2.1 소수력 발전과 수력 발전의 개념

소수력 발전의 개념은 수력 발전과 동일하다. 그림. 1에서 보는 바와 같이 강이나 하천의 낙차를 이용한 위치 에너지가 수차를 돌리는 회전 에너지로 변환하는 방식으로 전력을 생산하는 것이다.

그림. 1. 소수력 발전 설비의 개념 및 구성^[1]

Fig. 1. Concept and composition of small hydro power

수력 발전은 수자원을 활용하기 때문에 수자원을 저장할 수 있는 공간이 필요하다. 수력 발전의 분류법에서 발전용량을 결정하는 것이 바로 수자원을 저장할 수 있는 공간의 규모를 의미한다. 소수력 발전에 포함되어 있는 극소수력 발전의 경우에는 수자원을 저장하는 공간이 있는 경우와 없는 경우 모두 존재한다. 극소수력 발전은 전력 생산량이 작고, 저장된 수자원을 사용하는 것이 아닌 흐르는 상태의 수자원을 사용하기 때문이다. 이와 같은 특징으로 인하여 일반적인 수력 발전의 개념과는 상당한 차이를 보이게 된다. 그럼에도 극소수력 설비를 작게는 소수력 발전에 포함시키고, 크게는 수력 발전 설비에 포함시키는 것은 두 가지 근거에 의한다. 첫 번째 근거는 물을 이용하여 전력을 생산한다는 점이다. 두 번째 근거는 극소수력의 발전 개념인 자연유하도 낙차를 이용한 것이기 때문이다. 자연유하는 물이 자연스럽게 흘러가는 것처럼 보이지만 높은 곳과 낮은 곳이라는 낙차가 존재한다.

표 1은 국내에서 발전량을 근거로 수력 발전을 분류하는 기준이다. 표 2의 경우는 낙차를 근거로 수력 발전을 분류하는 국내 기준이다. 표 1과 표 2를 보면 낙차와 발전량에서는 대수력, 중수력, 소수력 모두 동일한 개념을 가지고 있지만, 앞서 언급한 발전 방식의 개념에서는 극소수력 발전과 수력 발전의 차이를 소수력 발전이 완화 시켜주는 역할을 수행하고 있다.

2.2 소수력 발전의 규모 산정법

소수력 발전의 일반적인 규모 산정 방법은 출력에 의해서 결정된다. 식 (1)의 출력 산출식은 발전에 사용되는 수자원이 낙하시 동력으로 변환되는 이론 출력량을 산출하는 방법이다. 물을 이용한 출력량은 생산된 전력량을 의미하는 것이기 때문에 출력량과 발전량은 같은 의미로 해석된다.

식 (1)의 “이론 출력식”에서 출력량 “$P$”는 생산전력량과 같기 때문에 단위를 “$kW$”로 사용한다. “$\rho$”는 물의 밀도를 의미하며 계산시 사용되는 표준 조건은 온도가 4℃이고, 표고는 0$m$이며, 대기압 1기압에서 물의 밀도 값은 1,000$kgf/m^ {3}$을 적용한다. “$g$”는 위도와 표고에 따른 자유낙하 가속도를 의미한다. “$\rho g$”는 일정 밀도를 가진 물이 자유낙하 하는 값을 의미하기 때문에 가속도 변수 값이라 표현한다. 앞서 언급한 조건에 대한 가속도 변수 값을 계산하면 “9.8”이 나온다. “$Q$”는 수력 발전에 사용되는 수(水)량을 의미하며, “$H _{e}$”는 유효낙차를, “$\eta $”는 수차와 발전기의 합성효율을 의미한다. “이론 출력” 계산에서 “$\eta $”에 발전기와 터빈의 손실 효율을 반영하고, “$H _{e}$”에 마찰과 만곡 등의 손실을 반영하면 식 (2)와 같은 “유효 출력식”이 된다. 수로에서 발생되는 마찰과 만곡에 의한 손실을 “손실 낙차(Head Loss)”라고 한다.

식 (2)를 이론적 관점에서 분석하면 물의 밀도, 기압, 온도 조건에 의한 가속변수가 동일하다고 가정하면 터빈을 회전시킬 물의 양, 물의 낙차, 터빈 및 발전기의 효율에 의해서 발전량이 결정된다. 여기에서 발전기와 터빈의 효율도 생산 제품의 품질에 의한 것이므로 동일하다고 가정할 수 있다. 동일 조건인 가속도 변수와 장비 효율을 제외하면 물의 양과 물의 낙차만 남는다. 즉, 발전량은 물의 양과 낙차에 직접적인 영향을 받는다. 여기에서 “$Q$”는 수(水)량으로 표현되지만 유(流)량이라고도 표현된다는 점이다. “$Q$”는 모여 있는 물의 양이라는 의미와 함께 식 (3)과 같이 물의 속도를 의미한다.

식 (3)에서 수량 또는 유량인 “$Q$”는 단면적 “$A$”와 물의 속도 “$v$”의 비례관계에 의해서 결정된다. 단면적이 넓어지고 물의 흐름이 빠를수록 수량 또는 유량이 증가하고, 발전량도 증가한다. 결과적으로 발전량을 증가시키기 위해서는 대량의 유량을 확보할 수 있는 저수지가 필요하다. 소수력 발전의 장점은 험준한 지형과 소량의 수자원을 활용하는 것이기 때문에 대량의 유량 확보를 위한 대규모 저수지는 소수력 발전의 특성에 부합하지 않는 것이다.

3.1 관련법 및 규정

소수력 발전과 관련된 사항이 법에 명문화 된 것은 대략 1987년 이었다. 1987년 이전에는 “소수력 발전 개발 방안에 관한 업무지침”에서 발전용량 3MW이하를 소수력 발전으로 명시하였다. 1987년에 시행된 “대체에너지개발 및 이용 · 보급촉진법”에서는 발전용량 3MW이하를 소수력 발전으로 명문화 하였다. 이후 2003년 동 법령이 개정되면서 발전용량도 10MW이하로 증가되었다가 2005년 “신에너지 및 재생에너지개발·이용·보급촉진법”에서 양수발전을 제외한 모든 수력설비의 기준을 일원화하면서 삭제되었다. 2005년 관련 조문이 삭제된 이후에는 법령에서는 정확한 분류기준을 명문화 하고 있지 않다. 명확하게 소수력 발전을 언급하지는 않았지만, 발전용량 5MW이하에 대한 지원이 언급된 “신·재생에너지 공급 의무화제도(RPS)”와 산업자원통상부에서 시행하는 “발전차액지원제도”를 근거로 에너지관리공단은 인허가 및 자금 지원에 자의적 판단을 내리고 있다. 표 3은 소수력 발전과 관련된 법령들을 정리한 것이다. 신재생에너지 관련법은 특별법에 해당되는 권한을 가지고 있다. 법 적용 체계는 특별법 우선의 원칙이므로 신재생에너지법에 속하는 사업자는 일반 전기사업법의 규제 항목이 완화된 신재생에너지 관련법에 우선 적용을 받는다.

일반적인 발전 사업자는 전기 위원회로부터 신규 발전사업의 기술적 측면, 사업 타당성, 경제성, 사회 파급 효과와 관련하여 엄격한 심사 받는다. 그러나 신재생에너지 발전 사업자는 완화된 심사를 받고 신규 발전 사업을 수행할 수 있다. 신재생에너지 사업은 자연환경에 의한 영향력이 크기 때문에 경제성은 부족한 사업이지만, 친환경 발전사업의 확대를 위해서는 장려해야 하는 사업이기 때문이다. 소수력발전의 장점은 수력 발전과 같은 대규모 구조물에 의한 발전기술이 아닌 일반 하천이나 개천 등지에서도 운영 가능한 소규모 구조물을 이용한 발전기술이다. 2005년에는 소수력 발전이 큰 주목을 받지 못하였기 때문에 관련 법조문을 삭제하고 수력으로 통합하여 수력발전과 비슷한 지원 및 사업 안정성을 확보하여 주기 위한 것이었다. 그러나 최근 버려지는 물을 활용할 수 있는 소수력 발전의 장점이 주목을 받으면서 오히려 합리적인 지원 및 사업 안정성 확보를 저해하고 있다. 일반적인 1∼10MW의 분류기준의 적정성을 살펴보면 최대 기준점을 1MW로 가정 한다면 극소수력의 특징과 비슷하여 수력 발전과는 상이성을 보일 것이다. 반대로 10MW를 최대 기준점으로 가정하면 일반 수력 발전과 동일하기 때문에 소수력 발전의 장점이 망실 될 것이다. 따라서 소수력 발전의 장점을 극대화하며 수력 발전과 극소수력 발전의 완충역할을 수행할 수 있는 기준점은 1∼5MW까지가 적정하다. 유관기관의 해석도 같은 논리에서 이루어지고 있다고 보아야 한다.

3.2 설비 규모와 선정조건

소수력 발전 설비의 규모 선정 방법을 통해 소수력 발전의 장점을 극대화 시키기 위해서는 “설비 이용율, 유량 조절율, 유량 설비 이용율”을 분석하여야 한다. 시설 이용율은 시설물을 실제 얼마만큼 전력 생산에 활용하는 지를 확인하는 것이다. 식 (4)에서 설비 이용율은 평균부하를 시설용량으로 나누어 백분율로 표현한다. 식 (4)의 의미를 살펴보면 시설용량은 단순한 목표 발전량이 아닌 설치 대상지역의 수자원을 사전 조사하여 설정한 값이다. 조사된 설정 값보다 실제 운영상에서 생산된 전력량을 검토하여 설비 사용의 효율을 알아보는 것이다.

식 (5)는 유량 조절율 산출식이다. 소수력 발전은 수력 발전과 같이 유량의 영향을 크게 받기 때문에 유량 조절은 수자원을 얼마나 효과적으로 전력 생산에 사용하였는 지를 알 수 있는 척도가 된다. 유량 조절율은 발전에 사용하기 위한 수자원의 저수 용량 효과성과 연간 유입 되는 수자원 용량의 안전성을 살펴보는 것이다.

식 (6)은 유량 설비 이용율을 산출하는 산출식이다. 1년 동안 최대 사용할 수 있는 유량에 대하여 얼마만큼의 유량이 1년간 실제 사용되는 지를 살펴보는 것이다. 유량 설비는 댐이나 보와 같이 수자원을 저장하고 방류할 수 있는 기능을 가진 구조물이다. 다른 측면에서 유량 설비 이용율은 손실되는 유량을 산출하기 위한 것이다. 손실 유량을 확인하여 발전 설비가 가지고 있는 효율을 확인하기 위한 것이다. 유량 조절율이 자연적 조건에 대한 효율을 확인하기 위한 것이라면 유량 설비 이용율은 시설물 또는 구조물의 효율을 확인하기 위한 것이다.

일반적인 발전 설비에서 설비 규모는 발전기, 터빈과 같은 장비 규모에 따라 결정되는 것에 비해 수력 발전과 소수력 발전은 전력 생산에 사용되는 수자원을 저장하는 시설 규모와 관계가 있다. 따라서 발전량 증가를 위해서는 수자원 저장시설이 확충되어야 한다. 소수력 발전을 포함한 수력 발전은 건기와 우기에 따라 생산되는 전력량의 변화가 크기 때문에 평균 전력량에 의한 효율은 화석에너지를 이용하는 발전 설비에 비해 떨어진다. 소수력 발전에 관심을 가지고 지원하려는 것은 발전량 확보가 아닌 대규모 발전 설비에서 활용하지 못하고 버려지는 수자원을 최대한 활용하기 위한 것이다.

그림. 2는 한국에너지기술연구원에서 발간한 우리나라의 수력 발전 분포도이다. 분포도를 보면 10MW 이상의 발전량을 가진 하천은 전 국토에 20%가 되지 않는다. 전 국토의 80% 이상은 5MW이하의 전력을 생산할 수 있는 하천들이 분포하고 있다. 따라서 소수력 발전의 기준이 1∼5MW가 되어야 소수력 발전을 통한 효과적인 수자원의 활용이 가능하다는 기준을 도출 시킬 수 있다.

그림. 2. 표준유역 누적 수력 에너지 밀도 분포도^[5]

Fig. 2. Cumulative hydro-energy density map for sandard watersheds

3.3 지원 정책과 계통 연계의 효과성

소수력 발전 사업자에 대한 정부 지원은 2012년 시행된 “신·재생에너지공급의무화제도(RPS)”를 토대로 하여 “공급인증서(REC)”와 “발전차액지원제도” 등으로 확대되었다. 정부 주도 지원 정책은 신재생에너지 사업의 확대를 위하여 사업 초기부터 금융 지원을 시행하여 신규 사업자의 부담을 크게 줄여주고 있다. 지원정책의 궁극적인 목적은 오염원을 배출하는 기존 발전 설비를 감소시키고, 친환경적인 발전 설비로 대체하기 위함이다. 소수력 발전을 포함한 신재생에너지 산업은 자연환경에서 오는 저 효율성 문제 해결을 위한 기술 개발이 절실히 요구되고 있다. 따라서 정부 지원정책은 관련 기술개발을 위해서 기술 소비 시장을 형성하는 방향으로 진행되고 있다. 또한 정부 지원이 한 곳으로 집중되는 것을 막고 균등하게 분산 적용되도록 하기 위해서 대규모 설비에 대한 지원 보다는 소규모 설비에 대한 지원을 증가시키고 있다. 소규모 설비는 발생되는 문제점에 대한 환류가 빠르기 때문에 보완하는 과정에서 관련 기술의 집약도를 높일 수 있다. 그림. 2와 같이 전 국토의 대부분인 5MW이하의 발전량을 가진 하천을 개발하기 위해서는 소수력 발전의 분류기준 상한선을 5MW이하로 선정하는 것이 타당하다. 전력계통 연계의 경우 2014년 이전까지는 소수력 발전을 포함한 신재생에너지 발전에서 생산되는 전력을 전력계통에 연계할 수 없었다. 따라서 사업 개발이 용이한 장소라도 발전 사업을 포기하는 경우가 많았다. 그러나 2014년 8월부터 신·재생에너지 확대정책의 일환으로 “송·배전용 전기설비 이용규정”을 개정하여 변전소당 40MW∼80MW까지의 발전량도 연계할 수 있도록 하였다. 전력계통의 연계 범위에 포함되지 않는 소규모 발전 설비의 생산전력은 자가 소비 또는 구역계통에 연계하여 소비할 수 있도록 하였다. 정부의 지원정책은 전력계통에 직접연계가 가능한 대규모 발전사업과 직접 연계를 할 수 없는 소규모 발전 사업에 대하여 진행되어 왔다. 특히 소규모 발전 기술 발전을 위한 기술 시장 확장에 주력하고 있다. 관련 기술 시장 확보를 위해서는 국내 적용 기준이 그림. 2에서의 분포에서 보는 바와 같이 상한선의 기준을 5MW 이하로 선정할 때 신규 사업자의 참여도를 높일 수 있다.

3.4 해외 사례

표 4는 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)에서 발간한 보고서에 규정된 소수력 발전 설비의 분류기준이다. IPCC의 보고서의 분류기준을 보면 수력 발전 개념을 두 개의 그룹으로 나누고 있다. 첫 번째 그룹은 대수력과 중수력 발전 설비이고, 두 번째 그룹은 소수력과 극소수력 이다. 소수력 발전은 후진국과 같이 대규모 토목공사가 부담이 되는 국가인 경우와 지역이기주의로 신규 발전소 건립이 자유롭지 못한 유럽국가에서 많은 관심을 기울이고 있다. IPCC 보고서의 소수력 발전 분류기준을 보면 큰 수원이 적고, 작은 하천이 많은 국가들은 0.1MW에서 5MW를 소수력 발전 분류기준으로 있다. 상대적으로 큰 하천이 많은 국가들은 0.1MW에서 10MW이상을 분류기준으로 선정하고 있다.

표 5의 낙차에 의한 분류 기준을 살펴보면 수자원이 풍부하고 지형이 험준하지 않는 경우에는 20m이하의 낙차를 적용하고 있다. 지형이 험준한 경우에는 30∼40m이하의 낙차를 소수력 발전으로 분류하고 있다.

해외 사례분석을 통하여 알 수 있는 것은 작은 하천 개발을 위해서 많은 국가들이 소수력 발전 기준을 1∼5MW로 정의하고 있다는 것이다.