[일본] 2개의 댐에서 거대한 축전지로 구성되는 `양수 발전`


일본에서 하계 주간의 전력 공급으로 중요한 역할을 완수하는 것이 `양수 발전`이다. 일본의 전력회사가 운영하는 대규모 수력 발전소 반수 이상은 양수식을 채용하고 있다. 순수한 수력 발전과 달리 화력이나 원자력과 조합하여 발전한다. 야간의 잉여 전력을 이용하기 때문에 `거대한 축전지`라고도 부른다.

도쿄(Tokyo) 전력에서 가장 새로운 수력 발전 설비가 2014년 6월 9일 영업 운전을 개시하였다. 후지(Fuji, 富士)산으로부터 북쪽으로 20킬로미터 정도의 산악 지대에 있는 `가즈노(Gasuno, 葛野)강 발전소` 4호기이다. 출력은 40만 kW로 1기의 수력 발전 설비로서는 최대급이다. 다만 발전하는 시간대는 하루 중 전력 수요가 큰 피크 시에 한정된다.

가즈노강 발전소는 `양수식`이라고 부르는 발전 방법을 채용하고 있다. 발전에는 높낮이 차이가 있는 2개의 댐을 조합할 필요가 있기 때문에 설비 전체는 대규모인 것이 된다(<그림 1>). 2개의 댐 사이를 지하의 수로로 연결하여 수로 중간에 발전소를 설치하는 구조이다. 야간 동안 아래의 댐으로부터 위의 댐에 물을 퍼 올리고(양수) 그 물을 일중의 피크 시에 단번에 방류하여 많은 전력을 생산한다(발전).

야간에 대량의 물을 퍼올리기 위해서 화력이나 원자력의 잉여 전력을 이용한다. 화력발전이나 원자력 발전은 일정한 전력을 계속 공급할 수 있는 반면 수요에 맞추어 출력을 조정하는 것이 어렵다. 야간에 남은 전력을 폐기하지 않고 양수식에 사용하면 수요가 증가할 때 다시 전력으로서 보충할 수 있다. 정확히 축전지의 충전・방전과 같은 기능을 한다.

축전지에서는 충전한 전력을 모두 방전할 수 있는 것은 아니고 10% 정도는 손실된다. 양수 발전의 손실율은 더 커서 30% 정도의 전력을 잃어버린다. 물을 퍼올리기 위해서 이용한 전력의 70% 정도밖에 발전할 수 없다. 발전 설비의 규모와 구조를 생각하면 당연하다고 한다.

가즈노강 발전소의 경우 2개의 댐의 사이가 동서로 8킬로미터 정도 떨어져 있다(<그림 2>). 상부의 `가미히카와(Kamihikawa, `上日川) 댐`으로부터 약 5킬로미터 동쪽 지하에 발전소가 있고 거기에서 약 3킬로미터로 하부의 `가즈노강 댐`에 도착한다. 상부의 댐으로부터 수로를 통과하여 흐르는 물은 발전기까지 낙차가 714미터나 된다. 그 수력으로 수차 발전기를 회전시켜 최대 40만 kW에 이르는 전력을 생산하는 구조라고 한다.

발전 설비는 댐을 제외하고 지하에 만들어지고 있고 수차 발전기도 지하에 있다(<그림 3>). 가즈노강 발전소에서는 `초고낙차 펌프 수차`를 채용하고 있다. 1개의 장치로 회전 방향을 바꾸는 것에 의해서 펌프로도 수차로도 작용할 수 있어 양수와 발전 양쪽 모두가 가능하다. 이 펌프 물방아는 714미터라고 하는 큰 낙차에 대응할 수 있는 것으로 세계에서도 최대급의 능력을 발휘한다고 한다.

양수 발전은 산악 지대의 지중에서 대규모 공사를 실시할 필요가 있기 때문에 공사 기간이 장기에 이르는 것 외에 환경보호 문제도 있어 계획대로에 진행하는 것이 어렵다. 1993년에 공사를 개시한 가즈노강 발전소는 1~4호기(각 40만 kW) 중 3호기가 미완성 상태로 운전 개시는 2024년도 이후로 늦어질 것으로 예상하고 있다고 한다.

도쿄 전력은 군마(Gunma, 群馬) 현과 나가노(Nagano, 長野) 현 경계에서도 가즈노강 발전소의 규모를 웃도는 `간나(Kanna, 神流)강 발전소`를 양수식으로 건설 중이다. 1~6호기(각 47만 kW) 중 1・2호기는 영업 운전을 개시했지만 남은 3~6호기는 2022년도 이후에 영업 운전을 예정하고 있다. 화력과 원자력에 의존하는 `거대한 축전지`의 역할은 시대의 흐름에 따라 변해간다고 한다.

<그림 1> 양수식 수력 발전의 구조((상) 주간에 발전하고 / (하) 야간에 양수
<그림 2> `가즈노강 발전소`의 위치
<그림 3> (상) `가즈노강 발전소`의 내부 / (좌하) 상부 댐 / (우하) 하부 댐

 

[출처 = KISTI 미리안 『녹색기술정보포털』/ 2014년 6월 26일]