우리나라의 표준유역별 연간 소수력발전가능량 산정
Estimation of Annual Small Hydro-electric Power of Standard Basin in Korea
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Abstract
본 연구에서는 우리나라 840개 표준유역을 대상으로 연평균강우량을 수집하고 티센망을 구축하였으며 티센망을 통해 면적강우량을 산정하고 표준유역별 연평균유량을 산정하였다. 산정된 연평균유량에 단위낙차, 발전소 효율, 가동률 등을 고려하여 연간 소수력발전가능량을 산정하였다. 산정결과, 한강권역에서의 표준유역 최대 소수력발전가능량은 17,917.2MWh, 평균 572.2MWh로 산정되었으며 낙동강권역에서 최대 13,051.0MWh, 평균 1,318.2MWh, 금강권역에서 최대 6,587.3MWh, 평균 1,074.9MWh, 섬진강권역에서 최대 4,146.0MWh, 평균 760.3kW, 영산강권역에서 최대 2,699.6MWh, 평균 487.1MWh 순서로 산정되었다. 또한, 소수력발전가능량이 1,000MWh 이하인 표준유역이 708개로 전체 중 84.3%인 것으로 분석되었으며 1,000MWh초과 5,000MWh 이하인 표준유역은 84개로 전체의 10%, 5,000MWh 초과 10,000MWh 이하인 표준유역은 32개로 전체의 3.8%, 10,000MWh 초과인 표준유역이 16개로 전체의 1.9%인 것으로 분석되었다.
Trans Abstract
In this study, annual average precipitation was constructed and Thiessen network was developed according to 840 standard basin in Korea. Annual average discharge was estimated by applying areal rainfall through Thiessen network. Annual small hydro-electric power was calculated considering annual average discharge, unit head drop, power plant efficiency and operating ratio. The results showed that the maximum small hydro-electric power of standard basin was 17,917.2 MWh and has an average of 1,572.2 MWh from all the standard basins found on the boundary area of the Hangang basin, and for the Nakdonggang, 13,051 MWh was found to be the maximum power of standard basin and has an average of 1,318.2 MWh from all the standard basins. Also, the Geumgang’s, Seomjingang’s and Yeongsangang’s maximum small hydro-electric power of standard basin resulted to a value of 6,587.3, 4,146, and 2,699.6 MWh respectively with an average small hydro-electric power from all the standard basin of 1,074, 760.3 and 487.1 MWh respectively. Furthermore, it was found out that under the 0–1,000 MWh range, 708 standard basins or represents 84.3% of the over-all percentage fall under this category, while for the 1,000–5,000 MWh mark, a total of 84 or 10% were included and for the 5,000–10,000 MWh and over the 10,000 MWh limit, a result of 32 standard basins or 3.8% and 16 standard basins or 1.9% of the over-all percentage were recorded respectively.
1. 서론
에너지자원이 절대 부족하여 국내 수요의 97% 이상을 해외에서 수입해야하는 우리나라는 에너지 해외의존도를 경감시키기고 에너지를 안정시키기 위해 신재생에너지를 개발하여 보급률을 높이려는 국가정책이 마련되는 등 많은 노력을 기울이고 있다(Lee, 2005). 신재생에너지중 하나인 소수력은 친환경적인 청정에너지 중 하나로 다른 대체 에너지원에 비해 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 개발 가치가 큰 부존자원으로 평가되고 있다(Heo, 2010).
국내에서 소수력자원을 활용하고자 한 것은 1차 석유 파동 이후로 1978년 강원도 안흥에 설비용량 450kW의 시범 소수력발전소를 건설하여 현재 가동중에 있다. 그러나 소수력발전에 대한 관심결여와 지원부족 등으로 거의 개발되지 않고 있다가 2차 석유 파동이후 1982년 3월 동력자원부에서는 “소수력 개발 방안”을 마련하여 민간인에 의한 소수력 개발의 참여를 유도하게 되었다. 또한 에너지 자립도향상 및 대체에너지 개발을 위해 정부에서는 1987년 12월 “대체에너지 개발 촉진법”과 1988년 5월 “동법 시행령”을 제정⋅공포하고 정부 주도로 대체 에너지로서의 소수력개발에 관한 연구를 적극 지원하게 되었다.
국내의 기존 소수력 발전의 경우 경제성이 취약하여 개발이 활발하게 이루어지지 않고 있었으나 2013년을 기준으로 103개소가 가동중이며 시설전기용량은 160MW, 연간발전량 418,778MWh에 달하고 있을 정도로 소수력발전소의 보급과 발전량이 꾸준히 증가하고 있다(KIER, 2013). 이와 더불어 소수력 발전시설전기용량 산정에 관한 연구도 지속적으로 수행되어져 왔다. Park and Lee(2010)는 유입량 변화에 따른 소수력 발전소의 수문학적 성능특성 변화에 대해 분석하였고 Yi et al. (2007)은 지형공간정보체계를 활용하여 소수력개발이 가능한 입지를 분석하였다. Kim et al. (2007)은 경제성분석을 통해 소수력개발 시설물의 최적 규모를 결정하는 방안을 제안하였다. Park and Lee(2012)는 낙동강유역에 대해 소수력자원량 특성을 분석하고 연간전기생산량을 산정에 대해 연구한바 있다. Martin(1987)은 다목적 저수지에 대하여 Successive Linear Programming(SLP)을 적용하여 발전량, 용수공급량 및 홍수조절량을 추정하였으며 Anagnostopoulo and Papantonis(2007)는 수로식 소수력 발전소에서 터빈의수와 용량의 변화가 최적규모 결정을 위한 경제성에 미치는 영향을 분석하였다(Lee, 2013). 또한, 소수력 발전소 건설의 타당성 및 경제성 관련 연구(Kim and Hong, 2005; Kim, 2008; Cho, 2006)와 하수처리장 방류수를 이용한 소수력 발전에 관한 연구(Moon, 2005) 등이 진행된바 있다(Na, 2010). 이와 같은 연구를 진행하면서 소수력 발전소의 최적 입지조건에 대한 분석을 통해 경제성 높은 발전을 이루어낼 수 있었다. 소수력 발전의 경제성은 최적의 입지조건과 직결된다고 볼 수 있으므로 최적의 입지조건을 선정하기 위해 해당 유역의 연간 소수력 발전가능규모, 시설전기용량 추정이 필수적이다. 그러나 현재까지는 전국 대상이 아닌 특정 지역에 최적화된 소수력 발전규모를 결정하고 개발이 가능한 입지를 선정해 왔기 때문에 전국적으로 잠재적인 소수력자원량을 보유하고 있는 지역에 대한 소수력발전가능량의 분석은 미미한 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 우리나라의 840개 표준유역을 대상으로 연평균유량, 소수력발전소 시설용량을 산정하고 발전소 효율과 가동률을 고려하여 단위낙차별 연간 소수력발전가능량을 산정하였다.
2. 연구대상지역 현황
연구대상 지역은 Fig. 1과 같이 대권역인 한강, 안성천, 한강서해 한강동해, 낙동강, 형산강, 태화강, 회야, 수영, 낙동강동해, 낙동강남해, 금강, 삽교천, 금강서해, 만경, 동진, 섬진강, 섬진강남해, 영산강, 탐진강, 영산강남해, 영산강서해, 제주도 대권역으로 구분하였다. 국가수자원종합정보시스템에서는 위에 나열된 21개의 대권역을 자연하천 합류지점과 수자원 시설물 및 주요 통제지점을 유역 출구지점으로 하며, 분수계를 경계로 하는 840개의 표준유역으로 구분하였다. 21개 대권역의 유역면적, 표준유역 개수를 Table 1에 제시하였고 본 연구에서도 840개의 표준유역을 기준으로 연구를 진행하였으며 표준유역에 위치한 국토교통부, 기상청 관할 기상관측소 429개의 강우자료를 활용하여 연평균 강우자료를 구축하였다.
Study Area Showing 840 Standard Basin
Area of Standard Basin and Number of Standard Basin of Study Area
3. 소수력발전소 연간발전가능량 산정
소수력발전소 연간발전가능량(Ea)은 소수력 발전소에서 1년 동안 에너지를 생성할 수 있는 양으로 Eq. (1)과 같이 소수력발전소의 시설용량과 가동률의 곱에 의해 산정되고 소수력발전소 시설용량(P)은 Eq. (2)와 같이 하천의 연평균 유량(Qm), 유효낙차(He), 발전소의 효율(ηs)에 의해 산정되며 연평균 유량(Qm)은 Eq. (3)을 통해 산정된다(Park and Lee, 2010). 여기서 하천의 연평균 유량은 수위관측소의 자료가 아닌 기상관측소의 강우자료를 통해 추정되는데 이는 우리나라 전역에 유량산정이 가능한 수위관측소가 부족하며 자료 보유년수 또한 부족하기 때문이다.
여기서, Ea(MWh)는 연간 소수력발전가능량, 8,760은 24hr×365day로 소수력발전가능량을 산정하기 위한 단위환산 계수, P(kW)는 소수력발전소 시설용량, Lf는 가동률로 일반적으로 0.435를 사용한다(Park and Lee, 2010).
여기서, P(kW)는 소수력발전소 시설용량, ρ(kg/m3)는 유체의 밀도, g(m/s2)는 중력가속도, Qm(m/s3)는 연평균유량, He(m)는 유효낙차, ηs는 소수력 발전소의 효율로 일반적으로 0.8을 사용한다(Park and Lee, 2010).
여기서, Qm(m3/s)는 연평균유량, A(km2)는 유역면적, Rm(mm)은 연평균 강우량, K는 유출계수, 나머지 상수들은 단위환산 계수이다. 유출계수는 MLTMA(2011)에서 제시한 권역별 유출계수를 사용하였다.
3.1 연평균 유량 산정
우리나라 전역의 연평균 유량을 산정하기 위해 기상청 관할 기상관측소 53개소, 국토교통부 관할 기상관측소 374개소, 총 427개 기상관측소를 선정하고 해당 기상관측소의 1960∼2016년 강우자료를 구축하여 관측소별 연평균강우량을 구축하였다. 선정된 기상관측소 위치를 기준으로 Fig. 2와 같이 티센망을 구축하여 지역별 연평균강우량을 산정하고 Eq. (3)을 통해 840개 표준유역별 연평균유량을 산정하였다. 표준유역별로 연평균유량이 가장 높게 산정된 지역은 한강권역에서는 임진강합류점 표준유역에서 566.6 m3/s, 낙동강권역에서는 낙동강하구언 표준유역에서 412.7 m3/s, 금강권역에서는 금강하구언 표준유역에서 208.3 m3/s, 섬진강 권역에서는 섬진강하류 표준유역에서 131.1 m3/s, 영산강 권역에서는 영산강하구언 표준유역에서 85.4 m3/s, 만경, 동진 권역에서는 소양천에서 69.1 m3/s순서로 Table 2와 같이 산정되었다. 대권역별 연평균 유량 평균은 한강권역의 경우 49.7 m3/s, 낙동강 권역은 41.7 m3/s, 금강권역은 34.0 m3/s, 섬진강 권역은 24.0 m3/s, 영산강 권역은 15.4 m3/s, 형산강 권역은 10.8 m3/s, 만경, 동진 권역은 10.5 m3/s, 탐진강 권역은 7.7 m3/s 순서로 산정되었다(Table 2).
Development of Thiessen Network of Korea
Annual Average Discharge of Study Area
3.2 소수력발전소 시설용량 산정
소수력발전소 시설용량은 3.1절에서 산정된 표준유역별 연평균유량과 유체의밀도, 중력가속도, 유효낙차, 소수력발전소 효율을 고려하여 Eq. (2)를 통해 산정하였다. 여기서, 유효낙차는 하천에 설치된 수공구조물에 따라 다르기 때문 에 단위낙차인 1 m를 기준으로 산정하였다. 우리나라 840개 표준유역별로 단위낙차에서의 소수력발전소 시설용량을 산정하여 Fig. 3과 같이 지도로 나타내었다. 연평균 유량이 높은 한강, 북한강, 남한강, 낙동강, 금강에서 소수력발전소 시설용량이 크게 산정된 것을 알 수 있다. 대권역별 표준유역의 최대, 평균 시설용량은 한강권역에서 최대 4446.4 kW, 평균 390.2 kW, 낙동강권역에서 최대 3238.8 kW, 평균 327.1 kW, 금강권역에서 최대 1634.7 kW, 평균 266.7 kW, 섬진강권역에서 최대 1028.9 kW, 평균 188.7 kW, 영산강권역에서 최대 670.0 kW, 평균 120.9 kW, 만경⋅동진권역에서 최대 542.2 kW, 평균 10.6 kW, 형산강권역에서 최대 280.3 kW, 평균 84.6 kW, 삽교천권역에서 최대 245.9 kW, 평균 46.7 kW순서로 산정되었으며 Table 3에 21개 대권역별로 표준유역의 최대 및 평균 시설용량을 제시하였다.
Development of Facility Electric Capacity Map
Facility Electric Capacity of Study Area
3.3 소수력발전 가능량 산정
소수력발전 가능량은 3.2절에서 산정된 단위낙차에서의 소수력발전소 시설용량에 가동률을 고려하여 Eq. (1)에 의해 Fig. 4와 같이 840개 표준유역에 대해 산정하였다. 대권역별 표준유역의 최대, 평균 소수력발전 가능량은 한강권역에서 최대 17917.2 MWh, 평균 1572.2 MWh, 낙동강권역에서 최대 13051.0 MWh, 평균 1318.2 MWh, 금강권역에서 최대 6587.3 MWh, 평균 1074.9 MWh, 섬진강권역에서 최대 4146.0 MWh, 평균 760.3 kW, 영산강권역에서 최대 2699.6 MWh, 평균 487.1 MWh, 만경⋅동진권역에서 최대 2148.9 MWh, 평균 333.4 MWh, 형산강권역에서 최대 1129.5 MWh, 평균 341.0 MWh, 삽교천권역에서 최대 990.9 MWh, 평균 188.3 MWh 순서로 산정되되었으며 21개 대권역별 표준유역의 최대, 평균 소수력발전 가능량은 Table 4에 제시하였다.
Development of Small Hydro-electric Power Map
Annual Hydro-electric Power of Study Area
3.4 연간 소수력발전 가능량 산정결과 분석
우리나라 840개 표준유역에 대해 연간 소수력발전 가능량을 산정한 결과 Fig. 5와 같이 1,000 MWh 이하인 표준유역이 708개로 전체의 84.3%를 차지하였으며 1,000 MWh초과 5,000 MWh 이하인 표준유역이 84개로 10%, 5,000 MWh 초과 10,000 MWh 이하인 표준유역이 32개로 3.8%, 10,000 MWh 초과인 표준유역이 16개로 1.9%인 것으로 분석되었다. 연간 소수력발전 가능량이 1,000 MWh 이하인 표준유역은 Fig. 6(a)에 나타내었으며 대부분 연평균유량이 32 m3/s 이하인 중⋅소규모 지류 하천인 것으로 분석 되었고, 1,000 MWh 초과 5,000 MWh 이하인 표준유역은 Fig. 6(b)에 나타내었으며 대부분 연평균 유량이 32m3/s 초과 156m3/s 이하인 중⋅대규모 하천의 상류 지역인 것으로 분석되었다. 소수력발전 가능량이 5,000 MWh 초과 10,000 MWh 이하인 표준유역은 Fig. 6(c)에 제시하였으며 연평균 유량이 156 m3/s 초과 279 m3/s 이하인 중규모 하천의 하류 또는 대규모하천의 중류인 것으로 분석되었으며, 소수력발전 가능량이 10,000 MWh 초과인 표준유역은 Fig. 6(d)에 제시하였으며 연평균 유량이 279 m3/s 초과 567 m3/s 이하인 대규모하천의 하류지역인 것으로 나타났다. 이 지역들은 한강유역에서 임진강합류점, 계양천, 행주대교수위표, 홍제천합류점, 한강대교수위표, 중랑천합류점, 팔당댐하류, 팔당댐 이상 8개, 낙동강유역에서 낙동강하구언, 구포수위표, 월촌수위표, 원동천 합류점, 밀양강합류점, 수산수위표, 임해진수위표, 진동수위표 이상 8개 표준유역인 것으로 나타났다.
Histogram Showing Number of Standard Basin According to Annual Small Hydro-electric Power
Location of Standard Basin According to Range of Hydro-electric Power
4. 결론
본 연구에서는 우리나라 840개 표준유역을 대상으로 연평균 유량을 산정하고 소수력발전소 시설용량, 연간 소수력발전 가능량을 산정하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과를 정리하면 아래와 같다.
(1) 표준유역별 연평균유량을 산정하기 위해 429개 관측소별 연평균강우량을 수집하고 티센망을 구축하여 면적강우량을 산정하였으며 산정된 면적강우량을 통하여 우리나라 840개 표준유역에 대한 연평균유량을 산정하였다. 대권역별로 표준유역의 연평균유량이 높은 순서로 나열해보면, 한강권역 최대 566.6 m3/s, 평균 49.7 m3/s, 낙동강권역 최대 412.7 m3/s, 평균 41.7 m3/s, 금강권역 최대 208.3 m3/s, 평균 34.0 m3/s, 섬진강권역 최대 131.1 m3/s, 평균 24.0 m3/s, 영산강권역 최대 85.4 m3/s, 평균 15.4 m3/s, 만경, 동진 권역 최대 69.1 m3/s, 평균 10.5 m3/s순으로 산정되었다.
(2) 표준유역별 단위낙차에서의 연간 소수력발전가능량을 산정하기 위해 연평균유량에 발전소 효율을 고려하여 소수력발전소 시설용량을 산정하였으며 가동률을 고려하여 소수력발전가능량을 산정하였다. 대권역별로 표준유역의 소수력발전 가능량이 높은 순서로 나열해보면, 한강권역에서 최대 17,917.2 MWh, 평균 1,572.2 MWh, 낙동강권역에서 최대 13,051.0 MWh, 평균 1,318.2 MWh, 금강권역에서 최대 6,587.3 MWh, 평균 1,074.9 MWh, 섬진강권역에서 최대 4,146.0 MWh, 평균 760.3 kW, 영산강권역에서 최대 2,699.6 MWh, 평균 487.1 MWh, 만경⋅동진권역에서 최대 2,148.9 MWh, 평균 333.4 MWh, 형산강권역에서 최대 1,129.5 MWh, 평균 341.0 MWh, 삽교천권역에서 최대 990.9 MWh, 평균 188.3 MWh로 산정되었다.
(3) 우리나라 840개 표준유역 중 소수력발전가능량이 1,000 MWh 이하인 표준유역이 708개로 84.3%인 것으로 분석되었으며 국가하천을 제외한 대부분의 하천이 여기에 포함되었다. 1,000 MWh 초과 5,000 MWh 이하인 표준유역은 84개로 전체의 10%, 5,000 MWh초과 10,000 MWh 이하인 표준유역은 32개로 전체의 3.8%인 것으로 분석되었으며 이 표준유역들은 대부분이 국가하천(4대강)의 상류, 중류에 위치한 표준유역인 것으로 나타났다. 10,000 MWh 초과인 표준유역이 16개로 전체의 1.9%인 것으로 분석되었으며 이 표준유역들은 한강 하류와 낙동강 하류에 위치한 것으로 분석되었다.
감사의 글
본 연구는 정부(행정안전부)의 재원으로 재난안전기술개발사업단의 지원을 받아 수행된 연구임 [MOIS-재난-2013-01].
본 연구는 지식경제부에서 지원하는 “신재생에너지 자원지도 및 활용시스템 구축”의 일환으로 수행되었습니다.