수력에너지의 원리와 수력발전의 분류 및 특징

사람은 밥을 먹지 않고도 한 달을 버틸 수 있다고 한다. 하지만 필수 조건이 하나 있다. 바로 물을 계속 먹는다는 조건이다. 인체는 대략 65%가 수분으로 이루어져 있는데 여기서 2% 정도만 잃어도 갈증을 느끼게 된다. 5% 정도를 잃게되면 혼수상태가 되고, 12% 이상 잃게되면 사망에 이를 수 있다. 이처럼 물은 우리의 일상에 있어 필수요소이다.

또한 지구는 태양계 행성 중에 유일하게 물이 있는 행성이다. 지구상의 물 중 97%가 바다이고, 약 2%가 빙하이다. 실제로 우리가 마시기도 하고 생활에 사용할 수 있는 하천, 호수, 지하수는 고작 1%정도인 것이다. 이제부터 이 1%의 물이 가진 수력에너지에 대해 알아보고자 한다.

대부분의 에너지와 마찬가지로 물도 태양에너지의 영향을 받는다. 태양 빛을 받은 지표상의 물이 증발하여 수증기가 되는데, 이 수증기가 모이면 비가 되어 내린다. 이러한 반복적인 순환 과정을 이용하는 것이 수력에너지의 원리인 것이다.

인류가 수력에너지를 이용해 온 역사는 풍력에너지를 이용해 온 역사만큼이나 오래됐다. 풍력에너지의 예로 풍차가 있다면, 수력에너지의 예는 물레방아가 있다. 풍력은 바람이 가진 운동에너지를 이용하는 것이고, 수력은 물이 가진 위치에너지를 이용하는 것에서 차이가 있을 뿐이다.

그렇다면 수력발전은 어떻게 분류되는가?

기본적으로 물의 낙차라는 것을 이용하는 수력발전은 크게 4가지로 분류할 수 있다. 첫번째는 댐식이다. 국내에서 가장 비중이 높은 방식으로 하천을 가로지르는 높은 댐을 쌓고, 댐의 상류부분의 수위를 높여 하류부분과의 고저차를 통한 낙차를 이용해서 발전하는 방식이다. 이런 댐식을 적용한 국내 발전소로는 팔당, 춘천, 의암, 소양강 수력발전소가 있다. 이 곳들은 경사가 완만하고 수량이 풍부하며 안정적인 발전량을 유지한다는 특징을 가지고 있다.

두번째는 수로식이다. 이 방식은 수력발전에서 가장 기본이 되는 방식으로, 원래 하천이 자연적으로 가지고 있는 고저차에 의해 생겨난 낙차를 있는 그대로 사용하는 방식이다. 하지만 현재 이용되는 수로식은 댐 건설 이후에 낙차가 큰 부분으로 물을 유도시켜 발전하는 방식을 말한다. 수로식의 특징은 발전에 사용된 물이 발전을 위해 물을 끌어온 곳과 동일한 강으로 다시 보내진다는 것이다.

세번째는 유역 변경식이다. 고지대에 댐을 건설하여 산을 뚫어 터널을 만들고, 산 너머 급경사의 저지대로 떨어뜨리는 낙차를 이용한 방식이다. 수로식과의 차이점으로는 사용한 물이 다른 지역의 강으로 보내진다는 것이다. 국내 수력 발전소 중에 유역 변경식을 적용한 발전소의 예는 강릉 수력 발전소를 들 수 있다. 이 발전소의 수로 길이는 15.6km로 국내에서 가장 길다고 알려져 있다. 게다가 유역 변경식은 과거 일제강점기에 섬진강 부근에서 사용되기도 했으며, 국내에서 가장 오래된 수력 발전소인 보성강 수력 발전소에도 이 방식이 적용됐다.

네번째는 양수식이다. 우선 높이가 다른 2개의 댐을 서로 다른 지역에 건설해야한다. 상대적으로 전력 소비가 적은 밤에 펌프를 이용해서 저지대의 물을 고지대로 끌어올려둔다. 낮이 되면 고지대의 물을 저지대로 떨어뜨리면서 낙차를 이용하여 발전하는 방식을 말한다. 이 방식이 적용된 국내 발전소의 예로는 청평 양수 발전소를 들 수 있다. 앞서 언급한 4가지 방식 모두 어쨌든 현재에는 댐을 건설해야한다는 전제조건이 있다.

수력발전의 특징으로는 어떤 것들이 있는가?

먼저 수력발전의 장점에 대해 살펴보자면 물은 무공해 자원이기때문에 친환경이라는 장점이 있다. 게다가 화석연료나 다른 에너지들에 비해 유지비가 저렴하고 순발력 또한 뛰어난 장점을 가지고 있다. 예를 들어 수소전지 발전소의 경우, 발전기 최대 출력까지 걸리는 시간이 1시간이다. 화력 발전소는 4시간이 걸리고, 원자력 발전소는 하루가 걸린다. 하지만 수력 발전소의 경우에는 10초 ~ 1분이라는 찰나의 순간이 걸린다는 것이 가장 큰 장점이다.

수력발전의 단점으로는 우선 발전소 건설을 위한 지리적 제약이 크고 초기비용이 많이 든다는 점이다. 특히 국내의 경우 나이아가라 폭포 같은 고저차가 높은 지형이 없기때문에 다른 나라에 비해 상대적으로 불리하다. 뿐만 아니라 계절과 강수량에 따라 발전량의 변동이 생긴다는 것도 단점이다. 하지만 가장 큰 단점은 환경문제이다. 댐을 짓는 과정에서 한 마을이 수몰되는 것은 물론 발전소가 건설되면 습도가 높아진 환경 때문에 기후가 바뀌게 되고, 그 결과 생태계 파괴를 초래하게 된다.

이런 단점들을 보완하고 생태계 파괴를 방지하기 위해 탄생한 방식이 있다. 바로 소수력발전과 초소수력발전이다. 일반적으로 소수력은 발전용량이 10MW이하의 발전 방식을 뜻하고, 초소수력은 100KW이하의 발전 방식을 의미한다.