양수 발전

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1. 개요

양수 발전은 서로 다른 높이에 위치한 두 개의 저수지를 이용하여 전력 수요에 따라 물을 펌핑하고 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 전력 수요가 낮을 때는 잉여 전력을 사용하여 물을 상부 저수지로 펌핑하고, 수요가 높을 때는 물을 하부 저수지로 방출하여 전기를 생산한다. 양수 발전소는 펌프와 터빈 발전기 역할을 모두 할 수 있는 가역 터빈/발전기 어셈블리를 사용하며, 가변 속도 작동을 통해 효율을 최적화한다. 전력 저장 방식 중 하나로, 전력 계통의 안정성을 높이고, 재생 에너지의 변동성을 보완하는 데 활용된다. 순수 양수 발전, 혼합 양수 발전, 해수 양수 발전 등 다양한 종류가 있으며, 경제적 효율성과 환경적 영향, 그리고 가변속 양수 발전과 같은 기술 동향을 가지고 있다.

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양수 발전
개요
유형	에너지 저장
에너지원	수력 발전
작동 방식	전력 수요가 낮은 시간대에 물을 높은 곳으로 끌어올려 저장하고, 수요가 높은 시간대에 저장된 물을 흘려보내 발전을 수행
작동 원리
설명	두 개의 저수지 사이에서 물을 순환시켜 에너지를 저장하고 방출하는 시스템. 펌프와 터빈을 사용하여 물을 상부 저수지로 끌어올리거나 하부 저수지로 흘려보냄.
역사
초기 개발	1890년대 이탈리아와 스위스에서 시작
목적	초기에는 수력 발전소의 잉여 전력을 활용하기 위해 개발
현대적 발전	대규모 전력망의 안정화 및 재생 에너지 변동성 완화에 기여
장점 및 단점
장점	높은 에너지 저장 용량 빠른 응답 속도 장기간 사용 가능 전력망 안정화 기여
단점	초기 건설 비용 높음 지리적 제약 환경 영향 (수몰 지역 발생 등)
기술적 특징
효율	70~80% (저장-발전 과정의 에너지 손실 고려)
저장 용량	수 시간에서 수 일까지 가능 (저수지 크기에 따라 다름)
발전 용량	수백 MW에서 수 GW까지 가능 (설비 용량에 따라 다름)
종류
개방형 양수 발전	자연 하천 또는 저수지를 활용
폐쇄형 양수 발전	독립된 상/하부 저수지 사용, 환경 영향 최소화
해수 양수 발전	해수를 이용하여 에너지를 저장, 섬 지역에 적합
활용
전력망 안정화	전력 수요 변화에 따른 주파수 및 전압 유지
재생 에너지 통합	태양광 발전 및 풍력 발전의 간헐성 보완
비상 전력 공급	전력 시스템 장애 시 신속한 전력 공급
환경 영향
긍정적 영향	재생 에너지 활용 촉진, 탄소 배출 감소
부정적 영향	건설 과정에서의 환경 파괴 수몰 지역 발생 수생태계 변화
경제성
초기 투자 비용	높음 (댐 건설, 발전 설비 등)
운영 비용	상대적으로 낮음 (연료 비용 없음)
장기적 이점	전력망 안정화, 재생 에너지 활용 증대
미래 전망
기술 발전	효율 향상, 건설 비용 절감, 환경 영향 최소화
에너지 정책	재생 에너지 확대 정책과 연계, 중요성 증대
스마트 그리드	지능형 전력망과의 연동을 통한 효율적 운영
기타
관련 기술	가변속 양수 발전, 해수 양수 발전 등
각주

2. 기본 원리

양수 발전은 전력 수요가 낮을 때 잉여 전력을 사용하여 물을 상부 저수지로 펌핑하고, 수요가 높을 때 물을 하부 저수지로 방출하여 전기를 생산하는 방식이다. 일반적으로 펌프와 터빈 발전기 역할을 모두 할 수 있는 가역 터빈/발전기 어셈블리(프란시스 터빈 설계)를 사용한다.^[4]

양수 발전의 역할은 대용량 전력 저장이다. 댐의 물을 이용하여 전력을 위치 에너지로 저장하는 거대한 축전지 혹은 축전소라고 할 수 있으며, 전력 수요와 공급의 평준화를 꾀하는 축전을 목적으로 한다.

양수 발전은 물을 퍼 올리는 과정에서 에너지 손실이 발생하기 때문에, 투입되는 전력과 생산되는 전력에는 차이가 있다. 이 비율을 양수 효율이라고 하며, 다음 식으로 나타낸다.

: $\eta = \eta_{TG} \times \eta_{TP} \times H_g / H_p$

$\eta$ : 양수 효율
$\eta_{TG}$ : 발전 운전 시 기기 효율
$\eta_{TP}$ : 양수 운전 시 기기 효율
$H_g$ : 유효 낙차
$H_p$ : 전양정

양수 효율은 기기의 종류나 수로의 길이 등 지점 특성에 따라 다르지만, 대략 70% 정도가 되는 경우가 많다.

2. 1. 작동 방식

양수 발전은 서로 다른 높이에 있는 두 개의 물 저장소를 이용하여 작동한다. 전력 수요가 적을 때는 남는 전기를 사용하여 물을 위쪽 저수지로 퍼 올린다. 전력 수요가 많을 때는 물을 아래쪽 저수지로 다시 내려보내면서 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 이때, 대부분의 양수 발전소는 펌프와 터빈 발전기 역할을 모두 할 수 있는 가역 터빈/발전기(주로 프란시스 터빈 방식)를 사용한다.^[4]

가변 속도로 작동하면 양수 발전소의 효율을 더 높일 수 있다.^[5]^[6] 아주 작은 규모의 양수 발전에서는 펌핑과 발전에 각각 다른 펌프 그룹과 터빈 펌프(PAT)를 사용할 수도 있다.^[7] 회전 방향과 속도를 조절하여 같은 펌프를 두 가지 모드에서 모두 사용할 수 있지만, 펌핑할 때와 PAT 모드일 때의 작동 지점은 보통 다르다.

양수 발전은 전기를 위치 에너지 형태로 저장하는 거대한 축전지와 같다고 볼 수 있다. 전력 수요와 공급을 맞추기 위해 댐의 물을 이용하여 축전하는 방식이다.

전력 수요는 여름철 낮 시간 냉방이나 겨울철 저녁 시간 난방 등으로 인해 크게 변동하는데, 양수 발전은 이러한 변화에 맞춰 전력을 공급하거나 저장하는 역할을 한다.^[77] 즉, 심야나 휴일 낮에는 물을 퍼 올리고, 여름철 낮이나 겨울철 저녁에는 발전을 하는 것이다.

양수 발전은 비교적 짧은 시간에 양수와 발전을 전환할 수 있어, 갑작스러운 전력 수요 증가나 대규모 정전 등에 대비하는 데 중요한 역할을 한다. 또한, 원자력 발전이나 화력 발전 등 발전량 조절이 어려운 발전 방식과 함께 사용하여 전력 시스템을 안정적으로 운영하는 데에도 기여한다.

양수 발전은 전 세계적으로 사용되고 있지만, 특히 전력망이 다른 나라와 연결되지 않고 전력 수요 변동이 큰 일본에서 많이 사용되는 방식이다.

원리적으로는 전기의 교류 주파수를 바꾸는 설비로도 사용할 수 있다. 양수 발전은 물을 퍼 올리는 과정에서 에너지 손실이 발생하기 때문에, 투입되는 전력과 생산되는 전력에는 차이가 있다. 이 비율을 양수 효율이라고 하며, 다음과 같이 나타낸다.

:

\eta = \eta_{TG} \times \eta_{TP} \times H_g / H_p

$\eta$ : 양수 효율
$\eta_{TG}$ : 발전 운전 시 기기 효율
$\eta_{TP}$ : 양수 운전 시 기기 효율
$H_g$ : 유효 낙차
$H_p$ : 전양정

양수 효율은 발전소의 특성에 따라 다르지만, 대략 70% 정도인 경우가 많다. 양수 효율이 100%가 아니라고 해서 양수 발전 시스템이 쓸모없는 것은 아니다. 양수 발전은 발전 시스템이 아니라 전력 저장 시스템으로 봐야 하며, 다른 저장 방식과 비교하여 종합적으로 판단해야 한다.

양수기에는 대부분 삼상 동기 전동기가 사용된다. 양수 시 전동기를 정지 상태에서 동기 속도까지 회전시키려면 특별한 시동 장치가 필요하다. 만약 정지 상태에서 전원을 넣으면 양수기 코일이 과열될 수 있다. 양수 발전소에서는 각 양수기마다 다른 시동 방식을 사용하기도 한다.

모든 방식에서 공통적으로, 양수 운전을 시작할 때 수차가 물속에 있으면 시동하기 어렵다. 따라서 시동 시에는 가이드 베인을 완전히 닫고 압축 공기를 넣어 수차를 공기 중에서 정격 회전수로 만든 후 가이드 베인을 열어 양수 운전을 시작한다.

다음은 일반적인 양수기의 기동 과정이다. (삼상 동기 발전 전동기와 펌프 수차 (VFR-1RS)로 구성된 가역식 양수기 기준)

1. 운전 제어 회로 전환: 양수기의 운전은 시퀀스 제어 회로로 자동화되어 있다. 발전 시와 양수 시에 다른 회로를 사용하며, 운전원은 양수 시 회로로 전환한다. 주 회로에서도 발전 운전 시와 양수 운전 시 회전 방향이 반대이므로, 단로기를 통해 삼상 중 두 상을 바꾼다.

2. 보조기 운전: 압유 장치나 냉각수 펌프 등 양수기 운전을 돕는 보조기를 작동시킨다. 양수 발전소의 보조기는 용량이 크기 때문에, 정지 중에는 보조기를 정지시켜 발전소 내 소비 전력을 줄인다.

3. 운전 조작: 보조기를 운전하고 양수기 운전 준비가 완료되면 운전 조작을 한다.

4. 입구 밸브 개방: 입구 밸브(주 밸브)를 열면 케이싱이 물로 채워지지만, 가이드 베인이 닫혀 있어 물이 수차로 흘러 들어가지 않는다.

5. 회전자 부상: 회전자를 약간 띄워 스러스트 베어링 면의 마찰 저항을 줄여 시동을 쉽게 한다. 보통 스러스트 베어링 면에 기름을 넣어 회전자를 유압으로 밀어 올린다.

6. 수위 강하: 펌프 수차는 발전 시 낙차를 이용하기 위해 항상 물에 잠겨 있는 경우가 많다. 양수 시동 시에는 물의 저항 때문에 시동이 어려우므로, 드래프트(흡출관)의 수위를 낮춘다. 보통 드래프트에 압축 공기를 넣는 방법을 사용한다.

7. 시동: 시동 장치로 양수기를 시동한다. (시동 방식에 따라 과정이 다름)

8. 병렬: 전동기가 동기 속도에 도달하면 자동 동기 장치로 동기 검정을 하고 전력 계통과 연결한다. 이후 양수 운전 조작을 할 때까지 펌프 수차는 공회전 상태(양수 대기 상태)를 유지한다. 이 상태에서 계자를 조절하여 무효 전력을 조정하는 동기 조상 운전을 할 수도 있다.

9. 양수 운전 조작: 양수 대기 상태에서 양수 운전으로 전환한다.

10. 수위 상승: 드래프트 내 압축 공기를 빼고 수위를 올려 펌프 수차를 물에 잠기게 한다.

11. 가이드 베인 개방: 회전하는 펌프 수차가 드래프트 내 물을 밀어 올리고, 닫힌 가이드 베인에 수압이 높아진다. 이 수압이 가이드 베인을 열 수 있을 정도(프라이밍 수압)가 되면 가이드 베인을 연다. 가이드 베인은 양정에 맞게 자동으로 조절된다.

12. 양수 시작

3. 종류

양수 발전은 크게 순수 양수 발전과 혼합 양수 발전으로 나뉜다.

순수 양수 발전: 폐쇄형 시스템에서 자연 유입이 없는 상부 저수지에 물을 저장한다.^[76]
혼합 양수 발전: 양수 저장과 수력 발전소의 조합을 사용하며, 상부 저수지는 개울이나 강에서 자연 유입으로 부분적으로 보충된다.^[75]

양수 저장을 사용하지 않는 발전소는 일반 수력 발전소라고 한다. 상당한 저장 용량을 가진 일반 수력 발전소는 적절하게 갖추어진 경우 양수 저장과 유사한 역할을 전력망에서 수행할 수 있다.

3. 1. 순수 양수 발전

순수 양수 발전소는 폐쇄형 시스템에서 자연 유입이 없는 상부 저수지에 물을 저장한다.^[76] 순양수 발전은 유역 면적이 매우 좁고 연간 유량이 거의 없는 저수지를 상지(上池)로 삼는 발전 방식이다. 발전 운전을 하기 위해서는 양수(揚水) 운전이 필수적이다. 단시간의 피크 조정을 위해 낙차와 사용 수량을 매우 크게 확보하고 있어 발전소 전체 출력은 최대 ~로 매우 크지만, 6~10시간의 발전 운전으로 상지의 물이 바닥난다. 저수지를 작게 만들기 위해 고양정화가 추진되고 있다.

3. 2. 혼합 양수 발전

폐쇄형 시스템에서 순수 양수 발전소는 자연 유입이 없는 상부 저수지에 물을 저장하는 반면, 펌프 회수 발전소는 양수 저장과 수력 발전소의 조합을 사용하며, 상부 저수지는 개울이나 강에서 자연 유입으로 부분적으로 보충된다. 양수 저장을 사용하지 않는 발전소는 일반 수력 발전소라고 한다. 상당한 저장 용량을 가진 일반 수력 발전소는 적절하게 갖추어진 경우 양수 저장과 유사한 역할을 전력망에서 수행할 수 있다.^[75]

기존의 수력 발전 댐은 하이브리드 시스템에서 양수 발전 방식을 사용할 수 있으며, 이는 저수지로 자연스럽게 유입되는 물에서 전력을 생산하는 동시에 댐 아래에서 저수지로 다시 펌핑된 물을 저장하는 역할을 한다. 그랜드 쿨리 댐은 1973년에 펌프백 시스템으로 확장되었다.^[75] 기존 댐은 역회전 터빈으로 전력을 재보강하여 발전소의 용량 가동 시간을 연장할 수 있다. 선택적으로 리처드 B. 러셀 댐(1992)과 같은 펌프백 발전소를 댐에 추가하여 발전 용량을 늘릴 수 있다. 기존 댐의 상부 저수지와 송전 시스템을 활용하면 프로젝트를 신속하게 진행하고 비용을 절감할 수 있다.

혼합 양수 발전은 유역 면적이 넓고 연간 유량이 많은 저수지를 상지(上池)로 가지고 있어, 양수 운전을 하지 않아도 자연 유량만으로도 어느 정도 발전이 가능한 방식이다. 대부분 저수지식 수력 발전에 양수 발전기를 추가한 형태로, 풍수기에는 자연 유량만 사용하고 갈수기에는 양수 운전을 병용하여 연간 피크 발전에 대응한다. 기본적으로 자연 유량을 사용하는 저수지식 발전이기 때문에 20만~40만 킬로와트 정도의 출력으로 설계된다.

3. 3. 해수 양수 발전

양수 발전소는 해수를 사용하여 작동할 수 있지만, 담수를 사용하는 것에 비해 해수 부식 및 따개비 성장과 같은 추가적인 문제가 있다.^[28] 1999년, 오키나와에 있는 30MW 얀바루 프로젝트는 해수 양수 발전의 최초 시연이었으나 이후 폐쇄되었다. 300MW의 해수를 기반으로 하는 라나이 양수 발전 프로젝트가 하와이 라나이에서 고려되었으며, 아일랜드에서도 해수를 기반으로 하는 프로젝트가 제안되었다.^[29] 칠레 북부 아타카마 사막에 제안된 두 프로젝트는 600MW의 태양광 발전(타라파카의 하늘)과 300MW의 양수 발전(타라파카의 거울)을 사용하여 해수를 600m 해안 절벽 위로 끌어올릴 것이다.^[30]^[31]

'''해수 양수 발전'''은 바다를 하부 저수지로 간주하는 양수 발전이다. 하부 저수지를 위한 댐 건설을 생략할 수 있으므로 건설 비용을 대폭 절감할 수 있고 개발 가능 지점도 넓어지지만, 해수를 이용하기 때문에 수차나 수압 관로에는 뛰어난 내식성이 요구된다. 또한 해양 생물이나 해수를 지상으로 끌어올리는 데 따른 환경 영향 등도 고려해야 한다.

전원 개발이 건설한 오키나와 얀바루 해수 양수 발전소에서 실증 실험이 진행되었으나, 2016년 7월 19일자로 폐지되었다^[89] . 수력 발전소가 없는 데다 다른 전력 회사와의 연계가 불가능한 오키나와 전력에서는 귀중한 조정력으로 활용되었다.

4. 경제적 효율성 및 환경적 영향

양수 발전은 전력 수요와 공급을 평준화하는 축전을 목적으로 댐의 물을 이용하여 전력을 위치 에너지로 저장하는 거대한 축전지 혹은 축전소라고 할 수 있다. 전력 수요는 여름철 낮 시간의 냉방 수요, 겨울철 저녁 시간의 전등 점등과 난방 사용 등으로 최고조에 달하며, 심야에는 최저 수준으로 떨어진다. 따라서 전력 부하가 높을 때에는 전력 공급 능력이, 부하가 낮을 때에는 조정 능력이 중요해진다. 특히, 태양광 발전 등 재생 가능 에너지의 비율이 높은 휴일 낮 시간의 조정 능력 확보가 중요한 과제가 되고 있다.^[77]

양수 발전은 발전 시에는 전력을 공급하고, 양수 시에는 전력을 소비하여 조정 능력을 제공한다. 따라서 심야나 휴일 낮에는 양수를 하고, 여름철 낮이나 겨울철 저녁에는 발전을 한다. 양수 발전은 비교적 짧은 시간 안에 양수와 발전을 전환할 수 있어, 대규모 전원 탈락이나 예상치 못한 수요 증가에 대비한 예비력 확보, 대규모 정전 발생 시 전력 계통 복구를 위한 초기 전원 공급 등 중요한 역할을 수행한다. 또한, 원자력 발전, 대규모 화력 발전, 유입식 수력 발전소, 지열 발전, 태양광 발전, 풍력 발전 등 조정 능력이 낮은 전원이 많은 시간대에 즉각적인 조정 능력을 제공한다.

양수 발전은 전력의 교류 주파수를 변환하는 설비로도 활용 가능하다. 또한, 전력 계통의 수요와 발전량을 일치시키고, 전력, 주파수, 전압, 역률을 조정하여 공급 신뢰도를 확보하는 부속 서비스를 제공한다.

주파수 제어: 수 초 이내의 변동은 플라이휠 효과, 수 초에서 1분 정도의 변동은 가바나 제어, 1분에서 수 분 정도의 변동은 부하 주파수 제어를 통해 제어한다.
전압 제어: 조상 운전을 통해 무효 전력을, 자동 전압 조정을 통해 전압을, 자동 역률 조정을 통해 역률을 조정한다.
조류 조정: 대규모 전원 탈락이나 계통 연계 설비 사고 시 과부하 발생 시, 즉각적인 양수 차단 또는 발전 출력 조정을 통해 계통 안정성을 유지하고 과부하를 해소하며 대규모 정전을 방지한다.
블랙 스타트: 광범위 정전 발생 시 계통 복구를 위한 초기 전원을 공급한다.
시험 부하: 대용량 발전소의 차단 시험을 수행한다.
환경 규제 시 화력 발전 대체: 대기 오염 경보 발령 시 등에 활용된다.

과거에는 보일러를 사용하는 화력 발전이나 원자로를 사용하는 원자력 발전에서 전력 수요에 따른 출력 조정이 어려워,^[76] 화력 발전을 상시 가동하고 주야간 전력 조정을 수력 발전으로 보충하는 '화력 중심, 수력 보조' 방식의 전력 구성이 사용되었다.^[76] 그러나 산업 발전과 함께 수력 발전만으로는 전력 수요를 감당할 수 없게 되면서,^[76] 정지 상태에서도 수 분 이내에 최대 전력을 공급할 수 있는 출력 조정이 용이한 양수 발전이 도입되어 전력의 안정적인 공급에 기여하고 있다.
해수 양수 발전은 바다를 하부 저수지로 사용하여 댐 건설 비용을 절감하고 개발 가능 지역을 확대할 수 있다. 그러나 해수를 사용하므로 수차 및 수압 관로에 높은 부식 방지 성능이 요구되며, 해양 생물 및 환경 영향도 고려해야 한다. 전원 개발이 건설한 오키나와 얀바루 해수 양수 발전소에서 관련 실증 실험이 진행되었으나, 2016년에 폐지되었다.^[89] 수력 발전소가 없고 다른 전력 회사와 연계가 불가능한 오키나와 전력에서는 해수 양수 발전이 조정력으로 활용되었다.

4. 1. 경제적 효율성

변환 손실과 노출된 수면에서의 증발 손실을 고려해도 70~80% 이상의 에너지 회수가 가능하다.^[8]^[9]^[10]^[11]^[12] 이 기술은 현재 대량의 전기에너지를 저장하는 가장 비용 효율적인 수단이지만, 자본 비용과 적절한 지형의 필요성은 양수 발전소 부지를 선택하는 데 중요한 결정 요인이다.

양수 발전 시스템의 상대적으로 낮은 에너지 밀도는 대규모 유량 및/또는 저수지 간의 큰 높이 차이를 요구한다. 상당한 양의 에너지를 저장하는 유일한 방법은 두 번째 수체보다 상대적으로 가깝지만 가능한 한 높은 곳에 위치한 대규모 수체를 갖는 것이다. 어떤 곳에서는 이것이 자연적으로 발생하고, 다른 곳에서는 하나 또는 두 개의 수체가 인공적으로 만들어진다.

이러한 시스템은 전력망의 부하 변동을 완화하여 화력 발전소(석탄 화력 발전소) 및 기저 부하 전력을 제공하는 원자력 발전소가 최대 효율로 계속 작동하도록 허용하고, 최대 효율보다는 유연성을 위해 설계된 가스 및 석유와 같은 동일한 연료를 사용하는 "피킹(peaking)" 발전소의 필요성을 줄여주기 때문에 경제적일 수 있다. 따라서 양수 발전 시스템은 대규모 이종 발전기 그룹을 조정할 때 매우 중요하다. 양수 발전소의 자본 비용은 상대적으로 높지만 수십 년(경우에 따라 1세기 이상)^[14]^[15]의 입증된 긴 수명 (유틸리티 규모 배터리보다 3~5배 더 김)으로 다소 완화된다. 전기 가격이 음수가 되면 양수 발전 운영자는 두 배의 수익을 얻을 수 있다. 즉, 음수 현물 가격으로 상부 저수지에 물을 펌핑하기 위해 전기를 "구매"할 때와 나중에 가격이 높을 때 전기를 판매할 때이다.

에너지 관리와 함께 양수 발전 시스템은 전기 네트워크 주파수를 안정화하고 예비 발전을 제공하는 데 도움이 된다.

양수 발전의 가장 중요한 용도는 전통적으로 기저 부하 발전소의 균형을 맞추는 것이었지만, 간헐적 에너지원의 변동하는 출력을 경감하는 데에도 사용될 수 있다. 양수 발전은 전력 생산량이 많고 전력 수요가 낮은 시간에 부하를 제공하여 추가적인 시스템 최대 용량을 가능하게 한다.

양수 발전은 매우 대규모의 태양광 발전 및 풍력 발전에 대한 균형을 맞추는 데 특히 중요해질 가능성이 높다.^[16]

일본의 경우, 전력 계통이 타국으로부터 독립되어 있고, 전력 수요의 피크와 오프피크의 차이가 커서 양수 발전이 특히 보급된 축전 방법이다.

경제산업성의 집계에 따르면, 2013년도 일본 양수 발전소 설비 이용률은 전국에서 불과 3%에 불과했다.^[78]^[79] 이는 미국이나 독일의 이용률 10%와 비교하면 매우 낮은 값이다. 일본의 양수 발전소가 총 출력에서는 세계 최대 규모이지만, 개별 저수량은 구미에 비해 소규모이기 때문에 설비 이용률에서 구미 수준의 운용을 실시하는 것이 물리적으로 불가능하기 때문이다.

4. 2. 환경적 영향

양수 발전은 에너지 회수율이 70~80% 이상으로, 현재 대량의 전기에너지를 저장하는 가장 효율적인 방법 중 하나이다.^[8]^[9]^[10]^[11]^[12] 그러나 낮은 에너지 밀도 때문에 대규모 저수지와 큰 높이 차이가 필요하며, 이는 적절한 지형과 상당한 자본 투자를 요구한다. 양수 발전 시스템은 두 저수지가 모두 인공적이고 자연 유입이 없는 "폐쇄 루프" 시스템으로 구성될 수 있다.^[13]

이러한 시스템은 전력망 부하 변동을 완화하여 석탄 화력 발전소나 원자력 발전소와 같은 기저 부하 발전소가 최대 효율로 작동하도록 돕고, 가스 및 석유를 사용하는 "피킹(peaking)" 발전소의 필요성을 줄여준다. 양수 발전소는 수명이 길어(유틸리티 규모 배터리보다 3~5배) 경제적이며,^[14]^[15] 전기 가격이 음수일 때 추가 수익을 얻을 수도 있다.

북웨일스의 페스티니오그 양수 발전 계획의 상부 저수지인 린 스툴란과 댐. 하부 발전소에는 필요가 발생한 지 60초 이내에 360 MW의 전기를 생산하는 4개의 수력 터빈이 있다.

양수 발전 시스템은 전기 네트워크 주파수를 안정화하고 예비 발전을 제공하며, 화력 발전소보다 부하 변화에 빠르게 대응할 수 있다. 또한, 간헐적 에너지원의 변동하는 출력을 경감하는 데 사용될 수 있다. 전력 생산량이 많고 수요가 적을 때 부하를 제공하여 추가적인 시스템 최대 용량을 가능하게 한다. 전력 가격이 매우 낮거나 음수가 되는 경우도 발생할 수 있는데, 이는 풍력 발전이나 태양열 발전의 사용 증가로 인해 더 자주 발생할 수 있다.

양수 발전은 대규모 태양광 발전 및 풍력 발전에 대한 균형을 맞추는 데 특히 중요하며,^[16] 장거리 송전 용량 증가와 에너지 저장이 결합되면 재생 에너지원의 확장에 기여할 수 있다.^[17] 일부 지역에서는 높은 비확정 재생 에너지 전기 침투가 연간 출력의 40%를 공급하지만, 추가 저장이 필요하기 전에 60%에 도달할 수 있다.^[18]^[19]^[20]

수력 양수 발전에 필요한 물은 저장 용량 1기가와트시(GWh)당 초기 채움수 1기가리터 정도로 적으며, 부지 면적도 1기가와트시당 약 10헥타르로 작다.^[26] 폐쇄형 루프 양수 발전은 저장 단위당 탄소 배출량이 가장 적다.^[27]

양수 발전은 전력 수요와 공급을 평준화하기 위해 댐의 물을 이용하여 전력을 위치 에너지로 저장하는 거대한 축전지와 같다. 전력 수요는 냉난방 사용이 많은 시기에 최고가 되고 심야에 최저가 된다. 양수 발전은 심야와 휴일에 양수하고, 하절기 낮과 동절기 저녁에 발전하여 전력 공급력과 조정력을 제공한다.^[77]

또한, 양수와 발전의 빠른 전환이 가능하여 대규모 전원 탈락 및 수요 증가에 대비한 예비력 확보, 정전 시 전력 계통 복구를 위한 초기 전원, 그리고 조정력이 작은 전원(원자력, 대규모 화력, 유입식 수력, 지열, 태양광, 풍력 등)의 비율이 높은 시간대에 즉응성 조정력으로 활용된다. 특히 전력 계통이 독립적이고 전력 수요 변동이 큰 일본에서 양수 발전이 널리 보급되었다. 양수 발전은 전력의 교류 주파수를 변환하는 설비로도 이용 가능하다.

부속 서비스는 전력 계통의 수요와 발전량을 일치시키고, 전력, 주파수, 전압, 역률을 조정하며 공급 신뢰도를 확보한다.

주파수 제어: 플라이휠 효과, 가바나 제어, 부하 주파수 제어를 통해 변동 제어.
전압 제어: 조상 운전, 자동 전압 조정, 자동 역률 조정으로 전압 및 역률 조정.
조류 조정: 대규모 전원 탈락, 계통 연계 설비 사고 시 양수 차단, 발전 출력 조정으로 계통 안정도 유지, 과부하 해소, 대규모 정전 방지.
블랙 스타트: 광범위 정전 시 계통 복구용 초기 전원.
시험 부하: 대용량 발전소 차단 시험.
환경 규제 시 화력 발전 대체: 대기 오염 경보 시 등.

'''해수 양수 발전'''은 바다를 하부 저수지로 사용하는 방식으로, 댐 건설 비용을 절감하고 개발 가능 지점을 넓힐 수 있다. 그러나 해수 사용으로 인해 수차 및 수압 관로에 높은 내식성이 요구되며, 해양 생물 및 환경 영향도 고려해야 한다. 전원 개발이 건설한 오키나와 얀바루 해수 양수 발전소에서 실증 실험이 진행되었으나 2016년에 폐지되었다.^[89] 수력 발전소가 없고 다른 전력 회사와 연계가 불가능한 오키나와 전력에서는 조정력으로 활용되었다.

5. 기술 동향

양수 발전은 에너지 회수율이 70~80% 이상으로, 현재 대량의 전기에너지를 저장하는 가장 효율적인 방법 중 하나이다.^[8]^[9]^[10]^[11]^[12] 그러나, 자본 비용이 많이 들고 적절한 지형이 필요하다는 제약이 있다. 양수 발전 시스템은 에너지 밀도가 낮기 때문에 대규모 유량과 저수지 간의 큰 높이 차이가 필요하다.

양수 발전 시스템은 전력망 부하 변동을 완화하여 화력 발전소나 원자력 발전소와 같은 기저 부하 발전소가 최대 효율로 작동하도록 돕고, 피킹 발전소의 필요성을 줄여준다. 또한, 대규모 이종 발전기 그룹을 조정하는 데 중요한 역할을 한다. 양수 발전소는 수명이 길어(유틸리티 규모 배터리보다 3~5배) 높은 자본 비용을 어느 정도 상쇄한다.^[14]^[15] 전기 가격이 음수일 때 양수 발전 운영자는 이중 수익을 얻을 수 있다.

양수 발전 시스템은 전기 네트워크 주파수를 안정화하고 예비 발전을 제공하며, 화력 발전소보다 부하 변화에 빠르게 대응할 수 있다. 최근에는 간헐적 에너지원의 변동하는 출력을 경감하는 데에도 활용되고 있다. 특히, 태양광 발전 및 풍력 발전과 같은 대규모 재생 에너지원의 균형을 맞추는 데 중요하며, 장거리 송전 용량 증가와 에너지 저장이 함께 필요하다.^[16]^[17]

'''가변속 양수 발전'''은 펌프 수차를 가변속 발전 전동기로 구동하여 양수 시 소비 전력을 조절하는 기술이다.^[80] 이는 원자력 발전 및 대규모 석탄 화력 발전 증가, 주야간 전력 소비 차이 증대 등으로 인한 야간 조정 능력 부족 문제를 해결하는 데 기여한다. 또한, 재생 에너지 도입에 따른 전력 공급 과잉 문제를 해결하고, 복합 화력 발전 등 다른 발전 방식에 비해 출력 변화 속도가 빠르고 조정 가능 폭이 크다는 장점이 있다.^[81] 가변속 양수 발전은 펌프 수차의 효율을 높이고, 운전 시 손실을 줄일 수 있다.

1981년 히타치 제작소와 간사이 전력이 공동 개발을 시작하여 1987년 도야마현 나리데 발전소에서 세계 최초로 실용화되었으며,^[82] 이후 오코치 발전소에 세계 최대 용량(400MW) 발전기가 설치되었다.^[82]

회전자 여자의 비교
방식	개요	반도체	무효 전력	고전압화	부품 점수	발전 전동기의 용량
인버터/컨버터	일단 직류로 변환	자려식	소비하지 않음	필요	다	작게 할 수 있다
사이클로 컨버터	직접 교류로 변환	타려식	소비한다	용이	적다	커진다

기존형과 가변속 시스템의 비교
시스템	댐 용량 이용	지하 발전소의 공동 체적	전기 분 비용	수차 효율	운전 범위		출력 변화 속도
시스템	댐 용량 이용	지하 발전소의 공동 체적	전기 분 비용	수차 효율	발전 시	양수 시	통상 운전	과도 시
정속기		100%	100%	기준	50-100%	일정	0-100% /60초	불가능
가변속	보다 저수위로 운전 가능	105%	140%	최대 출력 시 0.5% 증가 중간 부하 시 2.5% 증가	30-100%	70-100%	0-100% /60초	20MW /0.1초
가변속의 비고		회전자 변환기	로터 여자 장치	회전 속도를 바꿈으로써 고효율 운전이 가능	수차의 특성 향상	입력은 속도의 세제곱에 비례	전기적으로 제어	관성 에너지를 전기 에너지로 고속 변환 가능

5. 1. 소규모 양수 발전

소규모 양수 발전은 대규모 양수 발전에 비해 규모의 경제를 달성하기 어렵지만, 몇몇 사례가 존재한다. 독일에서는 최근 13MW 규모의 프로젝트가 진행되었고, 셸 에너지(Shell Energy)는 미국 워싱턴 주에 5MW 규모의 프로젝트를 제안했다. 건물 내에 소규모 양수 발전소를 설치하려는 시도도 있었으나, 아직까지는 경제성이 입증되지 않았다.^[21] 대규모 저수지를 도시 경관과 조화시키기 어렵고, 수위 변동으로 인해 레크리에이션 용도로 활용하기 부적합하다는 문제점도 있다.^[21] 그러나, 기술적 단순성과 수자원 공급의 안정성 확보라는 측면에서 소규모 양수 발전의 외부효과를 긍정적으로 평가하는 의견도 있다.^[21]

5. 2. 지하 양수 발전

오하이오주 노턴에 제안된 서밋 프로젝트, 켄터키주에 제안된 메이즈빌 프로젝트(지하 석회암 광산), 뉴저지주의 마운트 호프 프로젝트 등 지하 저수지 사용이 연구되어 왔다.^[33] 마운트 호프 프로젝트는 이전 철광석 광산을 하부 저수지로 사용할 예정이었다. 핀란드 퓌해얘르비의 칼리오 부지에 제안된 에너지 저장소는 유럽에서 가장 깊은 비철금속 광산을 활용할 예정이며, 고도 차이는 1450m이다.^[34] 여러 새로운 지하 양수 발전 프로젝트가 제안되었으며, 이러한 프로젝트는 기존 지하 광산 공간을 사용하면 지상 프로젝트보다 킬로와트당 비용이 낮을 수 있다. 버려진 석탄 광산이 적합한 것으로 밝혀지면 지하 양수 발전 기회의 수는 증가할 수 있다.^[35]

호주 빅토리아주 벤디고에서는 벤디고 지속 가능성 그룹이 벤디고 아래의 오래된 금광을 양수 수력 에너지 저장에 사용할 것을 제안했다.^[36] 벤디고는 19세기 후반에 5,000개 이상의 갱구가 벤디고 아래에 뚫린, 세계에서 가장 많은 심층 수직 경암 광산이 집중된 곳이다. 가장 깊은 갱구는 수직으로 지하 1406m까지 뻗어 있다. 최근의 사전 타당성 조사는 750m 이상의 낙차를 사용하여 30MW의 발전 용량과 6시간의 가동 시간으로 이 개념이 실행 가능하다는 것을 보여주었다.

미국 기반의 스타트업 퀴드넷 에너지(Quidnet Energy)는 양수 저장을 위해 버려진 석유 및 가스 유정을 사용하는 것을 탐색하고 있다. 성공할 경우, 미국 내 3백만 개의 버려진 유정 중 일부를 활용하여 규모를 확대할 계획이다.^[37]^[38]

수압 파쇄를 사용하면 불투수성 지층, 예를 들어 셰일 암석에 압력을 지하에 저장할 수 있다.^[39] 사용된 셰일 암석에는 탄화수소가 포함되어 있지 않다.^[40]

5. 3. 고밀도 양수 발전

RheEnergise^[45]는 물보다 2.5배 밀도가 높은 유체("물에 미세하게 분쇄된 고체 현탁액"^[46])를 사용하여 양수 발전의 효율 개선을 목표로 하며, "동일한 전력량에 대해 프로젝트 규모를 2.5배 줄일 수 있습니다."^[47]

6. 한국의 양수 발전 현황 및 정책

(내용 없음)

6. 1. 현황

1934년 4월에 완공된 나가노현 노지리 호수 근처의 이케지리가와 발전소가 일본 최초의 양수 발전소이다.^[83] 그로부터 한 달 후, 1931년에 완공된 도야마현의 오구치카와 제3발전소에 양수 펌프가 추가 설치되어 양수 발전소로 운전을 시작했다.^[83]

다음은 일본에 건설된 양수 발전소 목록이다.

발전소명^[83]	인가 출력(kW)^[84]	수계	상지	하지	종류^[85]	운용 개시^[86]	소재지^[87]	사업자
니삿푸		니삿푸강	니삿푸 댐	하시모니삿푸 댐	혼합	1974년	홋카이도	홋카이도 전력
다카미		시즈나이강 니삿푸강 사루강	다카미 댐	시즈나이 댐	혼합 가능	1983년	홋카이도	홋카이도 전력
슈마리나이^[88]		이시카리강	우류 제1댐	미마타 취수 설비	혼합 가능	2013년	홋카이도	홋카이도 전력
교고쿠	()	시리베쓰강	상부 조정지	교고쿠 댐	순수	2014년	홋카이도	홋카이도 전력
이케지리가와		세키가와	노지리 호수	이케지리가와 조정지	혼합	1934년	나가노현	도호쿠 전력
누마자와누마		아가노강	누마자와 호수	미야시타 댐	순수	1952년	후쿠시마현	도호쿠 전력
다이 니 누마자와		아가노강	누마자와 호수	미야시타 댐	순수	1982년	후쿠시마현	도호쿠 전력
야기사와		도네강	야기사와 댐	스다카이 댐	혼합 가능	1965년	군마현	도쿄 전력
아즈미		시나노강	나가와토 댐	미즈토노 댐	혼합	1969년	나가노현	도쿄 전력
미즈토노		시나노강	미즈토노 댐	이나하카 댐	혼합	1969년	나가노현	도쿄 전력
신다카세가와		시나노강	다카세 댐	나나쿠라 댐	혼합	1979년	나가노현	도쿄 전력
타마하라		도네강	타마하라 댐	후지와라 댐	순수	1981년	군마현	도쿄 전력
이마이치		도네강	구리야마 댐	이마이치 댐	순수	1988년	토치기현	도쿄 전력
시오바라		나카가와	야시오 댐	자비가와 댐	순수 가능	1994년	토치기현	도쿄 전력
가와노가와	()	사가미강	가미닛카와 댐	가와노가와 댐	순수 가능	1999년	야마나시현	도쿄 전력
칸류가와	()	도네강	미나미아이키 댐	우에노 댐	순수	2005년	군마현	도쿄 전력
하타기 제1		오이가와	하타기 제1댐	하타기 제2댐	혼합	1962년	시즈오카현	주부 전력
다카네 제1		기소강	다카네 제1댐	다카네 제2댐	혼합	1969년	기후현	주부 전력
마세가와 제1		기소강	이와야 댐	마세가와 제2댐	혼합	1976년	기후현	주부 전력
오쿠야하키 제1		야하기강	구로다 댐	도미나가 댐	순수	1980년	아이치현	주부 전력
오쿠야하키 제2		야하기강	도미나가 댐	야하기 댐	순수	1980년	아이치현	주부 전력
오쿠미노		기소강	가와우라 댐	가미오오스 댐	순수	1994년	기후현	주부 전력
오구치카와 제3		조간지강	유노베 댐	마다치 댐	혼합	1931년	도야마현	호쿠리쿠 전력
미오		기소강	마키오 댐	기소 댐	혼합	1963년	나가노현	간사이 전력
기센잔		요도가와	기센잔 댐	아마가세 댐	순수	1970년	교토부	간사이 전력
오쿠타타라키		이치카와	구로카와 댐	다타라키 댐	순수 가능	1974년	효고현	간사이 전력
오쿠요시노		신구강	세토 댐	아사히 댐	순수	1980년	나라현	간사이 전력
오카와치		이치카와	오타 댐	나가타니 댐	순수 가능	1992년	효고현	간사이 전력
신나리하가와		다카야마강	신나리하가와 댐	다하라 댐	혼합	1968년	오카야마현	주고쿠 전력
미나미하라		오타강	묘진 댐	미나미하라 댐	순수	1976년	히로시마현	주고쿠 전력
마타노가와		히노강	도요 댐	마타노가와 댐	순수	1986년	돗토리현	주고쿠 전력
오모리가와		요시노강	오모리가와 댐	나가사와 댐	혼합	1959년	고치현	시코쿠 전력
아나이강		요시노강	아나이강 댐	한토 댐	혼합	1964년	고치현	시코쿠 전력
가게히라		나카가와	코미노노 댐	조안구치 댐	혼합	1968년	도쿠시마현	시코쿠 전력
혼가와		요시노강	이나무라 댐	오하시 댐	순수	1982년	고치현	시코쿠 전력
모로즈카		미미가와	모로즈카 댐	야마스하라 댐	혼합	1961년	미야자키현	규슈 전력
오오히라		구마강	우치다니 댐	아부라타니 댐	순수	1975년	구마모토현	규슈 전력
덴잔		마츠우라강	덴잔 댐	이와키 댐	순수	1986년	사가현	규슈 전력
고마루가와		고마루가와	오세우치 댐 가나스미 댐	이시코우치 댐	순수 가능	2007년	미야자키현	규슈 전력
구로마타가와 제2		시나노강	구로마타가와 제2댐	구로마타가와 제1댐	혼합	1964년	니가타현	전원 개발
이케하라		구마노강	이케하라 댐	나나이로 댐	혼합	19

6. 2. 정책 및 전망

1934년 4월에 일본 최초의 양수 발전소인 나가노 노지리 호수 근처의 이케지리가와 발전소가 완공되었다.^[83] 한 달 후, 1931년에 완공된 도야마의 오구치카와 제3발전소에 양수 펌프가 추가 설치되어 양수 발전소로 운전을 시작했다.^[84]

다음은 일본에 건설된 양수 발전소 현황 표이다.

발전소명^[83]	인가 출력 (kW)^[84]	수계	상지	하지	종류^[85]	운용 개시^[86]	소재지^[87]	사업자
니삿푸	200000kW	니삿푸강	니삿푸 댐	하시모니삿푸 댐	혼합	1974년	홋카이도	홋카이도 전력
다카미	200000kW	시즈나이강 니삿푸강 사루강	다카미 댐	시즈나이 댐	혼합 가능	1983년	홋카이도	홋카이도 전력
슈마리나이^[88]	1120kW	이시카리강	우류 제1댐	미마타 취수 설비	혼합 가능	2013년	홋카이도	홋카이도 전력
교고쿠	400000kW (600000kW)	시리베쓰강	상부 조정지	교고쿠 댐	순수	2014년	홋카이도	홋카이도 전력
이케지리가와	2340kW	세키가와	노지리 호수	이케지리가와 조정지	혼합	1934년	나가노현	도호쿠 전력
누마자와누마	43700kW	아가노강	누마자와 호수	미야시타 댐	순수	1952년	후쿠시마현	도호쿠 전력
다이 니 누마자와	460000kW	아가노강	누마자와 호수	미야시타 댐	순수	1982년	후쿠시마현	도호쿠 전력
야기사와	240000kW	도네강	야기사와 댐	스다카이 댐	혼합 가능	1965년	군마현	도쿄 전력
아즈미	623000kW	시나노강	나가와토 댐	미즈토노 댐	혼합	1969년	나가노현	도쿄 전력
미즈토노	245000kW	시나노강	미즈토노 댐	이나하카 댐	혼합	1969년	나가노현	도쿄 전력
신다카세가와	1280000kW	시나노강	다카세 댐	나나쿠라 댐	혼합	1979년	나가노현	도쿄 전력
타마하라	1200000kW	도네강	타마하라 댐	후지와라 댐	순수	1981년	군마현	도쿄 전력
이마이치	1050000kW	도네강	구리야마 댐	이마이치 댐	순수	1988년	토치기현	도쿄 전력
시오바라	900000kW	나카가와	야시오 댐	자비가와 댐	순수 가능	1994년	토치기현	도쿄 전력
가와노가와	1200000kW (1600000kW)	사가미강	가미닛카와 댐	가와노가와 댐	순수 가능	1999년	야마나시현	도쿄 전력
칸류가와	940000kW (2820000kW)	도네강	미나미아이키 댐	우에노 댐	순수	2005년	군마현	도쿄 전력
하타기 제1	137000kW	오이가와	하타기 제1댐	하타기 제2댐	혼합	1962년	시즈오카현	주부 전력
다카네 제1	340000kW	기소강	다카네 제1댐	다카네 제2댐	혼합	1969년	기후현	주부 전력
마세가와 제1	288000kW	기소강	이와야 댐	마세가와 제2댐	혼합	1976년	기후현	주부 전력
오쿠야하키 제1	315000kW	야하기강	구로다 댐	도미나가 댐	순수	1980년	아이치현	주부 전력
오쿠야하키 제2	780000kW	야하기강	도미나가 댐	야하기 댐	순수	1980년	아이치현	주부 전력
오쿠미노	1500000kW	기소강	가와우라 댐	가미오오스 댐	순수	1994년	기후현	주부 전력
오구치카와 제3	14500kW	조간지강	유노베 댐	마다치 댐	혼합	1931년	도야마현	호쿠리쿠 전력
미오	35500kW	기소강	마키오 댐	기소 댐	혼합	1963년	나가노현	간사이 전력
기센잔	466000kW	요도가와	기센잔 댐	아마가세 댐	순수	1970년	교토부	간사이 전력
오쿠타타라키	1932000kW	이치카와	구로카와 댐	다타라키 댐	순수 가능	1974년	효고현	간사이 전력
오쿠요시노	1206000kW	신구강	세토 댐	아사히 댐	순수	1980년	나라현	간사이 전력
오카와치	1280000kW	이치카와	오타 댐	나가타니 댐	순수 가능	1992년	효고현	간사이 전력
신나리하가와	303000kW	다카야마강	신나리하가와 댐	다하라 댐	혼합	1968년	오카야마현	주고쿠 전력
미나미하라	620000kW	오타강	묘진 댐	미나미하라 댐	순수	1976년	히로시마현	주고쿠 전력
마타노가와	1200000kW	히노강	도요 댐	마타노가와 댐	순수	1986년	돗토리현	주고쿠 전력
오모리가와	12200kW	요시노강	오모리가와 댐	나가사와 댐	혼합	1959년	고치현	시코쿠 전력
아나이강	12500kW	요시노강	아나이강 댐	한토 댐	혼합	1964년	고치현	시코쿠 전력
가게히라	46500kW	나카가와	코미노노 댐	조안구치 댐	혼합	1968년	도쿠시마현	시코쿠 전력
혼가와	615000kW	요시노강	이나무라 댐	오하시 댐	순수	1982년	고치현	시코쿠 전력
모로즈카	50000kW	미미가와	모로즈카 댐	야마스하라 댐	혼합	1961년	미야자키현	규슈 전력
오오히라	500000kW	구마강	우치다니 댐	아부라타니 댐	순수	1975년	구마모토현	규슈 전력
덴잔	600000kW	마츠우라강	덴잔 댐	이와키 댐	순수	1986년	사가현	규슈 전력
고마루가와	1200000kW	고마루가와	오세우치 댐 가나스미 댐	이시코우치 댐	순수 가능	2007년	미야자키현	규슈 전력
구로마타가와 제2	17000kW	시나노강	구로마타가와 제2댐	구로마타가와 제1댐	혼합	1964년	니가타현	전원 개발
이케하라	350000kW	구마노강	이케하라 댐	나나이로 댐	혼합	1964년	나라현	전원 개발

7. 다른 국가의 양수발전 현황

2009년, 세계 양수 발전 설비 용량은 104 GW였으며,^[51] 다른 자료에서는 127 GW로 주장하는데, 이는 모든 유형의 유틸리티 등급 전기 저장의 대부분을 차지한다.^[52] 유럽 연합은 총 수력 발전 140 GW 중 순 용량 38.3 GW(세계 용량의 36.8%)를 차지했으며, 이는 EU 전체 순 전기 용량의 5%를 차지한다. 일본은 순 용량 25.5 GW(세계 용량의 24.5%)를 보유하고 있다.^[51]

가동 중인 6개의 가장 큰 양수 발전소는 다음과 같다.

발전소	국가	설치 발전 용량 (MW)	저장 용량 (GWh)
펑닝 양수 발전소	중국	3,600	40
배스 카운티 양수 발전소	미국	3,003	24
광둥 양수 발전소	중국	2,400
후이저우 양수 발전소	중국	2,400
오쿠타라기 양수 발전소	일본	1,932
러딩턴 양수 발전소	미국	1,872	20
참고: 메가와트 단위의 발전 용량은 발전소 규모를 나타내는 일반적인 측정 단위이며 최대 순간 출력 전력을 반영한다. 기가와트시 (GWh) 단위의 에너지 저장은 상부 저수지의 크기, 고도 차이 및 발전 효율에 의해 결정되는 에너지 저장 용량이다.

2017년 양수 수력 발전 용량이 가장 큰 국가^[65]
국가	양수 발전 설비 용량 (GW)	총 설치 발전 용량 (GW)^[66]	양수 발전/ 총 발전 용량
중국	32.0	1646.0	1.9%
일본	28.3	322.2	8.8%
미국	22.6	1074.0	2.1%
스페인	8.0	106.7	7.5%
이탈리아	7.1	117.0	6.1%
인도	6.8	308.8	2.2%
독일	6.5	204.1	3.2%
스위스	6.4	19.6	32.6%
프랑스	5.8	129.3	4.5%
오스트리아	4.7	25.2	18.7%
대한민국	4.7	103.0	4.6%
포르투갈	3.5	19.6	17.8%
우크라이나	3.1	56.9	5.4%
남아프리카 공화국	2.9	56.6	5.1%
영국	2.8	94.6	3.0%
오스트레일리아	2.6	67.0	3.9%
러시아	2.2	263.5	0.8%
폴란드	1.7	37.3	4.6%
태국	1.4	41.0	3.4%
불가리아	1.4	12.5	9.6%
벨기에	1.2	21.2	5.7%

오스트레일리아는 건설 중이거나 개발 중인 15GW 규모의 양수 발전소를 보유하고 있다. 2018년 6월, 오스트레일리아 연방 정부는 태즈메이니아에 양수 발전소 부지 14곳을 확인했으며, 배스 해협 아래에 두 번째 연계선을 건설할 경우 4.8GW를 국가 전력망에 추가할 수 있다고 발표했다. 스노위 2.0 프로젝트는 뉴사우스웨일스주 스노위 산맥에 있는 기존 댐 두 곳을 연결하여 2,000MW의 용량과 350,000MWh의 저장 능력을 제공할 것이다.^[67] 2022년 9월, 퀸즐랜드주 중부 파이오니어-버데킨에 5GW 규모로 세계 최대 규모가 될 수 있는 양수 발전소(PHES) 계획이 발표되었다.

중국은 세계에서 가장 큰 양수 발전 설비 용량을 보유하고 있다. 2019년 1월, 중국 국가전망공사(State Grid Corporation of China)는 허베이성, 지린성, 저장성, 산둥성 및 신장 위구르 자치구에 총 6GW 규모의 5개 양수 발전소에 57억달러를 투자할 계획을 발표했다. 중국은 2020년까지 40GW의 양수 발전 설비 용량을 건설하려 한다.^[68]

미국 미주리 주에 있는 타움 소크 양수 발전소의 지형도 음영 기복 지도. 산 위에 있는 호수는 평평한 표면에 건설되었으며, 전체 둘레에 댐이 필요하다.

2010년, 미국은 21.5GW의 양수 발전 용량(세계 용량의 20.6%)을 보유했다.^[69] 2020년 미국에서 양수 발전은 21,073 GWh의 에너지를 기여했지만, 펌핑에 더 많은 에너지가 소비되기 때문에 −5,321 GWh (순)을 기록했다.^[70] 명판 양수 발전 용량은 2014년까지 21.6 GW로 증가했으며, 양수 발전은 미국 전력망 규모의 에너지 저장의 97%를 차지했다. 2014년 말 현재, 미국 내 새로운 양수 수력 발전소에 대한 FERC 허가 절차의 모든 단계에서 총 39 GW의 새로운 명판 용량을 가진 51개의 활성 프로젝트 제안이 있었지만, 당시 미국에서는 새로운 발전소가 건설 중이지 않았다.^[71]^[72]

이탈리아는 2003년에 양수 발전(''pompaggi'') 사용량이 약 8TWh로 최고조에 달했다.^[73] 수십 년 동안 이탈리아는 1980년대 자체 핵 프로그램이 중단되어 과잉 설비를 보유하고 있었으며, 따라서 양수 발전소는 주로 프랑스가 잉여 핵 전력을 거의 제로 가격으로 수출하는 야간에 가동된다.^[73] 2019년, 전력망 운영자는 이탈리아 중부 및 남부에 6GW의 추가 설비 건설을 원했다.^[73] 2024년, 에디슨(Edison)은 500MW의 새로운 설비를 계획했다.^[74]

노르웨이에는 총 설치 용량 1344 MW, 연평균 생산량 2247 GWh의 펌핑 능력을 갖춘 9개의 발전소가 있다. 노르웨이의 양수 발전은 다른 국가와 약간 다르게 건설되었다. 이들은 계절별 펌핑을 위해 설계되었다. 대부분의 발전소는 물을 무한정 순환시키지 못하고 한 번만 펌핑하여 재사용할 수 있다. 이러한 설계의 이유는 터널 설계와 하부 및 상부 저수지의 고도 차이 때문이다. 예를 들어, 뉘가르 발전소와 같은 곳은 여러 강에서 물을 끌어올려 저수지로 보낸다. 가장 큰 규모인 울라-푀레 단지의 일부인 사우르달 발전소는 160 MW 규모의 프란시스 터빈 4기를 갖추고 있지만, 그 중 2기만 가역 터빈이다. 하부 저수지는 발전소 자체보다 높은 고도에 위치해 있어, 펌핑된 물은 한 번만 사용된 후 터널 시스템 아래에 있는 다음 발전소인 크비달로 흘러가야 한다. 또한 하부 저수지 외에도 23개의 강/개울 및 소규모 저수지에서 물을 끌어올려 공급받는데, 이 중 일부는 이미 그 경로에 있는 더 작은 발전소를 거쳐 지나간다.

1892년, 스위스의 취리히에 발전기와 발전용 수차로 구성된 수차 발전기와, 전동기와 펌프로 구성된 양수기를 별도로 배치한(별치식) 세계 최초의 양수 발전소 Lettern 발전소가 완성되었다. 1910년대, 발전기와 전동기를 가역으로 하여 겸용하는 발전 전동기에, 발전용 수차와 펌프를 조합한 탠덤 방식이 개발되어, 이탈리아의 Vivone 발전소에 채택되었다. 1931년, 이탈리아 Lago Baiton 발전소 및 독일 Baldeney 발전소에, 발전용 수차와 펌프를 겸용하는 펌프 수차를 도입했다. 그 후 펌프 수차의 고효율화가 진행되어, 양수기는 대용량화의 길을 걷게 된다.

8. 새로운 기술

도시바와 도쿄 전력이 공동으로 연구·개발한 새로운 프란시스형 펌프 수차 러너인 '''스플리터 러너'''는 긴 날개(장익)와 짧은 날개(단익)가 교대로 배치된 것이 특징이다. 기존의 프란시스형 펌프 수차 러너는 날개(러너 베인)의 길이가 균일했다. 최신의 유체 역학에 의한 재설계와 함께 효율 향상과 진동·소음 감소를 실현했다.

스플리터 러너는 우선 도쿄 전력 아즈미 발전소 4호기에 채택되었다. 이후 아즈미 발전소 3호기도 스플리터 러너로 갱신되었다. 2005년 12월에는 영업 운전을 시작한 도쿄 전력 신류가와 발전소에서는 초고낙차에서의 사용에 대응한 장익 5개, 단익 5개, 총 10개의 날개를 가진 스플리터 러너가 채용되었다.

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