1. 서 론
2. 분석 방법
2.1 전력 생산량 및 탄소배출 실적 데이터
2.2 발전원별 탄소배출계수 산정
2.3 양수발전의 탄소저감 기여량 산정
3. 결 과
3.1 국내 전력 생산 및 탄소배출 현황
3.2 시간대별 신재생 에너지 발전 패턴으로 분석한 양수발전의 탄소 저감 메커니즘
3.3 양수발전의 탄소배출 감축 기여도 분석
4. 결 론
1. 서 론
2024년 기준 한국의 탄소 배출량은 6억 9,158만 톤(CO2eq)으로 집계되었으며, 정부는 2030년까지 이를 436.6백 만 톤(CO2eq)으로 감축하는 국가온실가스감축목표(NDC)를 설정하였다(ME, 2025). 이 목표를 달성하기 위해서는 전 산업 분야에 걸친 광범위한 탈탄소 전략이 요구된다. 특히, 전력생산 분야는 전체 탄소배출량의 약 35%인 241.6백 만 톤을 차지하는 최대 배출 부문으로, 탄소중립 달성에 있어 핵심적인 전환이 필요한 영역이다. 실제 배출량은 추정치보다 높을 가능성도 있어 전력생산 분야의 탄소 감축에 대한 중요성은 매우 크다.
전력생산 분야의 탈탄소화를 위해서는 원자력 및 재생에너지 발전의 확대가 불가피하다. 그러나 재생에너지는 시공간적 제약으로 인해 안정적인 발전이 어렵다는 구조적 한계를 가진다. 이를 극복하기 위한 수단으로 급전가능 재생에너지(Dispatchable Renewable Energy), 연료전지, 전기저장장치(Energy Storage System, ESS), 그리고 양수발전(Pumped-Storage Hydroelectricity, PSH) 등의 전력 저장(Power Storage) 기술이 운용되고 있다(Li et al., 2023a).
그 중 양수발전은 재생에너지의 출력 제한을 방지하고 전력계통 탈탄소화를 지원하는 핵심 수단으로 평가된다(DOE, 2014). 양수발전은 건설 시 계산된 댐의 유효저수량만큼의 잉여전력이 발생하면, 이를 이용하여 하부저수지의 물을 높은 곳에 위치한 상부저수지로 이동시켜 에너지를 저장하고, 전력이 필요할 때 하부저수지로 물을 내려보내 신속하게 전기를 만들어 내는 발전 방식이다(An et al., 2025). 현재 양수발전은 전력망 내 가장 대규모로 검증된 에너지 저장 기술로, 대용량 기저 발전원의 잉여 전기에너지 및 태양광발전소의 여유 전력을 저장하기 강점으로 인하여, 전력계통 전체 측면에서 발전원가를 절감의 효과를 지닌다(Vasudevan et al., 2021). 따라서, 전력 수급 조절, 주파수·전압 안정화, 각종 보조 서비스 제공 등 다양한 시간대별 계통 지원 기능을 수행할 수 있다(DOE, 2014). 게다가, 가뭄을 대비한 수자원 저류·홍수 조절과 같은 수자원 관리에 기여할 수 있다는 잠재력을 지닌다. 이러한 장점으로 인하여 2023년 기준 전 세계에 179 GW가 설치·운용되고 있으며 전세계적으로 양수발전을 적극적으로 이용하려는 움직임이 활발하다(Yang et al., 2025).
한국 역시 양수발전을 활용하여 발전 효율화 및 탄소 발생 저감을 도모해 왔다. 한국수력원자력은 현재 7개의 양수발전소를 운영 중에 있으며, 5개의 양수발전소를 현재 건설 중에 있다. 탄소중립의 필요성에 맞춰 양수발전의 중요성이 매우 커지고 있음에도 불구하고, 양수발전에 관한 연구들은 대부분 양수발전소의 운영 방안 및 기술 발전에 초점을 맞추어 왔으며(Li et al., 2023b; Yang et al., 2025; Vasudevan et al., 2021), 실제 탄소 저감 기여도를 정량적으로 분석한 연구는 아직 부족한 실정이다. 이에 본 연구는 2024년 전력 운영 자료를 기반으로 양수발전의 탄소 저감 기여도를 정량적으로 분석하고, 최대 감축 가능한 시나리오를 평가 후, 미래 설비 확충 및 운영 최적화 방안을 논의하고자 한다.
2. 분석 방법
본 연구에서는 한국전력공사에서 제공하는 전력통계정보시스템의 2024년 국내 전력 생산량 및 전력 원료원 별 탄소배출 현황 자료를 분석하였다. 마지막으로 현재 LNG와 유연탄 발전이 현재 재생에너지 및 양수발전으로 일부 대체되어있는 상황에서 감축했다고 볼 수 있는 탄소 배출량을 계산하고, 현재 태양광과 풍력발전의 발전량을 운영 중인 양수발전의 용량을 모두 이용하였을 때 추가적으로 저장할 수 있는 발전량을 계산하였다. 분석 과정에서, 양수발전에 저장되는 전력의 원천에 따라 탄소 배출량 저감 효과는 달라질 수 있으나, 양수발전의 충전 전력원을 재생에너지임을 반영하여 분석을 수행하였다. 실제로 한국을 비롯한 많은 국가에서 심야시간대에는 원자력 발전을 주요 전력원으로 하고, 보조 충전 전력원으로는 태양광 발전소의 여유 전력을 이용하므로 충전 전력원은 탄소배출을 하지 않으므로 본 연구에서는 이를 반영하여 양수발전의 탄소 저감량을 산정하였다.
2.1 전력 생산량 및 탄소배출 실적 데이터
본 연구에서 사용한 전력 생산량 및 탄소배출 데이터는 한국전력거래소(KPX)가 운영하는 전력통계정보시스템(Electric Power Statistics Information System, EPSIS)에서 수집하였다(KPX, 2024). 수집 범위는 2024년 1월 1일 00시부터 2024년 12월 31일 23시까지 1시간 단위(hourly) 데이터이며, 26종류의 발전원의 설비용량 및 전력거래량을 조사하였다. EPSIS에서 제공하는 시간별 탄소배출량은 각 발전원의 실제 발전량(MWh)에 연료별 배출계수(tCO2e/MWh)를 곱하여 산정된 값으로, 본 연구에서는 이 시스템 산정값을 발전원별로 집계(aggregation)하여 시간대별 연간 탄소배출량을 도출하였다. 즉, 국내 전력 생산량 자료를 바탕으로 탄소배출 현황을 계산하고, 시간대 별 전력 사용량에 따른 탄소 발생량을 발전원별로 분석하였다. 건설 단계 배출량은 IPCC AR5, NREL 보고서 값을 기준으로 선정하였다(IPCC, 2014).
2.2 발전원별 탄소배출계수 산정
탄소배출계수는 발전 과정에서 직접 발생하는 운영(발전) 배출계수와 발전소 건설 단계에서 발생하는 건설 배출계수를 구분하여 자료를 수집하여 산정하였다. Eggleston et al. (2006)의 LCA 기반 전력원별 온실가스 산정 방법론에 따라 두 가지 값의 합을 생애주기(Life-Cycle Assessment, LCA) 배출계수로 정의하였으며, 전력원 별 운영배출계수 및 건설배출계수는 IPCC AR5, 기후변화 완화 그룹의 전력원별 LCA배출계수값을 바탕으로 선정하였다(IPCC, 2014; Table 1)
Table 1.
Installed capacity and carbon emissions per KWh by energy source
2.3 양수발전의 탄소저감 기여량 산정
양수발전의 탄소저감 기여 효과는 양수발전이 동일한 양의 화력발전이 공급했을 경우 발생할 탄소배출량을 산정하여, 상대적인 대체량을 산정하는 방식을 적용하였다. Eq. (1)은 양수발전으로 인한 연간 탄소 저감량 산정방식을 보여준다.
여기서 는 연간 탄소 저감량을 의미하며, 는 시간t의 양수발전량을, 는 대체 대상 발전원의 배출계수를 의미한다. 대체 발전원은 LNG 대체, 유연탄(Biminous coal)대체, 두 가지의 중간값 시나리오 세 가지로 나누어 분석하였다.
또한 양수발전의 발전잠재 저장용량 및 이에 따른 탄소 감축량을 분석하였다. 이는 현재 양수발전의 실제 저장량과 이론적 최대 저장 가능량 간의 차이를 산정하기 위해, 태양광 및 풍력의 최대 발전 가능량(설비용량 × 이용률)과 실제 발전량 간 차이를 잉여 재생에너지로 정의하고, 이를 양수발전 설비 용량으로 저장 가능한 양을 산정하는 방식을 채택하였다. 이 때 양수발전의 저장효율은 70%로 가정하였는데 이는 Ardizzon et al. (2014), Ma et al. (2014) 연구의 선행연구조사 결과를 바탕으로 산정된 저장효율 70~85%에서 가장 보수적인 접근 접근을 취하기 위하여 결정하였다.
3. 결 과
3.1 국내 전력 생산 및 탄소배출 현황
발전원별 kWh당 탄소 배출량을 발전 과정에서 직접 발생하는 탄소 배출량(운영배출)과 건설기간에 발생하는 배출량(건설배출)을 모두 고려하여 분석하였다(Fig. 1, Table 1). 앞서 2장에서 언급한 바와 같이 배출계수는 IPCC (2014)에 근거하였다. 발전원 별 kwh당 탄소배출량을 살펴본 결과, 생애주기 배출량을 모두 고려했을 때 유연탄, 무연탄, 폐기물이 가장 kWh당 배출량이 800 gCO2e/kWh이상으로 가장 높은 것으로 나타났다(Fig. 1). 양수 발전과 수력, 소수력 발전은 발전 과정에서의 배출량은 존재하지 않고, 건설과정에서만 배출량이 나타났으며 이 역시 태양광이나 원자력에 비해 낮은 배출량을 보였다.
다음으로는 2024년 기준 국내 발전량 및 이에 따른 탄소 배출량을 살펴보았다(Fig. 2(a)). 원자력·LNG·유연탄 세 발전원이 총 5억 MWh를 생산하며 전체 발전량의 91.4%를 차지하였다(Fig. 2(b)). 반면 수력과 양수 발전은 합산 약 828만 MWh를 생산하여 전체 발전량의 약1.5%에 그쳤다. 현재 절대적인 발전량의 비중은 적으나, 재생에너지와 무탄소 배출 발전 방식을 비교해 보았을 때 태양광 다음으로 주요한 설비용량과 발전량을 기록하며 중요한 비중을 차지하고 있음을 알 수 있었다(Figs. 1 and 2).
2024년 기준 실제 전력 발전에 따른 배출량을 분석한 결과, LNG와 유연탄 발전이 가장 높아(약 2.3억 톤), 전력 생산 중 발생하는 전체 탄소 배출량의 약 97%를 차지하였다(Fig. 2(c)). LNG와 유연탄은 우리나라 발전량의 대부분을 공급하는 공급원으로, 국내 전력공급의 화석연료 의존도를 단적으로 보여준다. 생애주기 탄소 배출량에서 높은 값을 차지한 세 가지 연료원 중 무연탄과 폐기물은 실제 배출 절대량은 각각 165만, 91만 톤으로, 설비용량이 높지 않아 상대적으로 낮은 비율을 보였다. 한편, 원자력 발전은 국내 발전량의 32%를 차지하나, Fig. 1과 마찬가지로, 발전 과정에서 탄소를 배출하지 않으므로 무탄소 발전으로 분류할 수 있다. 따라서 국내 전력 생산 부문의 탄소 감축은 사실상 LNG 및 유연탄 발전의 대체 여부에 좌우된다고 할 수 있다.
3.2 시간대별 신재생 에너지 발전 패턴으로 분석한 양수발전의 탄소 저감 메커니즘
다음으로, 신재생 에너지의 시간대별 발전량을 2024년 기준으로 분석하였다(Fig. 3). 본 데이터는 전력통계정보시스템(EPSIS)의 2024년 시간당 에너지별 발전량 기록을 일 단위로 산정한 결과이다(KPX, 2024). 시간대별로 에너지 발전의 가장 큰 차이를 보이는 것은 태양광이었다. 일조량을 이용하여 발전하므로 최대 전력 생산 시간은 12~14시 경이며, 저녁에는 생산량이 없다. 태양광 발전은 하루 평균 약 3,718 MWh를 생산하는 것으로 나타났다. 풍력, 수력, 소수력은 시간에 상관없이 발전량이 일정한 경향을 보였다. 양수 발전의 경우 태양광 발전량이 부족한 20시의 발전량이 가장 많았으며, 전력 사용량이 비교적 낮은 오전 3~8시와 태양광 발전량이 많은 12~14시에는 양수 발전량이 비교적 낮았다. 또한 양수발전은 평균적으로 하루에 총 1,928 MWh 정도의 전력을 생산하는 것으로 집계되었다.
재생에너지의 발전량 비율 관점에서 보면, 낮 시간대에는 재생에너지 총 발전량의 60% 이상을 태양광이 차지하는 반면, 저녁 시간대에는 양수발전이 재생에너지 발전량의 약 50%를 담당하는 것으로 나타났다. 이러한 패턴은 낮에는 태양광 잉여전력을, 밤에는 풍력·수력 발전량을 양수발전에 저장하는 운영 방식을 유지하는 효율적인 운영 방식이다. 그러나, 여전히 태양광은 특정 시간대(한낮)에 전력공급이 수요를 초과하여 발전 출력을 강제로 제한해야 하는 문제가 발생하여 생산 가능한 청정에너지가 버려지는 비효율이 초래될 수 있는 문제점을 안고있다. 양수발전은 이러한 나머지 청정 전력을 흡수하여 위치에너지 형태로 저장하는 에너지 저장소로 기능한다. 이는 재생에너지의 출력 제한 손실을 최소화하고, 재생에너지 투자 대비 실질적인 탄소 감축 효과를 제고하는 역할을 한다.
일반적으로 전력 수요가 급증하는 피크 시간대나 태양광 발전이 중단되는 일몰 이후 시간대에는 빠른 기동이 가능한 LNG 발전소를 즉각 가동하여 전기를 공급하는 운영 방식을 사용한다. 그러나 LNG의 탄소 배출량은 유연탄에 이어 두 번째로 높은 수준이므로 탄소중립 목표를 고려했을 때 이상적인 방식이라고 보기 어렵다. 이에 비하여, 양수발전은 저장된 청정에너지를 피크 시간대에 수분 내 최대 출력으로 공급할 수 있다는 점에서 미래에 지속가능한 주요 발전원으로 사용할 수 있다는 잠재력이 있다(Cho, 2021). 이는 출력 변동 대응이 어려운 원자력이나 변동성이 큰 풍력·태양광이 수행할 수 없는 역할로, 결과적으로 고탄소 LNG 발전소의 가동을 직접적으로 줄여 탄소 배출량 절감에 기여할 것이라 기대한다.
또한, 원자력과 같은 무탄소 기저 발전은 높은 발전 비중을 유지하며 안정적으로 전력을 공급하지만, 급격한 전력 수요 변화에 빠르게 대응하기 어렵다(Han et al., 2025; An et al., 2025). 양수발전은 전력망에 예상치 못한 급격한 부하 변동이 발생하면 발전 또는 펌핑을 통해 순간적으로 대응함으로써 전력망의 안정성을 확보한다. 이는 기저 발전이 안정적으로 제 역할을 수행하도록 지원하는 필수적인 보조 기능에 해당하므로, 양수발전의 큰 강점 중 하나로 작용할 수 있다.
3.3 양수발전의 탄소배출 감축 기여도 분석
본 연구는 재생에너지, 수력 및 양수발전이 생산한 전력이 LNG 및 유연탄 발전을 대체한다고 가정할 경우에 절감이 가능한 탄소 배출량을 정량적으로 분석하였다(Fig. 4). 각 발전원별 단위 발전당 탄소배출 계수는 Fig. 1의 값을 적용하였으며, 발전량은 Fig. 2의 2024년 자료를 기반으로 산정하였다. Fig. 5는 LNG와 유연탄을 각각 대체할 경우의 감축량과 그 중간값을 비교하여 제시한다. 양수발전의 충전 전력을 전적으로 재생에너지에 의지한다고 가정할 경우 약 17.~12 백 만 톤의 탄소배출을 저감할 수 있는 것으로 나타났으며, 이는 2024년 전력부문 총 배출량의 약 7%에 해당한다. 수력과 양수발전이 함께 LNG 및 유연탄 발전을 대체하는 경우에는 약 6.45백만 톤(약 2.7%)의 감축 효과가 도출되었다. 또한 양수발전 단독으로 대체 효과를 산정할 경우 약 3.37백만 톤(약1.4%)의 탄소저감 기여가 가능한 것으로 분석되었다. 종합적으로, 본 연구는 양수발전은 현재 전력계통 내에서 탄소저감에 의미있는 기여를 하고 있으며, 특히 양수발전의 운영 또한 재생에너지에 의지할 경우에 그 효과는 더욱 확대될 수 있음을 확인하였다.
마지막으로 시간대별 태양광 및 풍력발전의 최대 생산 가능량과 실제 발전량 간 차이를 기반으로, 양수발전이 추가적으로 저장할 수 있는 잠재 용량을 산정하였다(Fig. 5). 본 연구에서는 양수발전의 저장 효율은 70%로 가정하였다. 분석 결과, 현재 평균 저장량은 532 MWh 수준이나, 기술적 최대 잠재 저장량은 1,453 MWh에 달하는 것으로 나타났다. 이는 현재 설비 규모 대비 약 3.7배의 추가 저장 역량이 존재함을 의미하며, 운영 최적화 또는 설비 확충을 통해 상당한 탄소 저감 효과 확대가 가능함을 시사한다.
더 나아가, 본 연구는 양수발전소 증설을 통한 추가 탄소 저감 시나리오를 검토하였다. 현재 설비 대비 100% 증설 시 약 3%(전체 탄소배출량 대비 약1%)의 추가 저감 효과가 기대된다. 현재 재생에너지의 최대 발전 역량을 고려하면, 300% 수준의 증설 시에도 탄소저감 효과가 유효한 것으로 분석되었다. 넷제로(Net-Zero) 달성을 위해서는 화석연료 발전의 단계적 감소와 재생에너지 발전의 지속적 확대가 필연적이며, 현재 이루어지고 있는 5기의 양수발전소 증설은 바람직한 기반시설 투자로 판단된다.
향후 설비 증설 이후 운영 효율성을 극대화하기 위한 중·장기 전략이 필요하다. 우선, 수일간 지속되는 흐림·무풍 기간에 발생하는 전력 공급 불안을 완화하기 위해 중규모 또는 특정 목적형 양수발전소를 활용함으로써 유연탄 발전 의존도를 최소화하고 안정적인 전력 공급을 확보할 수 있다. 더 나아가 계절별 수요–공급 불균형, 특히 겨울철 전력 피크와 태양광 발전량 감소에 대응하기 위해 대규모 양수발전소의 확충과 함께 양수-수소 및 장주기 에너지저장(Long-Duration Energy Storage, LDES) 시스템과의 통합 연계를 추진할 필요가 있다(Daneshvar et al., 2020; Yasser et al., 2024). 이러한 통합 운영 체계는 화력발전소의 연간 가동률을 구조적으로 감축함으로써 계통 안정성을 강화하고, 실질적인 탄소 저감을 달성할 수 있는 현실적인 대안이 될 수 있다.
4. 결 론
본 연구는 2024년 실적 데이터를 기반으로 수력 및 양수발전이 탄소배출량 저감에 기여한 양을 정량적으로 분석하고, 향후 양수발전 시설을 확대했을 때 잠재적인 탄소 저감 효과를 분석하였다. 특히, 양수 발전의 운영 최적화 및 기술적 측면에 집중한 기존 연구와 다르게, 실측 시간 단위 전력 운영 데이터를 기반으로 양수발전의 탄소 저감 기여량을 직접 정량화하였다는 점에서 차별성을 갖는다(Daneshvar et al., 2020; Li et al., 2023b; Yang et al., 2025). 즉, 기존 연구들은 대부분 모델 기반 시뮬레이션 또는 설계 용량 가정에 근거한 이론적 추정에 의존하여 왔으나, 본 연구는 2024년 국내 전력계통에서 실제 운영된 시간별 발전량 및 탄소 배출 실적 데이터를 직접 집계·가공하여 산정하였다. 연구를 통하여 궁극적으로 이론값과 실측값 간의 괴리를 최소화하고, 정책 수립에 직접 활용 가능한 실증적 근거를 제시하였다는 데 그 의의가 있다. 더 나아가, 한국의 2030 NDC 달성을 위하여 추후 전력부문의 탄소 감축을 계획하기 위하여 발전원별 탄소저감량 산정에 대한 방법론을 제시했다는 데에도 분석 결과를 종합하면 다음과 같다. 첫째, 2024년 기준 양수발전은 단독으로 약3.37백만톤, 재생에너지와 결합 시 최대17.12백만톤(전력부문 탄소배출량의 약 7%)의 탄소 저감 효과를 발휘하고 있다. 둘째, 양수발전의 저장 효율(70%) 및 설비 규모를 고려했을 때 현재 대비 최대 3배의 역량 향상이 가능하며, 현재의 속도로 설비를 증설한다면 추가적인 탄소저감 효과를 달성할 수 있다.
그러나, 현재 재생에너지의 설비 용량(약 13,000 MWh)이 양수발전 설비 용량(약 4,700 MWh)을 크게 상회하고 있다. 이에 따라 재생에너지 및 양수발전 설비의 운영 효율화가 요구되는 상황이다. 이를 해결하기 위하여 AI 기반 실시간 통합 운영을 실시하고, 용량을 다변화 한다면 양수발전의 효율과 기여도를 향상시킬 수 있다(Han et al, 2025).또한, 단기·중기·장기 저장 수요에 맞춘 다변화된 양수발전소 운영 체계를 구축한다면 화력발전 의존도를 근본적으로 낮추는 데 기여할 것이라 기대한다.
탄소중립 달성을 위한 재생에너지 확대 기조 속에서 양수발전은 전력계통의 안정성을 유지하면서 탄소 저감을 실현하는 핵심 인프라로서의 역할이 더욱 강조되고 있다. 다만 경제성, 저수지 온실가스 발생 및 생태계 교란 등 환경적 영향이 주요 한계로 지적되고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 해수 기반, 소규모 분산형, 폐광 활용형 양수발전등 새로운 형태의 기술 개발이 진행 중이며, 이러한 새로운 방식은 현재 양수발전 시설 도입이 어려운 지역으로의 확산을 가능하게 하는 방안으로 주목받고 있다(Yang et al., 2025). 최근 양수발전의 하부저수지를 지하화 하는 등 환경 경관 훼손을 최소화하고, 광산 등 유휴 지하공간을 활용하거나 노후 발전소의 상부 저수지를 공유하는 방법 등 환경을 고려한 기술이 계속적으로 발전함에 따라 미래 발전의 다양한 잠재력을 가지고 있다(An et al., 2025). 따라서 탄소중립 시대에 맞추어 양수발전소의 전략적 증설과 지능형 운영 체계 구축에 대한 정책적·재정적 지원 방안이 마련될 필요가 있다.
