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세계적으로 신재생에너지를 보급 확대하고자 온갖 노력을 기울이는 반면, 수력은 지난 몇 년간 환경 파괴와 경기침체 등으로 퇴보했다. 그러나 최근 리서치 앤 마켓Research and Markets에서 발표한 <세계 수력 리포트 2011(Global Hydro Power Report Ed1 2011)>에 따르면, 2015년까지 전 세계적으로 약 1100GW에 달하는 수력발전소를 건설할 것으로 보인다. 수력 발전을 이끄는 국가는 태양광과 풍력 등 다양한 신재생에너지 프로젝트를 운영하는 미국, 중국, 유럽 등이다. 물의 위치 에너지를 운동(기계) 에너지로 변환시켜 전력을 생산하는 수력 발전은 화석연료 발전의 공해와 CO2 배출 문제, 원전의 방사능 위험과 폐기물 문제에서 자유로운 재생에너지다. 우리나라도 현실상 대수력의 막힌 길을 소수력으로 열어야 한다. 큰 길을 뚫지 못하면, 그만큼 작은 길을 여러 개 뚫어 문제를 극복하는 것도 한 방법이다.
 우리나라 수력은 지리적 특성상 산과 계곡을 이용한 댐이나 하천식이 주종을 이뤘다. 그러나 개발 주변 지역의 각종 민원과 강우량의 계절별 편중에 따른 가동률 저조로 여타 발전소에 밀려났다. 대수력 발전소는 한국수자원공사 9개소, 한국수력원자력 7개소 등 총 16개소며, 설비 용량은 약 1524㎿다. 에너지관리공단에서 발간한《2010 신 · 재생에너지백서》를 보면, 수력 발전 설비 용량은 전체 발전 설비의 약 7.5%이며, 최근 5년간 수력 발전 비중은 전체 발전량의 약 1.4%에 불과하다.
수력 발전은 우리나라 최초 수력발전소인 부전강수력(20만㎾)을 1929년 준공한 후부터 1960년대까지 기저부하, 1970년대 중간부하, 1980년대 이후 현재까지 첨두부하 역할을 담당한다. 수력만으로 급증하는 전력 수요를 감당할 수 없자 화력, 원자력, 유연탄 · 복합화력 등 여타 발전소를 건설하면서, 수력의 역할뿐만 아니라 발전 설비 비중이 수주화종水主火從에서 화주수종火主水從으로 바뀐 것이다.
최근 정부의 신재생에너지 보급 확대 정책에 따른 지역 에너지 보급 사업과 신재생에너지 의무 할당제(RPS)로 말미암아 수력 발전이 다시 수면 위로 떠올랐다. 공공 기관은 민원 발생이 덜한 기존 시설물인 조정지댐, 양수발전소 하부댐, 상수도용 관로, 하수 종말 처리장, 화력발전소 냉각수 등을 이용해 소수력 개발에 한창이다.
수력은 신재생에너지의 한 분야로 일반 수력(Hydropower)과 소수력(Small Hydropower)이 있으며 1987년 이전까지 설비 용량 3000㎾를, 2003년 설비 용량 1만㎾를 기준으로 구분했다. 그 후 2005년 <신 · 재생에너지 개발 이용 보급 촉진법>으로 수력 설비 용량 기준을 삭제하고, 심야전기를 필요로 하는 양수를 제외한 '물의 유동 에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 모든 설비'로 일원화해 수력을 신재생에너지로 분류했다.
한편, 기술적 측면에서 발전 설비 용량에 따라 다음과 같이 분류하고, 소수력, 미니 수력, 마이크로 수력, 피코 수력을 모두 소수력이라 일컫는다.
· 100㎿ 이상 : 대수력(Large Hydropower)
· 10∼100㎿ : 중수력(Medium Hydropower)
· 1~10㎿ : 소수력(Small Hydropower)
· 100∼1000㎾ : 미니 수력(Mini Hydropower)
· 5~100㎾ : 마이크로 수력(Micro Hydropower)
· 5㎾ 이하 : 피코 수력(Pico Hydropower)
수력이 부상한 이유
세계 각국이 태도를 달리해 수력 발전으로 자국의 전력 수요를 충당할 뿐만 아니라 관련 기술 수출경쟁을 벌이는 이유는 무엇일까. 지구촌의 화두인 온실가스 감축과 대체 에너지 개발 그리고 이를 통해 성장 동력을 확보하려는 의도에서다. 수력 발전은 태양광과 풍력 발전과 함께 재생 가능한 무한 에너지로 여러 가지 이점을 제공한다.
이경배 수자원공사 물관리센터 발전사업팀 팀장은 한국과학기술평가원에 발간한《그린테크 리서치 Green-tech Research》에서 수력 발전의 장점으로 순국산 에너지, 전력 공급량 조정, 안정적인 발전 단가, 높은 에너지 변환 효율, 지역 에너지 공급 등을 꼽았다.
청정에너지(Clean Energy) | 수력 발전은 질소산화물(NOx)과 유황산화물(SOx)을 배출하지 않으며, CO2 배출량도 석유나 석탄 등 다른 에너지원에 비해 매우 적다(1㎾당 11.3g). 따라서 세계적인 환경규제에 대비하는 친환경 청정에너지다.
순국산 에너지 | 수력 발전은 지형이나 기후 등 자연조건과 조화를 이루며, 부존자원賦存資源이 많아 보급효과가 큰 분야다. 또한, 에너지 밀도가 높아 꾸준히 발전할 수 있는 반영구적인 에너지원으로 에너지안보 측면에서도 우수하다.
전력 공급량 조정 | 수력 발전은 정지에서 기동까지 5분 이내로 짧기에 피크 시간대 주파수 조절을 담당함으로써 전력 수요 변화에 가장 민첩하게 대응한다.
안정적인 발전 단가 | 수력 발전의 원가 구성은 자본비가 대부분이라 인플레이션이나 연료 가격 변동에 영향을 덜 받는다. 전력 거래 시 수력 발전 시간에 그만큼 값비싼 화력발전소가 가동하지 않기에 가격이 하락하는 현상이 발생한다.
높은 에너지 변환 효율 | 열 효율이 최고 40∼50%인 화력발전소에 비해 수력발전소는 수차 발전 효율이 80∼90%로 2배 정도 에너지 변환 효율이 높다.
지역 에너지 공급 | 수력발전소는 외딴 지역에 위치하기에 전력 계통 운용상 지역 에너지 수요에 대처하는 분산 전원으로 기능한다.
이 밖에도 수력은 원전과 달리 방사능 위험과 폐기물 문제에서 자유롭고, 발전 시설의 수명이 길며, 운영 인건비가 저렴해 건설비 회수에 8년 정도 걸리는 것으로 알려졌다. 그뿐만 아니라 홍수 조절, 수량확보, 농업 관개灌漑, 수산 양식, 수상 레포츠 등 부가가치도 높다.
 대수력, 입지난 환경 파괴로 제자리에
우리나라 최초 수력발전소는 동양금광회사에서 1905년 평북 운산 광산에 550㎾ 프란시스 수차를 설치한 자가용 수력발전소다. 대수력 발전소는 조선전업에서 1929년 개마고원에서 압록강으로 흐르는 하천의 유량을 함경산맥을 관통시켜 동해로 유역을 변경한 부전강수력(20만㎾)이다. 그 후 1931년 운암수력(2560㎾ × 2기), 1937년 보성강수력(3120㎾), 1943년 청평수력 1, 2호기, 1945년 칠보수력(현, 섬진강수력 1440㎾ × 1기) 그리고 1960년대부터 1990년대 말까지 수력발전소 건설은 붐을 이룬다.
현재 세계적으로 수력 발전 용량은 777GW에 달하며, 전력 수요의 약 20%를 충당한다. 세계 3대 수력발전소로 중국 장강 삼협댐(22.5GW), 파라과이-브라질 파라냐 강 이타이프Itaipu댐(14GW), 베네수엘라 카로니강 구리Guri댐(10.2GW)을 꼽는다. 우리나라 최대 수력발전소의 용량은 충주댐 0.4GW, 소양댐 0.2GW로, 다른 나라에 현저히 뒤쳐지는 데다 발전에서 수력이 차지하는 비중도 적다.
 수력 발전 원리와 종류 | 수력 발전은 일련의 위치 에너지, 기계 에너지, 전기 에너지 발생 과정으로 이뤄진다. 하천, 호소湖沼, 저수지 등의 유량을 낙차(위치 에너지)로 바꿔서 수차(기계 에너지)를 돌리고, 다시 수차는 직결된 발전기(전기 에너지)를 회전시켜 전력을 생산한다. 낙차는 상부와 하부 간 최대 수직 거리인데, 실제 낙차는 물이 관로나 설비로 이동하는 과정에서 총 낙차보다 약간 적어진다. 이 낙차가 클수록 발전량이 커지고 전력량도 많아진다.
수력 발전 시스템은 낙차에 필요한 댐이나 보, 발전소까지 물이 유동하는 수압관로, 물이 떨어지는 낙차로, 전력을 생산하는 수차 발전기, 생산한 전력을 공급하는 송 · 변전 설비, 출력을 제어하는 감시 제어 설비, 유수를 차단하는 밸브 설비 등으로 구성된다. 수량은 개발 지점별로 다르지만, 그 양은 연간 강수량에 비례하므로 수차에 큰 낙차가 작용하도록 인공으로 댐이나 보를 막기도 하고 수로水걟를 바꾸기도 한다. 수력발전소는 낙차, 취수 방법, 운용 방법에 따라 여러 가지로 분류한다.
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수력발전소의 역할 | 수력발전소는 부존자원인 물을 이용해 전력을 생산하므로 무공해 청정에너지고, 발전 연료 수입을 대체하며, 양질의 전력을 공급한다. 또한, 기동과 정지, 출력 조정 시간이 원전이나 화력 등 기타 전력 설비에 비해 빨라 부하 변동에 대한 속응성速應性이 우수하므로 첨두부하를 담당한다.
만약, 외국과 연계한 전력망이 전혀 없는 우리나라에서 삽시간 어둠 속으로 빠져드는 광역 대정전(Blackout)이 발생하면 어떻게 될까. 전력 계통에서 탈락한 원전이나 화력 등 여타 발전소의 대용량 발전기는 재기동하려면 '씨불'이라 불리는 외부 전원이 필요하다. 하지만 수력발전소는 외부 전원 없이 5분 이내 자체 기동하며 정전 지역 내 자체 기동발전소를 가동시켜 전력 계통에 전력을 공급하게 한다. 이처럼 수력발전소는 계통 속응성을 활용해 상시 대기 예비력으로 전력 계통 공급 신뢰도 향상에 일익을 담당한다.
이제, 소수력에 길을 묻자
물이 흐르는 곳이면 에너지를 생산할 수 있다. 수력 발전 기술이 소수력, 미니 수력, 마이크로 수력, 피코 수력 등으로 진보했기 때문이다. 소수력은 대수력에 비해 환경 파괴가 덜하고, 투자비가 낮으며, 장기간 안정적으로 운영할 수 있다.
현재 각국에서 소수력을 다양한 형태로 개발해 운영하면서 설비 용량도 매년 5GW 정도 늘어나는 추세다. 세계 권역별 소수력 상위 국가는 ▲아시아권 - 중국 3만 8500㎿, 일본 1700㎿ ▲북미권 - 미국 3420㎿, 캐나다 1056㎿ ▲남미권 - 브라질 859㎿ ▲유럽권 독일 1600㎿, 프랑스 1956㎿, 이탈리아 2233㎿, 스웨덴 935㎿, 스페인 1618㎿, 노르웨이 806㎿ 등이다.
  우리나라 최초 소수력은 1978년 준공한 강원도 횡성군 안흥면 소수력발전소(450㎾)다. 그 후 소수력은 경제성이 부족해 개발이 미진하다, 최근 수차발전기의 국산화와 정부의 보급 확대 정책 등으로 공공 기관에서 민원 발생 우려가 덜한 기존 시설물을 이용한 소수력을 활발하게 개발하며 경제적 타당성을 입증하고 있다. 2010년 10월 기준 소수력 개발 현황은 개인 사업자 19개소, 한국수자원공사 19개소, 한전 발전 자회사 13개소, 지자체 7개소(하수 종말 처리장 6개소, 정수장 1개소), 한국농어촌공사 10개소 등 총 63개소에 9만 367㎾ 설비 용량을 개발했으며, 연간 전기 생산량은 15만 7279㎿h에 달한다.
올해 RPS 제도 시행과 지역 에너지 보급 사업 등 신재생에너지 보급 정책에 따라 발전 사업자는 신재생에너지 발전원에 대한 투자가 불가피해졌다.
이에 따라 초기 투자비와 CO2 배출이 낮은 소수력 시장이 급증할 것이다. 한편, 정부는 '제3차 신재생 에너지 기술 개발 및 이용 보급 기본 계획'을 통해 "신재생에너지 보급 목표를 2015년 4.3%, 2020년 6.1%, 2030년 11%로 정하고, 주요 보급 정책으로 그린 홈 100만호 사업과 신재생에너지 우수 마을(그린 빌리지) 200개 조성 등을 추진하겠다"라고 밝혔다. 특히, 그린 빌리지의 경우 지형과 기후 등 자연 조건과 조화를 이루며 부존 잠재량이 많은 소수력이 이상적이다.
하수 종말 처리장, 정수장(상수도), 농업용 저수지와 보, 사방 시설, 화력발전소 냉각수, 육상 양식장 배출수, 빌딩 내 수 · 축열식 공조 설비 등 소수력 발전은 물이 흐르는 곳이면 가능하다. 또한, 소수력은 태양광과 풍력 등의 재생에너지에 비해 부하 추종성이 뛰어나며, 기상 변화에 구애 받지 않고 안정적으로 발전할 수 있다. 우리나라 소수력의 풍부한 개발 잠재력은 약 1500㎿로 에너지 절감 대책에 적합한 자원이다.
CASE 1 | 농업용 보 - 한탄강 고문 소수력
 우리나라 최초로 농업용 보를 활용해 2007년 준공한 경기도 연천군 한탄강 고문 소수력발전소(1500㎾급).
물막이[洑] 위로 흐르는 방류수로 수차를 돌려 전기를 얻으므로 환경 변화를 최소화하고 자연을 효과적으로 활용한 청정에너지를 생산하는 시설이다. 이 발전소는 설비 효율 분석과 온라인 모니터링 시스템 구축 등 무인화 발전 시스템 실증 연구를 수행한다. 1500㎾급 발전 설비와 계통 연계 시스템, 취수보, 유입 수로 등으로 이뤄졌다. 애초 여러 개의 철판을 연결한 물막이인 가동보를 설치할 계획이었으나, 유역 확대로 말미암은 생태계 변화를 우려해 설치를 보류하고, 농어촌공사는 한탄강 수계 어족 자원 보호를 위해 노후 어도를 보수 · 연장했다.
CASE 2 | 정수장 - 수자원공사 성남 정수장 소수력
 경기도 성남시 수정구 사송동 성남 정수장수도관로 유입부의 잉여 압력을 이용해 전기를 생산하는 소수력 발전소. 발전 용량은 340㎾, 연간 발전량 2600㎿다. 수자원공사에서 자체 설계한 것으로, 전용 수도 시설 관로에 건설한 발전 설비로 국내 최초다
CASE 3 | 냉각수 - 중부발전 보령 소수력
 한국중부발전 보령화력발전소 내 소수력. 발전소 냉각수로 사용 후 버리던 바닷물을 최대 낙차6.6m를 이용해 전력을 생산한다. 설비 용량 7500㎾, 연간 전력 생산량 2만 5214㎿h로 2500여 가구가 1년간 쓸 수 있는 양이다. 연간 1만 3715톤의 CO2를 감축한다. 보령 소수력은 바다에 인접해 조수 간만의 차로 인한 현장 침수의 위험이 높은 상황에서 건설했으며, 우리나라 기업이 만든 수차를 사용해 순수 국내 기술로 완성했다.
CASE 4 | 냉각수 - 남부발전 사이펀형 소수력
 한국남부발전의 발전소 방류수를 활용한 사이펀형 소수력. 낙차가 낮아 발전기를 설치할 수 없는 경우, 사이펀 관으로 물을 흐르게 해 발전기 설치 공간을 확보하도록 설계한 설비다. 사이펀 관은 높은 곳의 액체를 더 낮은 곳으로 내려 보내는 데 쓰는 U자형 혹은 V자형 관이다. 설치가 쉽고 토목공사비가 저렴해 유사 환경 조건에 확대 적용할 수 있다. 설비 용량은 90㎾(22.5㎾ × 4기), 연간 발전량은 약 714㎿h로 200여 가구가 1년간 사용하는 양이다.
CASE 5 | 배출수 - 남부발전 해양 소수력
 제주도 제주시 구좌읍 행원리 어류 양식장에서 방류하는 배출수를 활용한 남부발전의 해양 소수력. 설비 용량은 60㎾(30㎾ × 2기), 연간 발전량은 약 372㎿h, 100여 가구가 사용하는 양이다. 연간 약 250톤의 CO2를 절감하고, 중유 약 8만 5000리터를 대체한다.
CASE 6 | 상수도 공급관 - 롯데건설 마이크로 수력
 롯데건설은 2010년 마이크로 수력 발전 시스템을 공동주택에 적용하는 기술을 개발해 특허출원했다. 마이크로 수력은 발전 용량이 100㎾ 미만으로 낙차가 작아도 설치할 수 있고, 친환경적이며, 기술적으로도 크게 복잡하지 않다. 아파트 단지 내로 들어오는 상수도 공급관에 소형 터빈 발전기를 설치해 전력을 생산하는 방식이다. 즉, 통상 3~5㎏f/㎠(가로1㎝, 세로1㎝ 단위 면적당 3~5㎏의 무게를 올려놓을 때 받는 힘)의 압력으로 들어오는 상수가 단지 내 지하 물탱크에 쏟아 부어지는 것에 착안해, 공급관 중간에 터빈을 설치함으로써 버려지는 낙차 에너지와 수압을 전기 에너지로 변환시키고, 이를 아파트 공용부에 사용하도록 개발한 것이다. 1000세대 규모 단지를 기준으로 200㎜ 상수도 공급관에 설치할 경우 연간 약 200만 원의 관리비를 절감할 수 있다.
소수력 발전의 키포인트 수차, 발전기
소수력 발전은 핵심 부품인 수차와 발전기 기술의 진보와 함께해 왔다. 수차는 에너지 발생 면에서 충동식衝動式과 반동식反動式으로 구분한다. 충동식은 물의 낙차가 크고 유속이 느린 곳에 사용하며, 물의 위치 에너지 전부를 기계 에너지로 바꿔 회전력을 얻는다. 반동식은 낙차가 작고 유속이 중속 · 고속인 곳에 사용하며, 유량이 수차를 통과할 때 압력과 속도를 동시에 감소시켜 회전력을 얻는다.
수차 발전 설비는 소수력의 핵심 설비로 발전소 건설비의 30% 정도를 차지해 투자 비중이 크고, 준공 후에도 지속적으로 운영 관리해야 한다. 특히, 소수력은 개발 지점과 지형에 따라 낙차와 유량이 다르기에 수차를 선정할 때 신중해야 한다. 수차를 잘못 선정하면, 효율이 떨어지고 진동이나 소음이 커지며 수명이 줄어든다.
소수력용 발전기는 동기 발전기와 유도 발전기로 구분한다. 동기 발전기는 발전 효율이 우수한 반면, 전력 계통과 연계해 전력을 전송하려면 전력 변환기를 반드시 거쳐야 한다. 유도 발전기는 효율이 떨어지고 전력 계통이 없는 독립 발전이 불가능한 반면, 구조가 간단하며 계통 연계 시 별도의 전력 변환기가 필요 없다.
 설비 용량 3000㎾ 이하 소수력은 구조가 간단하고 제어 장치가 필요없는 유도 발전기를, 3000㎾ 이상 소수력은 한전의 계통 운영 및 전압 강하 기준에 문제가 없도록 부수적인 운전 제어 설비인 자동 전압조정 장치와 동기 투입 장치가 필요한 동기 발전기를 선정한다.
 소수력 기술 개발 동향 | 소수력 선도국은 세계적으로 석유 파동을 겪은 1970년대부터 정부 주도로 소수력 기술 개발에 집중적으로 투자해 왔다. 1990년초 낙차와 유량에 따른 표준 범위에 적합한 수차를 형식별로 표준화하고, 대량 생산에 의한 수차 건설비를 절감해 경제성을 향상시켰으며, 가능한 자원개발을 강력하게 지원했다. 2000년대부터 기후 변화 협약에 따른 환경 문제와 신재생에너지의 중요성을 인식하면서 소수력 개발 국가가 늘어나기 시작했다. 현재 수차 발전기의 표준화 기술 향상과 시스템 운용 자동화 기술 개발로 경제성을 확보하며 보급을 늘려가는 추세다.
우리나라는 1982년 '소수력 발전 개발 방안'을 마련해 민간 자본에 의한 소수력발전소 건설을 장려하고, 아울러 소수력 개발에 수반하는 기술적인 사항에 관한 연구를 지원하기 시작했다. 1987년부터 <대체에너지 개발 촉진법>에 의거해 정부 주도로 소수력 기술 개발에 관한 연구를 지원했으며 주로 자원 조사, 수차 개발, 운용 기술 등 설계 기술을 확보하고 실증 연구를 추진했다.
소수력 보급 확산을 위한 과제는 무엇일까. 이경배 팀장은 "우리나라는 소수력 내수 시장이 협소하고, 산업 기반이 취약하며, 연구 인력과 기반 등 인프라가 열악해 기술 개발과 대량 생산이 어렵다"면서, "발전기, 제어 장치, 전력 변환 장치 등 보다 전문적인 기업에 의한 요소 기기의 최적 성능 구현과 가격저하가 필요하다"라고 말한다.
소수력 발전 로드맵은 표준화된 고효율 저낙차용 마이크로급 수차 발전 시스템 개발과 실증을 목표로 한다. 수차, 발전기, 전력 변환기 및 모니터링 시스템개발 등을 포함한다. 수차는 저낙차용 마이크로급으로 발전 용량은 5~100㎾, 낙차는 2~15m, 에너지발생은 반동형이다. 발전기는 수력 발전 설비의 효율을 최대화하기 위한 영구 자석형 동기 발전기로, 여기에서 얻은 전력을 계통 연계와 독립 전원으로 사용하기 위한 전력 변환기 그리고 수력 발전 시스템 상태 감시, 고장 진단 모니터링 시스템을 포함한다.
주요 핵심 기술 개발 기본 방향은 부존자원 최대 활용과 발전 기술 확보, 수차 발전기 국산화와 표준화로 보급 활성화, 소수력 발전 원천 기술 확보 등이다. 로드맵을 보면 ▲다양한 자원 조건에 적용할 수 있는 친환경적인 자원 조사와 활용 기술 ▲발전 설비 국산화와 표준화 기술 ▲계통 보호와 자동화 기술 ▲수차 발전 설비 성능 평가와 현대화 기술 등 핵심 4개 분야에 대해 단기, 중기, 장기 3단계로 나눠 추진할 계획이다.
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 소수력 발전은 재생에너지 생산으로 기존 화석연료와 원자력 에너지 수요를 대체하며, CO2 배출이 없기에 기후 변화 대응 탄소 배출권의 적극적인 확보 방안으로 떠올랐다. 하천뿐만 아니라 기존 시설인 하수 종말 처리장, 정수장, 농업용 저수지와 보, 다목적댐 용수로, 양식장 순환수, 양수발전소 하부댐, 화력발전소 냉각수 등 소수력은 물이 흐르는 곳이면, 이디에든 설치할 수 있다. 대수력에 비해 친환경적이고, 투자비가 낮으며, 장기간 안정적으로 운영할 수 있다. 다만, 하천에 소수력발전소를 설치할 경우 갈수 시 수질 오염, 호우 시 홍수, 상 · 하류 간 생태계 단절 등의 문제를 해결해야 한다. 강원발전연구원은《소수력 기회》라는 발간 자료에서 기존 보에 가동보를 덧붙이면 낙차와 수량을 확보할 뿐만 아니라 수질, 홍수, 생태계 등 대부분의 문제를 해소 할 것으로 봤다. 소수력을 보급 확대하려면 공기 단축, 공사비 절감, 수월한 유지 관리 등이 필요하다.
이를 위해 정부의 제도적 기반 조성과 관련 산업 육성, 주요 핵심 기술 개발, 인 · 허가 절차 간소화 등 다각적인 노력이 필요하며, 민간 투자를 촉진하기 위한 지원 대책을 서둘러 마련해야 한다. 특히, 낙차와 유량에 따른 발전 설비의 국산화, 표준화, 단순화를 통해 저가격, 고신뢰성을 확보해야 한다.
<Energy News>
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