본 연구에서는 하천유역에서 소수력 개발 대상지점에서의 최적규모를 결정하는 방안을 제시하였다. 제시된 방안은 지형 및 수문자료의 구축, 발전소 모의운영, 경제성분석, 최적규모 결정과 같은 일련의 절차로 이루어진다. 최적규모 결정을 위해 경제성 평가지표 가운데 하나인 순현가를 이용하였고, 이를 통해 최적 설계유량과 시설물의 최적규모를 도출하였다. 초기비용의 산출을 위하여 기존 소수력발전소의 비용 자료를 검토하여 함수식을 개발하였고, 편익 산정시 현재 공시된 전력 기준단가를 이용하였다. 이러한 일련의 절차를 기존에 조사된 금강수계의 초강유역에 위치한 댐식, 수로식 소수력 지점 2개소에 적용하였으며, 최종적으로 설계유량과 시설물의 규모 변화에 따른 NPV민감도를 확인하여 최적규모를 결정하였다. 본 연구에서 제시한 방법은 소수력 개발지점에서의 최적규모 및 경제성 여부를 사업추진 이전에 개략 추정하여 잠재수력 부존량을 확인함으로써 사업시행주체의 의사결정 지원 측면에서 활용도가 높을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 하천유역에서 소수력 개발 대상지점에서의 최적규모를 결정하는 방안을 제시하였다. 제시된 방안은 지형 및 수문자료의 구축, 발전소 모의운영, 경제성분석, 최적규모 결정과 같은 일련의 절차로 이루어진다. 최적규모 결정을 위해 경제성 평가지표 가운데 하나인 순현가를 이용하였고, 이를 통해 최적 설계유량과 시설물의 최적규모를 도출하였다. 초기비용의 산출을 위하여 기존 소수력발전소의 비용 자료를 검토하여 함수식을 개발하였고, 편익 산정시 현재 공시된 전력 기준단가를 이용하였다. 이러한 일련의 절차를 기존에 조사된 금강수계의 초강유역에 위치한 댐식, 수로식 소수력 지점 2개소에 적용하였으며, 최종적으로 설계유량과 시설물의 규모 변화에 따른 NPV 민감도를 확인하여 최적규모를 결정하였다. 본 연구에서 제시한 방법은 소수력 개발지점에서의 최적규모 및 경제성 여부를 사업추진 이전에 개략 추정하여 잠재수력 부존량을 확인함으로써 사업시행주체의 의사결정 지원 측면에서 활용도가 높을 것으로 기대된다.
This study presents a framework for optimum scale determination for small hydropower development in a river basin. The framework includes the construction of hydrology and topography data, the simulation of hydropower operation, the economic analysis, and the determination of optimum scale of the sm...
This study presents a framework for optimum scale determination for small hydropower development in a river basin. The framework includes the construction of hydrology and topography data, the simulation of hydropower operation, the economic analysis, and the determination of optimum scale of the small hydropower. The optimum scale of design flow and facility are determined by Net Present Value among economic analysis indices. The investment cost is estimated by the cost function derived from the construction cost of existing small hydropower plants. The benefit from power generation is estimated by the price announced by government. The presented framework is applied to the two potential sites in Cho River basin for the dam and run-of-river type of plants. Finally, the sensitivity analysis for a design flow and scale of the plant is performed for the each site. The usage of the framework presented in the study is highly expected for the estimation of potential hydropower resources or the decision support tool for a proprietor by estimating the optimum scale and economical feasibility in advance.
This study presents a framework for optimum scale determination for small hydropower development in a river basin. The framework includes the construction of hydrology and topography data, the simulation of hydropower operation, the economic analysis, and the determination of optimum scale of the small hydropower. The optimum scale of design flow and facility are determined by Net Present Value among economic analysis indices. The investment cost is estimated by the cost function derived from the construction cost of existing small hydropower plants. The benefit from power generation is estimated by the price announced by government. The presented framework is applied to the two potential sites in Cho River basin for the dam and run-of-river type of plants. Finally, the sensitivity analysis for a design flow and scale of the plant is performed for the each site. The usage of the framework presented in the study is highly expected for the estimation of potential hydropower resources or the decision support tool for a proprietor by estimating the optimum scale and economical feasibility in advance.
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문제 정의
본 연구는 이러한 문제를 개선하고자 시ㆍ공간 자료를 적극 활용하였고, 시간에 따른 순차적인 발전소 모의운영을 실시하여 시간에 따른 순차적인 발전량을 산정할 수 있었다. 또한 경제성분석에 의한 최적규모를 결정하는 과정에서 사업규모별 경제성의 변화양상과 민감도를 분석함으로써 최적 설계유량 및 시설물의 최적규모를 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 소수력 개발지점에서의 최적규모 결정을 위해 규모에 따른 편익 및 비용을 산정하고, 이들 간의 관계에 의해 경제성이 극대화되는 규모를 결정하고자 하였다. 지형 및 유황분석을 위해 Arcview와 SWAT 모형을 이용하였고, 일단위 발전소 모의운영에 의해 산정된 편익과 기존 소수력발전소의 비용자료를 검토하여 제시한 초기비용 함수식과의 관계에 의해 최대 순현가(NPV, Net Present Value)을 만족하는 최적규모를 결정하였다.
소수력 개발을 위한 경제성분석과 최적규모 결정의 목적은 다양한 규모에 대한 개발 타당성을 경제적 측면에서 분석하여 개발에 따른 위험을 사전에 확인하고자 하는 것이다. 특히 설계유량 결정은 소수력발전소의 타당성과 직결된 매우 중요한 요소 중 하나이다.
일반하천에서의 소수력 개발 계획은 크게 입지분석(location analysis)과 적지분석(site suitability analysis)으로 구분할 수 있는데, 본 연구는 하천유역에서의 소수력 개발을 위한 적지분석 과정에서 개발 최적규모를 결정하는 방안 도출을 목적으로 한다. 최적규모의 결정은 지형분석, 유황분석, 발전소 모의운영, 경제성분석의 단계로 이루어지는데, 지형분석과 유황분석은 발전소 모의운영을 위한 기초 데이터 구축 과정에 해당된다.
가설 설정
지형분석과 유황분석시 GIS-tool인 Arcview와 SWAT 모형을 이용하였고, 구축된 기초데이터를 바탕으로 일단위 발전소 모의운영을 실시하였다. 발전소 모의운영시 본 연구에서는 발전효율을 85%, 터빈의 최대ㆍ최소유량을 설계유량의 115, 30%, 터빈은 1unit으로 가정하였다. 또한 댐식 소수력의 경우 저수지 모의시 최대 저수용량을 초과하여 월류하는 유량에 대해서는 발전 사용수량에서 제외하였고, 미발전 기간 동안에만 하천유지유량을 방류하였다.
제안 방법
수로식 소수력은 Eq. (3)과 같이 취수보의 높이에 의한 낙차와 수로길이에 따른 자연낙차를 구분하여 유효낙차를 계산하였다. 본 연구에서는 취수보 높이에 의한 낙차는 댐 높이의 1/2로 하였고, 수로길이에 따른 자연낙차에서는 미개척국(USBR, 1976)에서 제시한 총 수두의 10%가 손실되는 것으로 하였다.
8, 9와 같다. Site A에서 구축된 기초데이터를 바탕으로 발전소 모의운영과 경제성분석을 실시하였고, 댐 높이 5, 10, 15, 20m일 때의 최적 설계유량과 하천유지유량, 시설용량, 연평균발전량은 Table 2와 같다. 그리고 Fig.
경제성분석시 「댐건설 및 주변지역 지원 등에 관한 법률 시행령」제27조 [별표 3] 규정에 의거하여 내구연한 45년, 감가상각률 2%를 적용하였다. 또한 2007년을 기준연도로 하여 공사기간은 1년으로 계획하였다.
할인율은 신재생에너지 발전차액지원제도 개선 및 RPS 제도와 연계방안(2006)에서 제시한 7%가 타당하다고 판단하여 적용하였다.경제성분석시 할인율은 7%, 내용연수 45년, 감가상각율 2%로 적용하였고, 공사기간은 1년으로 설정하였다.
12이다. 구축된 기초데이터를 바탕으로 수로길이에 따른 발전소 모의운영, 그리고 경제성분석을 실시하였다. Fig.
즉, 하천에서의 소수력은 댐과 같이 규모가 큰 저수시설의 유무, 댐의 높이 및 유황의 불확실성에 따라서 적정 설계유량은 높아지거나 낮아질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 지형분석 자료와 일단위 유출량 자료를 이용하여 대상지점의 유황특성과 지형특성을 반영한 발전소 모의운영을 실시한 후, Fig. 1과 같이 현재 가치화 된 총비용과 총편익의 차인 순현가가 최대일 때의 유량을 설계유량으로 선택하였다.
경제성분석을 통하여 설계유량의 변화에 따른 경제적 타당성의 민감도를 확인하였고, 그 지표로서 순현가(NPV)를 이용하였다. 소수력 발전소의 시설물에 대한 규모 또한 순현가 비교를 통해 결정하였으며, 댐식 소수력인 Site A에서는 댐높이를 5, 10, 15, 20m로, 수로식 소수력인 Site B에서는 댐높이 5m를 기준으로 400, 600, 800, 1,000m 수로길이에 대하여 분석하였다.
이를 위해 본 연구에서는 국내 댐식 소수력 발전소에서의 댐 높이와 유효낙차와의 평균적인 비를 이용해 산정한 Eq. (2)에 의해 유효낙차를 산정하였다(한국수자원공사, 2007).
본 연구에서는 소수력 개발지점에서의 최적규모 결정을 위해 규모에 따른 편익 및 비용을 산정하고, 이들 간의 관계에 의해 경제성이 극대화되는 규모를 결정하고자 하였다. 지형 및 유황분석을 위해 Arcview와 SWAT 모형을 이용하였고, 일단위 발전소 모의운영에 의해 산정된 편익과 기존 소수력발전소의 비용자료를 검토하여 제시한 초기비용 함수식과의 관계에 의해 최대 순현가(NPV, Net Present Value)을 만족하는 최적규모를 결정하였다. 이러한 방법론의 적용을 위해 소수력 최적개발 활성화 방안 연구(한국수자원공사, 2007)에서 제시한 초강유역의 2개 지점을 대상으로 적용하였다.
대상 데이터
62㎢에 달한다. 대상지점은 소수력 최적개발 활성화 방안 연구(한국수자원 공사, 2007)의 내용을 참고하여 충북 영동군 심천면 용당리에 위치한 댐식(Site A), 충북 영동군 용산면 시금리에 위치한 수로식(Site B) 소수력 지점 1개씩을 선정하였다. Fig.
(3)과 같이 취수보의 높이에 의한 낙차와 수로길이에 따른 자연낙차를 구분하여 유효낙차를 계산하였다. 본 연구에서는 취수보 높이에 의한 낙차는 댐 높이의 1/2로 하였고, 수로길이에 따른 자연낙차에서는 미개척국(USBR, 1976)에서 제시한 총 수두의 10%가 손실되는 것으로 하였다.
본 연구의 사례연구를 위하여 금강에 위치한 초강유역을 선정하였다. 초강은 우리나라 5대강 유역의 하나인 금강의 제 1지류로서 경북 상주군 화서면의 계곡에서 발원하여 남쪽으로 흐르며, 충청북도 영동군 황간면에서 추풍령천과 고자천을 합류한 뒤 영동군 심천면을 지나 금강에 흘러든다.
지형 및 유황분석을 위해 Arcview와 SWAT 모형을 이용하였고, 일단위 발전소 모의운영에 의해 산정된 편익과 기존 소수력발전소의 비용자료를 검토하여 제시한 초기비용 함수식과의 관계에 의해 최대 순현가(NPV, Net Present Value)을 만족하는 최적규모를 결정하였다. 이러한 방법론의 적용을 위해 소수력 최적개발 활성화 방안 연구(한국수자원공사, 2007)에서 제시한 초강유역의 2개 지점을 대상으로 적용하였다.
(11)과 같이 수로식, 댐식에 모두 적용 가능한 초기비용 함수식(2007년 2월 기준)을 도출하였다. 함수식 추정을 위해 우리나라에서 과거 개발된 금강, 봉화를 비롯한 소수력발전소(10개소)의 자료와 현재 개발 중인 소수력발전소(3개소)의 설계내역서를 참고하였다(한국전력공사, 1993). 도출된 초기비용 함수식은 Fig.
이론/모형
경제성분석을 통하여 설계유량의 변화에 따른 경제적 타당성의 민감도를 확인하였고, 그 지표로서 순현가(NPV)를 이용하였다. 소수력 발전소의 시설물에 대한 규모 또한 순현가 비교를 통해 결정하였으며, 댐식 소수력인 Site A에서는 댐높이를 5, 10, 15, 20m로, 수로식 소수력인 Site B에서는 댐높이 5m를 기준으로 400, 600, 800, 1,000m 수로길이에 대하여 분석하였다.
국내 소수력과 관련한 장기유출분석 사례에는 심명필과 권오익(1994)이 평창강 수력지점에 대하여 Weibull 분포, NRECA, 가지야마, KRIHS 모형을 적용하여 비교, 검토하였고, 박완순 등(1997)의 연구에서는 Weibull 분포를 이용하여 유황을 분석하였다. 본 연구에서는 대상유역인 초강유역에서의 유량 실측자료가 존재하고, 다양한 수문성분 해석을 위한 기상자료 및 GIS 주제도를 이용할 수 있다는 점을 고려하여 최근 국내 외에서 많이 사용되고 있는 SWAT 모형을 이용하였다.
7과 같다. 지형분석과 유황분석시 GIS-tool인 Arcview와 SWAT 모형을 이용하였고, 구축된 기초데이터를 바탕으로 일단위 발전소 모의운영을 실시하였다. 발전소 모의운영시 본 연구에서는 발전효율을 85%, 터빈의 최대ㆍ최소유량을 설계유량의 115, 30%, 터빈은 1unit으로 가정하였다.
성능/효과
6%에 위치하는 것을 확인할 수 있었다. 경제성분석 결과 수로길이 1,000m에서 가장 높은 NPV를 나타내었고, 이 때의 B/C는 1보다 작아 경제성이 없는 것으로 나타났다. 이는 수로길이에 비해 상대적으로 낙차가 작고, 설계유량에 비해 하천유지유량 방류량이 상대적으로 크기 때문으로 판단된다.
10은 댐높이와 설계유량의 변화에 따른 경제적 타당성의 민감도를 나타내고, 이로 인해 최적 설계유량과 최적규모(수로길이)를 선택하였다. 그 결과 NPV와 B/C, IRR 모두 규모 15m에서 가장 좋은 결과를 보여주고 있는 반면, 규모 5m의 경우, 경제성 B/C가 1 이하로 나타나 경제성이 없는 것으로 나타났다. Table 3은 Site A에서 규모별 최적 설계유량에서의 경제성분석 결과를 보여주고 있다.
본 연구는 이러한 문제를 개선하고자 시ㆍ공간 자료를 적극 활용하였고, 시간에 따른 순차적인 발전소 모의운영을 실시하여 시간에 따른 순차적인 발전량을 산정할 수 있었다. 또한 경제성분석에 의한 최적규모를 결정하는 과정에서 사업규모별 경제성의 변화양상과 민감도를 분석함으로써 최적 설계유량 및 시설물의 최적규모를 확인할 수 있었다. 이와 같이 최적규모 분석에 의해 경제적 효율성을 최적화 하는 방법은 분석에 의한 결과 뿐만 아니라 분석과정에서 획득한 합리적인 정보를 의사결정자인 사업시행주체에게 제공하여 의사결정시 중요한 지원수단이 될 것으로 판단된다.
본 연구에서 댐식 소수력 대상지점인 Site A의 경우, 댐높이 15m에서 NPV가 9.6242억원, B/C가 1.15, IRR이 8.71%로 계산되어 최적규모로 결정되었다. 이때의 최적 설계유량은 14m3/sec로서 이 값은 유량지속곡선 상에서 시간초과백분율 19.
수로식 소수력 지점인 Site B의 경우, 설계유량 변화에 따른 NPV는 전 규모에서 비슷한 변화 양상을 보였고, 최적 설계유량은 하류에 위치한 Site A에 비해 낮은 8m/sec3로서 이 값은 유량지속곡선 상에서 시간초과백분율 25.6%에 위치하는 것을 확인할 수 있었다. 경제성분석 결과 수로길이 1,000m에서 가장 높은 NPV를 나타내었고, 이 때의 B/C는 1보다 작아 경제성이 없는 것으로 나타났다.
71%로 계산되어 최적규모로 결정되었다. 이때의 최적 설계유량은 14m3/sec로서 이 값은 유량지속곡선 상에서 시간초과백분율 19.8%에 위치하였고, 전 규모에서의 최적 설계유량은 20～30% 사이에 분포됨을 확인하였다.
후속연구
하천제방 및 다목적댐 건설을 비롯한 일반적인 수자원사업에 비해 소수력 개발은 투입 자본의 양은 적지만 전체 투입자본에 비해 설계비가 과다하다는 단점이 있다. 그러므로 본 연구에서 제시한 방법은 해당 지점에서의 최적규모 및 경제성을 사전에 개략적으로 확인하여 잠재 소수력 부존량을 확인하고, 사업시행주체의 의사결정 지원 측면에서 활용도가 높을 것으로 기대된다.
한편, 초기비용의 산정을 위해 추정한 함수식은 기초 자료의 양이 부족하기 때문에 향후 건설되는 소수력발전소의 자료를 이용하여 보완 내지 개선이 필요하다고 판단된다. 또한 직접편익 항목인 수력발전편익 뿐만 아니라 레크리에이션, 탄소배출권 획득과 같은 신규편익 추가방안에 대해서도 향후 연구가 필요하다고 판단된다.
한편, 초기비용의 산정을 위해 추정한 함수식은 기초 자료의 양이 부족하기 때문에 향후 건설되는 소수력발전소의 자료를 이용하여 보완 내지 개선이 필요하다고 판단된다. 또한 직접편익 항목인 수력발전편익 뿐만 아니라 레크리에이션, 탄소배출권 획득과 같은 신규편익 추가방안에 대해서도 향후 연구가 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신재생에너지에 대한 관심이 높아지는 이유는?
최근 화석연료의 고갈로 인한 에너지 시장의 불안정과 온실가스 감축 의무의 본격화로 인해 차세대 에너지의 대안으로서 소수력을 비롯한 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 국제적으로 소수력(Small HydroPower, SHP)에 대한 통일된 정의는 없지만 우리나라의 경우, 「대체에너지개발 및 이용보급촉진법시행규칙」(2003.
일반하천에서의 소수력 개발 계획 구분은?
일반하천에서의 소수력 개발 계획은 크게 입지분석(location analysis)과 적지분석(site suitability analysis)으로 구분할 수 있는데, 본 연구는 하천유역에서의 소수력 개발을 위한 적지분석 과정에서 개발 최적규모를 결정하는 방안 도출을 목적으로 한다. 최적규모의 결정은 지형분석, 유황분석, 발전소 모의운영, 경제성분석의 단계로 이루어지는데, 지형분석과 유황분석은 발전소 모의운영을 위한 기초 데이터 구축 과정에 해당된다.
소수력 개발을 위한 지형분석과 유황분석 항목에 포함되는 것은?
전체 분석과정에서 가장 먼저 선행되어야 하는 기초데이터 구축 과정으로 지형분석과 유황분석이 필요하다. 특히 소수력 개발과 관련한 지형분석의 항목에는 수량 및 수두 확보를 위해 설치하는 댐 시설물의 규모(높이) 별 저수용량(storage volume) 산정, 그리고 수로식의 경우 자연낙차의 산정이 포함된다. 댐식의 경우 충분한 유황이 확보되는 지점에서는 동일 규모에서 저수용량이 클수록 경제성이 좋은 반면에, 수몰면적이 증가되어 보상비가 증대된다는 단점이 있다.
참고문헌 (19)
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Lopes de Almeida, J.P.P.G., Henri Lejeune, A.G., Sa Marques, J.A.A., Concecao Cunha, M. (2006). 'OPAH a model for optimal design of multipurpose small hydropower plants.' Advances in Engineering Software, Vol. 37, pp. 236-247
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