[기획] 친환경에너지시장 핵심 수력발전, 향후 과제는?
[기획] 친환경에너지시장 핵심 수력발전, 향후 과제는?
  • 김병욱 기자
  • 승인 2020.05.11
  • 댓글 0
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수력발전, 국산화·현대화로 세계시장 잡아야
생산시간 짧아 전력 수요 변화 민첩 대응
국내 개발 잠재량 풍부해 청정자원 가치 커
용수·전력공급 외 남북관계 개선 역할 기대
기자재 국산화·노후설비 현대화 등 과제
청평수력발전소.
청평수력발전소.

[투데이에너지 김병욱 기자]  수력발전은 용수공급이라는 기본적인 역할 외에도 어떤 상황에서도 전기를 만들어낼 수 있고 짧은 시간에 전력수요를 감당할 수 있어 우리나라뿐만 아니라 전세계가 자국의 주력 발전소로 의지하고 있는 분야다.

특히 토목공사를 제외하고 저렴한 운영비용으로 꾸준하게 전기를 생산할 수 있다는 점에서 많은 장점을 보유하고 있지만 막상 수차 등 각종 기자재에 대한 국산화 및 핵심 원천기술 확보는 미흡했던 것이 사실이다.

이에 국내 수력발전의 현황을 살펴보고 국내 대표적인 발전공기업으로서 수력발전소 확대와 핵심기술 확보로 용수공급과 친환경에너지 공급 역할에 앞장서온 한국수력원자력의 향후 사업계획 등을 통해 향후 수력발전산업의 가능성을 전망하고 국내 산업성장을 위해 필요한 과제는 무엇인지 짚어보고자 한다.
/편집자 주


수력발전이란 흐르는 물에 의해 회전하는 터빈, 즉 수차를 이용해 교류발전기를 작동시켜 전기를 얻는 방식을 말한다.

한국에너지정보문화재단에 따르면 수력발전은 물의 위치에너지와 운동에너지의 전환 현상을 이용한다. 높은 곳에 있는 물은 큰 위치에너지를 가지고 있어 물을 아래로 떨어뜨리면 높이 차이 만큼에 해당하는 위치에너지가 운동에너지로 전환된다. 물이 쏟아지면서 수차에 운동에너지를 전달하면 발전기의 회전자에 연결된 수차가 회전해 전기를 생산한다.

주로 하천이나 호수에 인위적으로 댐을 설치해 상류의 물을 막은 후 수문을 제어해 물을 하류로 거세게 흘려보내게 된다.

이때 물이 흐르는 통로에 수차를 설치해 물의 힘을 통해 교류발전기를 작동시키고 교류를 얻게 된다. 얻은 전기는 다시 변압기를 통해 고전압으로 변환된 후 송전선을 통해 바깥으로 운송된다.

물이 세차게 흐르게 하기 위한 방법에는 여러 가지가 있는데 원래 흐르던 강물을 막도록 수력발전소를 건설하는 방법, 유역을 변경하도록 발전소를 건설해 큰 낙차를 유도하는 방법, 또는 저지대의 물을 전력사용량이 적은 시간대에 펌프를 이용해 고지대로 길어 올려 다시 물을 흐르게 하는 방법 등이 구현되고 있다.

원자력발전에 비해 전력 수요에 즉각적으로 대응할 수 있다는 장점이 있다.

수력발전은 19세기 말까지 거슬러 올라갈 정도로 전통이 깊은 발전 방법이다. 우리나라에서도 평안북도의 운산수력발전소가 구한말에 건설됐을 정도로 오랜 역사를 지니고 있다. 휴전선 남쪽에서는 보성강수력발전소가 1937년에 건설됐다.

현재도 수력은 전력망을 구축하는 국가가 가장 먼저 고려하는 발전방식이다. 강이 마르지 않는 한 어느 에너지원보다도 안정적으로 사용할 수 있기 때문이다. 대규모 토목공사만 감당할 수 있으면 저렴한 운영비용으로 꾸준하게 전기를 생산할 수 있다.

에너지정보문화재단은 안정성이 대단히 중요한 특징으로 어떤 상황에서도 전기를 만들어낼 수 있다는 뜻이기 때문에 우리나라를 포함한 대부분의 국가에서 수력발전은 유사 시 전력을 복구할 때 ‘방아쇠’ 역할을 한다고 강조했다. 전국의 전력망이 파괴된 상황에서 권역별로 두 곳씩 지정된 수력발전소가 전기를 다시 만들어내기 시작하면 이 전기를 이용해 다른 발전소가 차례차례 가동하면서 발전시스템을 가동함으로써 전력을 복구할 수 있다는 것이다.

수력발전은 전력을 생산하는 시간이 5분 이내로 짧아서 전력 수요량 변화에 가장 민첩하게 대응할 수 있다. 이러한 민첩성 덕분에 전력 수요가 최고조에 달한 시간대에 전력을 공급하기 적합하며 수차가 돌아가는 속도가 일정하고 발전 전력의 주파수가 균일해서 전력 품질을 유지하는 기능도 한다.

우리나라의 경우 의암댐, 팔당댐 등 유입량에 비해 물을 가둬두는 양이 작아서 저수지의 조절 능력이 없는 발전소를 제외하면 국내의 모든 수력발전소가 하루 4~5시간 정도 수요량이 높을 때만 운전하는 ‘첨두운전’을 하고 있다.

수력발전은 발전단가의 장기 안정성을 보장하는 역할도 한다. 수력발전은 부지매입이나 건설과 같은 초기 투자비가 많이 필요해 발전원가의 대부분을 차지한다. 그러나 연료비가 거의 들지 않기에 타 전원과 비교했을 때 발전단가가 싸고 장기적으로 봤을 때 안정적이다.

또한 수력을 이용해 발전을 하고 있는 시간에는 수력에서 생산된 전력량만큼 수력보다 비싼 화력발전소가 가동되지 않기에 전력 가격을 낮추는 요인이 되기도 한다. 무엇보다 유가 폭등과 같은 연료비 변동에 별반 영향을 받지 않기에 화력발전에 비해 전력 요금 안정화에 기여하는 바가 높다고 할 수 있다.

에너지정보문화재단에 따르면 수력발전은 그 구조가 간단해 발전효율에 크게 신경쓰지 않는다면 개인이 작은 수력발전 장치를 직접 만들어 설치할 수도 있다. 이러한 소규모 수력발전은 소수력발전, 소규모 수력발전이라고도 하며 최근 설치 건수가 증가 추세다. 규모나 출력이 특히 작은 수력발전을 특별히 마이크로수력이라고 하며 전력수요가 매우 적은 곳에서 꼭 필요한 양만큼의 전기를 얻는 데 주로 활용된다.

소수력발전은 전력 생산 외에 농업용 저수지, 농업용 보, 하수처리장, 정수장, 다목적댐의 용수로 등에도 적용할 수 있는 점을 감안할 때 국내의 개발 잠재량은 풍부하며 청정자원으로서 가치가 크다. 향후 소수력발전이 보다 발전하게 되면 분산전원으로서의 역할이 커질 것으로 기대된다.

■ 친환경에너지시장 ‘핵심’

수력발전은 전세계에서 친환경에너지 및 전력시장의 핵심으로 주목받고 있다. 해외 수력시장에선 사업지점 및 전력시장 여건에 따라 적게는 10MW에서 크게는 1,000MW까지 다양한 규모의 건설이 가능하다는 장점이 높게 평가받고 있다.

특히 신규건설, 노후수력 성능개선, O&M, 기술감리 등 참여분야가 다양하고 화력•원자력대비 소규모 사업으로 지분투자 및 재원조달이 용이하다는 점도 긍정적인 평가를 받는다.

특히 개발 잠재용량이 풍부하고 신규발전소 건설이 활발하게 진행되는 등 친환경 수력발전소 건설에 대한 수요가 급증하고 있다. 이에 국제 금융기관에서 참여하는 IPP 및 EPC사업 기회가 풍부하다는 평가다.

이에 한수원은 해외 수력발전시장 진출을 위한 적극적인 전략을 준비하고 있다. 투자수익률이 양호한 국가를 목표로 외국인 투자 제도가 우수한 국가를 거점으로 선정해나가고 있다. 특히 국제금융기관 참여와 IPP (독립민자발전사업), EPC (설계, 조달, 시공) 형태로 사업안전성을 확보하고 국내기업과 전략적 상생 협력을 전제한 동반성장 효과까지 기대되고 있다.

현재 △미국 △캐나다 △페루 △브라질 △칠레 △인도 △파키스탄 △네팔 △베트남 △말레이시아 △인도네시아 △라오스 △호주 등 권역별 후보국 중에서 신규 설치 가능한 수력발전 용량이 1만5,000MW 이상인 국가, 수력 개발을 적극적으로 추진 중인 국가, 외국 투자 용이성, 경제·산업 성장률이 높아 전력공급 증가요인이 큰 국가를 대상으로 사업대상을 선정해나갈 방침이다.

한수원은 노후설비 현대화 및 설비 대체 등 현대화 사업에 1조원, 포천, 홍천, 영동양수 등 신규 양수발전소 건설에 3조원, 파키스탄, 조지아, 인도네시아 등 해외 수력발전소 건설사업 개발에 3조원을 투입할 계획이다.

특히 조지아 츠케니스트칼리사업은 조지아 수도 트빌리시(Tbilisi) 북서쪽 310km 지점의 츠케니스트칼리 강에 설비용량 192.5MW규모의 수력발전소를 건설·운영하는 BOO(Build-Own-Operate: 민간이 주도해 소요자금을 조달, 건설하고 소유권을 가지고 운영하는 방식)사업이다.

오는 2021년부터 건설을 시작, 2026년 완공해 한수원이 영구적으로 소유·운영하는 것으로 장기적인 전력판매 수익이 기대된다.

■ 수력, 남북관계 개선에도 기여

한수원은 남북 관계 개선을 위한 방법으로 수력발전도 중요할 것으로 보고 이를 위한 대응이 필요하다고 분석하고 있다.

북한 수력발전소의 주력은 15~30MW급인데 비해 국산 수차 기술은 10~15MW급에 머물러 있어 수력발전의 핵심 장비인 수차 개발이 시급하다.

한수원과 에너지경제연구원 등의 조사에 따르면 현재 북한의 발전체계는 수력이 60%, 화력이 40% 정도를 차지해 수력발전이 주력이다.

수력의 발전 용량은 약 4,701MW 정도로 파악되고 이중 절반에 가까운 2,265MW(48.2%)의 발전이 40년 이상된 노후수력 발전소를 통해서 이뤄진다. 발전소로 따지면 제원이 파악된 63개소 중 33개소가 이에 해당한다.

남북 경협이 본격화될 경우 필수적으로 전력을 확보해야 하는데 현재로서는 노후된 북한 수력발전소를 현대화하는 것이 가장 경제적인 방법이다. 특히 발전소 인근 지역의 지하자원 개발과 연계할 경우 사업비 확보도 용이해지는 이점이 있다.

수력 현대화사업 경험이 있는 한수원의 실적을 토대로 계산하면 북한 노후 수력 현대화는 MW당 평균 약 10억원 내외의 사업비와 호기당 36개월 정도의 기간이 소요될 것으로 보인다.

북한 전체로 따지면 약 5조원 가량(4,701MW×10억원)의 시장이 열리는 셈이다. 20년간 나눠 사업을 진행하더라도 매년 2,500억원 가량의 사업이 가능하다.

현재 국내 수력발전 기술은 선진국에 비해 크게 미흡한 수준이며 특히 발전의 주기기 제작분야가 뒤쳐진다.

국내 수력산업은 규모가 작은 10MW 이하 소수력에 집중돼 있으며 중·대형 수력은 일본, 유럽 등 해외제작사의 기술에 의존하고 있다.

국내 중대수력 기자재는 두산중공업이 Alstom과 라이센싱으로 제작해(원천 설계기술 없음) 공급했으며 소수력 기자재는 대양수력, 신한정공 등 중소기업이 공급하고 있다.

특히 15MW 이상급 중대수력용 수차발전기의 경우 수력설계, 구조설계, 제작기술 등 원천기술 미확보로 북한 수력시장 진출을 위한 경쟁력 확보가 어려운 상태다. 주기기 국산화가 이뤄질 경우 나머지 부품은 중소기업이 맡을 수 있어 자연스럽게 수력발전 산업이 함께 발전할 수 있게 된다.

수력발전을 담당하고 있는 한수원이 2012년부터 4년간 정부 지원금 120억원을 포함, 총 265억원의 연구비를 들여 15MW급 프란시스 수차 국산화 기술개발에 성공했으나 북한의 주력 설비인 15MW ~30MW급 기술 개발은 아직 이뤄지지 않고 있다.

이에 북한 수력발전시장에 진출하기 위해서는 15~30MW 프란시스 타입 수차발전기 및 30~ 40MW 펠톤수차 국산화 기술개발 추진이 시급한 상황이다.

특히 한수원은 인프라 건설에 필요한 수력, 신재생분야 재건 등 통일 대한민국을 준비하기 위한 인프라 건설이 필요할 것으로 판단하고 있다. 

■ 국내 용수공급·전력공급 핵심 한강수력본부

한국수력원자력 한강수력본부는 산하에 화천수력 춘천수력 의암수력 청평수력 팔당수력 칠보수력 강릉수력 강림수력 괴산수력 보성강수력 등 10개 발전소 28기 603MW 규모를 운영하고 있으며 연간 발전량(10년 평균) 1,473GWh를 생산하고 있다.

통합 물관리를 통한 용수 확보 및 홍수예방, 무공해 친환경에너지 생산과 전기품질 향상, 대정전 초기 대응에 나서고 있다. 홍수조절은 홍수기인 매년 6월21일부터 9월20일에 걸쳐 진행되며 수위저하 운영, 댐과 보 연계운영 등의 방식으로 진행된다.

용수공급의 경우 팔당댐에서 165억톤(남한강 49억톤 북한강 62억톤 자체유입 54억톤) 규모다.
수력발전은 무공해 친환경에너지로서 미세먼지와 CO₂ 발생이 적고 발전단가가 낮으며 에너지변환 효율이 높다는 장점을 지니고 있다. 또한 가동시간도 짧아 국내 친환경에너지 및 전력 확보에 큰 역할을 맡고 있다.

한강수력본부가 생산하는 연간 1,473GWh의 에너지는 115만명, 28만가구가 사용할 수 있는 전력량으로 강원도 연간 전력사용량의 9.3%(1만5,867GWh), 춘천시 연간 전기사용량(1,450MWh)의 102%에 해당되는 규모다.

특히 고품질 전력공급을 주도하고 있다. 주파수 조정을 통한 60Hz 유지로 전력계통을 안정화하는 등전력 수요 대응 및 계통 안정화로 고품질의 전력공급이 가능하다.

전력계통 사고 시 신속한 초기전력 공급으로 정전 비상사태에 대응하고 있다. 실제 정전 비상사태시 긴급가동에 돌입할때 원자력은 가동시간이 24시간, 석탄화력은 7시간, 복합화력은 1시간30분이 필요하지만 수력발전은 3분이면 충분하다.

한강수력본부는 지역지원사업에도 앞장서고 있다. 연간 7억8,000만원 규모로 진행하는 기본적인 지원을 계속하고 있다.

이외에도 사업자 지원을 위해 30억원, 사회공헌활동에 1억원을 투입하고 있다.

환경보전활동에도 앞장서고 있는 한강수력본부는 댐 주변 환경정화활동, 생태계를 교란하는 외래종 제거, 댐 부유쓰레기 수거 및 처리, 1사 1하천 운동을 진행하고 있다.

한강수력본부는 수자원 확보, 홍수조절, 재해예방에 앞장서 수도권 2,500만 국민의 용수공급과 전력공급에 최선을 다할 방침이다.

■ 현재에 만족하지 않는다-발전설비 현대화사업 개시

우리나라는 1931년 전라북도 정읍에 남한 최초 수력발전소인 운암수력발전소 준공을 시작으로 수력발전의 역사를 시작했다. 또한 한수원은 현재 10개 지역에서 총 28기의 수력발전소를 운영하며 수력산업의 발전을 이끌어나가고 있다.

반면 2016년 한수원과 대양수력, 효성이 공동 개발해 국산화한 15MW급 수차발전기(현 칠보수력 2호기에 설치·운전 중)를 제외하고 터빈, 발전기 등 주요 기자재는 전량 외국산 제품을 사용해 왔다.

수력발전이 지속적으로 성장하기 위해선 수차발전기 국산화가 중요하다. 현재 국내에는 원천 설계기술이 없어 국내 수력발전기는 외국 기자재를 사용 중이다.

그러다보니 고장 복구 시 외자 조달 기간이 길어 성능 유지보수에 비효율적이며 기자재 조달 단가 상승 및 국부 유출 가능성이 높다는 판단이다.

특히 40년 이상 노후 발전기 90기에 달한다. 화천수력 1~3호기, 칠보수력 1호기, 보성강 1·2호기 등 국내 노후 수력발전소 현대화 수요가 존재하고 있으며 통일 이후 북한 내 노후 수력발전소도 현대화 대상 발전설비가 다수 존재하는 상황이다.

또한 해외 수력시장 참여를 위해 건설 및 수차발전기 구매비 절감은 필수다.

현대화사업은 30년 이상 운영해 성능이 저하된 발전설비를 최신 기술을 적용, 발전기 출력과 효율을 증가시키고 불시고장의 원인이 되는 취약설비를 교체하는 것이다.

사업이 완료되면 운전·정비 편의성이 향상돼 유지비가 절감되고 고장 감소 및 출력 향상 효과가 있어 안정적인 전력 공급이 가능할 것으로 기대된다.

올해까지 총 1,600억원의 사업비가 투입되는 이번 사업은 국내 시공분야 설계 및 정비업체의 참여를 확대하기 위해 기자재 공급과 시공을 분리하는 사업방식으로 시행하게 된다.

현대엔지니어링, 한전KPS, 중소 민간정비사가 참여하는 만큼 국내 수력산업 활성화에 도움이 될 것으로 기대된다.

한수원은 앞으로도 2030년까지 2GW 규모의 양수발전소 건설과 현대화사업 등을 지속적으로 추진해 전력계통 안정과 시공분야 일자리 창출에도 기여하도록 노력할 계획이다.

특히 노후 발전설비를 현대화함으로써 용수공급과 전력생산의 효율성을 높이는 것이 핵심이다. 현재 삼랑진양수 1·2호기, 화천수력 4호기 청평양수 1·2호기에 대한 현대화 사업을 진행 중이며 오는 2033년까지 △화천수력 3호기 △칠보수력 3호기 △무주양수 1·2호기 △화천수력1·2호기 △보성강 1·2호기 △칠보수력 1호기 △산청양수 1·2호기 △청송양수 1·2호기에 대한 수차 국산화 및 현대화 사업을 진행할 예정이다.

■ 수력산업, 모두가 살길

한수원은 수력산업 활성화 추진 전략을 적극 진행할 방침이다. 수력기술 자립과 수력생태 육성으로 국가경쟁력을 향상시켜 5년 내 수력발전기 100% 국산화, 10년 내 양수발전기 100% 국산화를 달성한다는 목표다.

특히 수력설비의 국산화 유도 및 테스트베드(실증발전소) 제공, 수력설비 구매의 국내입찰 전환 등 국내기업들과 협업·상생할 수 있는 장을 만들 계획이다.

이를 위해 산업계와의 긴밀한 협조로 수력설비 국산화 개발을 유도하고 실증발전소를 제공해나갈 방침이다. 또한 산업육성을 위해 발전설비 국내입찰, 보조기기 공급망도 확대해나갈 계획이다. 한수원이 수력 및 양수발전설비 국내입찰을 늘려 국내기업들의 기술도입 및 공급능력을 구축한다. 이후 보조기기 품목체계를 개선해 기업들의 보조기기 유자격 등록대상을 확대해나가는 방법을 진행하고 있다.

특히 산·학·연 융합을 통한 공동기술 개발로 기술향상 사이클을 구축해나가고 있다. 기업이 기술을 개발하면 현장운영을 통해 학계에 진단을 의뢰하고 개선사항을 적용해나가는 방식이다.

팔강수력발전소.
팔강수력발전소.

 


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