수력에너지 장단점 - sulyeog-eneoji jangdanjeom

2019년 11월 전 세계 과학자 1만여 명이 모여 기후 비상사태를 선언하였으며, 이 선언문은 국제 과학 학술지인 ‘바이오 사이언스’에 게재되었습니다. 내용을 살펴보면, 최근 40년간 화석 연료 사용이 증가했을 뿐만 아니라 지구의 기온과 해수면의 높이가 상승했는데요. 또한 가뭄 및 태풍 등의 이상 기후 현상이 자주 발생했다고 합니다. 이번 시간에는 화석 연료 사용을 줄여 기후 변화에 대응할 미래 에너지인 ‘소(小)수력 에너지’를 알아볼 예정인데요. 그럼 지금 바로 키즈현대와 함께 살펴보아요! 

소규모의 물로 전력을 만드는 소수력 에너지 

소(小)수력 에너지는 소수력 발전에서 생산한 전력을 뜻합니다. 그렇다면 소수력 발전은 무엇일까요? 우선 수력 발전은 높은 위치의 댐 등에서 물을 떨어트릴 때 발생하는 위치 에너지로 수차를 회전시키는데요. 이 수차와 연결된 발전기가 전력을 만들어내는 방식이 바로 수력 발전입니다. 소수력 발전은 수력 발전과 작동 원리는 같지만, 상대적으로 규모가 작은(小) 물을 이용하는데요. 예전까지만 해도 우리나라는 출력 규모가 3,000kW(킬로와트) 미만인 시설을 소수력 발전으로 인정했습니다. 하지만 2003년 관련 법이 개정된 이후 10,000kW 미만의 발전 시설을 포함시켰는데요. 출력 규모에 따라 분류하면, 1,000kW~10MW까지 소수력 발전, 10MW~100MW는 중수력 발전, 100MW(메가와트)를 초과하면 대수력 발전이라고 할 수 있습니다. (1,000W＝1kW)

다양한 방식으로 생산 가능한 소수력 에너지

소수력 발전은 에너지 생산 방법에 따라 크게 3가지로 나눌 수 있습니다. 가장 먼저 수로식 발전은 자연적으로 발생하는 하천의 낙차와 유량을 이용하는데요. 물의 속도가 빠른 상, 중류에 수로를 내어 이를 지나가는 물이 발전기를 돌려 전력을 만들어냅니다. 댐식 발전은 하천의 일부를 막아 인공적으로 만든 댐에서 발생하는 낙차를 이용하는데요. 수력 발전보다 규모가 작은 댐이기 때문에 풍부한 유량을 확보할 수 있는 중, 하류에 주로 설치됩니다. 마지막으로 터널식 발전은 수로식과 댐식을 혼합한 방식이라고 할 수 있는데요. 우선 하천의 상류에 댐을 만들고 반대편 산에 터널을 뚫습니다. 이후 터널에서 떨어트린 물로 터빈을 돌려 전력을 생산하는데요. 북한강 상류에 위치한 화천발전소가 터널식 발전의 대표적인 예입니다. 

소수력 에너지의 뛰어난 효율성 

다음으로 소수력 에너지의 장점을 살펴볼까요? 우선 수력 발전은 댐과 같은 큰 규모의 발전 시설이 필요한데요. 하지만 소수력 발전은 상대적으로 작은 규모로도 생산이 가능해 시설 설치에 필요한 부지가 적고, 비용이 저렴합니다. 또한 시설의 수명이 길고, 운영비가 적게 들 뿐만 아니라 물이 흐르는 곳에 대부분 설치가 가능한데요. 만약 건물 내의 물을 이용할 경우 계절 및 날씨에 영향 없이 전력을 생산할 수 있습니다. 이 외에도 5분 이내에 전력 공급이 가능한데요. 이를 통해 여름철 급격하게 증가하는 전기 사용으로 발생하는 ‘블랙 아웃(Black Out)’을 예방할 수 있겠죠? 

환경을 해치지 않는 소수력 에너지 

수력 발전은 많은 양의 물을 댐에 가두기 때문에 상류 일대가 수몰됩니다. 또한 습도가 높아져 지역 기후가 변하게 되는데요. 하지만 소수력 발전은 환경을 해치지 않으면서 전력을 생산해 주변 생태계를 보전할 수 있습니다. 이 외에도 소수력 발전을 통해 1kWh의 전력을 만들 때 발생하는 이산화탄소의 양이 11.3g밖에 되지 않는데요. 특히 대기 오염과 미세 먼지의 주범인 질소산화물(NOx)과 유황산화물(Sox)을 배출하지 않습니다. 또한 물을 이용해 에너지를 만들어 자원 고갈의 위험이 적고 원자재 가격 상승을 걱정하지 않아도 됩니다. 우리나라는 이러한 소수력 에너지의 효율성과 친환경성에 주목해 1982년부터 지원 사업을 진행했는데요. 현재까지 30여 개의 소수력 발전소가 설치되었으며, 연간 생산되는 전력량은 약 1억kWh에 이릅니다. 

소수력 에너지의 발전 원리를 실험으로 알아보아요! 

소수력 에너지가 전력을 생산하는 과정을 간단한 실험을 통해 알아볼까요? 우선 LED 전구, 발전기, 수차, 기어 등으로 소수력 발전을 만들었어요. 그다음 수차에 물을 뿌리자 수차가 회전하면서, 발전기에 전력이 공급되고 LED 전구가 환하게 밝아졌습니다. 우리 삶 곳곳에서 다양하게 이용될 소수력 에너지의 가능성을 확인할 수 있는 실험이었습니다!  

미래 에너지 1편 <무궁무진한 가치, 수소 에너지>에 이어 이번 시간에는 소수력 에너지에 대해 자세히 알아보았습니다. 다양한 곳에 설치할 수 있고 비용이 적게 들 뿐만 아니라 환경에도 도움이 되는 소수력 에너지! 자원 고갈과 환경 오염을 일으키는 화석 연료를 대체할 미래 에너지라는 사실을 확인할 수 있었는데요. 앞으로 더 많은 대체 에너지가 개발되어 우리 아이들이 살아갈 세상은 더 안전하고 깨끗하기를 기대해보아요! 

수력발전소의 좋은 점과 나쁜 점

우리는 모두 수력이 재생할 수 있고 친환경적이라는 것을 알고 있지만, 장점만 있지는 않습니다. 금일 포스팅에서는 이 수력 발전 기술이 제공하는 장단점들을 알아보도록 하겠습니다.

먼저 수력 발전소의 장점을 정리해보았습니다. 일단 수력 발전은 재생 가능합니다. 수력 에너지는 재생 가능합니다. 하지만 반대로 우리가 다 쓸 수 없다는 것을 의미합니다.

그러나 수력 발전소를 지을 수 있는 적절한 저수지는 제한적이며 전기를 많이 생성할 수 있는 좋은 장소는 훨씬 적습니다. 다음으로는 친환경적입니다.

수력 에너지로 전기를 생산하는 것은 그 자체로 오염되지 않습니다. 하지만 이 거대한 발전소 건설 중에 오염이 발생합니다. 수력은 매우 신뢰할 수 있는 에너지입니다.

다른 출력이 요구되지 않는 한, 플랜트에서 발생하는 전력의 변동은 거의 없습니다. 수력 자원이 많은 국가는 수력을 기본 부하 에너지원으로 사용합니다.

물이 있는 한 전기를 생성할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 물의 흐름과 전기 출력을 조정하기는 쉽습니다.

전력 소비가 낮은 시간에는 물의 흐름이 감소하고 전력 소비가 높은 시간 동안 물의 흐름을 만들어 전기 소비와 공급이 맞게끔 할 수 있습니다.

그리고 화석 연료 및 원자력과 비교하면 수력 발전은 훨씬 안전합니다. 물이 아닌 관련된 연료가 없습니다. 이제는 수력 발전소의 단점에 대해 알아보겠습니다.

수력 발전소에 의한 환경적 오염이 생길 수 있습니다. 수력 발전의 환경적 영향은 물의 댐핑, 물의 흐름 변화, 도로와 전력선 건설로 인한 자연의 개입과 관련이 있습니다.

수력 발전소는 물고기에 영향을 미칠 수 있으며 수많은 물리적 및 생물학적 요인 간의 복잡한 상호 작용입니다. 어종의 착취와 관련된 사용자의 관심이 증가하여 많은 사람이 우려하고 있는 부분입니다.

물고기 서식지는 수위, 유속, 은신처 기회 및 식량 접근성과 같은 물리적 요인에 의해 형성됩니다. 배수는 물고기에게 완전히 치명적일 것입니다.

이 외에도 물의 양은 수명주기의 유형과 단계에 따라 강의 물고기에 다른 영향을 미칠 수 있습니다. 규제되지 않은 모든 하천 시스템이 흐름의 큰 변동으로 인해 물고기 생산 측면에서 좋지 않습니다.

그리고 일반적으로 발전소 건설은 비용이 많이 듭니다. 수력 발전소도 예외는 아닙니다. 반면에 이러한 공장은 많은 작업자가 필요하지 않으며 일반적으로 유지 관리 비용이 낮습니다.

전기 생산 및 에너지 가격은 사용 가능한 물의 양과 직접적인 관련이 있습니다. 가뭄은 잠재적으로 이에 영향을 미칠 수 있습니다. 우리는 이미 수력 발전소에 적합한 저수지를 사용하기 시작했습니다.

하지만 현재 남아 있는 저수지는 거의 없습니다. 인공적으로 만들게 되면 자연을 파괴하게 되고, 그 지역의 자연적 부작용이 발생하게 됩니다.

수력 발전소는 에너지를 생산하는 것만 본다면 좋은 이점이며, 추가적인 원료도 들지 않으니, 재생에너지에 근접한다고 할 수 있습니다.

하지만 수력 발전소는 인공적인 댐을 건설하여 물을 가두는 과정이 있으므로, 그에 따라 부작용도 있는 것을 알았습니다. 수력 발전소의 개선을 위해 전 세계 연구진들이 많이 생각하고 있는 부분이 있습니다.

물을 가두더라도 자동으로 정화되게끔 한다든지, 자연 친화적인 댐을 건설한다든지 제안은 많으나 실제 상용화가 되어 전 세계 곳곳의 댐들이 적용되고 있는 것은 아닙니다.

다음 포스팅에 자료를 찾아서 한번 보겠지만, 저는 이 물의 흐름을 이용한다는 아이디어로 생각한 부분이 있습니다. 바로 도시나 실제 모든 지역에서 흐르는 물의 흐름을 이용하는 것입니다.

즉 물의 흐름이 있는 곳에는 전기 터빈을 설치하는 것입니다. 생각해보면 주위를 둘러봐도 도시에서나 시골에서나 물이 흐름은 많이 발생합니다.

우리가 샤워하고 물이 내려갈 때, 그리고 강이나 바다에서 물이 흐를 때, 비가 많이 와서 배수로에 급격히 물이 차서 흐를 때 등 다양할 수가 있습니다.

도시의 하수도 시스템을 통해 물들의 흐름이 발생했을 때, 전기가 생산되게끔 터빈을 설치한다면 이는 매우 혁신적일 것입니다.

수력발전소처럼 저수지와 인공 댐을 만들 필요 없이, 장소에 구애받지 않고 어디든 물이 흐르는 곳에서 고효율 터빈을 통해 전기를 생산해낸다면 엄청난 성과가 될 것입니다.

하지만 단순 전기 터빈으로 전기에너지를 생산하기에는 어려운 점들도 있을 겁니다. 좁은 배수관이나 배수로에 어떻게 설치할지 부트해서 전 도시를 전부 개조해야 하는 점들이 있습니다.

이는 엄청난 대공사가 필요할 것입니다. 그러므로 쉽사리 적용하기는 어려운 거 같습니다. 하지만 이런 아이디어로 우리는 준비를 해야 합니다. 언젠가는 도시는 다시 건설되고 개선이 되어야 합니다.

전문적인 지식은 부족하지만, 개인적인 견해로는 신축 아파트 및 주택의 하수도와 배수관 처리 과정에 전기 터빈 설치를 하여 시범적으로 테스트하고 상용화 단계를 거치는 것도 나쁘지 않을 거 같습니다.

좁은 관이지만 마이크로 전기 터빈을 설치하여, 각 집에서 물을 쓸 때 내려오는 물의 흐름의 힘을 이용하여 전기를 생산하고, 그 효율성을 검증한다면, 좋을 거 같습니다.

더 나아가서 서울에는 큰 한강도 있으니, 한강에도 큰 전기 터빈을 설치하여 전기 생산을 할 수 있게끔 고려하는 것도 방법일 것 같습니다.

수력 발전은 위치에너지를 이용한 엄청난 힘이지만 수력 발전소와 비교하면 순간적으로 흐르는 물의 힘은 실생활 물의 흐름보다 훨씬 큰 에너지가 발생합니다.

하지만 일상생활의 물 흐름이 많이 모인다면, 큰 에너지가 만들어질 수 있다고 생각합니다. 기술적인 발달이 많이 필요한 부분이지만 우리는 해낼 수 있다고 생각합니다.

이런 경험을 우리는 바탕으로 오래된 것들은 버리고 새롭게 구축을 할 때 기존의 방식으로가 아닌 좀 더 자연 친화적이고 효율적으로 에너지도 생산할 수 있는 스마트 친환경 도시를 구축해야 하지 않을까 생각합니다.