에너지 분야의 현황

에너지는 현존하는 인류의 주요한 생존 수단이자 지속 가능한 발전의 근간이 되는 요소다. 인류는 과거로부터 식수-식량-에너지라는 상호 연관된 지구 자원 시스템의 중요성에 대해 인식하고 자원을 확보하기 위해 큰 노력을 기울여 왔다. 강 근처에서 문명이 태동했고, 불을 활용하기 위해 산지 근처에 정착했으며, 식량을 얻기 위해 농업에 매진하거나 목초지를 떠돌아다니며 자원을 얻어 왔다. 근대에 접어들며 인류는 산업혁명 시대를 맞이했고 화석연료를 확보 및 사용해 큰 발전을 이룩했다. 이 과정에서 에너지시스템은 자연스레 규모의 경제 체제로 접어들게 되었으며 더 많은 에너지를 활용해 경제를 성장시키고, 더 많은 자원을 확보하기 위해 큰 전쟁이 벌어지기도 했다. 이러한 인류의 활동은 지구상에 발자취를 남겼고, 온실가스 및 유해가스의 배출에 따른 기후변화가 지속되고 있다. 현대사회에서 국가 연합체들은 온실가스 배출량의 증가에 따른 기후변화에 대한 경각심을 전 세계적으로 일깨우기 위해 노력했고, 온실가스 배출량을 낮추기 위해 신재생에너지의 확대 보급 및 기술 개발이 장려되기도 했다.

대한민국에서는 중장기 전력수요 전망 및 이에 따른 전력설비 확충을 위해 2002년부터 전력수급기본계획(이하 전기본)을 수립하여 전력 수급의 기본방향을 제시하고, 장기 전력 수급 전망을 예측하여 발전 및 송·변전 설비계획을 마련하여 전력수요를 효과적으로 관리하고 있다. 지난 2020년 수립된 제9차 전기본에 따르면, 2019년 총 전력 소비량은 520.5TWh이며 2015~2019년 전력 소비량 연평균 증가율은 1.7%로 나타났다. 그리고 올해 발표된 제10차 전기본에 따르면 2021년 총 전력 소비량은 533.4TWh이고 2년 전에 비해 2.5% 증가한 것으로 나타났다.

또한 2019년 최대 전력 90.3GW 대비 2022년 최대 전력은 94.5GW로 4.2GW만큼 증가해 전력설비의 추가 확충이 지속적으로 필요한 상황임을 알 수 있다. 설비 규모는 2019년 말 총 125GW에서 2021년 말 134GW로 증가했는데 이 중 신재생에너지 발전설비 비중이 2019년 13%, 약 16.2GW 대비 2021년 19%, 약 25.4GW로 증가했다.

기준수요 전망치는 현재의 전력 소비량 및 최대 전력 수치에 비해 많이 늘어날 전망이다. 전력 소비량은 2036년 기준으로 703.2TWh(연평균 1.7% 증가 전망) 및 최대 전력량은 135.6GW(연평균 2.5% 증가 전망)로 전망했다. 이러한 추세가 계속된다면 신재생에너지 발전량 증가에 따른 변동성이 지속적으로 증가하여 전력 수급 및 망 운영에 큰 지장을 초래하게 되어 대책 마련이 긴요한 상황이다. 제10차 전기본에서는 재생에너지의 발전 비중 확대 및 일부 지역 보급 집중에 따른 계통 불안정 심화 현상을 해소하기 위한 구체적인 방안을 최초로 수립하고 있는데, 백업 설비(에너지저장장치,ESS)의 필요성을 언급하고 구체적인 필요량을 아래와 같이 제시했다.

전기에너지의 조정을 통해 전력계통의 전압 / 무효전력을 조정하고 계통 관성을 확보하기 위한 동기조상기는 2026년까지 36GVar 만큼 추가 도입할 예정이며, 계통 내 주파수를 유지하고 실시간 수급균형 확보 등 변동성에 대응하기 위한 단주기 ESS는 단기적으로 0.05GW에서 2036년까지 최대 3.66GW까지 확보할 예정이다. 장주기 ESS의 경우 잉여전력에 의한 출력제어 완화, 부하 평준화 등 공급과잉에 대응해 단기적으로 0.16GW에서 2036년까지 최대 20.85GW까지 확보할 계획을 수립하였다. 양수발전의 경우 신규 양수발전이 2030년까지 영동에 0.5GW, 2032년까지 홍천에 0.6GW, 그리고 2034년까지 포천에 0.7GW 규모로 총 1.8GW만큼 도입이 확정되어 있으며, 2035년에서 2036년까지 추가로 1.75GW 규모로 장주기 백업 설비를 확충할 계획이다.

이러한 단주기/장주기 ESS의 효과적인 도입을 위해서는 최적의 Storage Mix를 구성해야 한다. Storage Mix는 계통 운영의 경제성을 확보하고 적절한 유연성을 제공하는 데 필요한 계획인데 유연성과 백업 설비의 용량을 과도하게 산정함에 따라 발생하는 경제성 악화를 방지하고 미래 전력계통의 변화를 예측해야 한다. 가령 전기화에 따른 전기차 보급 증대 등 다른 유연성 자원의 예측 확보량에 따라 ESS에 요구되는 계통 유연성이 달라질 수 있으며 단주기 ESS 보급 추이에 따라 향후 투자될 장주기 ESS의 출력과 저장 시간 등에 영향을 줄 수 있다. 이러한 이유로ESS는 에너지 저장형태와 기술에 따라 설비 투자 비용, 수명, 에너지 저장 효율, 입지 조건, 시공성 등이 달라서 ESS의 보급은 어느 하나의 기술에 의존/종속되어서는 안되며 유망한 기술 후보군을 수립해 2036년까지 백업 설비 목표량을 충족할 수 있는 수준으로 보급할 수 있도록 지금부터 개발해 나가야 한다.

현재 국내에서는 장주기 ESS의 유일한 선택지가 양수발전이지만, 내륙지역에만 양수발전을 도입하는 것으로는 장주기 ESS 도입 계획인 20.85GW 규모만큼 도입하기 쉽지 않기 때문에 목표치를 달성하기 위한 국가적인 노력이 절실한 상황이다. 한전 전력연구원에서는 지난 2020년부터 이러한 상황에 대비하기 위해 나트륨황(이하 NaS)전지 기반 ESS, 압축공기 에너지 저장 기술(이하 CAES), 열에너지저장 기술(이하 TES) 및 해수 양수발전 기술과 같은 유망한 중/장주기 ESS 기술을 개발하고 있으며 신규 연구과제로도 기획하고 있다.

해수 양수발전 기술 개요·특징· 사업추진 사례 및 국내 적용 가능성

해수 양수발전 기술 개요

해수 양수발전 기술에는 기존의 내륙 양수발전과 유사한 상부 저수지형 해수 양수발전과 천해 인공섬 활용 해수 양수발전, 인공 구조물 기반 해수 양수발전 기술 등이 있다. 상부 저수지형 해수 양수발전 기술은 기존의 내륙 양수발전과 같은 기술이며, 신재생에너지 발전원 등에서 발생한 잉여전력을 활용해 워터펌프를 운전, 물을 상부 저수지에 양수해 저장 후 전력이 필요한 경우 물을 하부 저수지로 흘려보내 수차발전기를 운전해 전력을 생산하는 원리가 같다.

천해 인공 조정지 활용 양수발전 방식은 공해상에 환상(環狀)의 인공 조정지를 조성해 둘레의 부지에는 풍력 발전단지를 조성하고 조정지의 한쪽 공간에는 양수발전을 위한 펌프와 수차발전기를 조성하는 해수 양수발전이다. 인공 구조물 기반 해수 양수발전은 공해상에 콘크리트 구조물을 설치해 양수발전소로 활용하는 방식이다. 해안 지반에 콘크리트 기둥을 제작 및 매설하고 인공 벽체를 쌓은 다음, 인공 벽체의 상부에 별도의 상부 저수지용 콘크리트 구조물을 조성해 발전하는 방식이다. 인공 구조물 기반 해수양수발전소는 아직 국내·외 사업추진 사례는 없으나 콘크리트 구조물을 활용하기 때문에 시공이 용이하며, 별다른 환경피해가 없다는 장점이 있다.

상부 저수지형 해수 양수발전 기술의 특징 및 사업추진 사례

상부 저수지형 해수 양수발전의 특징은 내륙 양수발전의 경우 주로 산지에 상부 저수지와 하부 저수지를 모두 시공해야 하므로 입지 제약이 있으며, 산림을 대규모로 훼손해야 하는 문제가 있는것과 달리 하부 저수지로 바다를 이용할 수 있어서 공사 일정을 단축할 수 있다. 또한 상부 저수지의 용량만 확보하면 큰 출력의 발전소를 건설할 수 있고 입지 제약이 상대적으로 적은 장점이 있다.

에너지 전환 효율 측면에서 해수 양수발전은 양수 과정에서 전동기의 전력 소비가 발생하므로 일반수력보다 약간 낮지만, 열에너지저장 기술(40~60%)이나 압축공기 에너지저장 기(50~70%)보다 높은 효율을 가진다(70~85%). 그리고 해안에 자리 잡기 때문에 신재생에너지 발전단지 주변에 건설할 수 있어 재생에너지원의 출력 변동성 및 간헐성을 효과적으로 대응할 수 있고, 전력 필요시 신속히 운전하여 전력을 공급할 수 있으므로 효율적인 전력망 운영이 가능하게 함과 동시에 송전선 건설 비용을 낮출 수 있다.

해수 양수발전은 염해를 활용하는 기술의 특성상 워터펌프와 수차발전기와 같은 주요 장치의 부식을 늦추고 상부 저수지 인근에 염해가 흩날리거나 상부 저수지의 바닥 면으로 해수가 침투하는 것을 방지해야해서 총 시공비용은 같은 규모의 내륙 양수발전과 비교해 상대적으로 높은 편이다. 해안에 조성돼야 하는 해수 양수발전의 특징 때문에 조수 간만의 차가 작은 곳이 취수구 시공에 드는 비용이 적어 유리하며, 내륙 양수발전에 비해 상부 저수지의 조성 규모를 조절할 수 있으므로 재생에너지원 인근에 소규모 발전소를 구축하는 것이 가능하다. 해외의 대표적인 해수 양수발전 구축 사례로는 일본 오키나와섬의 얀바루 발전소가 있다. 얀바루 발전소는 세계 최초로 구축된 해수양수발전소이며, 30MW 규모로 총 건설비용 32억엔을 투입해 1991년부터 1999년까지 9년 동안 건설됐다. 그리고 5년간의 실증시험 운전을 거쳐 2004년부터 2016년까지 13년간 운전됐지만, 경제성 확보가 어려워 운영이 중단된 상태다.

얀바루 발전소의 건설 배경과 건설 과정, 운영 및 폐기 과정을 분석하면 해수 양수발전 필요시 시행착오를 최소화하고 효율적인 운영이 가능한데, 대표적으로 염해에 의한 영향과 해결방안이다. 해수 양수발전 시공 시 부품에 대한 재료 및 방식법은 재료의 부식 저항성과 경제성 평가를 모두 고려해 선택됐다. 그리고 주기기 중 하나인 펌프 터빈을 해수에 활용될 수 있도록 직접 개발했다.

Cultana 해수 양수발전 프로젝트는 2017년 호주 전력회사인 Energy Australia社가 호주 재생에너지 당국의 지원을 받아 타당성 분석을 수행한 사례이다. 출력 225MW, 저장용량 1,800MWh,저장 효율 75%, 설계 낙차 223m로 설계된 프로젝트인데 주요한 특징으로는 해수를 역삼투압(Reverse Osmosis, RO) 방식으로 담수 처리해 하부 저수지에 저류하고, 상하부 2개 저수지를 이용해 양수 및 발전하는 방식으로 고안됐다. 양수발전의 운영에 있어 해수 사용과 RO 처리된 청수를 이용하는 방법을 고려했는데, 해수를 직접 사용하면 국제 시장의 주목을 받을 수 있지만 사례가 많지 않아 도전적이고, RO 처리된 청수를 사용하면 높은 안정성을 확보할 수 있기 때문에 RO 처리된 청수를 사용하는 것으로 결정했다.

하부 저수지는 스펜서만을 이용함으로써 하부 댐 조성 비용을 절약하고, 유지보수가 쉬우며, 주민 수용성을 높였다. 스펜서만에서 RO 플랜트까지 해수를 이송하기 위한 취수구에는 취수막을활용해 해양 생명체의 유입을 방지했다. 그리고 자동 공기 퍼지 장치를 포함해 생명체로부터 취수막이 차단되는 것을 방지했다.

천해 인공섬 활용 해수 양수발전 기술의 특징 및 사업추진 사례

천해 인공섬을 활용하는 해수 양수발전의 대표적인 프로젝트는 덴마크의 ‘Green Power Island’이다. 이 프로젝트는 출력 400MW, 저장용량 1,955MWh로 설계됐으며, 지름이 약 2km인 인공조 정지를 따라 풍력발전 터빈을 설치하고 수심 25m의 저수지를 조성하게 된다. 덴마크에서 기획된 또 다른 해수 양수발전으로는 인공 에너지 섬이 있다. 북해 한가운데에 세계 최초의 부유식 에너지 섬 건설계획이 승인됐는데 초기 부지 면적을 12만㎡로 고려했으며 에너지 저장용량을 10GWh로 설계했다. 

벨기에 THV iLand社에서 출력 550MW 및 저장 용량 2,200MWh 규모의 인공섬 조성 프로젝트인 iLand Project에 대한 개념설계를 수행했다. 외경 4km 및 내경 2.5km, 수심 34m의 타원형 저수지를 조성해 에너지 저장 효율이 90%, 연간 발전량이 750GWh인 해수양수발전소가 설치될 계획이다.

인공 구조물 기반 해수 양수발전 기술의 특징 및 사업추진 사례

인공 구조물 기반 해수 양수발전의 타당성을 검토하기 위해 출력 200MW 및 저장용량 1,000MWh 규모의 인공 구조물 기반 해수양수발전소의 구축을 가정하여 0.5MW 규모의 설비 구축을 상정했다. 이 경우 상부 저수조의 규모는 면적이 1만 7,550㎡ 및 높이가 12m로 발전 유효높이가 8m인 해수양수발전소를 구성한다. 이러한 소형 구조물을 400기 도입해 대형 해수양수발전소로 활용하는 것이 인공 구조물 기반 해수 양수발전의 특징이다.

해수 양수발전 기술 국내 적용 가능성

이상으로 해수 양수발전의 기술 특징과 국내·외 사업 추진 사례를 조사해 봤다. 각각의 해수 양수발전 기술은 저마다 장/단점을 가지고 있으며 지역이나 지형에따라 적용할 수 없는 기술도 존재한다. 해수 양수발전 기술의 국내 적용 가능성을 분석하고 아래와 같이 정리했다.

공해상에 별도의 조정지나 구조물을 조성해야 하는 해수 양수발전의 경우 부지확보 문제가 없으며 비교적 대형 에너지 저장소를 구성하는 것이 가능한 장점이 있다. 반면에 발전소 시공에 큰비용이 필요하며 인근에 수용가가 없어서 송전선로 구축에 추가 비용이 소요되는 한계가 있다. 기존의 양수발전과 유사한 상부 저수지형 해수 양수발전의 경우 비교적 적은 비용으로 시공할수 있으며 재생에너지 발전단지 인근이나 수용가 인근에 조성할 수 있는 장점이 있지만 적절한 상부 조정지를 구성할 수 있어야 한다. 국내의 경우 해안가에 조성된 재생에너지 발전단지가 많아 상부 저수지형 해수 양수발전의 도입 전망이 밝다고 할 수 있다. 특히 제주지역에서 발생하고 있는 재생에너지 발전 출력제한 문제에 대해 리튬이온 전지 기반의 ESS와 더불어 재생에너지의 잉여전력을 대용량/장주기로 저장하여 출력 변동성, 간헐성 문제와 잉여전력 저장을 통해 문제를 해결하는 데 상당히 이바지할 수 있다. 다음으로는, 상부 저수지형 해수 양수발전이 장주기 ESS로써 국내 도입이 가능한지 타당성을 검토하기 위해 한전 전력연구원에서 최적 후보지를 조사하고 경제성 평가 및 예비설계를 수행한 결과 대해 소개하고자 한다.

상부 저수지형 해수 양수발전 최적 후보지 도출

상부 저수지형 해수 양수발전 최적 후보지 선정 개요

장주기 ESS 유망 기술 중 하나인 해수 양수발전의 도입을 대비한 최적 후보지 선정과정은 일반 양수발전의 최적 후보지 선정과정을 참조해 수행했다. 일반 양수발전은 낙차가 크고, 발전수로연장이 짧아서 시공 비용을 줄일 수 있다. 수차발전기 제작 허용 한도 범위에서 고낙차 지점을 선정해야 하며, 세부적으로는 기술·환경적, 사회·경제적, 정책적 사항들을 입지 선정과정에서 고려한다. 해수 양수발전의 경우는 해안의 현황을 함께 고려해야 하는 것이 주요한 차이점이다.

국내 3개 해안의 현황을 분석한 결과, 동해안은 낙차 확보가 용이하고 조위 변동이 미미하여 부지확보 여건이 양호하다. 서해안은 낙차 확보가 어렵고 조위 변동이 심하여 부지확보 여건이 불리하다. 남해안은 낙차 확보는 비교적 용이하나 조위 변동이 다소 심하며, 특히 별도 관리지역인 다도해 및 한려해상 국립공원과 수자원 보호구역 등이 산재하여 부지확보가 어렵다.

제주도 내 지역은 제주특별자치도 조례와 세계유산의 보존·관리 및 활용에 관한 특별법에 따라 개발이 제한된 구역이 많이 분포하고 있다. 그러나 국가나 제주특별자치도(지방공사 포함)가 시행하는 공공·공익 목적의 사업은 개발 제한 대상에서 제외할 수 있다. 이는 현재 제주지역 전체에서 발생하고 있는 재생에너지 출력제한(Curtailment) 문제를 해소하기 위한 해법으로써 소규모 상부 저수지형 해수 양수발전의 검토가 타당하다는 것을 의미한다. 따라서 제주지역 또한 사업추진을 위한 최적 후보지 중 하나로 선정하기 위한 예비 후보지점에 포함했다. 해안별 현황분석 결과 및 입지 선정 기준을 토대로 해외 해수양수발전소 실증·계획 사례를 참조해 1/2만 5,000 축척의 지도와 Google Earth Pro 등을 이용한도상 검토를 수행했다.

장주기 ESS 도입 목표 달성을 위한 해수 양수발전 예비 후보지점 대상지는 경제·환경적 측면 등을 고려해 해안으로부터 수평거리 1.5km 이내, 낙차 100m 이상(지형 조건 양호 시 일부 예외)을 기준으로 제방(둑) 축제식 상부 저수지 형성이 쉬울 것으로 판단되는 대상지를 선정했다. 그리고 후보지점 선정을 위한 주요 매개변수인 시설 용량, 상부 저수지 저수용량, 낙차 중 시설용량을 소규모 양수발전 규모인 100MW에 고정해 확보가 가능한 낙차에 따른 저수용량과 이에 필요한 상부 저수지 규모 및 발전수로 노선을 개략적으로 계획했고, 기술적 및 환경적 검토를 수행해 계획에 적합할 것으로 전망되는 예비 후보지점을 선정했다. 이렇게 도상 및 문헌 검토를 통해 선정된 예비 후보지점은 동해안 16개소 및 남해안 5개소로 총 21개소이며, 후보 지점에 대한 기술적 측면과 환경적 측면 검토를 위한 항목별 평가 기준을 수립해 검토를 수행했다.

상부 저수지형 해수 양수발전 예비 후보지점 기술적·환경적 측면 검토

기술적 측면 검토는 예비 후보지점 대상지에 대해 지형 조건, 경제성, 지질 조건을 고려해 예비 후보지점 평가를 수행했다. 지형 조건으로는 해수 양수발전 해외사례를 참조해 상부 저수지 형성에 적합한 지형 조건을 고려한 평가를 수행했으며, 낙차확보가 가능한 평탄한 지형에 우선순위를 부여했고, 공사 여건 등을 고려해 평균 경사도 산정 후 가중치를 적용했다. 경제성 조건로는 검토 대상지에 대한 낙차(H)와 발전수로 연장(L)을 상호 대비해 경제성을 고려한 평가를 수행했다. 지질 조건으로는 한국지질자원연구원의 지오빅데이터 오픈 플랫폼을 통해 제공되는 1/50,000 지질도를 기반으로 발전수로 터널구간의 분포 암종, 굴착 조건, 상부 저수지와 지질구조대와의 이격 거리 등을 고려한 평가를 수행했다. 기술적 측면 평가 기준은 항목별 중요도에 따라 지형조건 60%, 경제성 30%, 지질 조건 10%의 가중치를 적용헤 평가점수를 산정한 후 평가점수를 합산해 우선순위를 부여했다. 환경적 측면 검토는 예비 후보지점 대상지에 대해 생태·자연도 및 별도 관리지역, 국토환경성평가지도, 제주특별자치도 보전지역 관리에 관한 조례(제주특별자치도 조례) 등을 고려해 예비 후보지점 평가를 수행했다.

생태·자연도는 전국의 자연환경 조사 결과를 기초로 작성해 고시되고, 식생, 멸종위기야생생물, 습지, 지형 항목 등을 기준으로 평가하며, 환경영향평가 시 중요한 척도가 되고 있어 평가항목으로 선정했다. 대상지의 상부지 및 발전수로 부지 예상 범위를 경계로 생태·자연도의 등급별 면적을 파악하고 항목별 평가 기준에 따라 예비 후보지점을 평가했으며, 상부지 및 발전수로 모두에서 생태·자연도 1등급 권역, 별도 관리 지역을 미포함한 경우는 가중치를 적용해 우선순위를 부여했다. 국토환경성평가지도는 자연환경의 질, 자연자산 가치를 평가·정량화해 보전 및 개발계획 수립 등에 활용할 수 있도록 환경정보를 제공하고 있어 평가항목으로 선정했다. 대상지에 대해 국토환경성평가지도의 등급별 면적을 파악하고 항목별 평가 기준에 따라 예비 후보지점을 평가했다. 제주도 보전지역 관리에 관한 조례(제주특별자치도 조례)의 경우 생태 보전지구, 경관 보전지구, 지하수자원 보전지구 등에서 등급에 따라 행위를 제한하고 있어 토지이용 규제현황을 검토했다.

환경적 측면 평가는 항목별 중요도에 따라 생태·자연도 70%, 국토환경성평가지도 30%의 가중치를 적용하고 보전 대상 등급은 ‘0점 처리’해 평가점수를 산정한 후 상부지 80%, 발전수로 20%의 가중치를 적용한 평가점수를 합산해 우선순위를 부여했다. 기술적·환경적 측면 평가 결과 동해 4개소 및 남해 1개소 총 5개 대상지를 최종 예비 후보지점으로 선정 및 현지답사 대상지로선정했으며, 동해 4개 대상지 및 제주 3개 대상지는 검토 후보지점으로써 현지답사 대상지로 선정했다.

상부 저수지형 해수 양수발전 예비 후보지점 현지답사

예비 후보지점 현지답사 대상지 12개소에 대해 현지 답사를 수행했다. 현지답사의 목적은 답사후 결과를 기술적·환경적 측면에서 종합분석 및 평가해 최적 후보지점을 선정하기 위한 기초자료로 활용하는 것이다. 현지답사는 감독원과 수자원개발, 토질·지질, 환경 등 분야별 기술자가 참여해 수행했다. 주요 내용으로는 진입 여건 및 주변 현황, 지형 및 지질 조건, 사면재해 가능성,시공성 등 기술적 측면의 검토와 법정 보호종 분포현황 및 식생보전등급 문헌조사를 포함한 환경적 측면의 검토를 상부 저수지, 발전수로, 하부지(해안)에 대해 수행했다. 제주도 내 지역의 현지답사는 특별히 답사지역 인근의 민원 우려도와 제주특별자치도 조례에 따른 개발행위 제한지구를 함께 고려해 검토했다.

현지답사 결과 상부 저수지형 해수양수발전소를 위한 최적 후보지점은 동해 1개소, 남해 1개소 및 제주지역 1개소로 총 3개소로 확인됐다. 이중 남해 지점은 상부 저수지 계획지역 및 주변 지역에 대한 환경 예비조사 수행 중 환경영향평가정보지원시스템(EIASS)을 통해 신규 태양광발전 사업의 추진 협의가 완료된 정황을 파악해 예비설계 추진지점에서 제외했다. 제주 지점의 경우 현지답사 지점 3개소 중 실제로는 정량적 평가 결과가 좋지 않았으나 민원 우려도 및 조례에 따른 지구를 고려해 향후 사업추진이 가능할 것으로 전망되는 지점을 선정, 예비설계를 수행했다.

상부 저수지형 해수 양수발전 최적 후보지점 환경영향평가 및 환경영향 저감방안 수립

예비설계 수행 지점에 대한 사업지역 현황, 보상관계 검토, 환경영향 예측 및 저감방안을 검토했다. 사업지역의 보상관계는 직접보상비(토지, 지장물 및 농업손실 보상비), 간접보상비(해양생태계보전협력금, 생태계 보전부담금, 공유수면 점·사용료)로 각각 산정했다. 사업지역 현황은 인구 및 토지의 이용, 기상(인근 기상대로부터의 거리, 월간·연간 기상 적오표, 월별·계절별 기온 및 풍속, 조위 관측자료, 한반도 영향 태풍 및 경로), 수질 및 수환경, 소음·진동, 생태계, 문화재 및 경관, 지형·지질환경에 대해 검토했으며, 환경 현황, 영향 예측 및 저감방안을 수립했다.

해수 양수발전의 도입을 가정한 인구 및 토지의 이용 영향은 건설 및 운영단계에서 고용인구 소요 측면에서는 긍정적인 영향을 미치지만, 사업추진지역 내 사유지에 대한 적절한 보상이 필요할 것으로 예측된다. 기상 측면에서는 수면적 증가로 인한 일교차 감소 현상이 발생하지만, 기온변화는 미미할 것으로 예측됐고, 내륙지역의 저수지는 안개 생성이 증가할 수 있지만 해안에 인접한 상부 저수지에 의한 안개일수의 영향은 미미할 것으로 예측됐다. 수질 및 수환경의 경우 공사 시 토사유출 및 오수 발생이 증가할 수 있어 오탁방지막을 설치해 영향을 저감해야 하는것으로 예측됐다. 운영 시 해수를 활용함에 따라 수문 및 수이용에는 변화가 없지만, 저수 기간의 증가 및 하부지 방류에 따른 수질·생태계 변화가 예상돼 영향을 저감할 수 있는 대책을 마할 필요가 있다.

소음·진동은 공사 시 굴착, 발파과정과 건설장비 투입에 의한 소음이 발생하게 되며, 공기 동안 발생할 수 있는 환경영향에 대해 사전에 인근지역에 고지 후 통행을 통제해 안전사고에 대비야 한다. 양수발전 사업추진 구역 내 생태계의 변화는 불가피할 전망이다. 따라서 주변 지역에 영향이 가지 않도록 산림 훼손을 최소화하고, 날림 먼지 등에 의한 영향을 줄이도록 주기적인 살수지와 동시에 토사유출을 막을 간이 침사지 조성이 필요할 것으로 예측됐다. 해수에 의한 주변 영향 저감으로는 시공 시 상부 저수지 하부에 해수 침수에 의한 피해를 줄이기 위해 EPDM 방수 시트 등의 시공이 필요하다. 반면에 해수의 비산에 의한 영향은 비교적 적을 것으로 예상되는데 사업구역 인근에 조성된 수림은 다년간 태풍 및 해풍 환경에 견뎌온 종으로 상부지의 조성에 의한 산림파괴를 제외한다면 상부지 조성 후 조경 가치가 높은 수목을 식재하는 방안을 고려할 수 있다. 육상동물에 대한 피해를 최소화하기 위해서는 작업 투입인력에 의한 포획 및 살생을 금지하기 위한 교육, 번식기에 공사 최소화, 야간공사로 인한 조명 피해 최소화 등의 대책을 세워야 한다. 생태계교란 생물 또한 공사 및 운영 시 제거· 관리를 통해 추가적인 유입과 확산을 방해야 한다. 최적 후보지점 중 문화재가 분포한 지점은 없는 것으로 조사됐다. 그러나 매장문화재의 존재 가능성이 있어서 향후 해수 양수발전을 도입하는 시점에 문화재 지표조사를 통한 분포 여부 파악이 선행될 필요가 있다. 도입 과정 중 상부 저수지 조성에 따라 수몰되는 지역과 하부지 취·방수구 및 발전시설 등으로 인해 경관이 인위적인 것으로 변화하게 된다. 다만 상부 저수지의 경우 조성 후 인근 신재생에너지 발전단지와 연계한 관광자원으로 조성을 기대할 수 있다.

지형·지질환경의 경우 사업추진 시 골재원 조달에 따른 석산 개발로 지형변화가 예측되지만 단계적 토사 채취를 통해 지형변화를 최소화해야 하며 채취 완료 후 평탄화 작업을 시행해야 힌다. 상부 저수지, 발전수로, 발전시설의 공사 시 절·성토 사면의 침식 및 붕괴를 방지하기 위해 사면보강 등을 시행할 필요가 있다. 사업추진에 따른 기타 환경영향 요소 중 철거되는 지장물 및 이주가 불가피한 가옥에 대하여는 ‘공익사업을 위한 토지 등의 취득 및 보상에 관한 법률’에 따라 관계 주민(기관)과의 충분한 협의를 거쳐 보상(이전)하여 민원 발생이 없도록 해야 한다.

상부 저수지형 해수 양수발전 최적 후보지 대상 예비설계 및 경제성 평가

해수 양수발전 최적 후보지 대상 발전소 규모 검토 및 예비설계

최적 후보지점 선정과정을 통해 선정된 후보지점 2개소에 대해 지형, 지질적인 조건을 고려해 상·하부지 위치 및 발전수로 노선을 계획했고, 계획된 구조물 배치에 따른 발전소 규모를 검토했다. 후보지점 2개소에는 인근 재생에너지 발전단지 등이 위치하기 때문에 해수양수발전소 도입에 대한 전망이 밝을 것으로 전망된다. 시설용량 100MW 및 발전 시간 8시간 수준의 소형 양수발전 시설을 건설하기 위해 상부 저수지의 낙차가 크지 않은 지점의 경우 많은 유량을 활용해야 한다.

상부 저수지의 낙차, 시설용량, 유효저수용량과 사용수량은 서로 밀접한 관계가 있는데 정격낙차가 200m 이상인 지점은 사용수량 60㎥/s 수준으로 운전할 수 있어서 상부 저수지의 규모를 줄일 수 있지만, 유효낙차가 100m 이하인 지점은 사용수량을 120㎥/s 이상 확보해야 하므로 상대적으로 큰 유효 저수용량이 필요하다.

상부 저수지의 입지 조건으로는 지형 기복이 적고 넓고 평탄한 부지를 선정해 저수지 형성을 용이하게 했다. 사면재해 위험도가 높은 구간은 시공 과정에서 신중한 사면 안정성 검토가 필요할 것으로 예측됐다. 하부지의 입지 조건으로는 완만한 부지를 선정하되 계곡부가 있는 경우 발전소 시설부지로 활용하도록 했다. 하부지는 경사면에 인접하여 조성되므로 특히 암반 지대의경우 낙석 등에 주의할 필요가 있다.

최적 후보지점 2개소에 적합한 발전소의 위치는 수차 중심 표고, 발전소 규모 및 방수 구조물 등을 종합적으로 검토해 지하발전소 형식으로 선정했다. 발전수로 노선은 상부 저수지의 취수구로부터 하부지의 방수구까지, 평면상으로 최단 거리를 원칙으로 시공성, 공사비 및 기간뿐 아니라 상부 저수지와 하부지 위치, 그리고 발전소 위치 등을 함께 고려하여 검토해야 한다.

발전수로는 노출형으로 지상에 위치하거나 지하에 수로터널 형식으로 조성할 수 있다. 노출형 관로는 시공에 드는 비용이 비교적 낮고 시공성이 좋지만, 계곡과 같은 지형이나 도로, 철로의 위치로 인해 조성할 수 없는 경우 수로터널 형식만 적용할 수 있다. 한편 제주지역의 경우 사업추진 시 지반 상태는 파쇄가 심하고 대수층일 가능성이 큰 현무암층 사이에 존재하는 다수의 클링커층과 모래로 구성된 퇴적층 통과가 예상되므로 터널 공사 등 지하 구조물 굴착 조건이 불량할 것으로 예측되므로 향후 설계단계에서 정밀 지질조사 후 결정해야 한다.

이상에서 산정된 개발 규모를 기준으로, 상부 저수지의 댐 형식 및 규모, 저수지 내부 차수 형식, 발전수로 및 터널, 취수구 및 방수구, 수압 터널 및 수압철관, 흡출터널, 수로터널, 하부 조압수조, 방수 터널, 공사용 터널, 지하발전소, 진입터널, 모선터널, 옥외변전소 등에 대한 위치, 형태, 연장 등의 예비설계를 실시했다.

해수 양수발전 사업추진 비용 및 공정계획

사업비 산정은 2021년 기준 주요 공정별 단가를 작성하고, 각 공정별 개략 수량을 산출해 공사비를 산정했으며, 이때의 적용 환율은 1186.50원/US$을 적용했다. 건설 기간은 선행양수 발전소터시공 공기 및 각 지점별 공사 여건 등을 고려해 추정했으며, 주요 공정은 준비 공사, 상부저수지, 하부지(방수구), 발전수로, 지하발전소, 부대공사 등이다. 사업비는 ‘공기업·준정부기관 사업 예비타당성조사 수행을 위한 일반지침 수정·보완연구(제2판), 2018’을 참조해 공사비, 시설 부대 경비, 보상비, 예비비 등으로 구분해 산정했으며, 여기에 송전선로 비용은 별도로 산출했다. 산정된 총사업비는 동해 지점이 5,587억원이며 제주 지점이 6,000억원이다. 총사업비는 동해 지점이 낮으나, 제주 지점은 송전선로 연장이 길어서 사업비의 상당 부분을 차지했다.

시공계획으로는 해수양수발전소의 주요 공정은 준비 공사, 상부저수지, 하부지(방수구), 발전수로, 지하발전소, 부대공사로 구성되며, 각 요소에 대한 세부 공사 항목 및 공사 기간을 산정했다. 총 공사 기간은 선행 양수발전소의 시공사례를 참조해 6년으로 계획했으며, 1차년도에 공사용 설비, 이설 및 진입도로 개설, 옥외변전소 굴착 및 모선 터널을 굴착하며, 2차년도에는 모선 터널을 통한 발전소 굴착공사, 진입터널 굴착을 시행하며, 3차년도에는 상부댐 축조공사 및 지하발전소 굴착공사, 하부 조압수조 굴착공사를 실시하도록 계획했다. 4차년도에는 지하발전소 축조공사, 수압 터널 축조공사, 방수 터널 축조공사를 실시하며, 5차년도에는 주기기 및 보조기기 설치 및 취방수구 축조공사, 진입 및 모선 터널 축조공사, 건축공사를 실시하며, 6차년도에는 주기기 및 보조기기 설치 공사를 마무리하고 준공 대비 공사 및 시운전을 시행하도록 계획했다.

해수 양수발전 경제성 평가

경제성 평가는 사업의 투자비와 해당 사업으로 인한 예상 효과를 비교・검토하여 제안된 사업이 경제적으로 타당성을 가지고 있는가를 평가하는 것으로 건설사업의 경제적 타당성은 사업에 드는 비용과 사업으로부터 발생하는 편익을 비교함으로써 평가할 수 있다. 경제성 평가 방법 중 균등화 발전비용(Levelized Cost Of Energy, LCOE)은 총비용의 순현재가치를 동일하게 할인된총발전량으로 나눈 것으로, 총비용은 해수 양수발전의 설치비용과 유지보수 비용 및 자본 비용이 포함되고, 이를 현재 가치로 전환하기 위해 적정한 할인율을 적용한다.

LCOE는 제반 경제성 평가 기법 중 소비자, 투자자, 사업자 등 해수 양수발전 사업의 다양한 이해당사자가 공통으로 이용하기 편리한 지표이며, 다른 발전 또는 에너지저장 기술에 대한 상대적경쟁력 수준을 가늠할 수 있는 도구이기도 하다. 해수 양수발전의 경제성을 평가하기 위해 LCOE 분석 방법을 도입할 때 필요한 가정은 아래와 같다.

이상의 조건을 적용한 해수 양수발전의 LCOE는 제주지점이 203.25원/kWh, 동해 지점이 210.10원/kWh이다. 한편, 제주 지점의 사업추진 시 송전선로 비용이 다른 방법을 통해 조달된다고 가정하면, LCOE는 194.01원/kWh로 감소하게 된다. 해수 양수발전의 LCOE를 다른 에너지 저장방식의 경제성과 비교하면, 미국 에너지부(department of energy, DOE)에서 2020년 12월 발간한자료에 따른 일반 양수발전의 LCOE가 약 155원/kWh, 압축공기에너지저장 기술의 LCOE가 약 180원/kWh, 바나듐레독스 흐름전지 기반 ESS가 최대 346원/kWh 및 리튬이온전지 기반 ESS가 최대 약 860원/kWh로 고효율/장주기/장수명 및 대용량 에너지 저장이 가능한 해수 양수발전의 경제성이 높음을 확인했다.

해수 양수발전 향후 계획 및 전망

재생에너지 보급 확대에 따라 불안정해지는 전력망의 안정성 확보를 위한 대용량 장주기 에너지저장 대책 마련과 내륙 양수발전에 준하는 수준의 ESS를 도입하기 위해 국내의 지리적·환경적 요건을 고려하여 적용이 가능할 것으로 전망되는 해수 양수발전의 최적 입지를 발굴하고 예비설계, 사업비용 산정 및 경제성 평가를 수행했다. 현재 양수발전이 직면하고 있는 난관은 양수발전의 현실적인 가치에 비해 현재 양수 동력비가 낮다는 점이다. 이 때문에 전국에서 운영 중인 양수발전소는 그 손해를 감수하고 운영하는 실정이다. 따라서 향후 재생에너지 발전설비의 증대에 따라 그 중요성이 높아지고 있는 양수발전의 가치를 제고하고, 사업추진 시 재생에너지 발전설비에 비해 시공 기간이 긴 양수발전 등 대용량 장주기 ESS 설비를 최대한 빠르게 도입하여전력계통에 발생 예정인 전력망 내 전압 및 주파수 변동과 재생에너지의 일부 지역 보급 집중에 따른 잉여전력 수급 불균형에 대비해야 한다.

2022년 IRENA에서 전망한 2030년 전 세계 신재생에너지 발전설비 규모는 태양광발전 5,200GW, 풍력발전 3,300GW 및 수력발전 1,200GW를 포함하여 1만 1,000GW를 초과할 전망이며, 이는 전체 발전설비의 규모 약 1만 5,000GW 중 약 70% 이상이 신재생에너지 발전이 될 예정이다. 이는 2018년의 총발전설비 규모인 약 7,500GW의 2배이며, 앞으로 7년여 동안 막대한 양의 신재생에너지 발전설비가 도입될 것을 의미한다. 이러한 막대한 규모의 신재생에너지 발전으로부터 발생하는 변동성 및 간헐성 출력이 전력 계통의 효율성을 낮추고 불안정성을 높일 예정ㅇ;다.

우리나라에서도 또한 예외가 아니기 때문에 새로운 백업 설비의 확충에 총력을 기울여야 하며, 해수 양수발전이 백업 설비의 확충에 대한 가능성을 제시하였기 때문에 향후 도입 전망이 밝다고 할 수 있다. 아울러, 소규모 해수 양수발전 사업을 추진하기 위해서는 정부/지자체 및 민간과의 협력이 절실한 상황인데, 정부에서는 제10차 전기본의 수립을 통해 백업 설비의 필연적인 도입에 대해 공감하고 전략을 수립하고 있다. 따라서 현재 재생에너지 발전의 출력제한 현상이 발생하고 있는 전남 및 제주지역의 지자체들은 소규모 해수 양수발전의 도입을 시급히 검토해야 할 것으로 판단된다. 또한 탄소 배출량 감축 협정 및 탄소중립의 목표를 실현하고, 친환경 에너지원의 보급을 통해 후대에 깨끗한 환경을 물려주기 위해서는 민간에서도 양수발전의 도입을 적극적으로 검토하고, 이를 통해 Net-Zero 구현을 위해 함께 노력할 수 있기를 기대한다.

우상균 한전 전력연구원 대용량ESS연구실장 

여세동 한전전력연구원 일반연구원