수력발전소

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태양광 발전소 다음으로 자기수복율이 높은 발전시스템인 수차를 사용하여 전기를 생산하는 시스템이다. 그러니까 물 가지고 전기 만든다.

1 에너지 수집

물의 낙차에너지를 사용하는 발전 방법은 대개 2가지가 있는데, 하나는 물에 대전된 전하를 특정 방향으로 집진하여 전기를 생산하는 것이고, 다른 하나는 떨어지는 물의 운동 에너지를 사용해 터빈을 돌려 발전기를 구동하는 식이다. 당연히 후자의 방법이 가장 많이 쓰인다.

이 외에 1990년대 KBS에서 방영한 다큐멘터리 중에 댐 건설로 고향을 떠나게 된 시골 노인 부부 이야기가 나온 적이 있는데, 노부부의 집에 할아버지가 만든 소규모 물레방아 수력 발전기가 방송에 나온 적이 있다. 말 그대로 집 근처의 물줄기에 물레방아랑 물레방아와 연결된 발전기를 놓고 전기를 자급자족하는 형태. 과학캠프 등에서 종종 모형으로 재현하기도 하는 형태지만, 규모가 규모다보니 경제성은 낮다. 다만, 근래에는 캠핑족을 노린 휴대용의 소규모 수력발전기도 시장에 나오고 있다.

세계에서 가장 작은 소형 수력발전기인 푸른 자유(Blue Freedom)/제작/사용영상

전기는 기본적으로 저장해놓고 쓸 수 있는 게 아니라서, 생산과 동시에 소비하지 않으면 전기가 날아간다. 밤에는 전기 사용량이 적으므로 그만큼 날아가는 전기가 많은데, 남는 전력으로 수력발전소 댐의 물을 거꾸로 올리기도 한다. 이것을 양수식 수력발전소라고 해서 한국지리 시간에도 배운다. 청평 양수 수력발전소가 대표적인 예. 화력, 원자력 발전소는 전기 잘 안 쓴다고 화력을 함부로 낮출 수 없기 때문에 심야에 남는 전기로 물을 상부로 끌어올려 발전 효율을 높이는 것. 상부저수지를 일종의 배터리라고 볼 수도 있겠다. 댐 밑으로 내려온 물을 다시 퍼올려야 하므로 양수식은 댐이 2개 설치된다.

2 물의 공급

1) 강물
2) 댐
3) 바다의 조차 (이건 특별히 조력발전이라 부른다.)
4) 바다의 파도 (이건 특별히 파력발전이라 부른다.)
5) 특별히 만든 탱크
6) 폭포

3 터빈 방식

1) 프란시스 수차 : 동글동글한 블로워의 드럼같이 생긴 터빈과 그 케이스를 통해 달팽이 모양처럼 동글동글한 수로를 만들며, 수차의 정 중앙으로 물이 빠져나오는 구조를 가진다. 초대형 발전 시스템에 많이 쓰인다.

2) 카플란 수차 : 프란시스 수차 있던 자리에 터빈 대신에 프로펠러를 설치하면 된다. 소형 발전소의 경우에 많이 쓴다.

참고로 위의 2개는 회전축이 수직으로 나온다. 단, 2) 의 경우 강바닥에 깔 때를 대비해 수평으로도 만들 수 있다. 이러면 물의 진행이 꺾이지 않는다.

3) 헬리컬 수차 : 는 사실 거의 안쓴다. 오히려 풍력발전에 많이 쓰는데..... 연안 발전 시스템을 설치할 때 이 방식을 사용한다. 이 터빈 하나만 서 있으면 작동이 되기 때문. 등대 부분의 연안발전기가 이 형식으로 되어있다.

4) 펠톤 수차 : 발전소 말고, 일반적으로 집에 쓰는 수력발전시스템에 많이 적용된다. 반갈라진 컵이 여러개 붙은 형태로 된 수차인데, 고압의 물을 저 컵에 쏘아 돌리는 형식으로, 수압이 높을 때 쓰면 좋다. RPM 이 아주 높음.

4 유형

수력발전은 물의 낙차를 이용하는 것이므로 수력발전을 하려면 반드시 물이 내려가는 경사를 급하게 만들어야 한다. 그래서 아래와 같은 유형이 고안되었다.

• 댐식
  • 가장 기초적인 형태. 하천의 경사가 큰 구간에 댐을 설치하고 가둔 물을 떨어트려 그 낙차로 터빈을 돌린다.
• 수로식
  • 감입곡류하천에서 쓸 수 있는 유형. 댐을 설치하고 그 지점보다 아래의 특정 지점까지 수로를 직선으로 이으면, 곡선으로 돌아가는 원래 하천보다 낙차가 더 증가하는데, 그 낙차로 터빈을 돌린다.
• 유역변경식
  • 경동지형에서 자주 쓰는 유형. 고지대에 댐을 설치하고 도수터널을 통해 산 너머의 경사가 급한 저지대로 떨어트려 그 낙차로 터빈을 돌린다. 수로식과의 차이점은, 수로식은 발전을 하고 나가는 물이 취수되었던 강으로 다시 유입되지만 유역변경식은 이름답게 취수된 강과 다른 수계로 흘러나간다. 한국지리 시간에는 동고서저 지형을 이용한 강릉수력발전소가 주로 언급되며, 섬진강 유역에서는 일제강점기 때부터 써먹었다. 남한 최고령 수력발전소인 보성강수력발전소도 이 유형.
• 양수식
  • 다른 발전소와 유기적으로 작동하여 손실되는 전기를 줄이는 방식. 댐을 높이가 다른 곳에 2개 만들어 밤에는 남아도는 전기를 이용해 하부의 물을 상부로 끌어들이고, 낮에는 상부의 물을 하부로 떨어트려 다시 발전한다. 밤에는 전기 사용량이 낮은데, 원자력 발전소 같은 경우 전기 사용량이 낮다고 함부로 출력을 낮출 수 없기 때문에 남아도는 전기가 생긴다. 그리고 그 잉여 전력을 사용하지 않으면 그대로 손실되는데, 잉여 전력을 물을 끌어올리는 데 사용하여 전기의 손실을 막는 것이다. 그러니까 일종의 배터리다.

5 국내의 수력발전소

국내 최초의 수력발전소는 구한말 평안북도 운산군 운산금광의 부대시설로 설치된 운산수력발전소이다. 500kW급으로 당시에는 최첨단 대용량 발전소였다.#

남한에서 현재 가동되는 수력발전소 중 가장 오래된 곳은 전라남도 보성군의 보성강수력발전소이다. 1937년에 준공, 2016년 현재 79돌을 맞는 남한 최고령 발전소로, 규모가 작아 타지역에는 잘 알려져 있지 않다. 호남정맥 이북의 고지대에 있는 보성강 물을 보성강 댐으로 막아서 정맥 이남의 득량으로 보내 발전을 하는 전형적인 유역변경식 발전소로, 발전을 하고 배출되는 물은 득량만 간척지의 농업용수로도 공급된다. 여담으로 그 득량만 간척지는 일제에 의해 1937년에 득량만 방조제가 완공되어 생긴 것이니 아픈 역사를 담고 있다고 볼 수도 있다.

가동 중지한 곳까지 포함하면, 보성강수력발전소 이전에 운암발전소가 있었다. 남한 최초의 유역변경식 수력발전소였고, 1931년부터 발전을 시작했다. 보성강보다 6년 앞선 유역변경식 수력발전소였다. 위치는 전라북도 정읍시 산외면 종산리에 있었다. 1927년 10월 섬진강에 운암댐을 완공한 후 종산리 쪽 도원천으로 이어지는 도수로를 만든 뒤, 거기에 발전소를 건설했다. 터빈은 2기가 설치되었고, 발전용량은 5.12MW였다. 이후 1965년 운암댐 하류 2km 지점에 더욱 크고 아름다운 섬진강댐이 들어서면서 운암댐이 물에 잠긴 이후에도 이 발전소는 가동되었으나, 1980년대 들어 노후화가 심각하여 1985년 2월 1일자로 사용이 중지되었다. 도수로는 철거되었지만 발전소 건물은 아직 남아있다.

남강댐 수력발전소 : 14MW
안동댐 수력발전소 : 90MW
용담댐 수력발전소 : 은 특별히 자세히 서술한다.
용담댐 수력발전소는 도수터널을 사용해 물을 다른 곳으로 보내어 낙차를 유도한다. 용담댐으로부터 진안고산까지 22Km 의 콘크리트 터널, 낙차는 40.8M 로 다른 발전소들에 비해 매우 높다.
발전기는 제1 발전소, 제2 발전소로 구분되어 있으며, 각 발전소는 지하 3층, 지상 2층으로 되어있다. 지상 2층에는 관리 콘솔이 있으며, 지하 1층에는 터빈, 지하 2층에는 발전기, 지하 3층에는 발전기 냉각 시설이 있다. 출력은 22.4MW. 발전기는 11.4Mw 두개를 쓴다.

춘천댐 수력발전소 : 28.8MW x2 = 57.6MW
충주댐 수력발전소 : 41.2MW
대청댐 수력발전소 : 90MW
청평댐 수력발전소 : 35MW - 출력증강 시 79.6MW
팔당댐 수력발전소 : 80MW
섬진강댐 수력발전소 : 30.48MW
소양강댐 수력발전소 : 200MW

터보부스트 라고 되어있는 저것은 발전소 최대 출력을 의미한다. 수력발전소는 여타 원자력, 화력 발전소에 비해 출력증강이 용이한데, 1) 터빈이 저속이고 2) 물때문에 냉각 되어서 거의 2배 이상으로 찍어올려도 발전기나 수차가 버텨준다. 단, 청평댐의 경우 외부설비까지 거기에 대응되어 있어 수자원공사 공식적으로(!) 출력증강시 2배 이상의 출력이 나온다. 한편, 대다수의 트랜스포머는 130% 이상의 과부하 내량을 기준으로 설계하기에 실질적으로 수력발전소는 안전성에 있어서 타의 추종을 불허한다.

북한의 수풍댐 수력발전소는 당시 한반도 대부분의 전기 공급이 가능했을 정도로 대규모 발전소다. 심지어 북한 국장(國章)에도 배경으로 들어가 있다. 그만큼 북한이 연료 살 돈이 없다는 반증 무엇보다 북한은 그만큼 수력발전에 집중적으로 투자하고 있는데, 특히 전력을 대규모로 송전할 수 없는 북한의 안습한현실 상, 군 단위로 중소규모 수력발전소를 짓는 데에 집중하여 2005년에 TO상 총 48만 3,000kW의 전력을 확보할 수 있는 수력발전소 6,800여개를 건설(...)했지만, 역시 북쪽의 수준이 수준인지 거의 다 폭망 크리...

6 발전소의 제어

PAROS : Power And Reservoir Operating System

여러가지 기능이 있지만,

• 발전소 자동 메니지먼트 및 강수량에 따른 발전소 출력 제어 시스템
• 범람 방지를 위한 출력 감소 시스템
• 자동 로그 수집 및 워멕으로 레포트를 제출하는 시스템

등이 있다.

대응 OS : Microsoft Windows XP SP1 32bit
대응 네트워크 : 아무 망에나 잘 붙는다.

7 순발력

수력 발전소는 타 발전소에 비해 엄청난 순발력을 자랑한다. 태양광이나 풍력과 같이 발전 시작을 제어할 수 없는 친구들을 제외하면,

수소전지발전소 : 최대출력까지 1시간
화력발전소 : 최대출력까지 4시간
원자력발전소 : 최대출력까지 1일
수력발전소 : 10초~1분

밸브를 열자마자 순식간에 발전기가 가동된다. 또한 제어 속도가 매우 빠르고 민첩하기 때문에 부하가 많이 변동되는 경우 수력발전소를 우선으로 워멕에서 지시를 내려 부하 보상을 하게된다. 참고로 450MW 치 부하가 10분에 걸쳐 증가할 경우 화력발전소의 출력이 따라가지 못해 주파수가 떨어지는 것을 한전KPS 보고서를 통해 볼 수 있다. 여름에 에어컨이 켜지는 시각은 대부분 9시 부근. 이때 출근이니까.

8 Cold Start

Cold Start(정전 시동) 란, 기기가 외부에 아무런 동력 없이 스스로 작동하여 상태를 점검하고 발전을 할 수 있는 상태가 되는 것을 의미한다. 이것을 위해선 특별한 메커니즘이나 fail over가 요구된다. 그리고 수력 발전소는 타 발전소와 달리 단순한 매커니즘으로 cold start가 가능하다. 이는 발전소 제어시스템 가동을 위해 비상동력원이 필요하지만 수력발전소는 그런 비상 전원이 필요없다는 말이다. 화력 발전소의 경우 연료 펌프를 가동해야하고 이그나이터도 켜져야하고 송풍기도 작동해야 하고 워터펌프도 돌아가야하고 해야 할 게 많다. 원자력 발전소의 경우 제어봉 들어올리는데 전기 필요하지 RRS 작동시키는데 전기 필요하지 MEMS,DCS 켜는데 전기 필요하지, 모두 전기를 요구한다. 조력발전소도 마찬가지로 수문 개방을 하는데 전기가 필요하다.

반대로 수력 발전소의 경우 만약에 비상발전기까지 망가져서 전기 공급이 없을 경우, 터빈실에 있는 밸브를 직접 손으로 개방하여(단, 수동개방에는 생각보다 오랜 시간이 걸린다. 약 4분동안 계속 돌려야 1/10쯤 열릴까 말까) 터빈을 돌릴 수 있고, 잔여자계에 의해 정상치보다 낮지만 발전 전압이 뜬다. 그 순간부터 발전기의 AVR 이 독자적으로 계자에 전원을 공급, 발전기가 정상 가동될 수 있다. 이후 시스템이 부팅되면 바로 시스템이 다음 발전기를 켜고 발전소가 가동되는 식으로 줄줄이 이어지게 된다.

혹시 만약에 대한민국에 문제가 생겨서 전기가 다 끊어진다면, 원자력 발전소보다 수력 발전소가 전력 복구에 유리하다. 당연히 시설이 온전하단 가정 하에.

9 환경 문제

수력 발전소는 생태계 파괴 문제를 상당수 안고 있다. 수몰에 의한 것 뿐만이 아니라 고습도 환경 조성으로 인해 기후가 변하는 것. 이를 방지하기 위해 만드는것이 댐식의 수력발전소가 아닌 소수력 발전(Small hydro)/초소수력 발전(Micro hydro)으로, 고낙차 저수량을 모토로 하여 1MW(소수력)/1000KW(초소수력) 이하의 발전용량을 가진 발전기를 전기가 필요한 곳곳에 설치, 환경에 끼치는 영향을 줄이고 필요한 만큼의 전력을 얻는 효과가 있다.

베트남의 초소수력 발전소의 모습. 은색 깡통들 안에 수직 터빈과 발전기가 들어 있다. 일단 터빈만 어떻게든 돌아가면 연결된 발전기가 작동해 전기가 만들어지니 발전소는 맞다.다만 이건 좀 극단적인 케이스고...

중국 후베이 성의 홍핑 수력 발전소.(Hongping Power station) 보통은 이 정도의 시설은 갖추고 있다.

초소수력 발전소의 개념도.
그림자료들의 출처는 위키백과

10 기타

물로 전기를 만들어내기때문에 수량이 일정해야한다. 가령 겨울이 돼서 물이 얼거나 말라버리면 발전이 불가능해지는데 이 때문에 대한민국만 해도 수력발전은 거의 에어컨을 돌리기 위한보조적인 역할에 가까우며 대부분의 전력을 화력발전과 원자력 발전에 의지하는 형편이다. 북한에서는 석탄도 석유도 모자라서 그나마 수력으로 간간히 버티는데 겨울이되면 발전량이 확 줄어든다. 거기에 가뭄까지 겹치면... 애초에 수력발전 자체가 영국, 노르웨이, 미국 북서부지방 등 강수량(=습도, 하상계수)가 매우 일정한 해양성 기후(=쾨펜의 기후 구분으로 가운뎃자리에 f가 들어가는 기후)에나 어울리는 방식이다.

수력 발전을 하는 댐이 터져버리면(...) 초대형 재앙이 일어난다.

물론 댐은 많이 튼튼하기는 하다.