수력

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1. 개요
2. 역사
3. 수력 발전의 원리
- 3.1. 수력 발전량 계산
- 3.2. 수력 발전소의 효율
4. 수력 발전의 종류
5. 수력 발전의 장단점
- 5.1. 장점
- 5.2. 단점
참조

1. 개요

수력은 물의 위치 에너지 또는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술을 의미한다. 고대부터 물레방아 등을 통해 곡물 제분 등에 활용되었으며, 로마 제국 시대에는 수력 제분소가 등장했다. 근대에는 수력 터빈이 개발되고 산업 혁명 시기 공장 동력원으로 사용되었으나, 20세기 초 대규모 발전소 건설이 시작되었다. 수력 발전은 댐과 저수지를 이용하거나, 유수식 발전소, 양수 발전 등 다양한 방식으로 분류된다. 수력 발전은 댐 붕괴, 생태계 파괴, 온실 가스 배출 등의 단점도 가지고 있다. 한국에서는 삼국시대부터 관개 시설에 활용되었으며, 일제강점기 수풍댐 건설, 경제 개발 계획에 따른 댐 건설이 추진되었다. 2000년대 이후 기후 변화 대응과 신재생에너지 확대 정책에 따라 소수력 발전을 포함한 친환경 수력 에너지 개발이 추진되고 있다.

2. 역사

수력은 물의 위치 에너지와 운동 에너지를 동력으로 이용하는 것을 의미한다. 역사적으로 물레방아를 돌려 양수를 하거나 맷돌, 절구 등을 움직이는 데 오랫동안 널리 이용되어 왔으며, 이러한 전통적인 이용 방식은 오늘날에도 일부 이어지고 있다. 이후 전기의 이용이 보편화되면서 물의 힘을 전력으로 변환하는 수력 발전이 중요해졌고, 최근에는 소수력 발전과 같은 다양한 규모의 활용도 이루어지고 있다.

2. 1. 고대

수력의 기원은 고대 그리스 문명까지 거슬러 올라간다는 증거가 있으며^[28], 비슷한 시기에 중국에서도 물레방아가 독립적으로 등장했다는 증거가 있다.^[28] 물레방아와 수차에 대한 증거는 기원전 4세기의 고대 근동에서도 발견된다.^[29] 또한 수메르와 바빌로니아와 같은 고대 문명에서는 관개 기계를 사용하여 수력을 이용했다는 증거가 있다.^[11] 연구에 따르면 물레방아는 수력의 초기 형태였으며, 처음에는 인간이나 동물이 돌렸던 것으로 보인다.^[11]

로마 제국에서는 기원전 1세기에 비트루비우스가 수력 제분소를 묘사했다.^[30] 현재의 프랑스에 위치했던 바르베갈 제분소는 16개의 물레방아를 이용하여 하루에 최대 28톤의 곡물을 처리할 수 있었다.^[4] 로마의 수차는 서기 3세기 후반의 히에라폴리스 제재소와 같이 대리석을 자르는 데에도 사용되었다.^[31] 이 제재소들에는 물레방아가 있었고, 이 물레방아는 두 개의 크랭크와 연결 로드를 움직여 두 개의 톱을 작동시켰다. 이 크랭크와 연결 로드 메커니즘은 물레방아의 회전 운동을 톱날의 직선 운동으로 변환하는 중요한 기술이었으며^[32], 서기 6세기 동로마 제국의 에페수스와 게라사에서 발굴된 제재소에서도 이러한 구조가 확인된다.^[32]

한나라(기원전 202년~서기 220년) 시대 중국에서는 수력 해머와 풀무가 사용되었다. 처음에는 수력 삽으로 작동하는 것으로 생각되었으나^[29], 일부 역사가들은 수력 삽만으로는 용광로 풀무를 작동시키기에 충분한 힘을 내지 못했을 것이라고 보아 물레방아로 작동했을 가능성을 제기한다.^[33] 한나라 시대의 물레방아에 대한 기록은 여러 문헌에서 찾아볼 수 있는데, 가장 이른 예로는 기원전 40년의 사전인 《급취편》, 양웅이 기원전 15년에 쓴 《방언》, 그리고 환탄이 서기 20년경에 저술한 《신론》 등이 있다.^[34] 또한 이 시기의 기술자 두시(서기 31년경)는 물레방아의 힘을 피스톤-풀무에 적용하여 주철을 단조하는 데 활용했다.^[34]

기원전 4세기로 거슬러 올라가는 고대 인도 문헌에는 "cakkavattaka"(회전 바퀴)라는 용어가 언급되어 있는데, 주석에서는 이를 "arahatta-ghati-yanta"(바퀴 달린 기계)로 설명한다. 다만 이것이 수력으로 작동했는지 인력으로 작동했는지에 대해서는 학자들 사이에 논쟁이 있다.^[35] 인도는 서기 4세기 초에 로마의 수차와 목욕탕 기술을 받아들였다는 기록이 그리스 자료에 남아있다.^[36]

수력의 초기 사용 예시 중 하나로 허싱(hushing)이라는 역사적인 채광 방법이 있다. 이는 물을 한꺼번에 흘려보내거나 급류를 이용하여 표토를 제거하고 밑에 있는 광맥을 드러내는 기술이다. 이 방법은 서기 75년 이후 웨일스의 돌라코티 금광에서 처음 사용되었으며, 이후 스페인의 라스 메둘라스와 같은 광산에서 더욱 발전했다. 허싱은 중세 및 그 이후 시대에 영국에서 납과 주석 광석을 추출하는 데에도 널리 사용되었다. 나중에 19세기 캘리포니아 골드 러시 동안 사용되었을 때는 수력 채광으로 발전했다.^[40]

2. 2. 근대

1753년, 프랑스 엔지니어 베르나르 포레 드 벨리도르는 그의 저서 ''수력 건축''(Architecture Hydraulique^프랑스어)에서 수직축 및 수평축 수력 기계를 설명했다.^[47]

산업 혁명 시기에는 늘어나는 에너지 수요를 충족시키기 위해 수력 기술 개발이 촉진되었다.^[48] 특히 영국의 산업 혁명 초기에는 리처드 아크라이트의 수력 방적기와 같은 새로운 발명품을 작동시키는 주요 동력원으로 물이 사용되었다.^[49] 이후 증기력이 대규모 공장과 제분소의 주요 동력원으로 자리 잡았지만, 18세기와 19세기 동안 수력은 여전히 많은 소규모 작업에 활용되었다. 예를 들어, 소규모 고로의 풀무를 돌리거나(다이피 용광로 등) 곡물 제분소를 운영하는 데 사용되었으며, 미국 미시시피 강의 세인트앤서니 폭포에서는 약 15.24m의 낙차를 이용한 시설이 건설되기도 했다.^[50]^[49]

19세기에 프랑스 엔지니어 브누아 푸르네롱은 최초의 수력 터빈을 개발했다. 이 장치는 1895년 나이아가라 폭포의 상업 발전소에 설치되어 현재까지 운영되고 있다.^[11] 기술 발전은 점차 개방된 형태의 물레방아를 밀폐된 터빈이나 수력 엔진으로 대체해 나갔다. 1848년, 미국 로웰의 록스 앤 카날스 회사 수석 엔지니어였던 영국계 미국인 엔지니어 제임스 B. 프랜시스는 기존 설계를 개선하여 90% 효율을 가진 프랜시스 터빈을 개발했다.^[51] 그는 터빈 설계에 과학적 원리와 실험 방법을 적용했으며, 수학적 및 그래픽 계산을 통해 특정 현장의 유량 조건에 맞는 고효율 터빈 설계를 가능하게 했다. 프랜시스 터빈은 오늘날에도 널리 사용되고 있다. 1870년대에는 미국 캘리포니아의 광산업 필요에 따라 레스터 앨런 펠턴이 시에라 네바다 지역의 높은 낙차를 이용하는 고효율 펠턴 수차를 개발했다.

20세기 초, 영국의 엔지니어 윌리엄 암스트롱 경은 잉글랜드 노섬벌랜드의 자신의 저택 크래그사이드에 최초의 개인 수력 발전소를 건설하고 운영했다.^[11]

2. 3. 현대

수력 발전의 현대사는 1900년대에 시작되었다. 이전처럼 단순히 인근 제분소나 공장에 전력을 공급하는 것을 넘어,^[52] 점점 더 멀리 떨어진 사람들에게 광범위한 전력을 제공하기 위해 대형 댐이 건설되기 시작했다. 유럽 국가들은 서로 경쟁하며 전기를 공급했고, 나이아가라 폭포와 시에라 네바다 산맥에 건설된 미국의 수력 발전소는 전 세계적으로 더 크고 대담한 프로젝트를 촉발하는 계기가 되었다.^[53] 냉전 시기에는 미국과 소련의 재정가 및 전문가들이 댐과 수력 발전 기술을 전 세계로 전파했으며, 이는 중국의 삼협 댐이나 이집트의 아스완 하이 댐과 같은 거대 프로젝트 건설에 영향을 미쳤다.^[54]

대규모 전력 공급 요구를 충족시키기 위해서는 강력한 강에 대형 댐을 건설해야 했다. 하지만 이는 하류 지역과 홍수터에 사는 사람들의 공공 및 사적 이익에 영향을 미쳤다. 필연적으로 소규모 지역 사회와 소외된 집단이 피해를 보았는데, 이들은 자신들의 터전에서 물을 빼앗거나 전통적인 연어 이동 경로를 막는 기업에 효과적으로 저항하기 어려웠다.^[55] 또한 수력 발전 댐으로 인해 물이 고이면서 해충과 병원체가 번식하기 좋은 환경이 만들어져 지역적인 유행병이 발생하기도 했다. 하지만 어떤 경우에는 수력 발전에 대한 상호 필요성 때문에 적대적인 국가 간의 협력이 이루어지기도 했다.^[56]

수력 발전 기술과 이에 대한 인식은 20세기 후반에 변화하기 시작했다. 1930년대에 대부분의 국가가 소규모 수력 발전 시스템을 포기했지만, 1970년대에 들어 정부 보조금과 에너지 생산의 독립성을 추구하는 흐름에 힘입어 소규모 수력 발전소가 다시 주목받기 시작했다. 20세기 전반기에 대규모 수력 발전 프로젝트를 지지했던 일부 정치인들도 점차 반대 목소리를 냈고, 댐 건설에 반대하는 시민 단체도 늘어났다.^[57] 1980년대와 90년대에는 국제적인 반(反)댐 운동이 확산되면서 새로운 대규모 수력 발전 프로젝트에 대한 정부나 민간 투자자를 찾기가 매우 어려워졌다. 댐 건설 반대를 목표로 하는 비정부 기구(NGO)들도 등장했다.^[58] 게다가 다른 에너지원의 비용은 하락한 반면, 새로운 수력 발전 댐 건설 비용은 건설 비용 증가와 좋은 건설 부지 감소로 인해 1965년부터 1990년 사이에 연간 4%씩 증가했다. 1990년대에는 전 세계 전력의 18%만이 수력 발전에서 생산되었다. 조력 발전도 1960년대에 대체 수력 발전 시스템으로 등장했지만, 아직 주요 에너지원으로 자리 잡지는 못했다.^[59]

미국에서는 수력 발전 실험 초기에 엔지니어와 정치인들이 실제 전력 수요를 충족시키기보다는 '낭비되는 잠재력'을 활용한다는 명분으로 대규모 프로젝트를 시작하는 경향이 있었다. 예를 들어, 나이아가라 폭포 파워 컴퍼니(Niagara Falls Power Company)가 1890년대 미국 최초의 대규모 수력 발전 프로젝트인 나이아가라 폭포 댐 건설을 추진할 때, 생산된 전력을 충분히 멀리까지 보내 많은 사람에게 공급하는 데 기술적 어려움을 겪었다. 이 문제는 니콜라 테슬라가 발명한 교류 전동기 덕분에 상당 부분 해결될 수 있었다.^[60] 미국 서부에서는 샌프란시스코 시 엔지니어들과 환경 단체인 시에라 클럽, 그리고 연방 정부가 헤치 헤치 계곡의 활용 방안을 두고 논쟁을 벌였다. 국립공원 내에 위치하여 보호 대상이었음에도 불구하고, 샌프란시스코 시는 1913년 헤치 헤치 계곡의 물과 전력 사용권을 확보했다. 이들은 10년 뒤 약속된 비용의 두 배를 들여 수력 발전 시설을 완공했고, 생산된 전력을 PG&E에 판매하여 샌프란시스코 주민들에게 이윤을 남기고 되파는 방식으로 운영했다.^[61]^[62]

미국 서부는 산이 많고 강이 흐르는 반면 석탄 자원이 부족하여 일찍부터 수력 발전을 적극적으로 활용했으며, 특히 컬럼비아 강과 그 지류를 따라 개발이 활발했다. 개척국(Bureau of Reclamation)은 1931년 후버 댐 건설을 시작했는데, 이는 뉴딜 정책의 핵심 목표였던 일자리 창출과 경제 성장을 상징적으로 보여주는 사업이었다.^[63] 연방 정부는 곧이어 샤스타 댐과 그랜드 쿨리 댐 건설에도 착수했다. 오리건주의 경우, 제1차 세계 대전을 겪으며 석탄 기반 에너지 경제의 취약성이 드러나기 전까지는 컬럼비아 강 댐 건설을 정당화할 만큼의 전력 수요가 크지 않았다. 이후 연방 정부는 대규모 전력을 서로 연결하여 공급하는 방식을 우선시하기 시작했다.^[64] 이 세 댐에서 생산된 전력은 제2차 세계 대전 동안 군수품 생산에 막대한 기여를 했다.

전쟁 후, 그랜드 쿨리 댐과 연계된 수력 발전 프로젝트는 컬럼비아 고원의 거의 모든 농촌 지역에 전기를 공급했지만, 사업 추진자들이 약속했던 것처럼 지역 주민들의 삶을 실질적으로 개선하지는 못했다. 오히려 강 생태계와 회귀하는 연어 개체수에 심각한 피해를 주었다. 1940년대에는 연방 정부가 그랜드 쿨리 댐에서 발생하는 막대한 잉여 전력과 물을 이용하여 컬럼비아 강변에 원자력 시설을 건설하기도 했다. 이 시설은 방사성 물질을 강으로 유출시켜 주변 지역 전체를 오염시키는 결과를 낳았다.

제2차 세계 대전 이후 미국, 특히 테네시 계곡 개발 공사(TVA)의 엔지니어들은 국내 댐 건설에서 벗어나 해외의 수력 발전 프로젝트를 장려하는 방향으로 관심을 돌렸다.^[65]^[66] 국내 댐 건설은 1970년대까지 계속되어 개척국과 미국 육군 공병대가 미국 서부에 150개 이상의 새로운 댐을 건설했지만,^[65] 1950년대와 60년대부터 환경 문제에 대한 우려가 커지면서 수력 발전 댐에 대한 조직적인 반대 운동이 일어났다. 환경 운동은 공룡 국립 기념물과 그랜드 캐니언에 계획되었던 수력 발전 댐 건설을 성공적으로 막아냈고, 1970년대에 제정된 환경 관련 법률들은 수력 발전에 반대하는 목소리에 더욱 힘을 실어주었다. 70년대와 80년대에는 원자력 및 화석 연료 사용이 증가하고 환경 운동가들이 강 복원을 강력히 요구하면서, 미국 내에서 수력 발전의 중요성은 점차 감소했다.^[67]

한편, 아프리카에서는 외국 강대국과 국제기구들이 아프리카 국가들의 경제 발전에 개입하는 수단으로 수력 발전 프로젝트를 자주 활용했다. 카리바와 아코솜보 댐 건설을 지원한 세계은행, 아스완 댐 건설을 지원한 소련 등이 대표적인 예이다.^[68] 특히 나일강은 유역 국가들뿐만 아니라 멀리 떨어진 외국 세력까지 강의 경제적, 정치적 영향력을 확대하기 위해 이용하면서 많은 갈등을 겪었다. 1882년 영국이 이집트를 점령한 후, 영국은 이집트와 협력하여 첫 번째 아스완 댐을 건설했고,^[69] 1912년과 1934년에는 나일강 홍수를 막기 위해 댐을 증축했다. 이후 이집트 기술자 아드리아노 다니노스는 미국의 테네시 계곡 개발 공사가 건설한 다목적 댐에서 영감을 받아 아스완 하이 댐 계획을 구상했다.

1950년대 가말 압델 나세르가 집권하자 이집트 정부는 아스완 하이 댐 프로젝트를 강력하게 추진하며 경제 개발의 상징으로 내세웠다.^[66] 처음에는 미국에 자금 지원을 요청했으나 거절당했고, 이집트 내 반(反)영국 감정과 인접국 수단에서의 영국 이해관계 충돌로 영국마저 지원을 철회하자, 결국 소련이 아스완 하이 댐 건설 자금을 지원했다.^[70] 1977년부터 1990년까지 이 댐의 터빈은 이집트 전체 전력의 3분의 1을 생산했다.^[71] 그러나 아스완 댐 건설은 나일강 물 사용을 둘러싼 수단과 이집트 간의 분쟁을 야기했다. 댐 건설로 인해 수단 영토 일부가 물에 잠기고 수단이 사용할 수 있는 물의 양이 줄어들었기 때문이다. 나일강 상류에 위치한 에티오피아 역시 냉전 시대의 긴장 관계를 이용하여 1960년대에 자국의 관개 및 수력 발전을 위한 미국의 지원을 모색했다.^[72] 1974년 에티오피아 쿠데타와 이후 17년간 이어진 에티오피아 내전으로 인해 잠시 중단되었지만, 에티오피아는 2011년 그랜드 에티오피아 르네상스 댐 건설을 시작하며 나일강 유역의 긴장을 다시 고조시켰다.^[73]

나일강 외에도 아프리카 대륙의 여러 강과 호수에서 수력 발전 프로젝트가 진행되었다. 콩고강의 잉가 발전소는 19세기 말 벨기에 식민지 시대부터 논의되었고, 독립 후 실제로 건설되었다. 그러나 모부투 정권 하에서 발전소 유지 관리가 제대로 이루어지지 않아 발전 용량이 점차 감소했다. 1995년 남아프리카 전력 풀이 결성되면서 다국적 전력망 구축과 발전소 유지 관리 프로그램이 마련되어 상황이 개선되기 시작했다.^[74] 콩고 민주 공화국이나 가나와 같이 수력 발전 자원이 풍부한 국가들은 잉여 전력을 인접 국가에 판매하기도 한다.^[75] 최근에는 중국 수력 발전 회사들을 비롯한 외국 기업들이 아프리카에서 다수의 새로운 수력 발전 프로젝트를 제안하고 있으며,^[76] 이미 모잠비크나 가나 등 여러 국가에서 프로젝트 자금 지원 및 컨설팅을 제공하고 있다.^[2]

소규모 수력 발전 역시 20세기 초 아프리카의 전력화 과정에서 중요한 역할을 했다. 남아프리카에서는 1890년대에 소형 터빈이 금광과 초기 전기 철도에 동력을 공급했으며, 짐바브웨 농부들은 1930년대에 자체적으로 소규모 수력 발전소를 설치했다. 세기 후반 들어 국가 전력망이 개선되면서 소규모 수력 발전에 대한 관심이 줄었지만, 21세기 들어 남아프리카, 모잠비크 등 일부 국가 정부와 짐바브웨를 지원하는 NGO들이 에너지원 다변화와 농촌 지역 전력 공급 개선을 위해 소규모 수력 발전을 다시 검토하기 시작했다.^[77]

3. 수력 발전의 원리

수력이란 물이 가진 위치 에너지와 운동 에너지를 의미하며, 수력 발전은 이러한 물의 힘을 이용하여 전기 에너지를 생산하는 방식이다.^[82] 물의 위치 에너지는 근본적으로 태양 에너지에서 비롯된다. 태양광과 그 열에 의해 바다나 호수의 물이 증발하여 구름이 되고, 이것이 비나 눈의 형태로 높은 지역에 내리면서 위치 에너지를 얻게 된다.^[82]

이렇게 높은 곳에 위치한 물은 중력에 의해 낮은 곳으로 흐르면서 위치 에너지가 운동 에너지로 전환된다. 수력 발전은 이 에너지를 이용하여 수차(터빈)를 돌리고, 수차에 연결된 발전기를 통해 전기를 생산한다.^[82] 일반적으로 댐을 건설하여 물을 저장하고, 인공적으로 만들어진 높은 낙차를 이용해 물을 떨어뜨려 발전에 필요한 큰 힘을 얻는다.^[82]

수력 발전은 물의 자연적인 순환을 이용하므로 연료가 필요 없고 발전 과정에서 이산화탄소와 같은 온실 가스나 원자력 발전에서 발생하는 방사성 폐기물 같은 오염 물질을 배출하지 않아 재생 가능 에너지이자 친환경적인 발전 방식으로 평가받는다.^[82]

3. 1. 수력 발전량 계산

수력 발전으로 얻을 수 있는 출력은 수두(물의 단위 무게 또는 단위 질량당 에너지)와 물의 유량(체적 유량)에 따라 결정된다.^[5] 수두는 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 정수두는 물이 떨어지는 높이 차이에 비례하고, 동수두는 물이 움직이는 속도와 관련이 있다. 물이 가진 에너지는 수두에 물의 무게를 곱한 값으로 계산할 수 있다.

떨어지는 물로부터 얻을 수 있는 출력(

\dot{W}_\text{out}

)은 다음과 같은 공식을 사용하여 계산할 수 있다. 이 공식은 유량, 물의 밀도, 낙하 높이, 그리고 중력 가속도를 고려한다.

::

\dot{W}_\text{out} =-\eta \ \dot{m} g \ \Delta h =-\eta \ \rho \dot{V} \ g \ \Delta h

여기서 각 기호는 다음을 의미한다.

$\dot{W}_\text{out}$ : 유효 출력 (W)
$\eta$ (η): 터빈의 효율 (단위 없음)
$\dot{m}$ : 질량 유량 (kg/s)
$\rho$ (ρ): 물의 밀도 (kg/m³)
$\dot{V}$ : 체적 유량 (m³/s)
$g$ : 중력 가속도 (m/s²)
$\Delta h$ (Δh): 물의 입구와 출구 사이의 높이 차이 (m)

예를 들어, 터빈 효율(

\eta

)이 85%이고, 유량(

\dot{V}

)이 80 m³/s이며, 수두(

\Delta h

)가 145m일 때의 출력(

\dot{W}_\text{out}

)은 약 97 MW이다. (이 계산은 물의 밀도를 1000 kg/m³, 중력 가속도를 9.81 m/s²로 가정한 값이다.)

:

\dot{W}_\text{out} = 0.85\times 1000 \ (\text{kg}/\text{m}^3) \times 80 \ (\text{m}^3/\text{s}) \times 9.81 \ (\text{m}/\text{s}^2) \times 145 \ \text{m} = 97 \times 10^6 \ (\text{kg}\ \text{m}^2/\text{s}^3) = 97 \ \text{MW}

수력 발전소 운영자는 터빈을 통과하는 물의 이론적인 위치 에너지와 실제로 생산된 총 전기 에너지를 비교하여 발전 효율을 계산한다. 효율 계산을 위한 구체적인 절차와 정의는 ASME PTC 18이나 IEC 60041과 같은 테스트 코드에 명시되어 있다. 터빈을 현장에서 직접 테스트하여 제조업체가 보증한 효율을 검증하기도 한다. 수력 터빈의 효율을 정밀하게 계산하려면 여러 요소를 고려해야 한다. 예를 들어, 물이 동력수로(펜스톡)를 흐르면서 마찰로 인해 발생하는 수두 손실, 물의 흐름으로 인해 수위가 상승하는 현상(미방수위 상승), 발전소 위치에 따른 중력 변화, 기온 및 기압, 물의 밀도 변화, 그리고 취수구와 방수구의 상대적인 높이 차이 등이 효율 계산에 영향을 미친다. 정확한 계산을 위해서는 반올림 오차나 사용되는 상수의 유효 숫자 개수도 고려해야 한다.^[6]

물레방아와 같이 물의 높이 차이를 이용하지 않고 흐르는 물의 운동 에너지만으로 동력을 얻는 수력 시스템도 있다. 특히 오버슛(overshot) 방식의 물레방아는 위치 에너지와 운동 에너지를 모두 효과적으로 활용할 수 있다.^[7] 하천의 유량은 계절에 따라 크게 변동하기 때문에, 수력 발전소를 개발할 때는 신뢰할 수 있는 연간 에너지 생산량을 평가하기 위해 수십 년간의 유량 기록을 분석하기도 한다. 댐과 저수지는 물의 흐름을 조절하여 계절적 변화를 완화하고 안정적인 전력 공급을 가능하게 하지만, 자연 하천의 흐름을 바꾸기 때문에 상당한 환경 영향을 미치기도 한다. 댐을 설계할 때는 해당 지역에서 발생 가능한 최악의 홍수, 즉 "가능 최대 홍수"에 대비해야 하며, 이를 위해 댐 주변으로 홍수 물길을 유도하는 여수로를 설치하는 경우가 많다. 최대 홍수 예측에는 컴퓨터 유역 모델과 과거의 강우 및 강설 기록 데이터가 활용된다.

3. 2. 수력 발전소의 효율

수력 발전소의 효율은 터빈을 통과하는 물이 가진 이론적인 위치 에너지와 실제로 생산된 전기 에너지를 비교하여 계산한다. 효율 계산 절차와 정의는 ASME PTC 18이나 IEC 60041과 같은 국제적인 테스트 코드에 명시되어 있다. 발전소 현장에서 직접 터빈 효율을 테스트하여 제조업체가 보증한 성능을 확인하기도 한다.

터빈 효율을 상세하게 계산할 때는 여러 요소를 고려해야 한다. 예를 들어, 물이 발전기까지 흘러오는 통로(펜스톡)에서의 마찰 손실, 물의 흐름으로 인해 방수로 수위가 높아지는 현상, 발전소 위치에 따른 중력 변화, 기온과 기압, 물의 밀도, 취수구와 방수구의 높이 차이 등이 효율 계산에 영향을 미친다. 정확한 효율 계산을 위해서는 계산 과정에서의 반올림 오차나 사용되는 상수 값의 유효 숫자까지 고려해야 한다.^[6]

4. 수력 발전의 종류

수력 발전은 물이 가진 위치 에너지나 운동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 기술이다. 에너지를 얻는 방식, 발전 시설의 규모, 설치되는 장소 등 여러 기준에 따라 다양한 종류로 나눌 수 있다.

일반적으로 댐을 건설하여 물을 가두었다가 방류하며 발전하는 방식, 하천의 자연적인 흐름을 이용하는 방식 등이 있으며, 전력 소비가 적은 시간대에 물을 높은 곳으로 끌어올렸다가 전력 수요가 많을 때 방류하여 발전하는 양수 발전 방식도 활용된다. 또한, 바다의 힘을 이용하는 방식으로 해류의 흐름을 이용하는 해류 발전이나 조석 간만의 차를 이용하는 조력 발전 등도 연구되거나 활용되고 있다.^[82] 이러한 다양한 발전 방식들은 각각의 환경 조건과 목적에 맞게 개발되고 선택된다.

4. 1. 발전 방식에 따른 분류

수력 발전은 물의 위치 에너지나 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방식이다.^[13] 에너지를 얻는 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

댐식 수력 발전: 댐을 건설하여 물을 가두어 저수지를 만드는 방식이다. 저수지에 저장된 물은 필요할 때 방류하여 터빈을 돌리고, 이 터빈이 발전기에 연결되어 전기를 생산한다.^[13] 저장된 물의 위치 에너지를 주로 이용하며, 전력 생산 시점을 조절할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 댐과 저수지 건설은 넓은 면적을 필요로 하며, 건설 지역 주민들의 이주 문제나 반대에 부딪힐 수 있다.^[18] 또한 저수지가 하류의 생태 환경에 영향을 미칠 수 있다는 단점도 있다.^[13]

유수식 수력 발전: 저수지 없이 하천의 자연적인 흐름을 이용하여 발전하는 방식이다. 물의 흐름을 제어하기 위해 댐을 건설하기도 하지만, 대규모 저수지는 만들지 않는다. 흐르는 물의 운동 에너지가 주된 에너지원이다.^[13] 유수식 발전소는 지속적인 물의 흐름이 필요하기 때문에, 댐식 발전소처럼 필요한 시점에 맞추어 전력을 공급하는 능력은 상대적으로 떨어진다.^[13] 또한 발전량이 계절별 강수량이나 하천 유량 변화에 따라 달라지는 단점이 있다. 예를 들어, 비가 많이 오는 우기에는 발전량이 늘어나지만 건기에는 줄어든다.^[19]

양수 발전: 높이가 다른 두 개의 저수지를 이용하여 위치 에너지 형태로 에너지를 저장하는 방식이다. 전력 소비가 적은 심야 시간 등에 남는 전력을 이용해 아래쪽 저수지의 물을 위쪽 저수지로 끌어올려 저장한다. 이후 전력 수요가 많은 시간대에 위쪽 저수지의 물을 아래쪽으로 방류하면서 발전한다.^[21] 이는 전력 계통의 부하 변동에 대응하고 전력 공급을 안정화하는 데 기여한다.

웨일스에 있는 Ffestiniog 양수 발전 계획의 상부 저수지 및 댐. 하부 발전소는 360 MW의 전력을 생산할 수 있다.

4. 2. 규모에 따른 분류

수력 발전소는 그 규모에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 크게 대수력 발전, 소수력 발전, 마이크로 수력 발전 등으로 나눌 수 있다.

대수력 발전: 한 국가 전체에 전력을 공급할 수 있을 정도의 대규모 발전소를 의미한다.^[20] 일반적으로 대형 댐과 저수지를 활용하는 방식이다.
소수력 발전: 상대적으로 작은 규모의 발전소를 말한다.^[20]
마이크로 수력 발전: 매우 작은 규모의 수력을 이용하는 방식이다.

4. 3. 설치 장소에 따른 분류

수력 발전은 설치되는 장소와 물 에너지를 얻는 방식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.

=== 하천 수력 발전 ===

하천의 물 흐름이나 댐에 저장된 물의 위치 에너지를 이용하여 발전하는 가장 일반적인 방식이다.^[13] 주요 방식으로는 댐식 발전과 유수식 발전이 있다.

댐식 발전: 댐을 건설하여 저수지에 물을 가두었다가, 전력 생산이 필요할 때 물을 방류하여 터빈과 발전기를 돌려 전기를 생산한다.^[13] 이는 가장 흔한 형태의 수력 발전 방식이다.

유수식 발전: 저수지 없이 댐을 이용하여 하천의 자연적인 물 흐름을 제어하고, 흐르는 물의 운동 에너지를 직접 이용하여 발전한다.^[13] 이 방식은 지속적인 물의 흐름이 필요하며, 계절에 따른 하천 유량 변화에 따라 발전량이 달라질 수 있다는 단점이 있다. 예를 들어, 건기보다는 우기에 더 많은 전력을 생산하게 된다.^[19]

댐과 저수지를 건설하는 방식은 비교적 넓은 면적을 필요로 하며, 건설 과정 및 운영 중에 인근 지역 사회에 불편을 초래하거나 토지 이용에 대한 반대에 부딪힐 수 있다.^[18] 또한, 하류의 수생 환경 및 생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 잠재적인 환경 문제도 제기된다.^[13]

수력 발전소의 규모는 지역 사회에 전력을 공급하는 소수력 발전 시설부터 국가 전체 전력망에 기여하는 대규모 발전소까지 매우 다양하다.^[20]

양수 발전은 하천 수력을 이용한 특수한 형태로, 높이가 다른 두 개의 저수지를 이용한다. 전력 수요가 낮은 심야 시간 등에 남는 전력을 이용하여 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼 올렸다가, 전력 수요가 높은 시간에 물을 방류하여 발전하는 방식으로, 에너지를 저장하는 역할을 수행한다.^[21]

=== 해양 수력 발전 ===

바다의 에너지를 이용하여 발전하는 방식으로, 조력 발전, 파력 발전, 해류 발전 등이 포함된다. 원본 자료에서는 특히 조류 발전기를 언급하며, 이는 바다뿐만 아니라 강이나 인공 수로 등에서 물의 흐름(조류 포함)을 이용하여 전기를 생산하는 방식이다.^[13]

=== 레인 파워 (Rain Power) ===

빗물을 에너지원으로 활용하여 전력을 생산하는 방식으로, "자연에서 마지막으로 미개척된 에너지원 중 하나"로 불리기도 한다.^[22] 아직 연구 및 개발 초기 단계에 있으며, 빗방울의 충격 에너지를 이용하거나^[23]^[24] 떨어진 빗물을 모아 마이크로 터빈을 돌리는 등의 다양한 방법이 시도되고 있다.^[26]^[27]

압전 소자 활용: 2008년 프랑스 연구에서는 압전 소자를 이용하여 빗방울 하나의 충격 에너지로부터 12mW의 전력을 얻을 수 있다고 추정했다. 이는 연간 0.001kWh/m² 미만의 에너지 생산량이지만, 원격 센서 등에 전력을 공급하기에는 충분할 수 있다.^[26]
마이크로 터빈 활용: 지붕 등에 떨어진 빗물을 모아 작은 터빈을 돌리는 방식도 연구 중이다. 한 추정에 따르면, 185m² 면적의 지붕에서 모은 빗물로 연간 약 3kWh의 에너지를 생산할 수 있다.^[26] 멕시코 기술 대학교 학생들은 주택 빗물받이에서 나오는 물의 흐름으로 마이크로 터빈을 돌려 12볼트 배터리를 충전하는 'Pluvia 시스템'을 개발하기도 했다.^[27]
하이브리드 패널: 태양광 발전과 빗물 발전을 결합한 "전천후 태양광 패널"에 대한 연구도 진행되고 있다.^[25]

'레인 파워'라는 용어는 단순히 빗물을 모아서 기존의 수력 발전 시스템에 활용하는 경우를 지칭하는 데 사용되기도 한다.^[2]^[2]

5. 수력 발전의 장단점

수력 에너지는 그 근원이 주로 태양 에너지에 있기 때문에 지구가 태양의 영향을 받는 한 거의 무한정으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 화력에서 발생하는 이산화탄소나 원자력에서 나오는 방사성 폐기물 같은 오염 물질 배출 걱정이 없어 '클린 에너지'로 여겨지기도 한다.^[82]

그러나 수력 이용을 위한 댐 건설과 같은 시설 설치는 주변 환경에 영향을 줄 수 있다. 물의 흐름을 바꾸거나 막으면서 물가의 생태계에 영향을 미치고, 하류의 유량 변화는 강의 정화 능력 감소나 토사 퇴적과 같은 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 영향은 때때로 아스완 하이 댐의 사례처럼 심각한 환경 문제로 이어지기도 한다.^[82]

5. 1. 장점

수력은 전 세계적으로 중요한 에너지원으로 자리 잡고 있다. 수력 발전은 전 세계 전력의 약 15%를 생산하며, 35개 이상의 국가에서는 전체 전력 공급의 절반 이상을 담당할 정도로 비중이 크다.^[16] 2021년 기준으로 전 세계 수력 발전 설비 용량은 약 1400GW에 달하며, 이는 모든 재생 가능 에너지 기술 중에서 가장 높은 수치이다.^[17] 이는 수력이 가진 잠재력과 중요성을 보여준다.

수력 발전은 물의 위치 에너지나 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방식으로 이루어진다.^[13] 특히 댐과 저수지를 이용하는 방식은 물을 저장해 두었다가 필요한 시점에 방류하여 발전하므로 전력 생산량 조절이 비교적 용이하다는 장점이 있다.^[13] 물이 터빈을 돌리고, 이 터빈이 발전기와 연결되어 전기를 생산하는 원리이다.^[13]

또한, 양수 발전 방식을 통해 에너지를 효과적으로 저장하고 활용할 수 있다. 전력 수요가 낮을 때 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 끌어올려 위치 에너지 형태로 저장했다가, 전력 수요가 높거나 발전량이 부족할 때 물을 방류하여 발전하는 방식이다.^[21] 이는 전력 계통의 안정성을 높이는 데 기여한다.

수력 발전소는 소수력 발전과 같은 소규모 시설부터 국가 전체에 전력을 공급할 수 있는 대규모 발전소까지 다양한 규모로 건설될 수 있다.^[20] 2019년 기준으로 세계에서 가장 큰 5개의 발전소는 모두 댐을 이용한 수력 발전소였다.^[20] 이 외에도 조력 발전과 같이 해양이나 강의 흐름을 이용하는 조류 발전기 등 다양한 형태로 수력을 활용하여 전기를 생산할 수 있다.^[13]

5. 2. 단점

수력 발전은 여러 단점을 가지고 있다. 가장 치명적인 문제 중 하나는 댐 붕괴 가능성이다. 댐이 붕괴될 경우 대규모 인명 손실과 재산 피해는 물론, 토양 오염과 같은 심각한 환경 재앙을 초래할 수 있다.

댐과 저수지 건설은 강 생태계에 큰 부정적 영향을 미친다. 우선, 댐은 물고기와 같은 일부 동물의 상류 이동을 가로막는다.^[8] 또한, 댐 하류로 방류되는 물은 온도가 낮아지고 물속 산소 부족 문제를 일으킬 수 있다. 강물이 운반하던 흙과 영양분이 댐에 갇히면서 하류 지역의 삼각주 형성을 방해하고, 침식으로 사라진 토양을 보충하지 못하게 된다.^[9]^[10] 이러한 서식지 변화와 파괴는 일부 수생 생물의 생존을 위협하기도 한다.^[11]

수력 발전은 온실가스 배출 문제에서도 자유롭지 않다. 댐 건설로 물에 잠긴 넓은 지역의 식물이 물속에서 썩으면서 온실가스를 배출한다. 특히, 저수지 바닥에 쌓인 유기물이 산소 없이 분해되는 혐기성 소화 과정을 거치면서 강력한 온실가스인 메탄이 발생한다.^[13] 연구에 따르면 수력 발전으로 인해 배출되는 메탄의 양은 연간 약 10억 톤의 이산화탄소에 해당할 수 있다.^[12]

사회적인 문제도 발생한다. 수력 발전소 건설 지역 인근 주민들은 공사 기간 동안 또는 완공 후 저수지 둑의 안전 문제로 인해 삶의 터전을 떠나 이주해야 하는 경우가 생긴다.^[11] 또한, 댐 건설 예정 부지에 문화적으로 중요하거나 종교적 의미를 지닌 장소가 포함되어 사회적 갈등을 유발하기도 한다.^[11]

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