[한국에너지신문] 소수력(Small Hydropower)은 물의 유동에너지를 변환시켜 전기를 생산하는 설비로서 다른 신•재생에너지에 비해 청정 전기에너지를 생산하며 에너지 변환효율과 가동률도 높은 편이다. 그러나 지역이나 기후 조건에 따라 적합한 사이트 선정하는 것이 매우 중요하다. 그래서 면밀한 사전 검토로 설비가 한번 설치할 경우 가동률이 높아 많은 양의 청정에너지를 지속적으로 수용가에 공급 가능하다. 소수력은 사이트 선정에서부터 경제성 평가, 가동여건, 설비의 선택 그리고 운전에 따른 사항 등 최종적인 설비의 설치 운전에 까지 고려해야 할 요소가 많은 편이고, 기술적인 사항 외에도 설비의 인허가 업무까지 복잡한 과정을 거쳐야 한다. 여기서는 소수력 개발에서 고려해야 할 주요한 기술 사항에 대해 5가지 분야로 나누어 소개하고자 한다.
1. 자원 조사 및 활용
소수력 개발에 대한 자원조사 및 활용이 필수적이다. 이를 위해서는 적지에 대한 사전조사 및 용량 그리고 경제성 등에 대한 조사가 이루어야 한다. 소수력은 청정에너지를 활용하는 것으로서 잠재된 수력자원을 지속적으로 발굴하여 경제성을 평가하여 개발해 나가야 할 것이다. 그래서 국내는 물론이고 해외에 대한 자원조사가 필요하다. 국내에 잠재된 수력자원에 대해 일반하천을 중심으로 조사되었고, 지금도 조금씩 조사가 진행되고 있다. 그러나 하천의 변동과 사회 환경의 변화에 따라 앞으로도 지속적인 조사가 필요하다. 아울러 권역별 기존 소수력 개발 지점에 대해서도 재평가가 필요하다. 해외 소수력은 동남아는 물론이고 중남미 지역에 많은 잠재력을 지니고 있다. 그래서 이들 지역에 대해서도 자원조사가 필요하다.
잠재력이 높이 평가되고 있는 소수력 적지로서는 하천이 아니라도 양어장, 발전소 온배수, 상하수도 설비, 배수갑문, 건물 내의 미활용 위치에너지에 대한 적극적인 잠재력 조사도 필요하다. 여건이 허락할 경우 북한에 대한 기존 시설물 개발 조사와 개발 가능한 사이트에 대한 체계적인 조사도 함께 이루어질 필요가 있다. 아울러 소수력 개발은 항상 자원조사 초기단계에서 친환경 여건에서 진행되어야 한다.
위와 같은 소수력 자원조사를 통해 개발이 원활하고 정확하게 이루어질 수 있도록 하기 위해서는 자원조사에 대한 팩키지 툴의 개발과 이를 활용할 수 있는 인력양성도 함께 진행되어야 할 것이다.
2. 발전설비 국산화 및 표준화
소수력은 위치에너지를 우선 기계에너지로 변환하고서 이를 다시 전기에너지로 변환하는 설비를 말한다. 이들 에너지 변환에서 수차, 발전기, 전력변환장치가 가장 중요한 구성 요소이다. 수차는 위치와 유량에 따라 다양한 형태의 것들이 개발되었지만, 앞으로도 기술 개발을 통해 친환경적이고 높은 효율이 보장되도록 기술 개발이 필요하다. 수차는 용량에 따라 대, 중, 소에서 마이크로, 피코, 나노급으로 다양하게 분류할 수 있다. 중대형의 수차는 어느 정도 개발되었지만, 용량이 아주 낮은 수차의 경우 개발 단계이거나 개발중인 것들이 많다. 특히 용량이 높은 경우 경제성이 높아 선진국을 주축으로 개발되어 현재 많은 기술이 축적되어 있으며 지금은 고효율을 위한 제작기술 향상이나 재질의 품질향상에 주력하고 있다. 그러나 소형의 경우 경제성이 낮고, 주문자가 많지 않아 제작 경험이 낮아 효율이 낮은 편이다. 그래서 향후 이 분야에 집중적인 기술 개발과 연구투자가 필요하다고 본다.
수차의 경우 효율 향상이 매우 중요하다. 수차발전기의 효율은 수차와 발전기의 효율의 곱으로 결정되기 때문에 발전기에 비해 상대적으로 낮은 수차의 효율향상은 전력생산량을 높이는데 중요한 파라미터가 될 수 있다. 그래서 수차의 효율향상을 위해 가공기술의 향상이나 재료의 업그레이드 및 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)과 같은 유동기술의 적용 등으로 수차의 효율 개선을 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
수차에서 제공된 기계에너지를 전기에너지로 최종적으로 적용하는 것이 발전기이다. 이 발전기에는 주로 유도발전기와 동기발전기가 적용되고 있다. 동기발전기의 경우 용량이 큰 곳에서 사용되고 있으며, 유도발전기의 경우 출력 용량이 낮은 곳에 사용되는 편이다.
동기발전기는 기동 및 운전시 계통의 안정에 문제를 주지는 않은 반면 제작과 가격 및 유지보수가 유도발전기에 비해 불리하다. 유도발전기의 경우 동기발전기에 비해 기동시에 큰 돌입전류가 문제가 되지만, 제작가격이 동기발전기에 비해 유리하고, 유지보수가 쉬워 최근 많이 적용하고 있다.
발전기의 효율은 수차에 비해 높은 편이지만, 재질의 업그레이드와 제작 및 설계 기술의 발전으로 인해 점차 효율이 조금씩 높아지고 있다.
수차에 유입되는 유량에 따라 최적의 출력을 보장받을 수 있도록 가바나(Governor)와 액추에이터(Actuator)와 같은 부속설비의 기술 개발도 필요하다.
수차발전기는 다른 신•재생에너지에 비해 효율이 높고, 에너지변환 효율 및 가동률이 높지만, 우리나라의 적용 개소가 높지 않아 주문자에 따라 용량이 달라지므로 설비에 대해 표준화가 이루어지지 않은 반면, 수력설비의 개발 보급이 높은 나라에서는 용량, 타입별로 표준화가 이루어져 시스템에 대한 기술 및 가격경쟁력이 높은 편이다. 또한 전력에너지의 변환과 수송에 필요한 설비에 대한 표준화, 간소화도 필요하다.
3. 송전계통 및 감시진단
소수력의 경우 대형 수력과 달리 용량이 작고, 대부분의 경우 발전소가 외딴 곳에 설치하여 주로 무인으로 운전하기 때문에 시스템이 복잡하지 않도록 구성되어 있고, 발전설비 시스템은 대부분은 원거리에서 무인 감시제어 및 통합 센터에서 일괄 제어하는 경우가 많은 편이다. 이를 위해 송전계통의 기기에 대해서는 지능형 보호계전기(IED, Intelligent Electric Device) 설계 및 제작기술, 콤팩트형 전력계통 연계장치 기술이 개발될 필요가 있다. 또한 발전설비의 감시진단에는 수차, 발전기 및 부속설비의 감시진단 기술이나 콤팩트형 진단 프로그램 등이 필요한 기술이다.
4. 자동화
소수력은 대개 무인으로 운전하기 때문에 여러 발전소를 통합운전하는 개념으로 기술개발이 필요하다. 이를 위해서는 발전소의 기동 및 운전에 대해 자동화가 필수적이다. 이 자동화에 필요한 주요 기술로서는 지능형 무인화 및 원격감시 운전기술이 필요하고, 운영된 데이터를 종합적으로 관리하기 위한 시스템 기술이나 분산형 전원과의 계통연계시 발생할 수 있는 전기품질에 대한 신뢰도 증진을 위한 기술 개발이 필요하다. 아울러 소수력은 국가 중요시설로서 사이버 테러로부터 발생하는 문제를 차단하기 위한 방어 시스템 기술 개발도 필요하다.
5. 성능평가 및 현대화
소수력설비는 한번 설치하면 수십년간 사용해야 하므로 설비에 대해 지속적인 성능평가를 실시해야 한다. 소수력설비에는 수차, 발전기, 전력변환설비, 감시 및 제어 설비 등이 사용되므로 이들 설비에 대해 지속적인 사용을 위해서는 주기적으로 설비에 대해 성능보증이 이루어지도록 평가할 필요가 있다.
소수력은 표준화가 이루어진 경우 문제가 되지 않지만, 주문량이 많지 않고, 출력 용량이 다양하여 정확한 효율 보증을 위해서는 각 설비에 대한 성능 보증을 위한 공인 인증센터가 필요하다. 또한 기존 수차에 대해 효율 향상을 통해 출력량을 증진시킬 수 있을 경우 경제성을 높이는 것이 가능하며, 일정기간 사용한 수차발전기의 경우 내구 년한에 따른 교체를 위해서라도 시험은 필요하다. 그래서 용량별, 타입별 수차에 대한 효율 보증을 통해 제작사와 주문자가 서로 인정할 수 있는 공인 기관의 설치가 필요하다.
