인류가 물의 힘을 동력으로 이용한 것은 고대 그리스로 거슬러 올라간다. 그리스인들은 2000년전 흐르는 물의 힘을 수차를 이용해 밀을 빻았다고 한다. 1878년 영국의 윌리엄 암스트롱이 세계 최초로 자신의 저택 조명을 점등하기 위해 스스로 수력발전기를 제작해 설치했다. 미국에서는 1881년 나이아가라폭포 근처에 수력발전소가 준공됐고, 1882년에는 교류·직류의 방식을 놓고 ‘전류전쟁’이 있었다. 에디슨에 의한 최초의 수력발전소(Vulcan Street Plant, 직류출력 12.5㎾)가 위스콘신주 애플턴에 준공됐다. 1886년에는 미국과 캐나다에 45개 수력발전소, 1889년에는 미국에서만 200개의 수력발전소가 가동됐으며, 1890년 웨스팅하우스가 교류 장거리 송전을 시작했다.

수력발전(hydroelectricity)은 유압으로 임펠러를 회전시켜 그 동력으로 발전기를 돌려 전기에너지를 얻는 방식이다. 또한 수력발전은 개인이 소규모 수력장비를 자체 제작해 설치할 수도 있다. 이를 소수력 또는 마이크로수력발전이라고 한다. 차도 옆의 물흐름이나 개울이나 계곡 등의 비교적 작은 물의 흐름을 이용하여 수력발전을 할 수 있는데 원래 세계 최초의 수력발전은 이러한 소규모였다.

수력발전은 저수지에 있는 물과 발전기의 높이 차이로 생기는 물의 위치에너지를 이용해 발전기를 회전시켜 전기를 발전하는 방법이기에 이산화탄소를 배출하지 않는 청정에너지로 분류할 수 있다. 그러나 대형댐의 경우는 물을 저수하는 면적이 넓어 지역이 수몰되거나 저수지 주변지역의 기온과 기후의 변화를 초래해 자연환경을 파괴하는 문제점을 낳고 있다.

이러한 대형댐의 수력발전소와 대비되는 것이 소수력발전이다. 소수력발전(low head hydro power)은 수력발전소를 소형화한 것으로 1만 ㎾ 미만의 소규모 수력발전을 의미한다. 따라서 물의 낙차가 크지 않은 소형댐, 농업용수로의 보, 정수장 및 하수처리장 등과 같이 다른 목적으로 설치된 설비에 있는 작은 낙차를 이용해 여분의 전력을 생산하는 방식이다.

우리나라는 1982년 ‘소수력 개발 활성화 방안’이 공표되면서부터 소수력자원의 개발이 본격적으로 추진되기 시작했다. 이때는 시설용량 3000㎾ 이하의 수력발전의 수력발전을 소수력발전으로 규정했다. 그러나 2003년 대체에너지 개발 및 이용·보급촉진법 시행규칙 개정으로 시설용량 1만 ㎾ 이하를 소수력으로 규정했으나 신소수력을 포함한 수력 전체를 신·재생에너지로 정의하고 있고, 신재생에너지 연구 개발 및 보급대상은 주로 소수력발전기를 대상으로 하고 있다. 세계적으로 각국이 아직 통일돼 있지 않지만 대체로 ‘1만 ㎾ 이하’를 소수력이라고 부르고 있다.

일본의 경우 소수력발전은 지역밀착형으로 추진되고 있다. 지역 컨설턴트, 현지 시공업체, 현지 업체의 유지 관리 등으로 지역활성화, 지역의 고용 촉진에도 도움이 된다. 보통 소수력발전의 사업주체는 지방자치단체, 토지개량조합, NPO, 민간 개인이다. 지금까지의 전력회사 주체의 개발과 달리 다양한 사업 주체가 실시하고 있다.

일본의 경우 나가노자연전력이 나가노현 오부세마을에 2017년 12월에 연간 발전량 약 117만 ㎾h의 ‘오부세마쓰카와 소수력발전소’를 착공했다. 나가노현의 자연에너지 지역발전 추진사업으로 추진되고 있는 이 사업은 지역 중심의 자연에너지 발전을 목표로 ‘수익 납부형 보조금’으로 지원되는데 이번 프로젝트의 발전출력은 약 190㎾로 나가노현에 흐르는 마쓰강에서 취수한 용수로를 활용하는 유입식 발전소라고 한다.

세계적으로 보면, 특히 개발도상국에 연간 발전량 17조 ㎾에 해당하는 미개발 소수력 가능 지점이 있는 것으로 알려져 있다. 이는 세계 전체 전력소비량 12조 ㎾의 1.4배에 이르는 양이다. 국내 소수력발전은 1982년 이후 현재 40개 지역에, 시설용량 약 5만3408㎾가 설치돼 있으며, 연간 전력생산령은 약 1억 ㎾에 이르고 있다.

우리나라의 소수력발전의 대표적인 사례로 울산광역시 천상정수장에 설치된 소수력발전소를 들 수 있다. 천상정수장의 소수력발전소는 저수지인 사연댐과 정수장 사이에 있는 약 14m의 유효낙차를 이용한다. 사용된 수차는 프로펠러형이며 250㎾의 발전기 1기가 2004년에 원수유입부에 설치됐다. 총 경비 8억1500만 원이 투자됐으며, 투자비의 60%는 국비로 지원되고 나머지 32%는 시비가 투자됐다. 2008년 현재 한국전력에서 구매하는 소수력 구매단가가 105.7원/㎾h이기에 하루에 12시간 정도 운영한다면 1년에 1억1600만 원의 수익이 발생하며 대략 8년 정도 운영하면 설치경비 회수가 가능한 것으로 분석된다는 것이다.

한국남부발전 삼척발전본부는 2017년 12월 해양소수력 설비(1666㎾×2기)를 준공, 가동에 들어갔다. 해양소수력은 발전소 냉각 후 방출되는 해수를 저장했다가 수차를 돌려 발전하는 방식으로 연간 1만5075㎽h의 전력을 생산하게 된다고 한다.

소수력은 설치장소가 중요하다. 장치가 비교적 작기 때문에 어느 정도의 수량만 있으면 설치가 가능하다. 무게가 불과 약 13㎏으로 사람이 어깨에 걸쳐 운반할 수 있는 수력장비도 개발·판매되고 있다. 예를 들어 2010년에 개발된 BPP-1 장치는 수심 120㎝만 되면 500W(=0.5㎾)의 발전이 가능한 설비이다. 소수력의 특징은 밤낮 연중 안정적인 발전이 가능하다. 설비이용률이 50~90%로 높고, 태양광발전에 비해 5~8배의 전력량을 발전할 수 있다. 출력변동이 적고, 계통안정, 전력품질에 영향을 주지 않는다는 것이다. 지점에 따라 경제성이 다르지만 소수력발전은 경제성이 높은 편이다.

소수력발전을 할 수 있는 장소는 예를 들면 농업용수로, 사방댐, 정수장, 하수처리장, 공장폐수, 고층건축물(에너지회수시스템으로) 등 다양한 장소에 설치가 가능하다. 또한 세면대와 화장실 세척수로 발전하는 제품도 실용화되고 있다고 한다. 최근 홍콩에서는 고층아파트나 상가건물의 상수도관에 소수력발전기를 붙이는 운동이 한창이라고 한다. 이 발전장치로 하수처리장의 전기요금을 10% 줄이고 이산화탄소 배출을 연간 2000ｔ씩 줄이게 된다는 분석도 있다. 소수력발전기의 시장 가격은 100만 원에서 2000만 원 내외여서 앞으로 정부정책에 따라 설치가 확대될 가능성이 매우 높다.

소수력발전은 장점으로 국내 부존자원 활용이 가능하고, 전력생산 외에 농업용수 공급이나 홍수조절에 기여할 수 있고, 일단 건설 후에는 운영비가 저렴하다는 것이다. 어느 정도의 수량이 있으면 기본적으로 어디든지 설치가 가능하기에 잠재력은 크다고 할 수 있다. 태양광발전, 풍력발전에 비해, 날씨 등에 의한 발전량의 변동이 적다. 대형 수력발전에 비해 생태계를 위협하는 염려도 적다.

그런데 소수력발전의 단점으로는 다음과 같은 것이 있기에 이에 대한 대책이 필요하다.

첫째, 설치지점이 제한된다는 것이다. 낙차와 유량이 있는 장소에 주로 한정되기 때문에 충분한 사전조사가 이뤄져야 한다.

둘째, 일반 수력발전이나 양수발전과 같이 첨부부하에 대한 기여도가 적고, 초기 건설비가 많이 들고, 발전량이 강수량에 따라 변동이 많다는 것이다. 하천 등에는 낙엽이나 쓰레기 등이 흘러 들어오기에, 종류에 따라 그것을 제거하는 등 유지 보수가 필요한 경우가 있다. 강우량이 적은 날이 장기간 지속되면 발전량이 감소되며, 홍수 등 유수량이 한계를 넘어 커지면 발전 설비가 손상되거나 유실될 수 있다.

셋째, 물 사용에 대한 이해관계가 얽혀 있고, 법적절차가 복잡하고 번거롭다는 것이다. 소수력발전은 태양광이나 풍력에 비해 법적 규제와 허가절차를 많이 밟아야 하는 경우가 있다. 따라서 개발자의 입장에서 보면 이와 관련된 규제 완화와 함께, 관계기관이나 지역주민과의 합의 형성이 중요하다. 같은 재생가능에너지 중에도 소수력에 대한 일반 시민의 인지도가 낮은데 이를 높이는 노력이 필요하다고 하겠다. 김해창 경성대 환경공학과 교수