3. 수력

지구 상의 물은 계속 순환하고 있습니다. 지표상의 물은 햇빛에 의해 증발하고, 공중에서 수증기가 모여 다시 강수로 땅으로 돌아오는 과정을 반복합니다. 수력의 활용은 이렇게 순환되는 과정 중간에서 물의 위치에너지를 사용하는 것입니다. 이것 또한 태양 에너지에 의한 간접적인 재생에너지라고 할 수 있습니다. 물의 위치에너지, 수력을 활용은 풍력의 활용만큼이나 역사가 깁니다. 로마 시대나 한나라 시대에도 활용했다고 하니, 풍력보다 더 오랜 역사가 있을 것 같습니다.

3.1 기계적인 동력

물레방아로 익숙한 수력의 기계적인 동력으로의 활용은, 로마 제국이나 중국 한나라 시대 때부터 이미 시작했습니다. 보통 곡식의 제분을 위해 사용했습니다. 풍차와 같이 예전부터 쉽게 활용할 수 있었던 재생에너지원인 것입니다.

Photo credit to Jean-Pol GRANDMONT

3.2 수력 발전

18세기부터 시작된 수력 발전은 그 발전 방식이 풍력 발전과 거의 같습니다. 풍력 발전은 바람의 운동에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이고, 수력 발전은 물의 위치에너지에서 비롯된 운동에너지로 터빈을 돌려 전기를 생산합니다. 사실 바람과 물은 둘 다 유체이므로 두 가지 발전에는 큰 차이가 없습니다.

수력 발전은 기존의 댐(Dam) 형식의 발전, 양수 발전, 흐르는 강에서의 발전, 그리고 조력 발전 등으로 나눌 수 있습니다.

댐 형식은 커다란 댐을 만들어 물을 가두어 모은 다음 그 물의 위치에너지로 전기를 생산하는 익히 알려진 방식입니다. 이때 댐의 용량과 물의 높이차, 즉 수두(Head)가 발전 용량을 결정짓습니다. 세계에서 가장 큰 댐 형식의 수력 발전소는 중국의 싼샤댐(Three Gorges Dam) 발전소입니다. 2,250kW의 전력을 생산할 수 있으며 지금까지 5,648 kWh의 전력량을 생산했습니다. 대략 1년에 100일 정도만 이 댐으로 전기를 생산하면 우리나라 1년 전력 사용량을 생산할 수 있는 규모입니다.

Hoover Dam

양수 발전(Pumped-storage Hydroelectricity)은 인위적으로 저수지에 펌프를 이용해 낮은 곳의 물을 퍼 올린 다음 다시 내려보내며 발전하는 방식입니다. 전기를 사용해 퍼 올린 물을 다시 발전하면 오히려 효율이 더 낮을 것으로 보이지만 이것은 심야 전기와 같이 전기 사용량이 적을 때 물을 퍼 올리고, 전기 소비가 많은 시간에 발전하는 방식으로 활용합니다. 에너지 생산과 소비에서 완충 역할을 할 수도 있으며 잉여 에너지를 저장하는 기능으로도 사용할 수 있습니다.

양수 발전은 아래 그림과 같이 산 위의 저수지를 만들기도 하지만, 지하에 발전 시설을 만드는 예도 있습니다. 지하에 설치하는 경우에는 지하 발전소(Underground Power Station)이라고도 합니다.


Photo credit to Vattenfall (http://www.flickr.com/photos/vattenfall/)

흐르는 강에서의 발전(Run-of-the-river hydroelectricity)의 경우 이름 그대로 물을 저장하는 공간 없거나 아주 적은 상태로, 흐르는 강물을 이용해 발전하는 방식입니다. 이러한 방식의 발전은 갑자기 전력 소비량이 늘어날 때를 대비한 발전용으로 주로 사용합니다. 이런 방식은 대형 댐의 단점인 생태계 파괴가 없는 방식입니다. 물론 날씨나 강우량에 따른 발전량의 차이가 발생할 수 있다는 단점도 존재합니다.

Photo credit to Advameg, Inc.

조력 발전은 태양과 지구 그리고 달의 운동으로 주기적으로 생기는 간만(干滿)의 차를 이용해 전기를 생산하는 방식입니다. 밀물과 썰물 때의 들어오고 나가는 바닷물의 에너지를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

Aerial view of the French tidal power plant in the Rance estuary near St Malo. Photo credit to dpa

수력 발전의 방식은 위에서 설명한 것과 같이 발전 방식으로 분류하기도 하지만 발전 용량에 따라서도 분류합니다. 일반적으로 수력 발전이라고 하면 10 MW 이상의 발전 용량을 가지는 것을 의미하며 그 이하는 소수력(Small Hydropower) 발전, 100 kW 이하는 마이크로 수력(Micro Hydropower) 발전, 5 kW 이하는 피코 수력(Pico Hydropower) 발전으로 분류됩니다.

Posted by Chuck Hong