[환경] 수력 발전이란?

[ㅠ갸홋]

개요     수력발전이란 하천 또는 호소(湖沼) 등에서 물이 갖는 위치에너지를 수차를 이용하여 기계에너지로 변환하고 이것을 다시 전기에너지로 변환하는 발전방식이다.     즉, 물이 떨어지는 힘으로 수차(水車)를 돌리면 수차의 축에 붙어있는 발전기가 돌아가게 되어 전기가 발생하는 것이다.     이때의 발전기 출력은 낙차와 수량과의 곱에 비례하므로 수량은 지점별로 다르지만 그 양이 연간 강수량에 비례하므로, 수차에 큰 낙차가 작용할 수 있도록 인공적으로 댐을 막기도 하고 수로(水路)를 바꾸기도 한다. P[㎾] = 9.8 × Q[㎥/sec] ×H[m] ×ζ P : 理論水力, Q : 사용수량, H : 유효낙차, ζ:종합효율(수차효율×발전기효율)

II.

수력발전의 특징     수력발전은 국내 부존자원인 물을 이용하여 전력을 생산하므로 무공해 청정에너지이며 발전연료 수입 대체효과, 양질의 전력공급에 기여하고 있다. 기동과 정지, 출력조정 시간이 원자력이나 화력 등 기타 전력설비에 비해 빨라 부하변동에 대한 속응성이 우수하므로 첨두부하를 담당하여 양질의 전력공급에 기여하고 있다.     수력발전소는 외부의 전원없이 자체 기동이 가능하며 짧은 시간내에 전출력까지 송전할 수 있으므로 전지역 광역정전 또는 일부지역 정전시 인접한 계통으로 부터 수전이 불가능 하거나 수전에 30분 이상 소요될 때에는 정전된 지역내의 자체 기동 발전소를 가동하여 전력계통에 전력을 공급한다.     이렇게 수력발전은 계통 속응성을 활용하여 원자력 및 석탄화력의 대용량기가 불시에 고장으로 계통탈락하는 등 계통사고시에 대비한 상시대기 예비력으로 운용되어 전력계통 공급신뢰도 향상에 기여하고 있다.

III.

수력발전의 역할변동

1.

초기 단계의 수력발전

가.

세계의 수력발전
    원시형태의 수력이용은 BC 3세기경부터 탈곡과 제분에 물레방아를 이용해 왔으며, 현재와 같은 공학기계인 Francis Turbine이 1847년 발명된 이후 1882년 미국 Wisconsin주에 있는 Applet‎on 발전소가 최초의 수력발전소로 건설되었으며, 용량은 DC 10촉광 180등용 1대 였다.
    그후 최초의 교류발전기로 1891년 독일 Lanfen에 낙차 3m에 용량 250㎾ 3상 교류발전기 1대가 건설되어 110miles 떨어진 프랑크프루트까지 12㎸로 장거리 송전에 성공함으로써 수요지에서 원거리에 위치한 수력발전소 건설을 촉진하는 계기가 되었다.

나.

우리나라의 수력발전
    우리나라 최초의 수력발전소는 1905년 동양금광회사의 운산금광에서 자가용으로 청천강의 지류인 구룡강에 550㎾ Francis 수차를 설치, 가동한 것이며, 일반 영업용 전기사업의 수력발전은 1912년 12월 86㎾ 용량의 원산수력 전기(주)가 최초이다. 대규모 수력발전소를 건설한 것은 1929년 북한의 부전강수력으로 20만㎾이며, 그 후 장진강수력, 허천강수력 및 압록강 수풍수력이 개발되었다. 남한에서 수력발전은 1931년 운암수력(2,560㎾×2기)을 시작으로 1937년 보성강수력(3,120㎾), 1943년 청평수력 #1, 2Unit, 1944년 화천수력 #1, 2Unit, 1945년 칠보수력 #1Unit 등이 해방전에 개발되었으며 1960년대 경제개발 5개년 계획과 더불어 본격적인 수력발전소 건설이 추진되었다.

<우리나라 초기단계 수력발전소 건설내역>

년도	개발회사	발전소명	용량(㎾)	수계	비고
1905	동양금광회사	운산수력	550	청천강지류 구룡천	최초자가용
1912	원산수력전기(주)	원산수력	86		최초사업용
1929	조선수력전기	부전강수력	200,000	부전강
1931	남선수력전기	운암수력	5,120	섬진강
1937	조선수력전기	장진강수력	334,300	장진강
1937	보성흥업	보성강수력	3,120	섬진강지류 보성강
1940	부령수력전기(주)	부령천수력	28,640	두만강지류 부령천
1941	허천강수력전기(주)	허천강수력	354,600	허천강
1943	압록강수력발전(주)	수풍수력	735,000	압록강	중국과 공용
1943	한강수력발전(주)	청평수력	39,600	북한강
1944	한강수력발전(주)	화천수력	54,000	북한강
1945	남선전기(주)	칠보수력	14,400	섬진강

2.

수력발전의 역할 변화
    수력발전이 시작된 후 전력에 대한 수요는 끊임없이 높은 비율로 증가하였고 발전설비는 이에 따르지 못함으로 제한송전이 일반적으로 받아들여지던 시대가 있었다. 또한 수력발전만으로는 급증하는 전력수요에 공급을 감당할 수 없어 화력, 원자력, 유연탄 및 복합화력 등이 계속 건설되어 발전설비는 수주화종(水主火從)에서 화주수종(火主水從)으로 바뀌었고 수력발전의 역할 또한 변화되어 왔다.

<수력발전의 역할변화 추이>

구분	I	II	III	IV
	1931∼1960	1961∼1970	1971∼1980	1981∼1997 (수력)	1979∼1997 (양수)
건설 목적	기저부하	중간부하	다목적 첨두부하	첨두부하 다목적 탈유전원 확보	전기품질향상 전력계통안정 종합효율향상
이용률	60% 이상	30∼50%	25% 이하	25% 이하	20% 이하
해당 발전소	운암, 보성강, 화천#1, 2, 3, 청평 #1, 2, 섬진강 #1, 괴산	화천#4, 춘천, 청평#3, 의암, 섬진강 #2, 팔당	소양강, 대청, 안동	충주, 합천, 주암, 임하, 강릉, 섬진강 #3, 보성강(증설)	청평양수, 삼랑진양수, 무주양수

가.	제Ⅰ기 (기저부하용)     일제시대 미곡생산을 위한 관계용수 공급목적으로 댐을 건설하고, 건설된 댐의 수량과 낙차를 이용한 발전기를 설치하기 시작하였으며, 일제시대 말기에는 한강수계 개발을 시작으로 본격적인 수력발전을 시작하는 등 전력산업 초창기에 수력발전소는 기저부하를 공급하기 위해 건설되었다.     1945년 해방당시 전력설비 구성비를 보면, 북한은 수력 1,524㎿, 화력 34㎿이고, 남한은 수력 62㎿, 화력 137㎿로 북한이 남한의 약 8배의 설비를 보유하고 있었으며, 북한의 5.14 단전(1948년) 및 6.25 전쟁으로 남한의 전력공급능력은 극도로 부족하였으며, 전쟁 중 파손된 설비복구에 많은 노력을 기울이는 등 전력사업 기초를 닦는 어려운 시기였다.
나.	제Ⅱ기 (중간부하용)
다.	제Ⅲ기 (첨두부하용)     공업화 및 도시화의 진전으로 대규모 용수공급이 필요하고 매년 반복되는 홍수피해의 경감을 위해 다목적댐 건설이 시작되었고 전력수요가 급증함에 따라 기저부하 및 중간부하는 화력을 건설하여 담당하게 하고 주파수 조정과 첨두부하 공급을 수력에서 담당하게 되어 전력의 양적 공급능력 확보와 함께 전기품질 유지에 대한 중요성이 대두되기 시작하였다.
라.	제Ⅳ기 (전천후 첨두부하용)     '78년 고리원자력을 시작으로 대용량 원자력 및 유연탄화력의 건설로 양적 공급능력은 확보되었으나 전기품질 고급화 요구와 대용량 발전소의 계통 탈락시 또는 수요 급증시 순시 예비력 확보를 위한 첨두부하 전원으로 양수발전소를 건설하고 일반수력은 경제성 있는 입지의 고갈로 발전단일목적 댐의 건설은 극히 제한되었고 용수공급, 홍수조절 등 다목적 기능을 갖는 댐의 수력발전소는 설계 이용률 20% 내외를 기준하여 건설되어 오늘에 이르고 있다.

IV.

수력발전의 분류
    수력발전소는 취수방법, 운용방법에 따라 여러 가지로 분류된다.

1.

취수방법에 의한 분류

가.	수로식 발전소     하천의 경사에 의한 낙차를 그대로 이용하는 방식으로서 하천의 상·중류부에서 경사가 급하고 굴곡된 곳을 짧은 수로로 유로를 바꾸어서 높은 낙차를 얻는 발전소이다.     이 방식은 상류측에 취수댐을 만들어서 취수댐 → 취수구 → 침사지 → 수로 → 상수조 → 수압관 → 발전소 → 방수로 → 방수구의 순으로 연결하는 것이 보통이다.
나.	댐 식 발전소     하천을 가로질러 높은 댐을 쌓아 댐 상류측의 수위를 올려서 하류측과의 사이에 낙차를 얻고 이 낙차를 이용해서 발전하는 발전소이다.     댐에 저장되는 수량이 풍부할수록 경제적으로도 유리하고, 또 운용면에서도 바람직하므로 우리 나라에서는 경사가 완만하고 수량이 풍부한 한강계 중·하류부에 이 형식의 발전소가 많이 건설되고 있다 (춘천, 의암, 청평, 팔당, 소양강 발전소 등)
다.	댐 수로식 발전소     댐 식과 수로식을 병용한 것으로서 댐으로 얻어진 낙차와 하류부의 경사를 함께 이용하는 발전소이다.     우리 나라의 수력 발전소는 거의 모두가 전술한 댐 식 발전소이지만 북한강 상류에 있는 화천 발전소는 상류에 댐을 축조하고 여기서 저수한 물을 수로를 통해 하부의 발전소로 유도해서 발전하고 있으므로 대표적인 댐 수로식 발전소라고 할 수 있다.
라.	유역 변경식 발전소     어느 하천에 인접해서 다른 하천이 있고, 이 두 하천 사이에 큰 낙차를 얻을 수 있을 때 두 하천을 수로로 연결해서 그 낙차를 이용하는 발전소이다.

2.

운용방법에 따른 분류
    하천을 흐르고 있는 자연 유량을 어떻게 조절하느냐에 따라 유량의 사용법이 달라진다. 가령 홍수량을 모아 두었다가 이것을 갈수시에 방출하면 1년간을 통해서 유량이 평균화되어 안정된 유량을 얻을 수 있다. 또한 전력의 사용량이 적은 심야 등 경부하시에 유량을 모아 두었다가 수요가 가장 많은 첨두 부하시에 그 수량을 사용하면 이른바 피크(첨두시) 발전을 할 수 있다.
    이와 같이 하천 유량을 어떻게 사용하느냐에 따라서 수력 발전소는 다음과 같이 몇 가지로 나뉘어진다.

가.

유입식 발전소
    발전소 소정의 최대 사용 수량의 범위 내에서 하천의 자연 유량을 인공적으로 아무런 조절을 가하지 않고 그대로 발전에 이용하는 발전소이다.
    저수지 또는 조정지가 없는 수로식 발전소가 바로 이 방식이다. 유입식은 건설비가 염가로 되지만 그 대신 발생 전력은 자연 유량에 따라 달라지며, 또 이 자연유량도 계절에 따라 변동되기 때문에 부하 변화에 응해서 원활한 전력 공급을 할 수 없다는 결점이 있다.

나.

저수지식 발전소
    계절적인 하천의 유량 변화를 조정할 수 있는 대용량의 저수지를 가진 발전소로서, 가령 풍수기에 남는 물을 저수하였다가 갈수기에 방출해서 하천 유량을 장기간 (보통 1년간) 유효하게 이용하는 발전소이다.
    현재 우리 나라에서의 대표적인 저수지식 발전소의 유효 저수량을 보면 소양강댐이 약 19억 톤, 충주댐이 약 18억 톤이다.

다.

양수식 발전소

(1)

개 요
    조정지식 또는 저수지식 발전소의 일종으로 전력 수요가 적은 심야 또는 주말 등의 경부하시에 여유전력을 이용하여 하부저수지의 물을 높은 곳에 위치한 상부저수지에 양수하여 물을 저장하였다가 전력사용이 가장 많은 시간에 상부저수지의 물을 다시 하부저수지로 낙하시키면서 전기를 발생하는 방식이다.
    이 방식에는 상부 저수지에 하천으로부터의 자연 유입량이 있고 부족되는 수량만을 하부 저수지로부터 양수하는 혼합식 양수 발전소와 상부 저수지에는 전혀 자연 유입량이 없이 양수된 수량만으로서 발전하는 순양수식 발전소의 2가지가 있다.
    현재 우리 나라에서 운전중인 청평, 삼랑진, 무주, 산청 양수 발전소는 순양수식 발전소로서 총 239만㎾의 발전 능력을 갖추고 있다.

(2)

양수발전의 기능

○	양질의 전력공급 및 공급신뢰도 향상     전기는 특성상 수요변동에 따라 주파수, 전압 등이 수시로 변하는데 양수발전은 출력조절이 용이하고 기동·정지 시간이 다른 발전방식에 비해 짧아 첨두부하 담당하며 대용량 발전소(단위용량 50만∼100만㎾)의 예상치 않은 정지시 즉각 대응할 수 있는 기동성과 예비전력을 확보하므로써 전력공급의 안정과 신뢰도 향상에 기여
○	발전원가의 절감     원가가 낮은 심야의 여유전력을 이용하므로 대용량기의 출력감발 운전시 초래되는 기기의 수명단축, 효율저하 등을 방지하며 전력사용이 많은 시간대에 전력을 공급하므로 원가절감에 기여

라.

조정지식 발전소
    수로의 도중 또는 취수구 앞 (댐 식일 경우)에 조정지(regulating pond)를 설치해서 하천으로부터의 취수량과 발전에 필요한 수량과의 차를 이 조정지에 저수하거나 또는 방출함으로써 수시간 또는 수일간에 걸친 부하 변동에 대응할 수 있게 한 것이다. 이 방식은 유입식 발전소와 달라서 하천의 취수량 보다도 발전소 최대 수량을 상당히 크게 설계할 수 있다는 이점이 있다. 또 첨두부하(peak load)를 분담하는 경우가 많아서 그러한 경우에는 이것을 특히 피크(첨두용) 발전소라고 부르기도 한다.

마.

조력 발전소
    바닷물의 간만에 의한 해수위의 변화에 따른 낙차를 이용하는 발전소이다. 조력 발전소의 운전예로서는 프랑스의 랭스하구에서의 랭스 조력 발전소 (규모는 10,000㎾×24기의 240,000㎾)가 유명하다. 우리 나라에서도 충남의 가로림만을 중심으로 몇 군데의 조력 발전 계획을 검토한 결과 아직은 경제성이 낮아 시행이 보류된 상태이다.
    가로림만은 최대 조차 7.9m, 조지 면적 120㎢, 방조제 길이 2.1㎞, 시설 용량 40만㎾의 발전소를 건설할 수 있는 후보지로 알려지고 있다.

V.

수력발전 현황

1.

에너지원별 설비용량

구분	수력	석탄	중유및가스	내연및복합	원자력	계
용량[MW]	3,875	15,531	5,848	11,889	13,716	50,858
비율[％]	8	31	11	23	27	100

※	2001.11 현재

2.

수력발전설비 현황

발전소	용량[kW]	비고
<일반수력>
화천	108,000	한수원
춘천	57,600	"
의암	45,000	"
청평	79,600	"
팔당	120,000	"
괴산	2,600	"
섬진강	34,800	"
보성강	45,000	"
안흥	450	"
강릉	82,000	"
추산	1,400	한전
소양강	200,000	수공
대청	90,000	"
충주	412,000	"
합천	101,200	"
주암	22,500	"
임하	50,000	"
남강	14,000	"
용담	24,400	"
계	1,450,050	37.4%
<양 수>
무주	600,000	남동
삼랑진	600,000	서부
청평	400,000	남부
산청	700,000	동서
안동	90,000	수공
계	2,390,000	61.7%

발전소	용량[kW]	비고
<소 수 력>
포천	2,970
임기	1,100
동진	2,000
방우리	2,120
소천	2,400
덕송	2,000
단양	2,100
영월	2,800
금강	1,350
봉화	2,000
산내	820
광천	450
대아	3,000
정선	1,920
경천	800
반변	1,060
보령	701
부안	193
성주	1,800
운문	330
횡성	1,000
영천	1,000
밀양	500
계	34,414	0.9%

계

3,874,464

100%

VI.

수력발전소 위치도

VII.

기타

1.

수 차
    수차(water turbine)란 물이 보유하고 있는 에너지를 기계적인 에너지로 바꾸는 수력원동기(회전기계)이다. 수차는 물이 갖는 에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 방법에 따라 충동수차 및 반동수차로 나눈다.

가.	충동수차(impulse water turbine)     물을 노즐(nozzle)로부터 분출시켜서 위치 에너지를 전부 운동 에너지로 바꾸는 수차로서 펠톤수차(Pelton turbine)는 그 대표적인 예이다.
나.	반동수차(reaction water turbine)     물의 위치에너지를 압력에너지로 바꾸고 이것을 런너에 유입시켜 빠져나갈 때의 반작용으로 동력을 발생하는 수차로서 프란시스 수차(Fransis turbine)가 그 대표적인 예이다.

2.

수차의 분류

구분	수차종류	낙차(m)	발전소
충동형	펠톤수차	200∼1,800	강릉, 추산#2
반동형	프란시스 수차	50∼530	화천, 섬진강, 보성강, 안흥, 추산1, 소양강, 충주
	프로펠러 수차 [고정 날개형] [가동 날개형(Kaplan)] [원통형(Tubular)]	3 ∼ 90 3 ∼ 90 3 ∼ 20	청평#3 춘천, 의암, 청평#1·2, 괴산 팔당
	斜流 수차	40 ∼ 200	－
	펌프 수차 [프란시스형] [斜流형] [프로펠러형]	30 ∼ 600 20 ∼ 180 20이하	청평 양수, 삼랑진 양수, 무주 양수, 산청 양수 안동 양수 －

3.

기 타
    수차는 낙차에 따라 각기 다르게 적용된다. 대부분 프랜시스 수차가 쓰이고 있으나 낙차가 큰 곳에서는 펠톤 수차가, 저낙차에서는 프로펠러를 회전시키는 방식의 카플란 수차나 프로펠러 수차 등도 사용된다. 또한 팔당수력발전소와 같이 흐르는 물의 양은 많으나 낙차가 적은 곳에는 발브(Bulb) 수차가 쓰인다.

[홍수웅]

무주발전 은 정확하게 양수발전 임