양수발전소의 구조 및 특징과 발전소 건설 방법

양수발전은 대규모 에너지 저장 분야에서 가장 널리 사용되고 성숙한 기술이며, 발전소 설치 용량은 기가와트(GW)에 달할 수 있습니다. 현재 세계에서 가장 성숙하고 설치 용량이 가장 큰 에너지 저장 방식은 양수발전입니다.
양수발전 기술은 성숙하고 안정적이며, 종합적인 이점이 높아 피크 부하 조절 및 비상 발전 용도로 널리 사용됩니다. 양수발전은 대규모 에너지 저장 기술 중 가장 널리 사용되고 성숙한 기술이며, 발전소 설치 용량은 기가와트(GW)에 달할 수 있습니다.

중국에너지연구협회 에너지저장전문위원회의 불완전한 통계에 따르면, 양수발전은 현재 세계에서 가장 성숙하고 설치 용량이 가장 큰 에너지 저장 방식입니다. 2019년 기준 전 세계 운영 에너지 저장 용량은 1억 8천만 킬로와트에 달했으며, 양수발전 설비 용량은 1억 7천만 킬로와트를 넘어 전 세계 총 에너지 저장 용량의 94%를 차지했습니다.
양수 발전소는 전력 시스템의 저부하 시간대에 생산된 전기를 이용하여 물을 높은 곳으로 끌어올려 저장하고, 부하가 최고조에 달하는 시간대에는 저장된 물을 방류하여 전기를 생산합니다. 부하가 낮을 때는 양수 발전소가 전력 사용자 역할을 하고, 부하가 최고조에 달할 때는 전력 발전소 역할을 합니다.
양수발전소는 물을 양수하고 전기를 생산하는 두 가지 기본 기능을 수행합니다. 발전 시스템의 부하가 최대일 때 수력 터빈으로 작동합니다. 수력 터빈의 가이드 베인 개도량은 조속기를 통해 조절되며, 물의 위치 에너지가 터빈 회전의 기계 에너지로 변환되고, 이 기계 에너지는 발전기를 통해 전기 에너지로 변환됩니다.
전력 시스템의 부하가 낮을 때는 워터 펌프를 사용하여 하부 저수지에서 상부 저수지로 물을 퍼 올립니다. 조속 조절 시스템의 자동 조정을 통해 펌프 양정에 따라 가이드 베인 개방이 자동으로 조정되고, 전기 에너지는 물의 위치 에너지로 변환되어 저장됩니다.

양수발전소는 전력 시스템의 피크 부하 조절, 주파수 조절, 비상 백업 및 블랙 스타트 기능을 담당하여 전력 시스템 부하 균형을 개선하고 전력 공급 품질 및 경제적 이익을 향상시키며, 전력망의 안전하고 경제적이며 안정적인 운영을 보장하는 핵심적인 역할을 합니다. 따라서 양수발전소는 전력망의 안전한 운영에 있어 "안정기", "조절기", "균형기"로 불립니다.
세계 양수 발전소의 발전 추세는 고낙차, 대용량, 고속입니다. 고낙차란 발전 장치의 낙차를 높이는 것을 의미하고, 대용량이란 단일 발전 장치의 용량이 지속적으로 증가하는 것을 의미하며, 고속이란 발전 장치의 비속도를 높이는 것을 의미합니다.

발전소 구조 및 특징
양수발전소의 주요 건물은 일반적으로 상부 저수조, 하부 저수조, 용수 공급 시스템, 작업장 및 기타 특수 건물로 구성됩니다. 기존 수력발전소와 비교했을 때, 양수발전소의 수리 구조는 다음과 같은 주요 특징을 가지고 있습니다.
상부 저수지와 하부 저수지가 있습니다. 동일한 설치 용량을 가진 기존 수력 발전소와 비교했을 때, 양수 발전소의 저수지 용량은 일반적으로 상대적으로 작습니다.
저수지 수위는 크게 변동하며 자주 오르내립니다. 전력망의 피크 부하 저감 및 저수량 보충 역할을 수행하기 위해 양수 발전소의 저수지 수위는 일일 변동폭이 비교적 크며, 일반적으로 10~20미터를 초과하고 일부 발전소는 30~40미터에 달하기도 합니다. 또한 저수지 수위 변화 속도도 비교적 빨라 일반적으로 시간당 5~8미터, 심지어 8~10미터에 이르기도 합니다.
저수지 누수 방지 요건은 매우 높습니다. 순수 양수 발전소에서 상부 저수지 누수로 인해 대량의 물 손실이 발생할 경우, 발전소의 발전량이 감소하게 됩니다. 또한, 누수로 인해 사업 지역의 수문지질 조건이 악화되어 누수로 인한 피해 및 집중 누수가 발생하는 것을 방지하기 위해 저수지 누수 방지 요건도 더욱 강화되어야 합니다.
수두가 높습니다. 양수 발전소의 수두는 일반적으로 높으며, 대부분 200~800미터입니다. 총 설치 용량 180만 킬로와트의 지시 양수 발전소는 우리나라 최초의 650미터 수두 구간 프로젝트이며, 총 설치 용량 140만 킬로와트의 둔화 양수 발전소는 우리나라 최초의 700미터 수두 구간 프로젝트입니다. 양수 기술이 지속적으로 발전함에 따라 우리나라의 고수두 대용량 발전소 수는 증가할 것입니다.
해당 설비는 낮은 지대에 설치되어 있다. 최근 국내외에서 건설된 대규모 양수 발전소들은 부력과 누수 현상이 발전소에 미치는 영향을 극복하기 위해 대부분 지하 발전소 형태를 채택하고 있다.

세계 최초의 양수 발전소는 1882년 스위스 취리히에 건설된 네트라 양수 발전소입니다. 중국의 양수 발전소 건설은 비교적 늦게 시작되었습니다. 최초의 사류식 가역 발전기는 1968년 강난 저수지에 설치되었습니다. 이후 국내 에너지 산업의 급속한 발전과 함께 원자력 및 화력 발전 설비 용량이 급격히 증가하면서 발전 시스템에 이에 상응하는 양수 발전소의 필요성이 대두되었습니다.
중국은 1980년대부터 대규모 양수 발전소 건설에 박차를 가해왔습니다. 최근 몇 년 동안 우리나라 경제와 전력 산업의 급속한 발전과 더불어 대규모 양수 발전소 설비 자립 분야에서 상당한 과학기술적 성과를 거두었습니다.
2020년 말 기준 우리나라의 양수발전 설비용량은 3,149만 킬로와트로 전년 대비 4.0% 증가했습니다. 2020년 전국 양수발전 용량은 335억 kWh로 전년 대비 5.0% 증가했으며, 신규 증설 양수발전 설비용량은 120만 kWh였습니다. 우리나라의 양수발전소는 가동 중이거나 건설 중인 시설을 모두 합쳐 세계 1위를 차지하고 있습니다.

중국 국가전력망공사는 양수발전 개발에 항상 큰 중요성을 부여해 왔습니다. 현재 국가전력망공사는 22개의 양수발전소를 운영하고 있으며 30개의 양수발전소를 건설 중입니다.
2016년에는 Zhen'an, Shaanxi, Jurong, Jiangsu, Qingyuan, Liaoning, Xiamen, Fujian 및 Fukang, Xinjiang에 5개의 양수 발전소 건설이 시작되었습니다.
2017년에는 허베이성 이현, 내몽고 지루이, 저장성 닝하이, 저장성 진윈, 허난성 뤄닝, 후난성 핑장에서 6개 양수발전소 건설이 시작되었습니다.
2019년에는 허베이성 푸닝, 지린성 자오허, 저장성 취장, 산둥성 웨이팡, 신장성 하미에 5개 양수 발전소 건설이 시작되었습니다.
2020년에는 Shanxi Yuanqu, Shanxi Hunyuan, Zhejiang Pan'an 및 Shandong Tai'an 2단계에 4개의 양수 발전소가 건설을 시작할 예정입니다.

우리나라 최초의 완전 자율형 설비를 갖춘 양수 발전소입니다. 2011년 10월, 이 발전소가 성공적으로 완공됨으로써 우리나라가 양수 발전 설비 개발의 핵심 기술을 성공적으로 확보했음을 보여줍니다.
2013년 4월, 푸젠성 시안유 양수발전소가 공식적으로 가동을 시작했으며, 2016년 4월에는 37만 5천 킬로와트급 저장성 시안주 양수발전소가 성공적으로 전력망에 연결되었습니다. 이처럼 우리나라에서는 대규모 양수발전 설비의 자율 가동이 지속적으로 보급되고 적용되고 있습니다.
우리나라 최초의 700미터 낙차 양수 발전소입니다. 총 설치 용량은 140만 킬로와트입니다. 2021년 6월 4일, 1호기가 가동을 시작하여 전력을 생산하고 있습니다.
세계 최대 설치 용량을 자랑하는 양수 발전소가 현재 건설 중입니다. 총 설치 용량은 360만 킬로와트입니다.
양수발전은 기초적이고 포괄적이며 공공적인 특성을 지니고 있습니다. 새로운 전력 시스템의 공급원, 배전망, 부하 및 저장 연결 고리의 조절 서비스에 참여할 수 있으며, 그 종합적인 이점이 더욱 큽니다. 또한 전력 시스템의 안전한 전력 공급 안정기, 청정 저탄소 균형 유지 장치, 고효율 운영 조절기라는 중요한 기능을 수행합니다.
첫째, 신에너지 비중이 높은 상황에서 전력 시스템의 신뢰할 수 있는 예비 용량 부족 문제를 효과적으로 해결해야 합니다. 이중 용량 피크 조절의 장점을 활용하여 전력 시스템의 대용량 피크 조절 능력을 향상시키고, 신에너지의 불안정성으로 인한 피크 부하 공급 문제와 저점 부근의 피크 부하 문제를 완화하여 신에너지 대규모 개발 시기에 발생하는 소비 어려움을 해소하고 신에너지 소비를 더욱 촉진할 수 있습니다.
두 번째는 신에너지의 출력 특성과 부하 수요 간의 불일치를 효과적으로 해결하는 것으로, 신속한 대응의 유연한 조정 능력을 활용하여 신에너지의 무작위성과 변동성에 더 잘 적응하고, "날씨에 따라 달라지는" 신에너지가 가져오는 유연한 조정 수요를 충족하는 것입니다.
세 번째는 신에너지 비중이 높은 발전 시스템의 부족한 관성 모멘트 문제를 효과적으로 해결하는 것입니다. 동기 발전기의 높은 관성 모멘트라는 장점을 활용하면 시스템의 외란 저항 능력을 효과적으로 향상시키고 시스템 주파수 안정성을 유지할 수 있습니다.
넷째는 새로운 전력 시스템에서 "이중 고" 형태가 초래할 수 있는 잠재적인 안전 문제를 효과적으로 해결하고, 비상 백업 기능을 수행하며, 빠른 시동/정지 및 출력 증감 기능을 통해 언제든 갑작스러운 조정 요구에 대응할 수 있도록 하는 것입니다. 동시에, 부하 차단 기능을 통해 밀리초 단위의 응답 속도로 펌프 장치의 정격 부하를 안전하게 제거하여 시스템의 안전하고 안정적인 운영을 향상시킬 수 있습니다.
다섯 번째는 대규모 신에너지 계통 연계로 인한 높은 조정 비용을 효과적으로 관리하는 것입니다. 합리적인 운영 방식을 통해 화력 발전과 결합하여 탄소 배출량을 줄이고 효율을 높이며, 풍력 및 광업 발전의 포기를 최소화하고, 용량 배분을 촉진하여 전체 시스템의 경제성과 청정 운영을 향상시켜야 합니다.

기반시설 자원의 최적화 및 통합을 강화하고, 건설 중인 30개 프로젝트의 안전, 품질 및 공정 관리를 조율하며, 기계화 건설, 지능형 제어 및 표준화된 건설을 적극적으로 추진하고, 건설 기간을 최적화하여 제14차 5개년 계획 기간 동안 양수 발전 용량을 2천만 킬로와트 이상으로, 2030년까지 운영 설치 용량을 7천만 킬로와트 이상으로 확보한다.
두 번째는 린 경영에 매진하는 것입니다. 계획 수립 지침을 강화하고, '이중 탄소 배출' 목표와 회사 전략 실행에 중점을 두어, 양수발전 '제14차 5개년 계획'을 고품질로 준비합니다. 프로젝트의 사전 작업 절차를 과학적으로 최적화하고, 타당성 조사 및 승인을 체계적으로 추진합니다. 안전, 품질, 공사 기간 및 비용에 중점을 두고, 지능형 관리 및 제어, 기계화 시공, 친환경 건설을 적극적으로 추진하여 건설 중인 프로젝트가 최대한 빨리 수익을 창출할 수 있도록 합니다.
설비의 수명주기 관리를 심화하고, 설비의 전력망 서비스 연구를 강화하며, 설비 운영 전략을 최적화하여 전력망의 안전하고 안정적인 운영을 전폭적으로 지원한다. 다차원적인 린 경영을 심화하고, 현대적인 스마트 공급망 구축을 가속화하며, 자재 관리 시스템을 개선하고, 자본, 자원, 기술, 데이터 등 생산 요소를 과학적으로 배분하여 품질과 효율성을 적극적으로 향상시키고, 경영 효율성과 운영 효율성을 종합적으로 개선한다.
셋째는 기술 혁신 분야에서 획기적인 발전을 추구하는 것입니다. 과학기술 혁신을 위한 “신약강행 행동 계획”을 심층적으로 이행하고, 과학 연구 투자를 확대하며, 자립적인 혁신 능력을 강화해야 합니다. 가변속 터빈 기술의 적용을 확대하고, 400메가와트급 대용량 터빈 기술 연구 개발을 강화하며, 펌프 터빈 모델 실험실 및 시뮬레이션 실험실 건설을 가속화하여 자립적인 과학기술 혁신 플랫폼 구축에 만전을 기해야 합니다.
과학 연구 배치 및 자원 배분을 최적화하고, 양수발전 핵심 기술 연구를 강화하여 기술적 난관을 극복하기 위해 노력해야 합니다. '빅 클라우드 IoT 스마트 체인'과 같은 신기술 응용 연구를 심화하고, 디지털 지능형 발전소 건설을 전면적으로 추진하여 기업의 디지털 전환을 가속화해야 합니다.