[연재] 신재생에너지-소수력 발전

개요 우리나라는 연평균강수량이 1,245㎜로 강수량이 풍부하고 전국토의 2/3가 산지로 구성되어 있어 지형과 수문학적으로 일반하천, 농업용수, 관개용수, 하수처리장의 방류수, 수도용 관로, 기력발전소의 해수방류수, 양어장의 순환수 등 각 지역에 산재한 미활용 수력 자원이 많이 부존하고 있다. 수력발전(Hydropower)은 높은 위치에 있는 하천이나 저수지 물을 낙차에 의한 위치에너지를 이용하여 수차의 회전력을 발생시키고 수차와 직결되어 있는 발전기에 의해서 전기에너지를 변환시키는 방식이다. 수차를 회전시키는 물의 유량이 많고, 낙차가 클수록 시설용량이 커지고 전력량도 그만큼 많아진다. 하천이나 수로에 댐이나 보를 설치하고 수압관로로 발전소까지 물을 유동시키며 수차, 발전기 및 전력변환장치 등으로 구성되어 있다. 최근 유가 급등으로 인한 수력 개발의 필요성이 확대되고 있으나 환경단체와 지역주역민의 반대, 주민 보상문제, 입지선정 등으로 많은 국가에서 건설에 어려움을 겪고 있어 대수력보다는 소규모 수력 건설을 통해 환경위해를 최소화하는 소규모 수력발전개발이 바람직하다. 소수력(Small Hydropower)은 일반적인 수력발전과 원리면에서는 차이가 없는 자연적인 지역조건과 조화를 이루는 물의 유동에너지를 이용하여 10,000kW 이하로 발전을 하는 설비를 소수력으로 규정하였으나, 신규법에서는 소수력을 포함 한 수력 전체를 신재생에너지로 정의하고 있다. 신재생에너지 연구개발 및 보급대상은 주로 소수력발전소를 대상으로 하고 있다. 신재생에너지의 한 분야인 수력은 탄산가스를 배출하지 않는 환경 친화적인 청정에너지로서 자연적인 지역조건에서 얻어지는 국내 잠재량이 많은 부존자원으로 지역의 분산전원에 기여할 수 있는 유용한 자원으로 평가되고 있다. 우리나라에서의 소수력 개발은 산과 계곡이 많은 지역적 특성을 이용하여 소하천을 이용한 발전방식이 주종을 이루었으나, 개발지역 주변 지역민의 각종 민원과 강우량의 계절별 편중에 따른 가동율이 확보되지 않아 지속적인 발전이 불가하여 경제성 부족으로 개발 가능량에 비해 소수력개발이 원활하게 이루어지지 않았다. 최근에는 수차발전기의 국산화와 정부의 보급 확대정책 등으로 공공기관에서 민원발생 우려가 없는 기존 시설물을 이용한 소수력 개발이 활발하게 추진되고 있다.

국내외 시장동향 1. 국내 소수력 발전은 공해가 없는 청정에너지로 1,500MW 정도의 부존량이 있으며 다른 신재생에너지원에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있기 때문에 개발 가치가 큰 부존자원으로 평가되고 있다. 소수력 자원의 적극적인 개발은 에너지원의 개발 차원뿐 아니라 경제·사회적으로 전력 수요 급증시의 부하 평준화 효과 및 석유 수입 대체, 민간 주도의 반영구적 사업으로서 환경 친화적인 에너지원의 개발을 통한 지역 개발의 촉진과 경제적 파급효과, 관련 기술의 수출 산업화 등의 부수적인 효과를 거둘 수 있다. 소수력 개발이 가능한 후보지 대상은 유효저수량 300만 톤에 유역면적 15㎢ 이상의 농업용 저수지, 20,000톤/일 이상의 하수종말처리장, 시설용량 50,000톤/일 이상의 정수장, 높이가 2m 이상인 농업용 보 등으로, 미활용 소수력 자원을 이용할 수 있는 개발지점은 매우 다양하다. 특히, 하천을 이용한 댐식의 경우 댐건설 추진과정에서 발생하고 있는 님비(NIMBY) 현상이나 지역간의 물꼬싸움, 환경단체의 반발과 같은 문제를 일으킬 소지가 극히 적다. 소하천을 이용한 가동보를 설치하여 생공용수, 하천유지용수 및 관개용수 등으로 이용하며 수상레저와 같은 관광개발로 지역경제에 도움을 줄 수 있어 경제성 타당성만 입증되면 적극적으로 개발할 수 있다. 그래서 최근에는 민원발생 우려가 없는 기존 시설물을 이용한 소수력 개발이 추진되고 있다. 현재 소수력 시설용량은 57,534kW로 부존잠재량의 약 3.8%에 해당되며, 개발 가능량의 약 25.3%에 불과하여 개발 여지가 아주 많이 남아 있다. 정부에서는 다음과 같이 2011년까지 80MW를 더 보급할 계획이다. 2. 해외 소수력 발전기술 및 법규제정 등을 통해서 보급 확산에 주력하여 수차개발 지원 및 수차 종류별 표준화 실시하고, 소수력 발전 보급을 위한 각국 정부의 강력한 지원정책을 통하여 사용 가능한 소수력 자원개발 완료한 실정이다. 다음은 세계 각국의 소수력 발전소 개발 현황을 나타낸 것이다. 미국은 1970년대에 소수력 자원 잠재량을 조사하고 1980년대에는 수차개발을 수행하여 1990년초 소수력 수차 형식별 표준화와 보급확산에 주력함으로써 1,715개 지점에서 3,420MW를 보급·운영하고 있으며, 개도국에 대한 기술지원을 하고 있다. 아시아권에서도 중국, 일본 등을 비롯하여 여러 나라들이 소수력발전소를 건설하여 운영하고 있으며 특히, 중국은 소수력 수차의 형식별 국산화 개발 및 표준화를 이루고 1990년 이후 매년 소수력 발전소를 건설하여 100,000개 지점에 30,000MW의 시설용량으로 세계에서 가장 많은 소수력 발전소를 보유하고 있다. 일본은 1970년대에 전국 규모의 수력조사를 수행하였으며, 1980년대에는 수차의 국산화 개발 및 소수력 발전시스템 자동화 연구개발을 수행하고 1990년대에는 수차 형식별 표준화 개발을 완료하여 보급하고 있으며, 전국 600개 지점에 538MW를 보유하고 있다. 유럽의 경우 독일 5,882개소, 프랑스 1,479개소, 이탈리아 1,420개소, 스웨덴 1,346개소, 스페인 1,102개소, 노르웨이 227개소 등 대부분의 국가에서 소수력 발전소가 건설·운영되고 있다. 외국의 소수력 발전소 1개소당 평균 발전시설용량은 약 1,000kW인데, 국가별로는 미국은 2,000kW, 캐나다 3,000kW, 유럽은 독일을 제외하고는 1,000kW급으로 비교적 큰 규모이고, 중국은 300kW, 일본은 896kW로 소규모이다. 기술개발 현황 소수력 기술개발은 제1차 석유파동이후 에너지 개발의 필요성을 절감한 정부에 의해 추진되어 1974년에 ‘소수력 개발 입지 및 자원조사연구’와1975년에 ‘시범 소계곡발전소의 연구조사 설계’가 수행되었다. 소수력에 대한 관심은 1978년 제2차 석유파동이후 더욱 고조되면서 1982년에 ‘소수력발전 개발방안’을 마련하여 민간자본에 의한 소수력발전사업을 할 수 있도록 함으로써 본격적인 기술개발이 착수되었다. 1987년부터 ‘대체에너지개발촉진법’에 의거 정부주도로 소수력 기술개발에 관한 연구를 지원하여 주로 자원조사, 수차개발, 운용기술 등의 설계기술을 확보하고 국산화 기술개발을 추진하였다. 소수력 기술개발 현황은 다음과 같다. 기술개발 내용으로는 1999년까지 카프란수차 설계기술 및 국산화 개발, 튜브라 수차 개발, 횡류형 수차 개발을 하였으며 카프란수차 개발은 국산화율이 95% 이상으로 현재 상용화 보급 전 단계에 있다. 1999년도에는 국내 소수력 자원조사 및 개발 활성화 방안에 대한 연구를 수행한 바 있으며, 2002년도에는 국내에 산재되어 있는 농업용저수지 및 다목적댐을 이용하기 위한 중ㆍ저낙차용 프란시스수차 기술개발을 착수하여 2005년 성공적 완료 후 실증 연구를 추진 중이다. 수력분야에서 가장 핵심이 되는 것은 수차이며, 1997∼1999년까지 대체에너지기술개발사업으로 국산 카플란 수차를 개발하여 보급중이며, 2005년 프란시스 수차 개발이 완료되어 실증연구를 추진 중이다. 수차는 전반적으로 국산화율이 55% 이상 되는 분야이다. 1. 국내기술의 상용화율 (1) 수차 소수력은 토목, 기계, 전기, 계측제어부문 등의 복합적인 시스템 기술로 구성된다. 소수력 발전소 건설비의 약 25%를 차지하는 수차는 준공 후에도 지속적으로 유지 관리하여야 하는 중요한 설비이다. 수차부분은 수차본체, 입구밸브, 압유장치, 소내 배수장치, 운전제어 장치 등으로 수차설치대수 108기 중에서 국산수차는 53기가 설치되어 운용중이다. 수차의 일부형식은 국내에서 설계제작할 수 있는 능력을 보유하고 있으며 최근에 건설되는 대부분의 소수력발전소에서 채택되고 있다. 국산 수차가 개발되기 전에는 대부분 외국에서 도입하였기 때문에 고가이었고 유지보수용 부품확보에 어려움이 있었다. 국산 수차는 외국에서 제작한 수차와 비교하여 수력학적인 성능은 대등하지만 설계 및 제작의 품질과 수차 부속설비(개도조절장치, 수밀장치, 냉각설비, 제어설비 등)가 미흡하여 수명과 신뢰성에 대한 지속적인 기술개발이 필요하다. 수차 기술개발은 한국에너지기술연구원에서 추진하여 카플란 수차, 튜블러 수차, 프란시스 수차 설계기술로 많은 부분의 국산화를 이루었고, 현재는 프란시스 수차 실증연구가 진행되고 있다. 이와 같은 국산화 노력으로 카플란, 프란시스, 튜블러 수차는 국산화되었으나 사류수차, 횡류 수차, 펠톤 수차 등은 기술개발이 필요하다. 수차개발은 처음부터 실무수차를 상용화로 개발하기 어렵기 때문에 작은 규모의 모형 수차를 설계, 제작하고 주로 유체학적인 성능실험을 통하여 설계특성을 분석한다. 수차개발을 처음부터 실무로 개발하지 못하는 이유는 개발된 수차를 실험할 수 있는 수력발전소가 건설되어야 가능하고 시행착오를 거쳐야 한다. 연구개발을 통하여 개발된 수차는 상용화 과정을 통하여 문제점을 해소하고 수정 보완함으로써 신뢰성을 확보할 수 있다. 따라서 실용화를 위한 수차의 표준화·간소화된 수차의 기술개발이 필요하다. 소수력 자원면에서 다른 나라에 뒤지지 않은 우리나라는 소수력 개발 지점의 특성에 적합한 수차를 개발하여 표준화하고 건설비용을 절감시켜 경제성을 향상시키면 소수력 보급량 목표는 희망적이다. 따라서 앞으로 다양한 국내 미활용 소수력 개발지점의 특성과 개발조건에 맞는 수차의 표준화·간소화 기술을 개발하여 초기 투자비의 20∼30% 이상을 절감할수 있도록 산·학·연 협동연구가 절실히 필요하다. (2) 발전기 발전기는 발전기 본체, 여자장치, 동기장치, 운전제어장치 등으로 구성되며 유도발전기와 동기발전기가 있다. 국내에서는 소수력 개발에 따른 인·허가의 어려움, 정부의 기준가격 지원제도, 한전의 송전선로 연계로 인하여 시설용량 3,000kW 이하로 대부분 개발되고 있어 유도발전기를 채용하고 있으며 유도발전기 제작기술은 베어링을 제외하고는 90% 이상이 국산화되어 있다. 국산 발전기는 외산에 비해 고정자 권선절연과 효율 등이 다소 미흡하다. 발전기 설치대수 108기 중에서 동기발전기는 15기이고 유도발전기는 93기가 운용중이며, 발전기 설치대수 108기 중에서 국산 발전기는 75기가 설치되었다. 유도발전기는 여자장치, 동기투입장치 등이 필요한 동기발전기 보다 구조가 간단하여 유지보수측면에서 경제적이다. 2. 기술선도국과의 비교 선진외국의 경우 1970년대에 두 차례의 석유파동이후 정부가 소수력 기술개발에 집중적으로 투자하여 1990년초에 낙차와 유량에 따라 표준범위에 적합한 수차를 형식별로 표준화하고 대량생산에 의한 수차 건설비용을 절감하여 경제성을 향상시켰고 가능한 자원개발을 강력하게 지원하고 있다. 1990년대부터 기후변화협약에 따른 환경문제와 신재생에너지 이용의 중요성이 강조되면서 청정에너지인 소수력을 개발하는 나라들이 많아졌으며 각 나라마다 여러가지 활성화 정책을 시행하고 수차발전기의 표준화 기술향상과 시스템운용의 자동화 등의 기술개발로 경제성이 확보되어 보급이 확대되어 가는 추세이다. 국내의 소수력발전시스템의 기술수준은 선진국에 비해 전반적으로 뒤쳐져 있다. 소수력 자원조사 및 활용기술은 선진국과의 기술격차는 적으나 핵심 소재나 수차 형상 최적 설계 및 제작 기술, 성능측정 및 인증시험 분야는 선진국과의 기술격차가 더 많이 나고 있는 실정이다. 수차의 일부형식은 중소업체에서 설계기술과 제작기술의 국산화가 완료되어 보급하고 있으나, 국내의 자본과 기술력이 있는 대기업에서 소수력발전시스템을 국산화하여 국제 경쟁력을 갖출 수 있도록 참여를 유도하는 정책이 필요하다. 3. 주요핵심기술 개발 소수력 발전기술이 선진국 수준으로 진입하기 위해서는 기술개발에 집중할 필요가 있다. 소수력은 투자비의 회수기간을 고려할 때 민간 자본의 시설투자만으로 보급을 증대해 나가기는 어려우므로 자원조사 및 원천기술 개발을 정부에서 지원하고 소수력발전시설에 시설투자할 수 있도록 지원제도를 강화하고 합리적인 제도개선을 할 필요가 있다. 소수력 개발 보급을 위해 향후 추진되어야 할 주요 핵심기술 개발 내용은 다음과 같다. ① 소수력 자원조사 및 활용기술개발 ② 수차발전기의 국산화 및 표준화 기술개발 ③ 계통보호 및 자동화설비 간소화 기술개발 ④ 수차발전설비 성능시험인증센터 구축 기술개발 ⑤ 소수력 개발 및 보급환경 제도개선 위와 같은 기술개발과 더불어 소수력 발전의 확대를 도모하기 위한 정책이 필요하다. 소수력발전 보급계획 목표를 달성하기 위하여 관련 기술을 보유하고 시스템을 국산화하도록 정부의 정책적인 지원이 필요하다. 외국에서도 정부주도로 표준화를 지원하여 기술개발을 완료하고 보급확산에 주력하고 있는 것이다. 따라서 외국의 연구 자료와 기술을 분석하여 산·학·연 공동 기술개발에 따른 협력을 강화하여 원천기술을 확보하고 핵심기술을 개발하기 위한 노력이 필요하다. 보급현황 1. 수력 수력 보급 현황은 다음과 같이 한국수력원자력(주) 7개소, 한국수자원공사 9개 등 총 16개소가 있다. 2. 소수력 소수력 보급 현황은 2005년 12월말 기준으로 44개 지점에 57,534kW 설비용량이 개발되었으며 연간 전기생산량은 157,510MWh에 달하고 있다. 개인사업자 14개소, 한국수자원공사 13개소, 한국전력공사 및 발전회사 7개소, 지자체 5개소(하수종말처리장 4개소, 정수장 1개소), 한국농촌공사 5개소 등이다. 일반 하천 12개소, 댐 15개소, 저수지 8개소, 하수종말처리장 4개소, 정수장 2개소, 양수발전소의 하천방류수 3개소 등이다. 시설용량 100kW 이하가 3개소, 1,000kW 이하가 16개소, 10,000kW 이하가 25개소 이며, 총 시설용량은 57,534kW로서 임하댐 발전소의 시설용량(50,000kW)과 비슷하다. 향후 추진계획 소수력 기술개발은 투자회수기간이 길고 협소한 시장규모 때문에 민간이 참여하여 기술개발을 독자적으로 수행하기가 어렵다. 소수력 자원면에서 다른 나라에 뒤지지 않은 우리나라가 소수력 개발이 활성화 되지 않은 이유는 경제성이 확보되지 않고 있기 때문이다. 소수력 발전소의 규모는 작아지고 기존의 발전소들보다 원거리에 위치하여 개발비용은 증가하고 있어 1990년 이후에 민간이 참여하여 준공된 발전소가 없고 2000년 이후에 공공기관에서 기존 시설물(댐, 저수지, 하수종말처리장, 상도도 관로)을 이용한 소수력을 건설 보급하여 명맥을 유지하고 있다. 따라서 소수력 보급 향상을 위해서는 일반 하천에 적합한 효율이 높은 수차발전기의 기술개발이 필요하나 대기업 등에서는 협소한 소수력 시장으로 인해 기술개발 투자 참여를 유보하고 있다. 소수력발전 개발 실적이 부진한 사유를 정확히 규명하고 목표치를 달성할 수 있는 방안을 강구하는데 더욱 노력해야 한다. 즉 주기적으로 목표치에 대한 실적을 점검하고 발전사업허가에 따른 소수력개발 전망과 더불어 발전사업자 등 관련 전문가의 의견을 충분히 수렴하여 제도화하는 등 피드백 시스템 구축이 필요하다. 국내 소수력 기술개발수준은 전반적으로 선진국의 50∼860% 수준으로 평가되고 있으나, 수차 기술개발은 선진국에 비해 기술수준이 낮아 보급에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 또한, 소수력의 건설단가는 수력자원의 이용형태별 개발지점의 여건에 따라 다르고 설비용량에 따른 변화요인이 가장 높은 특징이 있다. 일반하천의 경우 건설단가는 400만 원/kW 수준, 기존시설물을 이용한 경우 350만 원/kW 수준으로 발전전력기준가격으로는 경제성이 확보되지 않아 계획된 지점은 물론 국내 잠재수력자원 개발이 불가능하다고 판단된다. 2005년 한국전력거래소의 전력시장평균가격은 60.29원/kWh으로 형성되고 있으나, 2005년 11∼12월의 경우 전력시장 평균가격이 기준가격을 상회하여 발전차액을 지원받지 않은 현상이 발생하여 기준가격 현실화가 필요하다. 소수력은 강우량 등 자연조건에 따른 가동율 제약(40% 내외)등으로 경제성 확보에 어려움이 있고, 협소한 시장규모하에서 수차발전기 대량생산을 통한 원가절감 등 경쟁력 제고에 한계가 있다. 이러한 경쟁력을 확보하기 위해서는 정부에서 R&D, 보급사업, 발전차액 등 지원 확대가 필요하다. 소수력은 산업기반이 취약하여 연구인력, 연구기반 등 기술개발을 위한 인프라가 열악한 실정이다. 국내에 부존하고 있는 자원잠재량에 비해 환경단체와 지역주민들의 민원 등으로 새로운 시장창출에 어려움이 있다. 이러한 어려운 여건을 극복하기 위해서는 일관성 있는 정책을 통해 안정적 투자환경을 조성하고, 선택과 집중에 따른 전략적 투자로 기술개발과 산업화를 지원해 나갈 때 소수력 보급목표를 달성할 수 있을것이다. 에너지의 대외 의존도가 높은 우리나라의 경우 친환경적이고 무한한 개발과 사용이 가능한 신재생에너지의 한부분인 수력 분야의 기술개발은 상용화를 위한 기술개발로서 설비표준화 및 효율향상기술 및 시스템 자동화 기술을 중점적으로 개발하여야만 에너지사용의 합리화 측면에서 중요한 역할을 담당할 수 있다. 수력은 연중 일정하지 않은 수자원의 한계로 낮은 가동율 등으로 인해 불리한 부분도 있으나 상하수도와 같은 가동율이 높은 부분과 낮은 유량으로 발전이 가능한 지점에 적용가능한 수차의 기술개발시 소수력 발전의 가능성은 매우 높은 편이다. 기존 시설물을 이용한 농업용저수지, 수도용관로, 하수종말처리장, 기력발전소의 냉각수 등을 이용하여 소수력을 개발할 수 있다. 최근의 소수력 개발추세는 일반 하천뿐만 아니라 경제성향상을 위하여 기존시설물을 이용한 소수력개발을 추진하고 있으며 단위시설 용량이 소형화되고 있다. 첫 번째로 개발 가능한 소수력 발전소의 타당성 조사와 건설이 이루어져야 한다. 환경친화적 소수력 개발 자원조사로 소수력개발 보급 확산이 필요하다. 두 번째로 소수력 발전은 크게 토목, 기계, 전기부문 등의 복합적인 시스템 기술로서 1980년대 초부터 토목 건설부문에 대한 기술력은 확보되었으나, 소수력 관련 기술정립과 시스템 표준화 작업이 필요하다. 일반 하천이나 기존 시설물을 이용한 농업용 저수지, 수도용 관로, 하수종말처리장, 기력 발전소의 냉각수 등 다양한 국내의 소수력 자원 특성에 적합한 수차발전기의 개발과 표준화 기술을 개발하여 원가를 절감하여야한다. 세 번째로 소수력발전소의 인건비 절감과 신뢰성을 위한 무인 자동화시스템을 설치하여 경제성을 확보하는 기술개발과 무인화를 위한 관련 법령 개정이 필요하다. 네 번째로 보급을 확산시킬 수 있는 체제를 구축하는 것이다. 소수력발전소의 건립을 용이하게 하기 위한 기준가격의 현실화와 발전소 건설 비용을 절감하여 경제성 확보를 위한 정책적인 지원이 있을 경우 정부에서 계획하고 있는 소수력 개발과 보급을 달성할 수 있다.