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수력 발전

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목차

1. 개요

수력 발전은 물의 위치, 운동, 압력 에너지를 활용하여 전기를 생산하는 기술이다. 고대부터 사용되었으며 산업 혁명 시기에 에너지원으로 중요해졌다. 댐 건설, 수로식, 양수 발전 등 다양한 방식으로 분류되며, 발전 방식에 따라 유입식, 조정지식, 저수지식 등으로 나뉜다.

수력 발전은 재생 가능 에너지로 온실가스 배출이 적고, 발전량 조절이 용이하며 경제적 수명이 길다는 장점이 있다. 반면, 댐 건설로 인한 환경 파괴, 수몰 지역 발생, 가뭄에 취약하다는 단점도 있다.

한국은 2022년 기준 전체 발전량의 0.6%를 수력 발전을 통해 생산하며, 청평수력발전소, 삼랑진양수발전소 등 주요 발전소를 운영하고 있다. 정부는 신재생 에너지 확대 정책의 일환으로 수력 발전에 대한 투자를 지속하고 있으며, 소수력 및 양수 발전 기술 개발을 추진하고 있다. 수력 발전은 원자력, 풍력 등 다른 발전 방식과 비교되며, 기후 변화 대응에 중요한 역할을 할 것으로 전망된다.

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수력 발전
지도 정보
개요
유형재생 가능 에너지
에너지원물의 운동 에너지
작동 방식수력 발전소에서 터빈을 돌려 발전기를 작동시켜 전기를 생산함.
발전량
세계 총 발전량2022년 기준 4,278 TWh
전 세계 발전량 비중2022년 기준 약 15%
재생 에너지 발전량 비중2022년 기준 52%
최대 생산 국가중국
주요 생산 지역중국
캐나다
브라질
미국
한국 발전량 비중2023년 기준 1.5%
장점
친환경성탄소 배출량이 적음
지속 가능성재생 가능 에너지 자원 활용
경제성운영 비용이 저렴함
에너지 저장 가능성양수 발전을 통한 에너지 저장 가능
전력 공급 안정성수력 발전소는 수요 변화에 따라 발전량 조절 용이
다목적 활용농업용수 공급, 홍수 조절, 관광 자원 개발
단점
환경 파괴댐 건설로 인한 생태계 파괴 및 서식지 손실
온실 기체 배출저수지에서 메탄 등 온실 기체 방출 가능성
지질학적 위험댐 건설로 인한 지진 발생 가능성
사회적 문제댐 건설로 인한 이주민 발생 및 사회적 갈등 유발
초기 비용수력 발전소 건설에 막대한 초기 투자 비용 소요
기후 변동강수량 변동에 따른 발전량 변화
위치 제약적절한 수량과 낙차를 가진 지역으로 제한
물 부족 문제물 부족 지역에서의 수력 발전은 제한적
종류
댐식 발전댐을 건설하여 물을 가두고 낙차를 이용하여 발전
수로식 발전수로를 통해 물을 끌어들여 발전
양수 발전잉여 전력을 이용하여 하류의 물을 상류로 끌어올린 후, 다시 발전
소수력 발전소규모의 수력 발전소를 이용한 발전
조력 발전조수 간만의 차이를 이용하여 발전
파력 발전파도의 운동 에너지를 이용하여 발전
기타
이산화탄소 배출량화석 연료 발전 대비 이산화탄소 배출량 감소
미래 전망지속 가능한 발전을 위한 중요한 에너지원

2. 역사

수력은 고대부터 곡물 제분 등 여러 작업에 활용되었다. 18세기 후반, 산업혁명과 함께 수력은 본격적인 에너지원으로 주목받기 시작했다. 1700년대 중반, 프랑스 기술자 베르나르 포레 드 벨리도르(Bernard Forest de Bélidor)는 수직 및 수평축 수력 기계를 설명한 ''수력 건축(Architecture Hydraulique)''을 출판했고, 1771년 리처드 아크라이트(Richard Arkwright)의 물의 힘, 워터 프레임(water frame), 연속 생산의 결합은 공장 시스템 발전에 중요한 역할을 했다.[11] 1840년대에는 수력을 생성해 최종 사용자에게 전송하는 수력 네트워크가 개발되었다.

19세기 후반, 발전기가 개발되어 수력과 결합되었다.[12] 1878년, 세계 최초의 수력 발전은 영국 노섬벌랜드(Northumberland) 크랙사이드(Cragside)에서 윌리엄 암스트롱에 의해 개발되었다. 그의 미술관에 있는 아크 램프(arc lamp)에 전력을 공급했다.[14] 1881년 미국 나이아가라 폭포(Niagara Falls) 근처 쇼엘코프 발전소 1호(Schoelkopf Power Station No. 1)에서 전기를 생산하기 시작했다. 1882년 9월 30일 에디슨 수력 발전소 벌컨 스트리트 발전소(Vulcan Street Plant)가 위스콘신주 애플턴(Appleton, Wisconsin)에서 약 12.5kW 출력으로 가동을 시작했다.[15] 1886년까지 미국과 캐나다에 45개, 1889년까지 미국에 200개의 수력 발전소가 있었다.[12]

1894년부터 1940년까지 성에 전기를 공급하는 데 사용되었던 워릭 성(Warwick Castle)의 수력 발전소


20세기 초, 많은 소규모 수력 발전소가 대도시 근처 산악 지역 상업 회사들에 의해 건설되었다. 1925년 프랑스 그르노블(Grenoble)은 국제 수력 및 관광 박람회(International Exhibition of Hydropower and Tourism)를 개최했다. 1920년 미국에서 생산된 전력의 40%가 수력이었을 때, 연방 전력법(Federal Power Act)이 제정되었다. 이 법은 연방 토지와 수역에 있는 수력 발전소를 규제하기 위해 연방 전력 위원회(Federal Power Commission)를 설립했다. 발전소가 커짐에 따라, 관련 댐은 홍수 조절, 관개, 항해 등 추가 목적을 갖게 되었다. 테네시 밸리 당국(Tennessee Valley Authority)(1933), 보니빌 전력청(Bonneville Power Administration)(1937) 등 연방 소유 기업이 설립되었다.[13] 미국 육군 공병대(United States Army Corps of Engineers)도 수력 개발에 관여, 1937년 보니빌 댐(Bonneville Dam)을 완공, 1936년 홍수 조절 법(Flood Control Act of 1936)에 의해 최고의 연방 홍수 조절 기관으로 인정받았다.[17]

수력 발전소는 20세기 내내 계속 커졌다. 1936년 후버 댐(Hoover Dam) 발전소는 세계 최대였지만, 1942년 그랜드 쿠리 댐(Grand Coulee Dam)에 의해 능가되었다.[19] 1984년 남아메리카 이타이푸 댐(Itaipu Dam)이 최대 규모로 개장했지만, 2008년 중국 삼협 댐(Three Gorges Dam)에 의해 능가되었다.

2021년 국제에너지기구(IEA)는 기후변화를 제한하기 위해 더 많은 노력이 필요하다고 밝혔다.[20] 2022년 IEA는 2022년부터 2027년까지 수력 발전으로 141GW를 생산한다는 주요 시나리오 전망을 발표했는데, 이는 2017년부터 2022년까지 달성된 설비 용량보다 약간 낮다. 환경 허가 및 건설 시간이 길어 수력 발전 잠재력은 제한적일 것으로 예상된다.[6]

일본의 경우, 1888년 미야기방적(宮城紡績)이 설치한 사이고자와 발전소(三居沢発電所)(5kW)에서 자가 발전을 시작했다.[77] 1891년 비와호 소수(琵琶湖疏水) 낙차를 이용하는 게조 발전소(蹴上発電所)(수로식, 직류, 160kW)가 일본 최초 일반 전력 사업용 수력 발전소이다.[79] 1915년 이나와시로 제1 발전소(猪苗代第一発電所)를 완성, 도쿄까지 228km 송전망을 구축해 일본 최초 장거리 고압 송전을 실현했다.[84]

2. 1. 한국의 수력 발전 역사

1887년 조선 경복궁 내 건천궁에 한국 최초의 발전소가 준공되었으나, 이는 수력 발전소가 아닌 화력 발전소였다.[72] 1898년 미국인 콜브란(Collbran)과 보스트윅(Bostwick)에 의해 서울 동대문에 한성전기회사가 설립되었는데, 이는 한국 최초의 상업 발전소였다.

한국 최초의 수력 발전소는 1905년 함경남도 함주군에 건설된 운암수력발전소로, 일본 질소비료 회사(현재의 닛폰 질소비료)가 건설하였다. 1914년 부산 성지곡 수원지에 수력 발전소가 건설되어 부산 지역에 전력을 공급하기 시작했다.

1920년대부터 압록강, 두만강, 낙동강 등 주요 하천 유역에 대규모 수력 발전소 건설이 추진되었다. 1930년대 일제는 한반도를 대륙 침략의 병참 기지로 만들기 위해 압록강 수풍댐 등 대규모 수력 발전소를 건설했다.

광복 이후, 남한 지역은 심각한 전력 부족 문제에 직면했고, 이를 해결하기 위해 화천댐, 춘천댐, 청평댐 등 한강 수계에 수력 발전소 건설이 추진되었다. 1960년대부터 경제 개발 5개년 계획의 일환으로 섬진강댐, 남강댐, 안동댐, 소양강댐 등 다목적 댐 건설이 본격화되었다.

1970년대 이후, 급증하는 전력 수요에 대응하기 위해 화력 발전과 원자력 발전의 비중이 높아지면서 수력 발전의 비중은 상대적으로 감소했다. 1980년대부터는 환경 문제와 수몰 지역 주민들의 반발로 대규모 수력 발전소 건설이 어려워졌다.

1990년대 이후, 소수력 발전, 양수 발전 등 친환경적인 수력 발전 기술 개발에 대한 관심이 높아졌다. 2000년대 이후, 신재생 에너지 확대 정책에 따라 수력 발전은 다시 주목받고 있으며, 기존 댐의 현대화, 소수력 발전 확대, 양수 발전 기술 고도화 등이 추진되고 있다. 특히, 더불어민주당은 신재생에너지 확대를 주요 정책으로 추진하며 수력 발전 분야에 대한 투자를 강조하고 있다.

3. 수력 에너지의 원리

수력 발전은 댐에 저장된 물의 위치 에너지를 이용하여 수차와 발전기를 구동하는 방식으로 이루어진다. 물에서 얻을 수 있는 동력은 물의 양과 높이 차이에 따라 달라지는데, 이 높이 차이를 수두라고 한다. 큰 관("penstock|압력관영어")이 저수지에서 터빈으로 물을 공급한다.[23]

자연 유하식


수력 발전은 수력을 이용해 발전기를 돌려 전력을 생산하는 방식이다.[68] 댐식, 수로식, 양수식 등이 있다.[68]

개인이 소규모 수력 발전 장치를 직접 제작·설치할 수도 있으며, 특히 소규모 수력 발전을 소수력발전(마이크로 수력 발전)이라고 한다.[69][70] 개울, 계곡 등 비교적 작은 물의 흐름을 이용하여 수력 발전을 하는데, 다른 수력 발전에 비해 환경 부담이 적어 차세대 수력 발전으로 주목받고 있다.[71] 단, 하천, 호수 등의 물 이용에는 수리권이 설정되어 있으므로 권리자와의 협의 및 허가 신청이 필요하다. 발전에 사용된 물을 원래대로 돌려보내더라도 수류나 수질 변화가 발생하기 때문이다.

일반적으로 수력 발전은 발전 역사에서 수행해 온 역할, 발전량 규모, 설비의 외관 등으로 인해 댐식이나 대하천을 이용한 발전이 잘 알려져 있다.

3. 1. 이론적 수력

물의 위치 에너지, 운동 에너지, 압력 에너지를 수력이라고 한다. 높이 ''h'' (metre|미터영어)에 있는 질량 ''m'' (kilogram|킬로그램영어)의 물은 ''mgh'' (joule|줄영어)의 위치 에너지를 가진다. 질량 ''m'' (kg), 밀도 ''ρ'' (kg/m³)의 물이 자유 낙하할 때, 어떤 한 점에서 물의 속도(유속)를 ''v'' (m/s), 압력(수압)을 ''p'' (pascal|파스칼영어)라고 하면, 이 물의 에너지는 다음 세 가지 형태로 나타낼 수 있다.

  • 위치 에너지: mgh [J]
  • 운동 에너지: {mv^2 \over 2} [J]
  • 압력 에너지: {mp \over \rho} [J]


에너지 보존 법칙에 따른 베르누이 정리에 의하여 유로의 어떤 지점에서도 물이 가지는 에너지의 총합은 일정하다. 각각을 ''mg'' (newton|뉴턴영어)로 나눈 것을 "수두"라고 한다.

: \, h [m] : '''위치 수두'''

: {v^2 \over 2g} [m] : '''속도 수두'''

: {p \over \rho g} [m] : '''압력 수두'''

수두는 "헤드(head)"라고도 하며, 높이의 단위로 나타낸다. 실제 수로에는 유수와 벽면 사이의 마찰이나 굽이에 의한 저항 등으로 에너지 소비(손실)가 있어, 손실을 수두로 나타낸 '''손실 수두'''를 뺀 것이 수차에 작용하는 유효한 에너지가 된다. 수두의 유효분인 '''유효낙차'''를 (m), 손실 수두를 (m), '''총낙차''' (m)로 하면 다음과 같은 관계가 있다.

: H = H_a - h_l

단면적 (m²)의 수관로를 유속 [m/s]로 물이 흘렀을 때, 그 유량 [m³/s]는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

: \rm Q = v \cdot A

1 (m³)에 질량 1,000 (kg)의 물이 수차에 작용하는 이론상의 에너지, 즉 '''이론수력''' ''P0''은 유량 ''Q'' (m³/s)일 때,

:\rm P_0 = mgh = 1000 \times Q \times 9.8 \times H = 9800 Q H [J]

::\rm = 9800 Q H \ [W]

::\rm = 9.8 Q H \ [kW]

가 된다. ''P0''의 에너지는 수차에 작용하여 수차 출력 ''Pw''가 얻어지고, 최종적으로 발전기 출력 전력 ''P''가 된다. 이것은 수차 효율 ''ηw''와 발전기 효율 ''ηg''을 곱한 것이다.

:''P'' = ''9.8 Q H ηw ηg'' [kW]

::= ''9.8 Q H η'' [kW]

수차 효율과 발전기 효율의 곱 ''η''를 '''종합효율'''이라고 한다. ''η''는 수차 발전기의 종류, 구조, 경년에 따라 변하지만 일반적으로 상당히 높다.

:''P'' ≒ ''8.5 Q H '' [kW]

4. 수력 발전의 분류

수력 발전소는 발전 용량, 물 흐름 조절 정도, 발전 방식 등에 따라 다양하게 분류된다.

우선 발전 용량을 기준으로 대규모 수력발전소(LHP)와 소수력발전소(SHP)로 나뉜다. 50MW 이상의 용량을 가진 발전소를 대규모 수력발전소로 분류하는 것이 일반적이지만, 국가별로 기준은 다르다.[27] 예를 들어 중국은 25MW 미만, 인도는 15MW 미만, 유럽 대부분 지역은 10MW 미만을 소수력발전소로 분류한다.[27]

소수력발전소와 대수력발전소는 물 흐름 조절 정도에 따라서도 구분된다. 소수력발전소는 대수력발전소에 비해 물 흐름 조절이 적고, 자연적인 물 배출량을 주로 사용하기 때문에 취수식 발전소와 같은 의미로 사용되기도 한다.[96]

발전 방식에 따라서는 양수발전, 조력발전 등으로 분류할 수 있다.


  • 양수발전: 높이가 다른 두 저수지 사이에서 물을 이동시키며 전기를 생산한다. 전력 수요가 적을 때 남는 전력을 이용해 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼 올리고, 전력 수요가 많을 때 발전을 한다. 2021년 기준, 전 세계 계통 에너지 저장의 약 85%를 양수발전이 담당했지만,[22] 에너지를 생산하는 것이 아니라 저장하는 방식이므로 발전량 목록에는 음수로 표시된다.[24]
  • 조력발전: 밀물과 썰물, 즉 조석 현상에 의한 해수면 높이 변화를 이용해 전기를 생산한다. 매우 예측 가능하다는 장점이 있지만,[26] 전 세계적으로 가능한 지역이 많지 않다.[26]


이 외에도 저수 용량이 작거나 없는 소수력발전소(Run-of-the-river hydroelectric stations)는 상류에서 유입되는 물만 발전에 이용하고, 초과되는 물은 방류하는 방식으로 운영된다.[25]

4. 1. 발전 방식에 따른 분류

; 수로식 발전

: 발전소를 기준으로 상류에 있는 하천이나 호소 등에서 물을 끌어와 완만한 경사의 수로를 통해 발전소까지 물을 유도하여 낙차를 얻는 방식이다. 대부분 흐름 유입식이며, 낙차 변동은 거의 없다.[68]

; 댐식 발전

: 하천에 댐을 설치하여 물을 저장하고, 그곳에서 발생하는 낙차를 이용하여 발전하는 방식이다. 발전소는 댐 근처에 건설된다. 댐의 수위 변화에 따라 낙차 변동이 커진다.[68]

; 댐 수로식 발전

: 댐과 수로를 모두 사용하여 낙차를 만드는 방식이다.[68]

; 양수식 발전

: 상하 두 개의 조정지를 가지는 방식으로, 전력 수요가 적은 시간에 하부 조정지에서 상부 조정지로 물을 퍼 올려 두었다가, 전력 수요가 많은 시간에 발전하는 방식이다. 총 전력 수요 중 피크 부분을 담당한다. 양수발전에는 저수지식 수력발전을 더욱 전력 수요가 많은 시간에 대응시키기 위해 양수발전기를 설치한 혼합 양수식과, 상부 저수지를 산 정상 부근 등에 두어 자연 유입량이 거의 없는 순수 양수발전이 있다. 양수발전에 대해, 흘러 들어오는 방식·조정지 방식·저수지 방식·역조정지 방식은 일반 수력발전 또는 자류식 수력발전이라고 한다. 양수발전의 에너지원은 원자력발전소나 대규모 화력발전소의 전력이며, 일반 수력발전의 원천은 비나 눈을 내리게 하는 근원이 되는 바닷물을 증발시킨 태양 에너지라는 차이가 있다. 즉, 일반 수력발전은 재생 가능 에너지이지만, 양수발전은 일종의 이차전지(축전지)이다.

4. 2. 운영 방식에 따른 분류

; 흘러 들어오는 방식

: 하천의 유량을 그대로 이용하는 방식이다. 발전소의 출력은 하천 유량에 비례하며, 임의로 출력을 조절하기 어렵다. 총 전력 수요 중 기저 부분을 담당한다. 비교적 소규모인 경우가 많다.

; 조정지 방식

: 일간·주간의 전력 수요 변동에 대응하기 위해, 수요가 적은 경부하 시에 출력을 낮추어 저수하고, 수요가 많은 중부하 시의 발전 운전에 대비하는 방식이다. 총 전력 수요 중 피크 부분을 담당한다. 연간 유량에 비해 중소규모의 저수량을 가진 댐을 수반한다.

; 저수지 방식

: 풍수기에 저수하여, 갈수기에도 안정적인 발전을 할 수 있을 만큼의 수량을 확보하는 방식이다. 조정지 방식이 일간·주간의 부하 변동에 대응하는 데 비해, 계절 간의 조정을 수행한다. 총 전력 수요 중 피크 부분을 담당한다. 연간 유량에 비해 대규모의 저수량을 가진 댐을 수반한다.

; 역조정지 방식

: 조정지 방식·저수지 방식의 하류의 유량 변동을 평활화하기 위해 설치하는 역조정지의 수위차를 이용하여, 일정한 출력으로 운전하는 방식이다.

4. 3. 출력 규모에 따른 분류

수력 발전소는 크게 두 가지 범주로 나뉜다.[96]

  • 소수력 발전소 (SHP)
  • 대규모 수력 발전소 (LHP)


발전소를 소수력 또는 대수력으로 분류하는 기준은 주로 정격 용량이며, 이 기준은 국가마다 다르다. 하지만 어떤 경우든 50MW 이상의 용량을 가진 발전소는 대수력 발전소로 간주된다.[27] 예를 들어, 중국의 경우 소수력 발전소는 25MW 미만, 인도는 15MW 미만, 유럽 대부분은 10MW 미만이다.[27]

소수력 발전소와 대수력 발전소 범주는 서로 배타적이지 않은 여러 하위 범주로 더 세분화된다. 예를 들어, 수 미터에서 수십 미터의 수두를 가진 저낙차 수력발전소는 소수력 또는 대수력 발전소로 분류될 수 있다. 소수력 발전소와 대수력 발전소의 또 다른 차이점은 물 흐름 조절 정도이다. 일반적인 소수력 발전소는 대수력 발전소와 비교하여 매우 적은 조절로 자연적인 물 배출량을 주로 사용한다. 따라서 소수력 발전소라는 용어는 종종 취수식 발전소의 동의어로 사용된다.

5. 수력 발전의 장단점

수력 발전은 장점과 단점을 모두 가지고 있는 에너지원이다.

'''장점'''


  • 재생 가능 에너지: 물의 순환을 이용하므로 고갈될 염려가 없다.
  • 저렴한 운영 비용: 연료비가 들지 않고 자동화되어 인건비가 적다.
  • 유연한 발전: 발전량 조절이 쉬워 전력 수요 변화에 유연하게 대응 가능하다.
  • 다목적 활용: 댐은 발전 외에도 홍수 조절, 용수 공급, 관광 등 다양하게 활용된다.
  • 온실가스 감축: 발전 과정에서 온실가스를 거의 배출하지 않는다.


'''단점'''

  • 생태계 영향: 댐 건설로 수몰 지역이 발생하고 하천 생태계가 변화한다.
  • 수질 변화: 저수지에 유기물이 퇴적되면 메탄 등 온실가스가 발생할 수 있다.
  • 가뭄 영향: 가뭄이나 강수량 변화는 발전량을 제한한다.
  • 토사 퇴적: 저수지에 토사가 쌓이면 저수 용량이 줄고 댐 안전에 문제가 생긴다.
  • 이주 문제: 댐 건설로 수몰 지역 주민들의 이주가 불가피하다.
  • 댐 붕괴 위험: 댐 붕괴 시 하류 지역에 큰 피해가 발생할 수 있다.
  • 높은 초기 비용: 대규모 수력 발전소 건설에는 큰 초기 투자 비용이 필요하다.
  • 입지 제약: 지형, 수량 등 자연 조건에 따라 설치 장소에 제한이 있다.
  • 수생 생태계 교란: 발전소 부근의 수생 생태계를 교란시킬 수 있다.

5. 1. 장점

수력 발전은 물의 순환을 이용하는 재생 가능 에너지원으로, 고갈될 염려가 없다.[68] 연료비가 들지 않고, 자동화된 시스템으로 운영되어 인건비가 적게 든다.[38] 발전소를 자동화하여 정상 운전 중에는 현장 인력이 거의 필요하지 않기 때문이다.

발전량을 빠르게 조절할 수 있어 전력 수요 변화에 유연하게 대응할 수 있다. 특히 수요가 많은 피크 발전으로 사용될 때 기저 부하 발전보다 더 높은 가치를 지니며, 풍력 및 태양열과 같은 간헐적 에너지원과 비교했을 때 훨씬 더 높은 가치를 지닌다.

댐은 발전뿐만 아니라 홍수 조절, 용수 공급, 관광 등 다양한 목적으로 활용될 수 있다.[43] 수력 발전 계획으로 만들어진 저수지는 종종 수상 스포츠 시설을 제공하며, 관광 명소가 되기도 한다. 일부 국가에서는 저수지 내 양식이 일반적이다. 관개를 위해 설치된 다목적 댐은 비교적 일정한 물 공급으로 농업을 지원한다. 대규모 수력 댐은 홍수를 통제할 수 있는데, 그렇지 않으면 프로젝트 하류에 사는 사람들에게 영향을 미칠 수 있다.

일부 수력 발전소는 특정 산업체 (예: 알루미늄 제련소)에 전력을 공급하기 위해 건설되기도 한다. 미국의 그랜드 쿠리 댐(Grand Coulee Dam)은 제2차 세계 대전(World War II) 당시 미국의 알코아(Alcoa) 알루미늄 생산을 지원하기 위해 전력을 공급했으며, 전쟁 후 시민들에게 관개 및 전력(알루미늄 생산 전력 외)을 공급하도록 허가되었다. 수리남(Suriname)의 브로코폰도 저수지(Brokopondo Reservoir)는 알코아(Alcoa) 알루미늄 산업에 전력을 공급하기 위해 건설되었다. 뉴질랜드(New Zealand)의 마나포리 발전소(Manapouri Power Station)는 티와이 포인트(Tiwai Point)의 알루미늄(aluminium) 제련소(smelter)에 전력을 공급하기 위해 건설되었다.

발전 과정에서 온실가스를 거의 배출하지 않아 기후 변화 대응에 기여한다.[41] 수력 발전은 연료를 사용하지 않으므로 발전 과정에서 이산화탄소(carbon dioxide)가 발생하지 않는다. 건설 과정에서 초기 이산화탄소 배출이 발생하고, 저수지에서 매년 일부 메탄(methane)이 배출되지만, 수력 발전은 전력 생산에 있어서 수명주기 온실가스 배출량이 가장 낮은 편에 속한다. 또한 수력 발전은 화석 연료 연소 배기가스, 이산화황(이산화황), 산화질소(일산화질소), 일산화탄소(일산화탄소), 먼지 및 수은(수은)을 포함한 오염 물질을 제거한다.[22]

5. 2. 단점

수력 발전은 여러 장점을 가지고 있지만, 다음과 같은 단점도 존재한다.

  • 생태계 영향: 댐 건설로 인해 수몰 지역이 발생하고, 하천 생태계가 변화할 수 있다.[28] 댐 건설은 강의 흐름을 방해하여 지역 생태계에 피해를 줄 수 있으며, 대규모 댐과 저수지 건설에는 종종 사람과 야생 동물의 이주가 수반된다.[28] 토지 손실은 저수지로 인해 주변 지역의 서식지 단편화로 인해 종종 악화된다.[44]
  • 수질 변화: 저수지에 유기물이 퇴적되면 메탄 등 온실 가스가 발생할 수 있다.[54] 열대 우림 지역에서는 숲이 침수될 경우, 발전소 저수지가 상당량의 메탄을 생성한다. 이는 침수 지역의 식물이 무산소 환경에서 부패하여 온실 가스인 메탄을 형성하기 때문이다.[55] 세계댐위원회 보고서에 따르면,[55] 저수지 면적이 발전 용량에 비해 클 경우(제곱미터당 100와트 미만) 저수지 축조 전에 해당 지역의 숲을 개벌하지 않았다면, 저수지에서 발생하는 온실가스 배출량이 종래의 석유 화력 발전소보다 높을 수 있다.[56]
  • 가뭄 및 강수량 변화의 영향: 가뭄이나 계절에 따른 강수량 변화는 수력 발전량을 제한할 수 있다.[22] 강 유량의 변화는 댐이 생산하는 에너지량과 상관관계가 있다. 강 유량이 감소하면 저수지의 유효 저장 용량이 줄어들어 수력 발전에 사용할 수 있는 물의 양이 감소한다. 기후 변화의 결과로 유량 부족의 위험이 증가할 수 있다.[53]
  • 토사 퇴적: 저수지에 토사가 퇴적되면 저수 용량이 감소하고, 댐 안전에 문제가 발생할 수 있다.[51][52] 물이 흐르면 자신의 무게보다 무거운 입자들을 하류로 운반할 수 있다. 이는 댐과 그에 따른 발전소, 특히 토사 퇴적이 많은 강이나 유역에 있는 발전소에 부정적인 영향을 미친다. 토사 퇴적은 저수지를 메울 수 있으며, 홍수 조절 능력을 감소시키는 동시에 댐 상류 부분에 추가적인 수평 압력을 가할 수 있다.
  • 이주 문제: 댐 건설로 인해 수몰 지역 주민들의 이주가 불가피한 경우가 발생한다. 2000년, 세계댐위원회는 댐 건설로 전 세계적으로 4천만~8천만 명이 강제 이주당했다고 추산했다.[58]
  • 댐 붕괴 위험: 댐 붕괴 시 하류 지역에 막대한 피해가 발생할 수 있다. 1975년 니나 태풍 당시 중국 남부의 반차오 댐 붕괴로 26,000명이 사망하고 전염병으로 145,000명이 추가로 사망했다. 수백만 명이 집을 잃었다.
  • 높은 초기 건설 비용: 대규모 수력 발전소 건설에는 막대한 초기 투자 비용이 소요된다.
  • 입지 제약: 수력 발전소는 지형, 수량 등 자연 조건에 따라 입지가 제한된다.
  • 수생 생태계 교란: 수력발전 프로젝트는 발전소 부지의 상류와 하류 모두에서 주변 수생 생태계를 교란시킬 수 있다. 수력발전은 하류의 강 환경을 변화시킨다. 터빈을 통과하는 물에는 일반적으로 부유물이 거의 없어 하상 침식과 강둑 유실로 이어질 수 있다.[45] 또한 터빈은 통과하는 동물의 상당 부분을 죽이는데, 예를 들어 터빈을 통과하는 뱀장어의 70%가 즉시 죽는다.[46][47][48]

6. 한국의 수력 발전 현황

대한민국은 2023년 기준 3.72TWh의 전력을 수력 발전을 통해 생산했으며, 이는 전체 발전량의 0.6%에 해당한다. 설비 용량은 1.80GW이며, 설비 이용률은 24%이다.[66]

항목값
발전량 (2023년)3.72 TWh
발전 비율 (2023년)0.6%
설비 용량 (2023년)1.80 GW
설비 이용률 (2023년)24%



2021년 국제에너지기구(IEA)는 한국의 수력 발전소에 대해 주요 현대화 및 개보수가 필요하다고 밝혔다.[22]

6. 1. 주요 수력 발전소

이 방식은 높이가 다른 저수지 사이에 물을 이동시켜 피크 수요를 충족하는 전기를 생산한다. 전력 수요가 낮을 때는 과잉 발전 용량을 사용하여 상부 저수지에 물을 퍼 올려 수요반응을 제공한다.[22] 수요가 증가하면 터빈을 통해 하부 저수지로 물을 방류한다. 2021년 양수발전 계획은 세계 190GW의 계통 에너지 저장의 거의 85%를 제공했으며[22] 발전 시스템의 일일 용량계수를 개선했다. 양수발전은 에너지원이 아니며 목록에 음수로 표시된다.[24]

6. 2. 수력 발전 정책

한국 정부는 신재생 에너지 확대 정책의 일환으로 수력 발전 분야에 대한 투자를 지속하고 있다. 기존 댐의 현대화, 소수력 발전 확대, 양수 발전 기술 고도화 등이 추진되고 있다. 특히, 더불어민주당은 기후 변화 대응과 에너지 전환을 위해 수력 발전을 포함한 신재생 에너지 분야에 대한 적극적인 투자를 강조하고 있다.[22]

일본에서는 일반 수력발전소 건설이 비용적으로 유리한 지점부터 개발되어 온 역사가 있다. 기존 사업자가 비용적으로 개발 가능하다고 판단하는 새로운 지점은 없다고 여겨지지만, 재생 가능 에너지로서의 합리성이 주목받으면서 새로운 사업자가 정책적 보조금을 활용하여 비교적 소규모 수력발전소를 설치하는 움직임이 진행되고 있다.

양수 발전소의 양수 동력비는 심야 등 전력 수요가 적은 시간대의 화력이나 원자력발전소 등의 잉여 전력을 사용한다. 물을 퍼 올리고 내리는 과정에서 에너지 손실이 발생하여 다른 전원의 연료비 등에 비해 변동비가 비싸지만, 고정비가 저렴한 지점을 선정할 수 있다면 전력 수요가 급증하는 피크 시간에 대응하는 공급력으로서 경쟁력을 갖출 수 있다. 따라서 기존 사업자들은 전력계통 경비를 최소화하기 위해 양수발전소를 일정 비율 투입하는 것이 합리적이라고 분석한다.

7. 다른 발전 방식과의 비교

수력 발전은 다른 발전 방식에 비해 유연성이 뛰어나다. 수력 터빈은 시동 시간이 몇 분 정도로 짧아, 전력 수요 변화에 빠르게 대응할 수 있다.[34] 대부분의 수력 발전 설비는 냉간 시동에서 정격 출력까지 10분 이내에 도달할 수 있는데, 이는 원자력 발전이나 거의 모든 화석 연료 발전보다 빠르다.[35] 전력 생산량이 과잉일 때는 발전량을 신속하게 줄일 수도 있다.[36] 이러한 유연성 덕분에 수력 발전은 기저 발전보다는 첨두 부하 발전이나 다른 발전원의 백업으로 활용되는 경우가 많다.[36][37]

수력 발전은 화석 연료를 사용하지 않아 연소 배기가스, 이산화황, 산화질소, 일산화탄소, 먼지, 수은 등의 오염 물질을 배출하지 않는다.[22] 또한, 석탄 채굴의 위험과 석탄 배출로 인한 간접적인 건강 문제도 없다.[22] 2021년 국제에너지기구(IEA)는 각국 정부의 에너지 정책이 "수력 발전소가 제공하는 다양한 공공 이익의 가치를 가격에 반영해야 한다"고 제안했다.[22]

7. 1. 원자력 발전

원자력 발전은 발전 단가가 수력 발전보다 낮아 주로 기저 부하를 담당하는 주요 전력원이다. 원자력 발전은 출력을 빠르게 줄일 수는 있지만, 유연성이 떨어지는 편이다. 높은 인프라 비용 때문에 생산량이 줄면 단위 에너지당 비용이 크게 증가하기 때문이다.

반면 수력 발전은 저렴한 비용으로 피크 부하를 공급할 수 있어 원자력 발전 등을 보완하여 부하 추종에 사용되기도 한다. 스위스, 스웨덴, 우크라이나, 핀란드 등은 원자력 발전과 수력 발전의 비율이 거의 50:50으로 공급되는 국가의 예시이다.

하지만, 원자력 발전은 핵연료 처리, 방사성 폐기물 관리 등 안전 문제와 환경 문제가 존재한다.[22]

7. 2. 풍력 발전

풍력 발전은 계절에 따라 예측 가능한 변동을 겪지만, 매일 간헐적이다.[62][63] 최대 풍력 발전량은 일일 최대 전력 소비량과 거의 관련이 없으며, 밤에 전력이 필요하지 않을 때 풍력이 최고조에 달하거나 전력 수요가 가장 높은 낮에는 바람이 잔잔할 수 있다. 때때로 날씨 패턴으로 인해 수일 또는 수주 동안 바람이 약해질 수 있으며, 수주의 발전량을 저장할 수 있는 수력 발전 저수지는 계통의 발전량을 균형 있게 유지하는 데 유용하다. 최대 풍력 발전은 최소 수력 발전으로 상쇄될 수 있으며, 최소 풍력 발전은 최대 수력 발전으로 상쇄될 수 있다. 이러한 방식으로 수력 발전의 쉽게 조절할 수 있는 특성을 사용하여 풍력 발전의 간헐적인 특성을 보완한다. 반대로, 어떤 경우에는 풍력 발전을 사용하여 건조한 계절에 나중에 사용할 물을 절약할 수도 있다.

이러한 예로 노르웨이의 스웨덴, 덴마크, 네덜란드, 독일, 영국과의 거래가 있다. 노르웨이는 수력 발전이 98%를 차지하는 반면, 평지가 많은 이웃 국가들은 풍력 발전을 이용한다. 수력 발전이 없는 지역에서는 양수 발전이 유사한 역할을 하지만, 비용이 훨씬 높고 효율이 20% 낮다.

8. 결론 및 향후 전망

기후변화를 위한 노력의 필요성이 강조되면서, 수력 발전은 재생 가능 에너지원으로서 중요한 역할을 담당하고 있다. 2021년 국제에너지기구(IEA)는 더 많은 노력이 필요하다고 밝혔다.[20] 스위스(잠재력의 88%), 멕시코(80%)등 일부 국가는 이미 수력 발전 잠재력을 매우 높게 개발하여 성장 여력이 거의 없는 상황이다.[21]

2022년 IEA는 2022년부터 2027년까지 수력 발전으로 141GW를 생산한다는 주요 시나리오 전망을 발표했는데, 이는 2017년부터 2022년까지 달성된 설비 용량보다 약간 낮은 수치이다. 환경 허가 및 건설 시간이 길어 수력 발전 잠재력은 제한적일 것으로 예상되며, 가속화된 경우에도 추가로 40GW만 가능할 것으로 추정된다.[6]

소수력발전은 소규모 지역 사회나 산업 시설에 전력을 공급하는 규모의 수력 발전으로, 일반적으로 최대 10메가와트(MW)의 발전 용량을 가진다. 캐나다와 미국에서는 25MW 및 30MW까지 확장될 수 있다.[30][31] 소수력발전소는 저렴한 재생 에너지원으로 기존 전력망에 연결되거나, 전력망 공급이 어려운 지역에 건설될 수 있다. 대규모 수력발전에 비해 환경 영향이 적다고 여겨지지만, 하천 유량과 발전량 간의 균형에 크게 의존한다.

기존 수력 발전 댐은 저렴한 비용으로 물을 저장하여 나중에 고부가가치 청정 전력으로 발전할 수 있다는 장점이 있다. 2021년 IEA는 "기존 수력 발전소의 저수지 전체를 합치면 총 1,500테라와트시(TWh)의 전기에너지를 한 사이클에 저장할 수 있다"고 추산했는데, 이는 "전 세계 양수 발전소의 총 용량의 약 170배"에 달한다.[22] 수력 발전은 수요 충족을 위한 피크 발전으로 사용될 때 기저 부하 발전보다 더 높은 가치를 지니며, 풍력 및 태양열과 같은 간헐적 에너지원과 비교했을 때 훨씬 더 높은 가치를 지닌다.

수력 발전소는 경제적 수명이 길며, 일부 발전소는 50~100년 후에도 여전히 운영되고 있다.[38] 발전소가 자동화되어 정상 운전 중 현장 인력이 거의 없기 때문에 운영 인건비도 일반적으로 낮다. 댐이 다목적 기능을 하는 경우, 수력 발전소를 추가하여 댐 운영 비용을 상쇄할 수 있다. 삼협 댐의 전력 판매는 완전 발전 후 5~8년 이내에 건설 비용을 충당할 수 있을 것으로 계산되었다.[39] 그러나 일부 자료에 따르면, 대부분의 국가에서 대형 수력 댐은 건설 비용이 과다하고 건설 기간이 너무 길어 긍정적인 수익률을 제공하기 어렵다는 것을 보여준다.[40]

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