1. 서 론

1.1 연구배경

기후변화에 대한 대응 노력으로 탄소 발생이 적은 친환경 재생에너지의 개발이 풍력, 태양광, 수력, 바이오매스 등 다양한 분야에서 활발히 이루어지고 있다. 이러한 재생에너지 중 수력은 지구의 물 순환에 기인한 대표적인 재생에너지이다. 이를 활용한 수력발전이 온실가스를 배출하지 않으며, 안정적인 전력 공급이 가능하고, 태양광 및 풍력발전에서 문제로 대두되는 간헐성을 보완할 수 있다(IEA, 2021). 그러나 경제성 및 효율성을 확보하기 위해 필수적으로 요구되는 대규모 댐 및 저수지의 건설 등은 각국의 환경 규제 강화 및 사회적 수용성 문제로 인하여 점점 어려워지는 추세이다. 이에 따라 수력발전 분야에서도 소규모 및 분산형 발전방식에 관한 관심이 증가하고 있다(Skoulikaris, 2021). 소규모 수력발전은 발전용량에 따라 소수력(Small, 1,000~10,000 kW), 미니(Mini, 100~1,000 kW), 초소수력(Micro, 100 kW 미만)으로 한국에너지공단에서 분류하고 있으며, 발전방식으로는 대규모 댐을 설치하여 상부에 저수지 공간을 활용한 댐식(Storage type), 하천 흐름을 활용한 유하식(Run of River) 방식 등으로 구분, 적용되고 있다. 기존의 대규모 시설 중심의 발전방식에서 탈피하여 하천의 최소한 수리 구조물을 이용한 자연 유하량(Run of River, RoR)을 활용한 유하식 소수력 및 초소수력발전에 관한 관심이 증가하고 있다. 이러한 사례 및 연구는 대한민국(Cheon et al., 2023; Lee et al., 2009; Jung et al., 2021; Kim et al., 2017), 동남아시아(인도네시아)(Rospriandana and Fujii, 2017; Rumbayan and Rumbayan, 2023), 아프리카(이집트)(Ahmed et al., 2023), 남아메리카(페루)(Alzamora Guzmán et al., 2019), 영국(Golgojan et al., 2025)을 중심으로 다양하게 진행되고 있다.

우리나라는 대규모 발전사업 및 하천 관리를 위한 댐 및 보의 건설 등은 환경 문제 등 때문에 해결하기 어려운 사회적인 문제가 되고 있다. 이러한 문제 등을 극복하기 위한 자연하천 유량을 활용한 소수력발전 연구가 최근 들어 활발히 이루어지고 있다. 우리나라 전역의 개발 가능 수자원량을 평가하기 위하여, 전국 840개 표준 유역을 대상으로 지형 및 수문 자료를 이용하여 유역 평균 유출량 분석 방법을 적용, 발전용량을 산정하였다. 연평균 강우-유량을 이용하여 개발 잠재량 분석을 통해 전국 소수력 자원의 분포를 시각화한 시스템을 개발하였다. 다만, 여름철에 집중적으로 발생하는 우리나라의 유출특성을 반영하지 못한 점은 있으나, 전국 단위의 유역별 수자원량을 평가하고 이를 활용할 수 있는 시스템으로 개발한 의미가 있다(Lee et al., 2009). Jung et al. (2021)는 한국의 덕송발전소(정선군), 한석발전소(단양군), 소천발전소(봉화군) 지점의 유황곡선(Flow Duration Curve, FDC)과 강우 기반 유출모델을 활용하여 월별 유량과 발전량을 추정하였다. 또한 덕송·한석·소천 3개 유역에 대해 기후변화 시나리오(RCP 4.5)를 적용하여 장기 유출 분석을 고려하였다(Jung et al., 2021). 2021년부터 2100년까지의 장래 소수력발전 잠재력을 예측한 결과, 2021~2040년에는 현재 대비 소수력 잠재력이 개선되는 경향을 확인하였으며, 특히 덕송 지점은 약 23.4%의 잠재력 향상이 예상되는 등 전반적으로 기후변화가 소수력발전에 유리하게 작용할 것으로 예측하였다(Jung et al., 2021). Kim et al. (2017)은 GIS (Geographic Information System)와 HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling System)을 이용하여 영월군 유역의 초소수력발전 적지를 앱 인터페이스로 시각화하고 발전량과 경제성을 분석하였다. 해당 지역의 연간 잠재 발전량을 추정하고, 비용/편익 분석을 통하여 활용 가능성을 평가하였다. 이러한 연구에서는 전통적인 포장수력 산정 방법을 적용하여 자연상태의 하천 소수력발전 잠재량을 평가하기 어려운 점이 있다. 또한 Cheon et al. (2023)은 충북 보은군 보청천 유역을 대상으로 30년간 수문 자료와 GIS 정보를 활용하여 자연 유하량을 바탕으로 초소수력 개발 잠재량을 평가하였다. 보와 낙차공 등과 같은 유역 내 기존의 낙차를 이용할 경우 연간 약 14,832 kWh의 에너지 생산 잠재량을 확인하였으며, 평수기 유량(Q₁₈₅, 5.2 m³/s) 기준 약 270 kWh, 갈수기 유량(Q₃₅₅, 2.4 m³/s) 기준 약 123 kWh의 발전이 가능함을 확인하였다(Cheon et al., 2023). 그러나 유황 곡선의 특정 유량(평수기, 갈수기 유량)을 최적 운영 유량으로 분석하여, 변동하는 수문곡선의 특성을 반영하지 못한 한계점이 있다.

하천의 흐름을 활용한 RoR 소수력 개발 관련 연구는 최근 들어 아시아에서 많이 이루어지고 있다. 인도네시아 Ciwidey 유역에선 소수력발전 가능성에 관한 평가 연구가 수행되었다. 2009년부터 2012년 사이의 관측 유량 자료를 기반으로 하였고, 발전 가능성 평가는 유황곡선을 기반으로 수행되었으며, 60%, 75%, 90% 흐름 수준에서의 유량값을 이용해 최적, 통상, 최소 발전 조건을 추출하였다. Ciwidey 유역의 발전 잠재량은 최대 약 1.72 MW (1,722 kW)로 산정되었다. 이 연구는 지역의 지형 및 수문자료를 토대로 소수력발전 시스템의 적용 가능성을 분석함으로써 인도네시아의 재생에너지 확산에 기여할 수 있는 방향을 제시하였다(Rospriandana and Fujii, 2017). 또한 인도네시아 North Sulawesi의 Lalumpe 마을의 지형, 수문 분석을 바탕으로 초소수력 발전을 위한 발전 수자원량 평가, 초기 비용, 운영·유지관리비를 고려한 순현재가치(Net Present Value, NPV), 내부수익률(Internal Rate of Return, IRR) 등 경제성평가를 실시하였다. 분석 결과 이러한 초소수력발전이 농촌 지역 전력 수요를 충족할 수 있는 지속 가능한 대안임을 확인하였다(Rumbayan and Rumbayan, 2023). 아프리카의 이집트 나일강 지류에선 자연 유하를 활용한 부유식 초소수력 시스템을 제안하고, 경제성과 기술적 실현 가능성을 분석하였다. 직경 1.5 m 터빈을 한 줄로 20기 설치하는 경우 약 25.8 kW의 출력을 얻을 수 있으며, 발전단가는 0.035 USD/ kWh로 경제성이 높은 것으로 관측된다. 더불어 연간 CO₂저감 효과도 368 톤으로 나타나, 초소수력 발전의 환경적 이점도 함께 제시되었다(Ahmed et al., 2023). 그러나 대하천의 흐름 일부를 연구의 최적의 시스템으로 활용하는 것으로 현실적으로 실현되기 어려울 것으로 판단된다. 남아메리카의 페루에서는 1 m 정도의 낮은 유효 낙차와 0.5 m³/s의 최소 유량에서도 적용 가능한 GVHP (Gravitational Vortex Hydropower)에 관한 연구를 수행하였다. 이러한 저 낙차에 적용 가능한 소수력 발전사업으로 연간 총 27 MWh의 발전이 가능하며, 낮은 초기 투자비용으로 약 8~16년에 투자비용을 회수할 수 있어 우수한 경제성을 보여주고 있다(Alzamora Guzmán et al., 2019). Golgojan et al. (2025)은 영국 전역의 하천 흐름을 활용한 RoR 소수력(Pico, Micro, Mini, and Small)발전의 잠재력을 평가하였다. 수문 관측자료, 보 및 낙차공 등의 자료를 바탕으로 연중 유량(Q_mean, Q₉₅ 등)을 분석한 결과, 약 2,000개소 이상에서 수자원개발이 가능하며, 실질적으로 개발 가능한 수자원량은 290~320 MW로 평가하였다. 기존 인프라 재활용을 통해 환경의 영향을 최소화하였고, 저영향 개발(Low Impact Development, LID) 모델을 제시하였다(Golgojan et al., 2025). 이론적인 개발량과 현실적으로 개발 가능성이 있는 지점을 선정하여 개발량을 평가한 실무 활용성이 높은 사례 연구다. 이러한 영국, 아프리카, 남미, 한국 등 다양한 지역에서 적용된 소수력 및 초소수력발전 사례 연구는 기존의 대규모 수력발전의 대안으로 자연하천 그대로의 RoR 소수력발전의 기술적·경제적·환경적 유용성을 제시하고 있다.

1.2 연구 목적

본 연구에서는 기존연구에서 다루고 있지 않은 기존 하천 환경에서 추가의 댐, 저수지 및 도수로 등의 수리 구조물의 설치 등을 최소화한 하천 흐름을 활용한 RoR 초소수력발전 수자원량을 평가하고자 한다. 전라남도 구례군 서시천의 깔단보를 대상으로 수자원량 평가 방법(유역 유출량, 유황곡선, 실 관측 수문곡선을 활용한 방법)으로 초소수력 발전 잠재량과 이를 통한 탄소 발생 및 미세먼지 저감량을 산정하여 초소수력발전의 가능성을 평가한다.

2. 적용지역 및 방법론

2.1 대상 연구유역-전라남도 구례군 서시천

본 연구의 대상 지점인 깔단보가 위치한 서시천은 한반도의 남부, 섬진강 유역의 제1지류이다. 전라남도 구례군 구례읍 및 산동면 일대에 있는 서시천으로, 해발고도 1,430 m의 만복대(산동면 위안리)를 발원지로 하며, 중류부에서는 구만 저수지를 경유하고, 하류부로 내려가며 천은천, 백련천, 동정천, 백운천 등 주요 지류와 차례로 합류한다. 최종적으로는 구례읍 봉동리 지점에서 국가하천인 섬진강의 좌안으로 유입된다. 유역은 상류의 산지와 하류의 농지 및 주거지로 구성된 전형적인 소규모 산지 유역이다. 유역은 상류부는 급한 하상구배(1/40~1/210)를 하류부는 완만한 하상구배(1/180~1/510)를 갖고 있다. 유역 면적은 약 153km²이며 유로연장은 약 28 km이다. Fig. 1은 유역의 지형도이다.

Fig. 1.

Map of Seosicheon catchment, Gurye-gun, Jeollanam-do

서시천 유역의 기본 정보, 수문, 지형적인 특성 인자 등은 대상 하천의 하천 정비 기본계획에서 확인할 수 있다(ME, 2023). 서시천 유역의 기상관측자료는 주암관측소(기상청 256)와 순천관측소(기상청 174)의 자료를 활용할 수 있다. 유역 내 유량 관측은 서시교 관측소(환경부)에서 이루어지고 있다. 이러한 자료는 국가 수자원 종합정보 시스템(www.wamis.go.kr)에서 확인할 수 있다.

서시교의 관측 유량 자료는 2009년부터 2023년까지의 자료가 활용 가능하며, Fig. 2는 2022년의 수문곡선의 예시이다. Fig. 2의 유량 자료는 여름철(6월~9월)에 유출이 집중하는 전형적인 우리나라의 자연하천의 유출특성을 보여주고 있다. 결측일 (2009년 2월 7일, 4월 12일, 13일, 18,일, 19일, 22일, 23일, 28일, 2012년 12월 22~26일, 2013년의 11월 28~12월 16일)이 있으나, 건조기의 유량으로 분석에 큰 영향을 미치지는 못할 것으로 판단된다. 서시천은 2020년 8월에 집중호우로 인하여 대규모 침수 및 홍수를 경험하였으며, 다양한 재해 복구사업이 진행되었다. 특히 2023년에는 서시교 인근의 대규모 하천공사 등으로 자료의 품질(수위-유량 관계곡선식)이 검증되지 않아 해당 기간을 분석에서 제외한다(KIHS, 2025).

Fig. 2.

Daily discahrge hydrograph at Seosicheon Bridge in 2022, Seosicheon

유황곡선은 하천의 연간 관측 유량 값과 그 값을 초과하는 시간 비의 관계를 나타내며, 유역의 장기 유출 분석, 특히 하천 유량의 변동성을 함축적으로 나타낸다. 하천의 장기 유황을 분석하기 위한 필수적인 검토사항이다. 서시천 서시교 지점의 유황곡선은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

Flow duration curve at Seosicheon Bridge in the period of 2009-2022, Seosicheon

서시교 수위관측소 지점의 유황 곡선 관련 지표, 유황 곡선의 1년의 95일, 185일, 275일, 355일 이상을 유지하는 유량인 풍수량(Q₉₅), 평수량(Q₁₈₅), 저수량(Q₂₇₅), 갈수량(Q₃₅₅)을 일 단위로 계산한 결과는 Table 1과 같다. 갈수량은 0.55 m³/s으로 적은 유량을 기록하고 있다. 한국에서 적용 중인 연도별 일단위 유량을 정렬 후 해당 순위의 값을 평균하여 산정한 값이다. Table 2는 해당기간의 자료를 모두 활용하여 % 단위로 분석한 결과이다. Table 1의 경우, 연 단위의 자료값이 순위를 갖고 동일하게 적용되나, Table 2는 연 단위의 순위값과 상관없이 전 기간의 순위를 적용하여 활용자료의 양이 증가된 결과를 나타내고 있다. 두 방법의 비교 결과, Table 1은 일 단위 순위(185일, 275일, 355일)의 직관적인 해석이 가능하며, Table 2 보다 다소 큰 값이 산정된다. 이는 일부 평균적인 값보다 크게 관측된 해(ex. 2022년)의 값이 과다하게 영향을 미친 것으로 판단된다. 그러나 향후 자료가 충분히 축적된다면 두 표의 값은 수렴할 것으로 예상한다. 본 연구에서는 한국에서 일반적으로 적용되는 방법의 결과인 Table 1의 값을 적용한다.

2.2 자연하천 유하량(RoR)을 활용한 초소수력 발전 잠재량 평가 방법

수력 에너지는 지구 물 순환 과정에서 생성되는 위치에너지를 이용하는 재생 가능 에너지 자원으로, 본 연구에서는 소규모 유역 단위에서 수력 에너지 잠재량을 체계적으로 평가할 수 있는 방법론을 제시하고자 한다. 유역의 수력 에너지 잠재량은 이론적, 기술적, 시장 잠재량으로 구분되며, 이론적 잠재량은 하천 유량을 모두 에너지로 전환할 수 있다고 가정했을 때의 최대 에너지양이며, 기술적 잠재량은 실제 설치 가능한 설비 규모나 기술적 조건을 반영할 경우 설치할 수 있는 설비용량 또는 생산 가능한 에너지양이다. 시장 잠재량은 기술적 잠재량에서 정부의 지원 정책(지원 정책 영향요인, 경제적 영향요인)과 규제정책(규제정책 영향요인)을 반영할 때 현시점에서 활용할 수 있는 실질적인 에너지의 양이다(Golgojan et al., 2025). 본 연구에서는 이론적인 잠재량을 바탕으로 하며, 소수력 개발을 위한 기초 연구로서 유역의 평균 유출률을 고려한 방법, 유황 곡선을 활용한 방법, 실 관측 수문곡선을 활용한 방법으로 발전량을 평가 한다.

해당 지점의 이론적인 수자원개발 잠재량을 발전량으로 산정하는 방법은 Eq. (1)을 따르며, 해당 지점의 흐르는 유량(Q)와 유효낙차(H)를 바탕으로 단위시간에 할 수 있는 일의 양으로 산정되며, 단위는 와트가 적용된다. 여기서 효율은 수로, 수차, 발전기 및 변속기등의 모든 효율을 적용하여야 하며, 본 연구에서는 일반적으로 소수력발전에서 적용되는 종합효율 85%을 가정한다(Park and Lee, 2001).

여기서 𝜌 (물의 밀도, 1,000 kg/m³), g (중력가속도, 9.8 m/s²), Q (유량, m³/s), H (대상 지점의 유효낙차, m), C (발전시스템의 종합효율, 0.85)이다.

2.2.1 잠재량 발전량 추정

유역의 이론적인 수자원 개발 잠재량_발전량은 유역의 강우량을 바탕으로 유역 유출률을 적용한 유출량과 유역의 표고기반의 자료로 Eq. (2)으로 산정한다.

여기서, Q(H)는 표고상의 유량(m³/s), H_max는 지표최고점의 높이(m), P는 지역내 평균 강수고(m), A(H)는 등고상 면적(m²), g는 중력가속도(9.8 m/s²)를 나타낸다.

유역의 유량은 관측 유량이 있을 경우 이를 활용하여 산정하나, 많은 유역의 경우 검토 대상 지점에서 신뢰할 수 있는 유량자료를 확보하기는 어렵다. 이에 대상유역의 관측 유량 자료가 충분하지 않은 경우에 각 기상관측소에서 측정된 강우량으로 유역 평균 강우량을 산정하고, 이를 바탕으로 유역 면적을 고려하여 유역 유입량을 환산하였으며, 이에 따른 유역의 침투 및 증발산 등과 같은 수문작용을 고려한 유출률을 적용하여 유출량을 산정한다. 본 연구에서는 서시천의 유출률을 해당 하천의 하천정비기본계획(ME, 2023)의 유출률 산정 결과(Tank 모형-0.63, 가지야마 공식-0.57 등)을 고려하여 0.6으로 적용한다. 산정한 유역 유출 자료에 유역의 면적당 표고를 곱하여 수자원 잠재량을 산정하는 방법이다. 그러나 이러한 유역의 표고 자료를 그대로 유효 낙차로 활용하여 산정한 유역의 잠재 수자원량은 실제 개발할 수 있는 수자원보다 과다 산정할 수 있다. 본 연구에서는 하천 유량을 활용한 RoR 수력 개발을 위하여 Lee et al. (2009)에서 적용한 바와 같이 유효 낙차를 유역 내에서 활용할 수 있는 단위 낙차 1 m를 기준으로 적용하여 수자원 잠재량을 평가한다.

2.2.2 유황 곡선 기반 발전량 추정

유황 곡선은 유량 데이터를 연 단위 일 순위자료로(혹은 모든 순위자료로) 내림차순으로 정렬하고 각 유량이 연간 몇 일이상(몇 %로) 유지가 되는지 나타내는 곡선이다. 유역의 유출 특성을 반영하여 특정 유량의 지속 가능성을 시각적으로 나타낼 수 있는 특징을 가지고 있다. 본 연구에서는 자연하천에서 실질적으로 수력개발이 가능한 유량과 기간을 분석하기 위해 적용한다. Fig. 4와 같이 경제적으로 적용 가능한 수차(또는 발전기)의 최대 및 최저 사용 유량을 각각 Q₉₅와 Q₃₅₅일 경우, Q₁₈₅와 Q₃₅₅일 경우, Q₂₇₅와 Q₃₅₅일 경우로 검토한다. 유량이 설정한 최대 사용유량보다 많은 기간동안은 최대 사용유량만큼 발전한다고 계산하였고, 유량이 최대 사용유량과 수차 최저 유량 사이에 해당하는 기간은 그 해당 유량만큼 발전한다고 계산한다.

Fig. 4.

Example of flow duration curve

서술한 내용을 식으로 정리하여 나타낸 유황곡선 기반 연간 발전 전력량은 Eq. (3)와 같다.

Eq. (3)와 같이 1일부터 t일까지의 기간은 매일 같은 최대 사용유량 Q₉₅, Q₁₈₅, Q₂₇₅로 각각 발전한다고 가정한 3가지 경우를 계산한다. t+1일부터 355일까지는 유황곡선 구간 데이터를 하루 단위로 적용하여 합산하여 산출한다. 본 연구에서 C (발전시스템의 종합효율)은 0.85로 가정한다.

2.2.3 수문곡선 기반 발전량 추정

수문곡선(Discharge Hydrograph)은 시간에 따른 유량의 시계열 변화를 나타낸다. 유역의 유출 특성을 나타내는 실관측 유량 수문곡선은 계절별로 다양한 유량의 분포와 극값 발생 시기 등을 보여주는 특징을 가진다. 여름철 6월부터 9월까지의 홍수기에 유량이 집중되는 등, 단기적으로 많은 유량이 발생하는데, 이는 최대 발전량의 확보에는 유리해 보이지만 RoR 특성상 이러한 최대 유량으로 연속적 발전이 불가능하며, 봄과 가을에는 최소 발전만 가능한 것으로 예상된다. 본 연구에서는 실 관측 유출곡선을 이용하여 유량의 계절별 변화를 파악하고, 이를 이용하여 수차의 가동이 가능한 기간을 분석한다. 본 연구에서는 앞서 FDC에서 검토한 Q₉₅와 Q₃₅₅일 경우, Q₁₈₅와 Q₃₅₅일 경우, Q₂₇₅와 Q₃₅₅일 경우를 분석한다. Fig. 5와 같이 이 구간은 수차가 효율적으로 작동이 가능한 유량 구간에 해당하고, 실제 발전량 평가에 중요한 지표가 될 수 있다.

Fig. 5.

Daily disharge hydrograph in 2022 at Kaldan Weir, Seosicheon, Gurye-gun, Jeollanam-do (Grey areay is in Q₁₈₅～Q₃₅₅ flow range)

수문곡선을 활용한 연간 발전 전력량은 Eqs. (1), (4) and (5)을 따른다.

여기서 𝜌 (물의 밀도, 1,000 kg/m³), g (중력가속도, 9.8 m/s²), Q (유량, m³/s), H (대상 지점의 유효낙차, m), C (종합 효율, 0.85), Eday(하루 동안 생산된 에너지, kWh), Eday ,d(d번째 날에 생산된 에너지, kWh)이다.

발전 시스템에서 얻을 수 있는 순간 전력 P(W)를 Eq. (1)에 따라 계산한다. 계산한 순간 전력 P를 바탕으로, 하루 동안 생산 가능한 전력량을 Eq. (4)에 따라 24시간 동안 출력값을 환산한다. Eq. (5)으로 Eday ,d를 연중 365일에 걸쳐 합산하여 연간 발전량 Eannual을 산출한다.

2.3 탄소저감량 및 미세먼지저감량 산정 방법

대상 지점에서의 유량과 유효 낙차를 기반으로 이론 발전 가능량을 산정하였으며, 이를 바탕으로 해당 발전이 기여할 수 있는 탄소발생 저감 효과와 미세먼지 저감 효과를 함께 분석함으로써 소수력 발전의 기후변화 대응 능력을 검토한다. 초소수력 개발을 위한 수자원잠재량의 발전량을 바탕으로한 탄소저감량 및 미세먼지 저감량으로 Eqs. (6) and (7)로 평가한다.

수자원개발-수력발전을 통하여 저감할 수 있는 탄소배출량은 다음 Eq. (6)으로 산정한다. 외부감축사업 온실가스 감축량 산정 방법론을 사용하며 해당 방법론은 재생에너지 발전설비를 설치하여 전력생산 및 자가 전력으로 대체하는 활동에 따른 탄소저감량을 산정한다. 산정식은 다음과 같다.

온실가스 배출계수(0.45941(tCO2∙MWh)는 외부감축사업 온실가스 감축량 산정 방법론(제24조 관련)(공공부문 온실가스 목표관리 운영 등에 관한 지침)을 적용한다.

미세먼지 저감 경제성 평가의 경우 Eq. (6)을 이용한다. 이는 석탄 화력발전을 수력발전으로 대체할 경우 저감할 수 있는 미세먼지량을 산정한다.

여기서, 2021년 에너지산업 유연탄 PM2.5 발생량은 1,430,061 kg이고, 2021년 유연탄 발전량은 187,050,807 MWh이다.

3. 서시천 깔단보의 RoR 수자원발전 잠재량 평가

본 연구에서는 전라남도 구례군 서시천 서시교 유역을 대상으로 제시한 수자원량 평가 방법을 적용하여 소수력 개발 가능성을 평가하였다. 이를 위해 먼저 대상 유역에 대한 현장 조사를 실시하고, 유역면적, 보 및 낙차공 등 수리시설의 위치, 하천의 종단 형상 등을 종합 분석하여 발전 후보지를 선정하였다. 대상지점인 서시교 직 상류에 위치한 깔단보를 대상으로 적용한 사례 연구이다. Fig. 6은 서시천 깔단보의 전경과, 해당보의 수문(폭 1 m, 높이 0.77 m) 사진이다.

Fig. 6.

Kaldan Weir (2025), Seosicheon, Gurye-gun, Jeollanam-do

3.1 대상 지점의 수자원 분석

본 연구에서는 서시천교 관측소(유역면적 A1=148.56 km²)에서 계측된 유량 자료를 깔단보 지점(NO 2+600, 유역면적 A2 =143.12 km²)에 대응시키기 위해 면적-유량 관계를 활용하여 조정하였다. 깔단보(NO 2+600)지점은 백연천 합류(NO 1+800) 지점으로부터 800 m 직상류 지점으로 해당 구간 내 추가 유입량은 없는 것으로 조사되었다.

서시천교에서 관측된 유량 Q₁을 약 3.7% 감소시켜 깔단보 구간 유량Q₂로 환산하였다. 분석한 결과는 Table 3, Fig. 7과 같다.

Fig. 7.

Flow duration curve at Kaldan Weir, Seosicheon, Gurye-gun, Jeollanam-do

2025년 4월 3일 서시천 현장 답사에서, Fig 6(b)의 깔단보의 수문의 상하단의 수위차 등을 반영하여 유효낙차는 1 m로 산정한다. 수문에서 유량 0.25 m³/s으로 관측되어, 갈수기 유량 Q₃₅₅보다 작은 수치를 나타내고 있다. 이는 선행 강우가 없고, 봄철 갈수기임을 감안하여 적절한 수치로 판단된다. 또한 Fig. 6의 깔단보의 수문은 한국농어촌공사에서 농업용 보로 관리하여, 5, 6, 7월은 수문을 닫아 농업용수로 취수하여 발전이 어려운 사정을 확인하였다.

3.2 대상 유역 발전량 추정

해당 지점의 발전량은 Eq. (1)을 기반으로 산정한 값으로, 각각의 방법에 따라 1) 유역 유출을 활용한 방법, 2) 유황곡선을 활용한 방법, 3)실 관측 수문곡선을 활용한 방법에 따른 결과는 Tables 4, 5, 6과 같다. 유황곡선을 기반으로 한 연간 운영 일수는 Table 7과 같다. 각각의 방법에 따른 탄소배출/미세먼지 저감결과는 Tables 8, 9, 10과 같다.

유역 평균 유출량을 활용하여 산정한 평균 연간 발전량은 274,062 kWh/year이며, 이의 탄소배출/미세먼지 저감량은 각각 125.907 tCO₂, 2.095 kg 이다. 유황곡선을 활용한 평균 연간 발전량은 수차의 최대 사용유량을 1)Q₉₅, 2)Q₁₈₅, 3)Q₂₇₅, 수차 최소 유량을 Q₃₅₅으로 하였을 경우 각각 139,631 kWh/ year, 104,321 kWh/year, 73,598 kWh/year이며, 이에 따른 탄소배출-미세먼지 저감량은 64.15 tCO₂-1.068 kg, 47.93 tCO₂- 0.798 kg, 33.81 tCO₂-0.563 kg이다. 수문곡선을 통해 산정한 연도별 발전 전력량을 분석한 결과에서는 최대 사용유량을 1) Q₉₅, 2) Q₁₈₅, 3) Q₂₇₅, 수차 최소 유량을 Q₃₅₅으로 하였을 경우 각각 평균 132,065 kWh/year, 95,882 kWh/year, 66,852 kWh/year로 나타났다. 연도별 변동성을 분석한 결과, 가장 높은 발전량을 보인 해는 2016년(192,416 kWh/year, 126,283 kWh/year, 79,994 kWh/year)이며, 가장 낮은 해는 2009년(66,603 kWh/year, 49,569 kWh/year, 35,746 kWh/year)으로 나타났다. 이에 따른 평균적인 탄소배출-미세먼지 저감효과는 각각 (60.67 tCO₂-1.01 kg), (44.05 tCO₂-0.733 kg), (30.71 tCO₂-0.511 kg)와 같다. 연평균 유출량으로 산정한 결과(274, 062 kWh/year)는 가장 큰 값이며, 이는평상시의 유량 조건 (Q₁₈₅~Q₃₅₅)의 값 132,065 kWh의 208%의 달하는 값으로, 유역의 RoR 유출 현실을 반영하지 못한 잠재량 평가로 판단된다. Table 5의 유황곡선으로 산정한 값은 연도별로 편차는 있으나, Table 6의 평균값과 유사한 결과를 나타내고 있다. 특히 최저 발전량(Q₂₇₅~Q₃₅₅)구간에서의 값 73,598 kWh/year (Table 5), 66,852 kWh/year (Table 6)이 현실적인 값으로 판단된다. 소수력발전의 장기간 운영을 감안 한다면, 일부 연도 별 편차는 있지만 유황곡선에 의한 방법과 수문곡선에 의한 방법이 일관된 결과를 보여주고 있다.

3.3 초소수력 발전 사업의 경제성평가

각각의 방법으로 얻을 수 있는 전력판매대금 및 탄소저감 수익은 다음 Tables 11, 12, 13과 같다. 유역 유출량을 기반으로 한 계산의 경우 연간 약 32,344,821원, 탄소배출 저감으로 인한 수익이 약 1,019,846원으로 총 33,364,668원/년으로 예상된다. 전력판매단가는 118.02원/kWh, 탄소저감량의 금액 산정은 탄소배출 권거래방식(8,100원/tCO₂)을 적용하여 산정한다(KPX, 2025).

유황 곡선을 활용한 계산의 경우, 최대 사용유량을 Q₉₅, Q₁₃₅, Q₂₇₅, 수차 최소 유량을 Q₃₅₅으로 하였을 때 각각 전력 판매 수익이 16,479,252원, 12,312,029원, 8,686,066원이고 탄소배출 저감으로 인한 수익이 519,597원, 388,203원, 273,875원으로 나타났다.

수문곡선을 통해 산정한 방법의 경우, 최대 사용 유량을 Q₉₅, Q₁₃₅, Q₂₇₅, 수차 최소 유량을 Q₃₅₅으로 하였을 때 각각 전력 판매 수익이 15,586,319원, 11,315,993원, 7,889,926원이고 탄소배출 저감으로 인한 수익이 491,442원, 356,797원, 248,772원으로 나타났다.

3.4 경제성 있는 초소수력 발전 사업 규모

본 분석 결과를 바탕으로 경제성 있는 사업 규모를 추정할 수 있다. 최소 5년의 운영수익으로 초기 투자비용을 회수할 수 있는 사업을 목표로 한다면, 최소 구간(Q₂₇₅~Q₃₅₅)을 적용한 발전 시스템 1기의 가격으로 약 4,069만 원(Table 13)~4,480만 원(Table 12)으로 판단된다. 10년을 회수 목표기간으로 설정한다면 8,138만 원(Table 13)~8,960만 원(Table 12)으로 판단할 수 있다. 향후 경제성 있는 사업의 추진을 위하여 이러한 금액의 가이드라인의 제시가 필요하다.

4. 결 론

본 연구는 자연하천 흐름을 이용한 소수력 발전수자원량을 유역 평균 강우량-유출량을 이용한 방법, 유황곡선 및 실 관측 수문곡선을 이용한 평가 방법을 제시하였고, 이를 전라남도 구례군 서시천 깔단보에 적용한 사례 연구이다. 주요 결론은 다음과 같다.

전라남도 구례군 서시천 서시교의 깔단보 지점을 유역 평균 유출량으로 분석한 경우 유역 유출특성으로 분석한 경우 평균 연간 발전량은 274,062 kWh/year으로, 유황곡선으로 분석한 경우 139,631 kWh/year (Q₁₈₅~Q₃₅₅), 104,321 kWh/ year, 73,598 kWh/year (Q₂₇₅~Q₃₅₅), 수문곡선으로 분석한 경우 평균 95,882 kWh/year (Q₁₈₅~Q₃₅₅), 66,852 kWh/year (Q₂₇₅~Q₃₅₅),의 발전량이 산정되었다.

유역 평균 유출량 방법은 연간 약 125.9 tCO와 2.10 kg PM 2.5를 감축할 수 있을 것으로 추정된다. 유황곡선 기반 분석에서는 조건에 따라 33.8~64.2 tCO₂ 및 0.56~1.07 kg PM 2.5 저감이 기대된다. 실관측 수문곡선 기반 분석에서도 연간 30.7~ 60.7 tCO₂, 0.51~1.01 kg PM2.5의 저감 잠재력이 나타났다.

각각의 방법에 대하여 얻을수 있는 수익을 분석한 결과, 유역유출을 적용한 방법에서는 전력 판매 수익이 32,344,821 원, 탄소배출 저감으로 인한 수익이 1,019,846 원으로 나타났으며, 실질적인 효율을 고려한 유황곡선 및 수문곡선을 활용한 방법으로는 조건에 따라 전력 판매 수익이 7,889,926원~ 16,479,252원, 탄소배출 저감으로 인한 수익이 248,772원~ 519,597원으로 나타났다.

유역의 RoR 소수력개발을 위하여 유황곡선과 실관측 수문곡선을 바탕으로한 수자원량 평가가 실질적인 결과를 제시할 수 있으며 이를 서시천 깔단보의 적용으로 통하여 확인하였다. 또한 이를 통하여 본 연구는 소규모 하천의 RoR 개발을 통하여 발전량과 탄소배출/미세먼지에 유의미한 효과를 보여주며 향후 추가적인 실용적 확장성을 보여주는 의미있는 결론을 도출하였다. 향후 다수의 지점에 대한 연구결과가 축적된다면 자연환경 그대로의 RoR 초소수력 개발을 위한 수자원량 산정의 불확실성을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.