수소력

[김동석]

내 용

• 소수력발전은 물의 유동을 이용한 시설용량 10,000㎾이하의 수력발전을 말함.
  (대체에너지개발 및 이용보급촉진법시행규칙 개정 2003. 1. 3)
  • 주) 시행규칙 개정전에는 시설용량 3,000kW이하('82. 3 소수력개발 기본 방침)
  • 미국 : 시설용량 15,000㎾이하
  • 중국 : 시설용량 25,000㎾이하
• 국내 소수력발전은 '82년 이후 정부 및 에너지관리공단의 지원으로 현재까지 30여개 지역에(용량 약 43,000kW) 설치되었으며, 연간전력생산량은 약 1억 kWh에 달하고 있음.
• 소수력발전은 전력생산외에 농업용 저수지, 농업용 보, 하수처리장, 정수장, 다목적댐의 용수로 등에도 적용할 수 있는 점을 감안할 때 국내의 개발잠재량은 풍부하며, 또한 청정자원으로서 개발할 가치가 큰 부존자원으로 평가받고 있음.

[포천 소수력 발전소(설비용량 : 2,940kW)]

시스템 구성도

[소수력발전시스템 구성도]

종류 : 설비용량, 낙차, 발전방식에 따라 분류

• 소수력발전은 소규모 하천의 물을 인공적으로 유도하여 저낙차 터빈을 이용한 발전방식으로 설비용량, 낙차 및 발전방식에 따라 다음<표>와 같이 분류될 수 있음.
  • 발전방식을 살펴보면
    • 수로식은 하천을 따라 완경사의 수로를 결정하고 하천의 급경사와 굴곡등을 이용하여 수로에 의해 낙차를 얻는 방식으로 하천경사가 급한 상·중류에 적합한 형식임.
    • 댐식은 주로 댐에 의해서 낙차를 얻는 형식으로 발전소는 댐에 근접해서 건설하고 하천경사가 작은 중·하류로서 유량이 풍부한 지점이 유리하며, 하천의 구배가 완만하나 유량이 풍부한 곳과 낙차는 크나 하천의 수위변동이 심한 지역을 택함.
    • 터널식은 댐식과 수로식을 혼합한 방식으로 지형상 지하 터널로 수로를 만들어 큰 낙차를 얻을 수 있는 곳에 설치하게 되므로 수로식 소수력발전의 변형이라 할 수 있음.
    [소수력발전의 분류]

    소 수 력	분 류			비 고
    	설비용량	Micro hydropower Mini hydropower Small hydropower	100kW 미만 100∼ 1,000kW 1,000∼ 10,000kW	국내의 경우 소수력발전은 저낙차, 터널식 및 댐식으로 이용 (예:방우리, 금강 등)
    	낙 차	저낙차(Low head) 중낙차(Medium head) 고낙차(High head)	2∼20m 20∼150m 150m 이상
    	발전방식	수로식(run-of-river type) 댐식(Storage type) 터널식(Tunnel type)	하천경사가 급한 중ㆍ 상류지역 하천경사가 작고 유량이 큰 지점 하천의 형태가 오메가(Ω)인 지점

    • 수로식(Run of river type) : 하천경사가 급한 상류지역
    • 댐식(Storage type) : 하천경사가 적은 중하류의 유량이 풍부한 지역
    • 터널식(Tunnel type) : 수로식과 댐식의 혼합방식으로 굴곡이 심한 하천지역
      
      
  • 우리나라는 대부분 토건비 부담등의 이유로 수로식이나 터널식보다 경제성이 있는 농사용 댐 등을 주로 이용하고 있는 실정임
    
    
• 소수력의 가장 중요한 설비는 수차(turbine)이며, 설비별 특징은 다음과 같음.
  [수차의 종류 및 특징]

  수 차	수 차 의 종 류			특 징
  	충격수차	펠톤(Pelton)수차 튜고(Turgo)수차 오스버그(Ossberger)수차		수차가 물에 완전히 잠기지 않는다 물은 수차의 일부방향에서만 공급되며, 운동에너지만을 전환한다
  	반동수차	프란시스수차(Francis)수차		수차가 물에 완전히 잠긴다
  		프로펠러수차	카플란(Kaplan)수차 튜브라(Tubular)수차 벌브(Bulb)수차 림(Rim)수차	수차의 원주방향에서 물이 공급된다. 동 압(dynamic pressure) 및 정압 (static pressure)이 전환된다.

  
  

소수력 발전의 장점과 단점

• 장 점
  • 국내 부존자원 활용
  • 전력생산외에 농업용수 공급, 홍수조절에 기여
  • 일단 건설후에는 운영비가 저렴
    
    
• 단 점
  • 대수력이나 양수발전과 같이 첨두부하에 대한 기여도가 적음
  • 초기 건설비 소요가 크고, 발전량이 강수량에 따라 변동이 많음

국내ㆍ외 기술개발 현황 및 동향

해외 현황

• 기술개발이 완료되어 상용화 보급됨.
• 미국은 '80년대에 소수력발전의 잠재지역을 조사하였으며, 90년대에는 수차의 표준화와 개도국에 대한 기술지원을 하여왔음.
• 일본은 80년대에 Sunshin계획의 일환으로 수차의 국산화개발과 소수력발전 시스템 자동화연구를 수행하였으며 90년대에는 New Sunshin계획으로 수차의 표준화개발을 완료하였음.

국내 현황

연구비 지원현황

• '91년부터 '2001년까지 소수력분야 2개 과제에 총537백만원을 투자하였으며 그 중 정부에서 430백만원 지원
  [표- 연구비 지원현황]

  구분＼년도		'88∼'95	'96	'97	'98	'99	2000	2001	계
  과제수	신 규	1	-	1	-	-	-	-	2
  	계 속	1	-	-	1	1	-	-	3
  	계	2	-	1	1	1	-	-	5
  사업비 (백만원)	정 부	143	-	111	94	82	-	-	430
  	민 간	-	-	33	40	34	-	-	107
  	계	143	-	144	134	116	-	-	537

기술개발내용

• 기술개발내용으로는 '99까지 카프란수차 설계기술 및 국산화개발, 튜브라 수차개발, 횡류형 수차개발을 하였으며 카프란수차개발은 국산화율이 95%이상으로 현재 상용화 보급 전단계에 있음.
  
  
• '99년도에는 국내 소수력 자원조사 및 개발 활성화 방안에 대한 연구를 수행한 바 있으며, 2002년도에는 국내에 산재되어 있는 농업용저수지 및 다목적댐을 이용하기 위한 중·저낙차용 프란시스수차 기술개발을 착수하였음.
  • 수차개발
    • 카프란수차 설계기술 및 국산화개발
    • 튜브라 수차개발
    • 횡류형 수차개발
  • 소수력 자원조사 및 최적 운용기술
    
    
• 향후 소수력분야의 기술개발은 상용화를 위한 기술개발로서 설비표준화 및 효율향상기술 및 시스템 자동화 기술을 중점적으로 개발할 계획임.
  [소수력 기술개발 기본계획]

  구 분	제1단계	제2단계	제3단계	제4단계
  계획기간 개발목표 보급목표	'88∼'91 연구기반구축 (0.4%)	'92∼'96 실용화 기반구축 (0.6%)	'97∼2001 기술자립달성 (1.02%)	2002∼2006 기술의 상용화 (2.0%)

  • * 보급목표는 총에너지 수요중 대체에너지 보급률을 나타냄

기술개발결과 및 실용화 관련

소수력분야에서 가장 핵심이 되는 것은 수차이며, '97∼'99까지 대체에너지기술개발사업으로 국산 카플란 수차가 개발되어 보급 전단계에 있음 전반적으로 국산화율이 95%이상 되는 분야임

기술개발결과 및 실용화 관련

해외 소수력 보급현황

• 소수력발전소는 전 세계적으로 매우 광범위하게 운영되고 있다. 아시아권에서는 중국이 58,000개소(13,250MW), 일본이 600개소(538MW)로써 가장 많이 운영되고 있으며, 미국은 1,715개소(3,420MW), 유럽의 경우 독일 5,882개소(341MW), 프랑스1,479개소(1,646MW), 이태리 1,420개소(1,969MW), 스웨덴 1,346개소(8,406MW), 스페인 1,102개소(1,010MW), 노르웨이 227개소(806MW) 등으로 매우 많은 소수력발전소가 건설, 운영되고 있음.
• 1개소당 발전용량을 살펴보면 중국은 228㎾, 일본은 896㎾, 유럽은 평균 1,200㎾인 반면 우리나라의 경우에는 1개소당 평균발전용량이 약 1,500kW로 외국에 비하여 비교적 큰편임. 특히 독일의 경우 소수력발전소 1개소당 평균발전용량은 58kW로 매우 작은바, 이는 주어진 부존에너지를 최대한 활용하고 소수력발전소건설및 운영에 대하여 정부에서 많은 지원을 하기 때문으로 알려져 있음.
• 일반적으로 수력발전은 자연낙차가 크고 발전용량이 증가할수록 경제성이 향상되지만, 외국의 경우처럼 소규모용량의 소수력발전이 활성화 된것은 중ㆍ저낙차 소용량이면서 대용량에 비하여 경제성면에서 뒤떨어지지 않는 중ㆍ저낙차용 수차를 개발, 보급하여 경제성을 향상시켰기 때문임.

국내 소수력 보급현황

• 우리나라의 소수력개발은 1982년 제정된 '소수력 개발 활성화 방안'이 공포되면서부터 시작되었음.
• 현재 전국에 30개소의 소수력발전소가 운영되고 있으며, 설치장소는 하천(15개소), 기존댐(10개소)이 주를 이루고 있으며, 저수지(4개소), 하수처리장(1개소)에도 일부 설치되어 있음.
• 설치된 발전설비 용량은 총42,820kW로써 이는 의암댐의 발전용량(45,000kW)에 근접하는 용량으로 외국에 비하면 아직은 미미한 형편임.
• 2002. 5월 현재 개발추진중인 소수력발전소는 23개소에 총설비용량은 16MW로서 일반 하천뿐만 아니라 경제성향상을 위하여 기존댐 등의 구조물을 이용한 소수력개발과, 지방자치단체, 수자원공사, 농업기반공사 등 공공기관이 사업주체가 되어 적극적인 개발을 추진하고 있으며, 특히 중ㆍ저낙차 소수력개발 입지인 농업용 저수지와 다목적댐의 소수력개발에 주력하고 있음.
• 소수력자원면에서 유럽의 여러나라에 뒤지지 않는 우리나라에서 소수력발전소 건설이 활성화되지 않는 이유는 소수력발전소 운영에 따른 경제성이 향상되지 않기 때문인 것으로 분석됨.
• 따라서 소수력발전소의 경제성을 향상시키기 위해서는 우리나라의 소수력자원 특성에 적합한 중ㆍ저낙차용 수차발전기를 국산화 개발과 이에 따른 수차발전기의 제작비용 및 소수력발전소 건설비를 절감하고, 또한 수차발전기 운영에 따른 유지비의 절감이 필요한 실정임.
  [표1-국내의 소수력발전소 건설 및 운영현황]

  발전소	용량(kW)	개발위치	비 고	발전소	용량(kW)	개발위치	비 고
  동 진 임 기 방우리 소 천 금 강 봉 화 단 양 산 내 광 천 영 월 덕 송 안 흥 괴 산 추 산 합 천2	2,000 1,100 2,120 2,400 1,350 2,000 2,100 820 450 2,800 2,000 450 2,600 1,400 1,200	전북 정읍 경북 봉화 충남 금산 경북 봉화 충북 옥천 경북 봉화 충북 단양 전북 남원 전남 승주 강원 영월 강원 정선 강원 횡성 충북 괴산 경북 울릉 경남 합천	저수지 하 천 하 천 하 천 하 천 하 천 하 천 하 천 기존댐 하 천 하 천 하 천 하 천 하 천 기존댐	정 선 봉 정 대 아 경 천 반 변 포 천 보령(I) 부 안 운 문 보령(II) 성 주 횡 성 밀 양 영 천 아 산	1,920 1,920 3,000 800 1,060 2,970 145 193 330 556 1,800 1,000 1,300 1,000 36	강원 정선 강원 정선 전북 완주 경북 문경 경북 안동 경기 포천 충남 보령 전북 부안 경북 청도 충남 보령 경북 성주 강원 횡성 경남 밀양 경북 영천 충남 아산	하 천 하 천 저수지 저수지 기존댐 하 천 기존댐 기존댐 기존댐 기존댐 저수지 기존댐 기존댐 기존댐 하수처리장

  [표2-개발 추진중인 소수력발전소 현황]

  구분	발전소명	설비용량	사업자	비 고
  개 발 추 진 중	양 양	1,400	한국전력공사
  	안 동 용 담 대곡댐 탐진댐 성남정수장 와부정수장 판교가압장 칠보취수장 운 문 사연댐 안계댐	1,500 1,800 300 550 1,050 260 650 380 470 300 450	한국수자원공사
  	동화댐 장성댐 예 당 담 양 나 주 탑 정	1,000 1,200 700 1,400 1,300 500	농업기반공사
  	안 양 천 안 청 주 전 주 사 연	400 45 80 90 200	지자체(하수처리장) " " " 지자체(정수장)
  	합 계	16,025

  [국내의 소수력에너지 보급잠재량]

  구 분	지점수	개발가능용량(kW)
  일반하천 하수처리장 정 수 장 농업용저수지 농업용보 다목적댐의 용수로	120 55 58 163 100 6	147,000 5,300 2,500 48,000 5,000 6,744
  합 계	502	227,544

  • * 1999년, 한국에너지기술연구원 연구보고서 인용

참고

국내보급추이

• 소수력발전의 판매단가는 '82년도 한전 화력(석유)발전소 연료비 단가의 90%, '83년에 연료비 단가의 100%적용키로 하였으며, '84년도의 정부고시 판매단가는 40.29원/㎾h로 경제성 있었음.
  
  
• '82년 당시 예상으로는 '90년대는 원유가격의 계속적인 인상으로 소수력발전 판매단가도 연동 인상될 경우 약 120원/㎾h 정도로서 '90년대에는 손실을 보전하고 이익이 발생될 것으로 기대되어 개발을 착수함
  
  
• 그러나, 유가의 지속적 안정으로 '85년에 38.25원/㎾h, '86년에 38.45원/㎾h로 판매단가가 인하되었고, '87년 이후에는 주변 상황 변화에 비해 매입가격이 현실적이지 못했음.
  
  
• 이에 따른 경제성 상실로 소수력발전소의 신규개발이 거의 중단되었으며, 최근에는 기존 농업용 댐 등을 이용하는 사업이 일부 추진되고 있는 실정임
  [한전 소수력발전 매입단가의 변화 추이]

  연 도	'84	'85	'86	'89	'91	'95	'96	'97	'98	'99	2000	2001
  매입단가(원/㎾h)	40.29	38.25	38.45	38.45	41.67	48.09	48.38	49.94	54.84	60.93	60.23	63.51

  
  
• 주요 국가의 소수력발전 전력 구매 현황
  • 독 일 : 전력회사 판매가격의 75%
  • 프랑스 : 전력회사의 판매단가
  • 미 국 : 주별로 산정되어 있는 회피원가(Avoided Cost)
  • 일 본 : 소수력발전소의 총괄원가

외국의 소수력발전 육성 전략

• 미국 : 1978년 제정된 PURPA(Public Utility Regulatory Policies Act)에 의해 지원
  • 주요내용
    • 신재생에너지원에 의한 발전전력을 전력회사가 의무구입
    • 전력회사의 발전단가로 매입 (각 주마다 상이함)
    • 전기법인체, 산업개발기관, 비영리단체 또는 개인개발비의 75%까지 융자
      
      
  • 주요장려책 : US$ 0.015/kWh 의 소득세 감면 또는 자치기구와 같이 세금 미부과 기구에는 US$ 0.015/kWh의 생산장려금 직접 지원 (근거 National Energy Polich Act, 1992년 제정)
    
    
• 독일 : the Electricity Feed Law, 1991년 제정
  • 주요내용
    • 신재생에너지원에 의한 발전전력을 전력망에 연계 및 생산전력 판매허용
    • 전력판매가의 65-90%로 매입가격 보장
      
      
  • 주요장려책 : 총투자비의 최대 25% 지원
    
    
• 일 본 : 분산형 전원의 생산전력 매입정책(平成 4년), 중소수력발전 개발 보조금
  • 주요내용
    • 폐기물발전, 연료전지, 태양광 발전, 풍력발전, 열병합발전 등 자가발전 전력의 매입
    • 전력회사의 판매단가를 매입단가로 규정
    • 공영전기사업자, 기타 전기사업자, 자가용발전설치자에 대해 보조지원 (5∼15%)
      
      
  • 주요장려책 : 지역별로 17-28엔/kWh의 전력구매
    
    
• 덴마아크 : Danish Energy Policy 1995, Energy 21
  • 주요내용 : 1975년부터 개인소유 발전시스템을 전력망 연계 운전가능
  • 주요장려정책
    • 계통연계 설비비용을 전력회사와 공동부담
    • 0.17dkk/kWh의 생산장려금 지급 및 탄소세 환급금으로 0.1dkk/kWh지원
      
      
• 중 국 : MEP(Ministry of Electric Power)에서 지원
  • 주요내용 : 전력망 연계와 전력매입 의무화
  [국가별 소수력발전소 운영 현황]

  국 명	발전소 수	용량(MW)	국 명	발전소 수	용량(MW)
  중 국 일 본 한 국 미 국 카나다 브라질	58,000 600 21 1,715 321 232	13,250 538 38 3,420 1,056 483	오스트리아 프랑스 독 일 이태리 스페인 스웨덴	1,200 1,479 5,882 1,420 1,102 1,346	320 1,646 341 1,969 1,010 8,406

  • * 독일의 경우 소수력발전소 1개소당 평균발전용량은 58kW로써, 이용가능한 소수력자원을 적극적으로 개발하여 사용하고 있음.
  [국가별 수차 표준화 현황]

  수차제작회사	국 명	수차형식	표준화내용
  Allis-Chalmer Co	미 국	Tube	D = 750 ∼ 3,000㎜
  Fuji	일 본	TubeBulb	D = 750 ∼ 3,000㎜ D = 1,250 ∼ 2,000㎜
  CMEC	중 국	Francis	D = 300 ∼ 1,000㎜
  Sorumsand-Verksted	노르웨이	Tube	D = 100 ∼ 2,400㎜
  Bofors-Nohab	스 웨 덴	Bulb	D = 500 ∼ 3,000㎜
  Neyrpic	프 랑 스	"	D = 800 ∼ 1,800㎜

  • ※D : 수차직경
  [소수력용 수차(300∼1,000㎾급) 생산업체 수 현황]

  국 명	생산업체수	국 명	생산업체수	국 명	생산업체수
  Canada USA Cuba Mexicㅇ Cㅇsta Rica Cㅇlㅇmbia Peru Brazil Bㅇlivia Chile Argentina Finland Sweden Nㅇrway	4-6 7 이상 1-3 1-3 4-6 1-3 7 이상 4-6 1-3 4-6 1-3 1-3 4-6 1-3	U.K. Netherlands Germany Irish. Rep. Belgium France Pㅇrtugal Spain Austria Italy Slㅇvenia Rㅇmania Hungary Czech. Rep.	7 이상 7 이상 4-6 1-3 1-3 4-6 1-3 4-6 4-6 4-6 1-3 1-3 1-3 1-3	Tanzania Sri Lanka India Pakistan Nepal Indㅇnesia Singapㅇre Vetnam China Japan Australia New-Zealand	1-3 1-3 4-6 1-3 7 이상 1-3 1-3 1-3 7 이상 4-6 1-3 1-3