수력 발전은 전 세계적으로 가장 큰 규모의 재생 에너지원으로, 풍력보다 두 배 이상, 태양광보다 네 배 이상 많은 에너지를 생산합니다. 특히, 물을 언덕 위로 끌어올리는 양수 발전 방식은 전 세계 에너지 저장 용량의 90% 이상을 차지합니다.
하지만 수력 발전이 미치는 막대한 영향에도 불구하고 미국에서는 이에 대한 이야기가 많이 들리지 않습니다. 지난 수십 년 동안 풍력과 태양광 발전의 가격은 급락하고 공급량은 급증한 반면, 미국은 지리적으로 가장 이상적인 위치에 이미 수력 발전소를 건설했기 때문에 국내 수력 발전량은 상대적으로 안정적인 수준을 유지해 왔습니다.
국제적인 상황은 사뭇 다릅니다. 중국은 지난 수십 년 동안 수천 개의 새로운, 종종 거대한 수력 발전 댐을 건설하여 경제 성장을 촉진해 왔습니다. 아프리카, 인도, 그리고 아시아 태평양 지역의 다른 국가들도 같은 행보를 보일 것으로 예상됩니다.
하지만 엄격한 환경 감독 없이 확장을 진행하면 문제가 발생할 수 있습니다. 댐과 저수지는 강 생태계와 주변 서식지를 파괴하고, 최근 연구에 따르면 저수지에서 배출되는 이산화탄소와 메탄의 양이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 많기 때문입니다. 게다가 기후 변화로 인한 가뭄으로 수력 발전은 점점 더 불안정한 에너지원이 되고 있으며, 미국 서부의 댐들은 상당한 발전 용량을 잃었습니다.
"일반적으로 후버 댐은 연간 약 45억 킬로와트시의 에너지를 생산합니다."라고 상징적인 후버 댐의 관리자인 마크 쿡은 말했습니다. "하지만 현재 호수의 수위가 이렇게 높은 상태에서는 약 35억 킬로와트시의 에너지를 생산하는 것으로 보입니다."
하지만 전문가들은 수력 발전이 100% 재생 에너지 미래를 달성하는 데 중요한 역할을 할 것이라고 말하며, 따라서 이러한 문제들을 완화하는 방법을 배우는 것은 필수적이라고 강조합니다.
국내 수력 발전
2021년 미국에서 수력 발전은 대규모 전력 생산량의 약 6%, 재생 에너지 발전량의 32%를 차지했습니다. 국내에서는 2019년까지 가장 큰 재생 에너지원이었지만, 이후 풍력 발전에 추월당했습니다.
미국에서는 까다로운 인허가 절차 때문에 향후 10년간 수력 발전량이 크게 증가할 것으로 예상되지 않습니다.
전미수력발전협회(NHPA) 회장 겸 CEO인 말콤 울프는 “인가 절차를 거치는 데 수천만 달러의 비용과 수년간의 노력이 필요합니다. 특히 소규모 시설의 경우, 그만큼의 자금이나 시간이 부족한 경우가 많습니다.”라고 말했습니다. 그는 하나의 수력발전소 인허가 또는 재인가를 받는 데 수십 개의 기관이 관여한다고 추산했습니다. 또한, 이 과정은 원자력 발전소 인허가보다 훨씬 오래 걸린다고 덧붙였습니다.
미국의 수력 발전소는 평균적으로 60년 이상 되었기 때문에 많은 발전소가 곧 재허가를 받아야 할 것입니다.
"따라서 우리는 수많은 발전 허가 반납 사태에 직면할 수 있는데, 이는 우리가 이 나라에서 유연하고 탄소 배출이 없는 발전량을 늘리려고 노력하는 바로 이 시점에 발생하는 아이러니한 상황입니다."라고 울프는 말했습니다.
하지만 에너지부는 노후 발전소 현대화와 기존 댐에 발전 용량을 추가하는 것을 통해 국내 성장 잠재력이 있다고 밝혔습니다.
"우리나라에는 9만 개의 댐이 있는데, 대부분은 홍수 조절, 관개, 물 저장, 레크리에이션 목적으로 건설되었습니다. 실제로 발전용으로 사용되는 댐은 3%에 불과합니다."라고 울프는 말했습니다.
이 분야의 성장은 양수식 수력 발전의 확장에 달려 있는데, 이는 태양이 비치지 않거나 바람이 불지 않을 때 사용할 수 있도록 잉여 에너지를 저장하여 재생에너지를 "안정화"하는 방법으로 주목받고 있습니다.
양수발전소는 전력을 생산할 때 일반 수력발전소와 똑같이 작동합니다. 물이 위쪽 저수지에서 아래쪽 저수지로 흐르면서 터빈을 회전시켜 전기를 생산합니다. 차이점은 양수발전소는 전력망에서 전력을 공급받아 아래쪽의 물을 위쪽 저수지로 끌어올려 충전할 수 있다는 점입니다. 이렇게 저장된 위치 에너지는 필요할 때 방출할 수 있습니다.
현재 양수발전의 발전 용량은 약 22기가와트이지만, 개발 예정인 프로젝트는 60기가와트가 넘습니다. 이는 중국에 이어 세계에서 두 번째로 큰 규모입니다.
최근 몇 년 동안 양수발전 시스템에 대한 허가 및 면허 신청이 상당히 증가했으며, 새로운 기술들이 검토되고 있습니다. 이러한 기술에는 저수지가 외부 수원과 연결되지 않은 "폐쇄형" 시설이나 저수지 대신 탱크를 사용하는 소규모 시설이 포함됩니다. 두 가지 방식 모두 주변 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있을 것으로 예상됩니다.
배출량과 가뭄
강에 댐을 건설하거나 새로운 저수지를 만드는 것은 물고기의 이동을 막고 주변 생태계와 서식지를 파괴할 수 있습니다. 댐과 저수지는 역사적으로 수천만 명의 사람들을, 주로 원주민이나 농촌 공동체를 이주시켰습니다.
이러한 피해는 널리 알려져 있습니다. 하지만 최근 저수지에서 발생하는 배출물이라는 새로운 문제가 점점 더 주목받고 있습니다.
환경보호기금(Environmental Defense Fund)의 선임 기후 과학자인 일리사 오코는 "사람들이 잘 모르는 사실은 이러한 저수지들이 실제로 대기 중으로 많은 양의 이산화탄소와 메탄을 배출한다는 점인데, 이 두 가지 모두 강력한 온실가스입니다."라고 말했습니다.
이러한 배출은 식물과 기타 유기물이 분해되면서 발생하는데, 특히 물이 차올라 저수지가 형성될 때 이러한 유기물이 분해되면서 메탄이 방출됩니다. 오코는 "일반적으로 메탄은 이산화탄소로 변환되지만, 그러려면 산소가 필요합니다. 그런데 수온이 매우 높으면 바닥층의 산소가 고갈되어 메탄이 대기 중으로 방출됩니다."라고 설명했습니다.
지구 온난화에 있어 메탄은 방출 후 처음 20년 동안 이산화탄소보다 80배 이상 강력한 영향을 미칩니다. 지금까지의 연구에 따르면 인도와 아프리카처럼 기온이 높은 지역에 오염을 유발하는 발전소가 더 많은 경향이 있는 반면, 오코는 중국과 미국의 메탄 매장량은 특별히 우려할 만한 수준은 아니라고 말합니다. 하지만 오코는 배출량을 측정하는 더욱 정확한 방법이 필요하다고 강조합니다.
"그러면 배출량을 줄이기 위한 다양한 인센티브를 제공하거나, 여러 당국에서 과도한 배출량을 막기 위한 규제를 마련할 수 있을 것입니다."라고 오코는 말했다.
수력 발전의 또 다른 주요 문제는 기후 변화로 인한 가뭄입니다. 저수지 수심이 얕으면 발전량이 줄어들고, 이는 특히 지난 1,200년 동안 가장 건조한 22년을 겪은 미국 서부 지역에서 큰 문제가 됩니다.
글렌 캐니언 댐에 물을 공급하는 파월 호수와 후버 댐에 물을 공급하는 미드 호수와 같은 저수지의 전력 생산량이 감소하면서 화석 연료가 그 공백을 메우고 있습니다. 한 연구에 따르면 2001년부터 2015년까지 서부 11개 주에서 가뭄으로 인해 수력 발전이 감소하면서 추가로 1억 톤의 이산화탄소가 배출되었습니다. 특히 캘리포니아 주가 심각한 가뭄을 겪었던 2012년부터 2016년까지의 기간 동안 수력 발전량 감소로 인해 주정부가 24억 5천만 달러의 손실을 입은 것으로 추산되는 연구도 있습니다.
역사상 처음으로 미드 호수에 물 부족 사태가 선포되면서 애리조나, 네바다, 멕시코의 물 공급량이 삭감되었습니다. 현재 1,047피트인 미드 호수의 수위는 더욱 낮아질 것으로 예상됩니다. 미국 국토개간국(Bureau of Reclamation)은 글렌 캐니언 댐의 발전 유지를 위해 미드 호수 상류에 위치한 파월 호수의 물을 가둬두는 전례 없는 조치를 취했습니다. 미드 호수의 수위가 950피트 아래로 떨어지면 더 이상 발전이 불가능해집니다.
수력 발전의 미래
기존 수력 발전 인프라를 현대화하면 효율성을 높이고 가뭄으로 인한 손실을 일부 만회할 수 있을 뿐만 아니라 발전소가 향후 수십 년 동안 운영될 수 있도록 보장할 수 있습니다.
지금부터 2030년까지 전 세계적으로 노후 발전소 현대화에 1,270억 달러가 투자될 예정입니다. 이는 전 세계 수력 발전 투자액의 거의 4분의 1에 해당하며, 유럽과 북미 지역 투자액의 거의 90%를 차지합니다.
후버 댐에서는 터빈을 개조하여 더 낮은 고도에서 더 효율적으로 작동하도록 하고, 터빈으로 들어가는 물의 흐름을 제어하는 수문을 더 얇게 설치하고, 터빈에 압축 공기를 주입하여 효율을 높이는 등의 조치를 취했습니다.
하지만 세계 다른 지역에서는 대부분의 투자가 신규 발전소 건설에 집중되고 있습니다. 아시아와 아프리카의 대규모 국영 프로젝트는 2030년까지 신규 수력 발전 용량의 75% 이상을 차지할 것으로 예상됩니다. 그러나 이러한 프로젝트가 환경에 미칠 영향에 대한 우려가 제기되고 있습니다.
"제 생각에는 과잉 건설된 것 같습니다. 필요 이상으로 엄청난 용량으로 지어졌어요."라고 저영향 수력 발전 연구소의 섀넌 에임스 소장은 말했습니다. "흐르는 강물을 이용하는 방식으로 운영할 수도 있고, 설계만 다르게 하면 될 겁니다."
저수지를 포함하지 않는 유수식 수력 발전 시설은 환경에 미치는 영향이 적지만, 계절별 유량에 따라 발전량이 달라지기 때문에 수요에 맞춰 에너지를 생산할 수는 없습니다. 유수식 수력 발전은 이번 10년 동안 전체 발전 설비 증설량의 약 13%를 차지할 것으로 예상되며, 전통적인 수력 발전은 56%, 양수식 수력 발전은 29%를 차지할 것으로 전망됩니다.
하지만 전반적으로 수력 발전 증가세는 둔화되고 있으며, 2030년까지 약 23% 감소할 것으로 예상됩니다. 이러한 추세를 반전시키려면 규제 및 허가 절차를 간소화하고, 높은 수준의 지속가능성 기준과 배출량 측정 프로그램을 마련하여 지역 사회의 수용을 확보하는 것이 매우 중요합니다. 개발 기간을 단축하면 개발업체가 전력 구매 계약을 체결하는 데 도움이 되어 수익이 보장되므로 투자를 장려할 수 있습니다.
에임스는 "수력 발전이 태양광이나 풍력만큼 매력적으로 보이지 않는 이유 중 하나는 시설 운영 기간이 다르기 때문입니다. 예를 들어, 풍력 및 태양광 발전소는 일반적으로 20년 프로젝트로 간주됩니다."라고 말하며, "반면 수력 발전은 허가를 받아 50년 동안 운영할 수 있으며, 실제로 100년 이상 운영된 곳도 많습니다. 하지만 자본 시장은 이처럼 장기적인 수익률을 반드시 높이 평가하지는 않습니다."라고 덧붙였다.
울프는 수력 발전과 양수 발전 개발에 적절한 인센티브를 제공하고 지속 가능한 방식으로 개발이 이루어지도록 하는 것이 세계가 화석 연료에 대한 의존도를 줄이는 데 매우 중요할 것이라고 말합니다.
"다른 기술들처럼 헤드라인을 장식하지는 못하지만, 수력 발전 없이는 안정적인 전력망을 구축할 수 없다는 사실을 사람들이 점점 더 깨닫고 있다고 생각합니다."
게시 시간: 2022년 7월 14일
