전기를 작동시킴으로써 전기를 얻는 방식을 가리킨다. 수력발전은 운영하는 방식에 따라 여러 가지 종류로 나뉜다. 먼저 자연낙차 혹은 자연유량을 이용하는 방식을 수로식(水路式) 발전이라고 하는데 이는 지형, 계절, 강우량 등의 영향을 많이 받는다. 이러한 점을 보완하여 발전량을 안정적으로 유지하고 낙차도 키우고자 오늘날 수력발전은 대부분 댐의 건설을 통한 발전 방식을 취하고 있다. 경사가 급한 산지가 적고 강수의 계절적 편차가 큰 우리나라는 일반적으로 수력발전에 불리하다. 이에 따라 이러한 자연조건을 극복하기 위한 방식들이 시도되고 있는데 대표적으로 양수식(揚水式) 발전이 있다. 이는 전력 소비가 적은 야간에 남는 전력을 이용하여 댐의 하류로 흘려보낸 물을 펌프를 통해 다시 댐의 상류로 끌어올려 두었다가 낮에 다시 발전에 사용하는 방식이다. 또한 동고서저의 경동성 지형 특성을 이용한 방식인 유역변경식(流域變更式) 발전이 있는데 이는 기존의 하천의 흐름을 낙차가 큰 방향으로 변경하여 발전소를 세우는 방법이다. 대표적으로 섬진강 수력발전소와 강릉 수력발전소가 있다.

수력발전은 자연상태의 흐르는 물을 이용하여 전기를 얻기 때문에 발전과정에서 공해가 발생하지 않고 발전에 필요한 원료비가 들지 않는다는 장점이 있다. 그러나 경제성을 갖기 위해서는 물의 낙차가 크고 유량이 풍부한 지역이어야 하는 까다로운 입지조건이 요구되며 초기 건설 비용이 많이 든다는 단점이 있다. 발전 용량을 키우려면 대체로 대규모의 댐이 필요한데 대규모의 댐 건설에 따르는 환경문제가 있다. 댐에 의해 새로 생기는 상류 쪽 호수에는 대규모의 수몰 지역이 생기게 되며 호수가 넓은 경우 잦은 안개 발생 등 지역의 기후에도 영향을 끼치며 자연상태 하천의 단절이라는 생태적 측면에서의 부작용이 발생한다. 이러한 부정적 영향으로 인해 일반적으로 큰 댐을 이용한 수력발전은 오늘날 신재생에너지에 포함시키지 않고 있으며 대신 환경 파괴가 크지 않은 작은 규모의 수력발전은 신재생에너지로 분류하고 있다. 이를 소수력발전(Small hydro power)이라고 하는데 우리나라의 경우 2005년 이전에는 시설용량 10㎿ 이하를 소수력으로 규정하였으나 현재 신재생에너지 연구개발 및 보급 대상은 주로 발전설비용량 10㎿ 이하를 대상으로 하고 있으며 발전차액지원제도는 5㎿ 이하를 지원하고 있다.

수력발전은 전력을 생산하는 시간이 5분 이내로 짧아서 전력 수요량 변화에 가장 민첩하게 대응할 수 있다. 이러한 민첩성 덕분에 전력 수요가 최고조에 달한 시간대에 전력을 공급하기 적합하며 수차가 돌아가는 속도가 일정하고 발전 전력의 주파수가 균일해서 전력 품질을 유지하는 기능도 한다. 우리나라의 경우 의암댐, 팔당댐 등 유입량에 비해 물을 가둬두는 양이 적어서 저수지의 조절 능력이 없는 발전소를 제외하면 국내의 모든 수력발전소가 하루 4~5시간 정도 수요량이 높을 때만 운전하는 '첨두운전'을 하고 있다. 수력발전은 발전단가의 장기 안정성을 보장하는 역할도 한다. 수력발전은 부지 매입이나 건설과 같은 초기 투자비가 많이 필요해 발전원가의 대부분을 차지한다. 그러나 연료비가 거의 들지 않기에 타 전원과 비교했을 때 발전단가가 싸고 장기적으로 봤을 때 안정적이다. 또한 수력을 이용하여 발전을 하고 있는 시간에는 수력에서 생산된 전력량만큼 수력보다 비싼 화력발전소가 가동되지 않기에 전력 가격을 낮추는 요인이 되기도 한다. 유가 폭등과 같은 연료비 변동에 별반 영향을 받지 않기에 화력발전에 비해 전력 요금 안정화에 기여하는 바가 높다.

수력발전은 그 구조가 간단하므로 발전효율에 크게 신경 쓰지 않는다면 개인이 작은 수력발전 장치를 직접 만들어 설치할 수도 있다. 이러한 소규모 수력발전은 소수력발전 혹은 소규모 수력발전이라고도 하며 최근 설치 건수가 증가 추세다. 규모나 출력이 특히 작은 수력발전을 특별히 마이크로수력이라고 하며 전력수요가 매우 적은 곳에서 꼭 필요한 양만큼의 전기를 얻는 데 주로 활용된다. 소수력발전은 전력 생산 외에 농업용 저수지, 하수처리장, 정수장, 다목적댐의 용수로 등에도 적용할 수 있는 점을 감안할 때 국내의 개발 잠재량은 풍부하며 청정자원으로서 가치가 크다.

원리

물레방아는 떨어지는 물의 힘으로 바퀴를 돌려 곡식을 빻고 찧는 기구다. 이렇게 물의 에너지를 다른 에너지로 변환해 일을 처리하는 기구나 기계를 통칭해 '수차'라고 한다. 인류는 아주 오래전부터 수차를 이용해 왔다. 고대 메소포타미아에서 농지 관개를 위해 수차를 발명했다는 기록이 남아 있는데 수차로 전기를 생산하는 수력발전은 어찌 보면 가장 오래된 발전 방식인 셈이다. 수력발전은 물의 위치에너지와 운동에너지의 전환 현상을 이용한다. 높은 곳에 있는 물은 큰 위치에너지를 가지고 있어 물을 아래로 떨어뜨리면 높이 차이만큼에 해당하는 위치에너지가 운동에너지로 전환된다. 물이 쏟아지면서 수차에 운동에너지를 전달하면 발전기의 회전자에 연결된 수차가 회전해 전기를 생산한다. 수력발전은 19세기 말까지 거슬러 올라갈 정도로 전통이 깊은 발전 방법이다. 우리나라에서도 평안북도의 운산수력발전소가 구한말에 건설됐을 정도로 오랜 역사를 지니고 있다. 휴전선 남쪽에서는 보성강수력발전소가 1937년에 건설됐다. 현재도 수력은 전력망을 구축하는 국가가 가장 먼저 고려하는 발전 방식이다. 강이 마르지 않는 한 어느 에너지원보다도 안정적으로 사용할 수 있기 때문이다. 대규모 토목공사만 감당할 수 있으면 저렴한 운영비용으로 꾸준하게 전기를 생산할 수 있다.

장점

• 유연성 : 저수지 시설을 이용하여 전력이 필요한 시간에 원하는 만큼 발전이 가능한 유연성이 장점이다. 또한 발전이 완전히 정지된 상태에서 전력 발전까지 60~90초 정도의 시간밖에 들지 않을 정도로 발전 준비 과정이 짧기 때문에 빠르게 에너지 수요에 대응할 수 있다. 다만 계절 및 환경에 따른 수량의 차이로 인해 발전량이 항상 일정하기 어렵고 발전용량의 한계가 있기 때문에 주된 발전 수단으로 이용되기는 어려우며 양수발전 시설을 이용하여 전력 수요가 적은 시간대의 저렴한 전력을 이용하여 높은 지대의 저수지로 물을 이동시켰다가 전력 수요가 많은 피크 시간대에 대량의 물을 흘려보냄으로써 전력의 저장소로서의 역할로 지원하고 있다.
• 적은 발전비용 : 초기 건설자금은 크지만 경제수명이 50~100년으로 매우 길고 추가적인 비용 지출이 적다. 자동화된 수력발전소의 경우 적은 수의 인원으로도 운영이 가능하여 상대적으로 발전비용이 저렴하다.
• 산업용 지원에 적합 : 수력발전은 지속적인 발전용수만 확보한다면 안정적인 발전이 가능하기 때문에 산업용 전력 보급을 위해 건설되는 경우도 많다. 예를 들어 알루미늄 공장과 같이 생산에 항시 전력이 필요한 산업 시설의 경우가 있다.
• 적은 CO2 배출량 : 일반적인 수력 발전 시설은 화석 연료를 사용하지 않으므로 직접적으로 이산화탄소(CO2)를 만들어내지는 않고 기반 시설 건설이나 공급 시설에서의 온실가스 발생은 있을 수 있지만 극히 일부이다.
• 저수지 활용 : 수력발전을 위한 댐 시설의 건설은 주변 자연의 경관에 영향을 주고 이를 통해 만들어진 저수지를 이용하여 양식장을 많이 운영하는 편이며 수상스포츠 시설이나 관광 자원으로 활용할 수 있다. 또한 댐의 본래 기능에 따라 농업용수 공급이나 수자원 제어, 토사 유출 방지의 효과가 있다.

참고자료

• 〈수력 발전〉, 《위키백과》
• 〈수력발전〉, 《네이버 지식백과》
• "Hydroelectricity", Wikipedia
• 〈수력〉, 《한국에너지공단》
• 에너지정보문화재단, 〈(스토리) 에너지의 전환 원리를 이용한 수력발전〉, 《네이버 블로그》, 2019-07-11
• 김병욱, 〈(기획) 친환경에너지시장 핵심 수력발전, 향후 과제는?〉, 《투데이에너지》, 2020-05-11

같이 보기

• 발전
• 발전기
• 위치에너지
• 운동에너지

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