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수력 발전이 어떻게 물 에너지를 전기로 변환하는지, 장점과 단점을 이해합니다.

이미지: IHA(International Hydropower Association)의 파라과이/브라질 이타이푸 댐은 CC BY 2.0에 따라 라이선스가 부여되었습니다.

수력(수력) 에너지란 무엇입니까?

수력 발전은 수역의 흐름에 포함된 운동 에너지를 사용하는 것입니다. 운동 에너지는 수력 발전소 시스템을 구성하는 터빈 블레이드의 회전을 촉진하고 나중에 시스템의 발전기에 의해 전기 에너지로 변환됩니다.

수력 발전소(또는 수력 발전소)란 무엇입니까?

수력 발전소는 강의 수력 잠재력을 사용하여 전기를 생산하는 데 사용되는 일련의 작업 및 장비입니다. 수력 포텐셜은 수력 흐름과 강의 흐름을 따라 존재하는 요철의 농도에 의해 주어집니다. 틈은 자연적(폭포)이거나 댐의 형태로 건설되거나 자연 바닥에서 저수지의 형성으로 강의 전환을 통해 만들어질 수 있습니다. 저수지에는 축적 저수지와 유수 저수지의 두 가지 유형이 있습니다. 축적은 일반적으로 높은 폭포가 있고 많은 양의 물이 축적 된 큰 저수지로 구성된 강의 상류에 형성됩니다. 강 유역 저수지는 강물의 속도를 이용하여 전기를 생성하므로 물 축적이 최소화되거나 전혀 발생하지 않습니다.

식물은 차례로 폭포 높이, 유량, 설치 용량 또는 전력, 시스템에 사용되는 터빈 유형, 댐 및 저수지와 같은 요소에 따라 분류됩니다. 건설 현장은 낙상 높이와 흐름을 제공하며 이 두 가지 요소가 수력 발전소의 용량 또는 설치 전력을 결정합니다. 설치된 용량은 터빈, 댐 및 저수지의 유형을 결정합니다.

National Electric Energy Agency(Aneel)의 보고서에 따르면 소규모 수력 발전소에 대한 국립 참조 센터(Cerpch, Itajuba – Unifei 연방 대학)는 폭포 높이를 낮음(최대 15미터), 중간으로 정의합니다. (15 ~ 150미터) 및 높이(150미터 이상). 그러나 이러한 조치는 합의된 것이 아닙니다. 발전소의 크기는 또한 생성된 전기를 소비자에게 전달할 배전망의 크기를 결정합니다. 식물이 클수록 도심에서 멀어지는 경향이 커집니다. 이를 위해서는 종종 주를 가로질러 에너지 손실을 일으키는 대형 전송 라인을 건설해야 합니다.

수력 발전소는 어떻게 작동합니까?

수력 발전 에너지 생산을 위해서는 강의 흐름, 지형의 고르지 않음(자연적이든 아니든) 및 사용 가능한 물의 양을 통합하는 것이 필요합니다.

수력 발전소의 시스템은 다음으로 구성됩니다.

댐

댐의 목적은 강의 자연 순환을 방해하여 저수지를 만드는 것입니다. 저수지는 물을 저장하는 것 외에도 수극을 만들고, 에너지 생산을 위해 적절한 양으로 물을 모으고, 비와 가뭄 기간에 강의 흐름을 조절하는 것과 같은 다른 기능을 가지고 있습니다.

집수(가수) 시스템

발전소로 물을 운반하는 터널, 수로 및 금속 도관으로 구성됩니다.

발전소

시스템의 이 부분에는 발전기에 연결된 터빈이 있습니다. 터빈 운동은 물 운동의 운동 에너지를 발전기를 통해 전기 에너지로 변환합니다.

펠튼, 카플란, 프란시스 및 전구와 같은 여러 유형의 터빈이 있습니다. 각 수력 발전소에 가장 적합한 터빈은 수두와 흐름에 따라 다릅니다. 예: 전구는 저수지의 존재를 필요로 하지 않고 낮은 폭포와 높은 흐름을 나타내기 때문에 강 유역 식물에서 사용됩니다.

탈출 채널

터빈을 통과한 물은 테일레이스를 통해 자연 하천 바닥으로 되돌아갑니다.

탈출 채널은 발전소와 강 사이에 위치하며 그 크기는 발전소와 강의 크기에 따라 다릅니다.

방수로

배수로는 저수지의 수위가 권장 한도를 초과할 때마다 물이 유출될 수 있습니다. 이것은 일반적으로 비가 오는 기간에 발생합니다.

수위가 이상적인 수위보다 높아 전기 생산이 중단되면 방수로가 열립니다. 또는 매우 비가 오는 기간에 발생할 가능성이 있는 범람 및 결과적으로 식물 주변의 범람을 방지하기 위해.

수력발전소 시행으로 인한 사회·환경적 영향

최초의 수력 발전소는 석탄이 주요 연료이고 석유가 아직 널리 사용되지 않았던 19세기 후반 미국과 캐나다 사이의 나이아가라 폭포에 건설되었습니다. 이전에는 수력 에너지가 기계적 에너지로만 사용되었습니다.

Aneel 보고서는 수력 발전이 재생 가능한 에너지원임에도 불구하고 세계 전기 매트릭스에 대한 참여가 적고 점점 더 작아지고 있다고 지적합니다. 증가하는 무관심은 이러한 규모의 프로젝트 실행에서 발생하는 부정적인 외부 효과의 결과일 것입니다.

대규모 수력 발전 프로젝트 시행의 부정적인 영향은 발전소가 시행될 지역 또는 주변 지역에 거주하는 인구의 생활 방식의 변화입니다. 이러한 공동체는 종종 전통적인 인구(원주민, 퀼롬볼라, 아마존 강변 공동체 및 기타)로 식별되는 인간 집단임을 강조하는 것도 중요합니다. 문화 질서의 영역과 함께.

수력발전은 깨끗한가?

화석 연료를 태우는 것과 관련이 없기 때문에 많은 사람들이 "청정" 에너지원으로 간주하고 있음에도 불구하고 수력 발전은 잠재적으로 지구 온난화를 일으킬 수 있는 두 가지 가스인 이산화탄소와 메탄의 배출에 기여합니다.

이산화탄소(CO2)의 배출은 저수지의 수위 위에 남아 있는 나무의 분해로 인한 것이며, 메탄(CH4)의 방출은 저수지 바닥에 존재하는 유기물의 분해를 통해 발생합니다. 수주가 증가함에 따라 메탄(CH4)의 농도도 증가합니다. 물이 발전소의 터빈에 부딪히면 압력 차이로 인해 메탄이 대기 중으로 방출됩니다. 메탄은 또한 식물의 배수로를 통해 물의 경로로 방출되는데, 압력과 온도의 변화에 ​​더하여 물이 물방울로 분무될 때입니다.

CO2는 물 위의 죽은 나무가 부패하면서 방출됩니다. 메탄과 달리 방출된 CO2의 일부만 영향을 미치는 것으로 간주됩니다. CO2의 상당 부분이 저장소에서 발생하는 흡수를 통해 취소되기 때문입니다. 메탄은 광합성 과정에 포함되지 않기 때문에(천천히 이산화탄소로 전환될 수 있지만) 이 경우 온실 효과에 더 큰 영향을 미치는 것으로 간주됩니다.

Balcar 프로젝트(수력 발전소 저수지의 온실 가스 배출)는 이산화탄소와 메탄의 배출을 통한 온실 효과 강화에 대한 인공 저수지의 기여도를 조사하기 위해 만들어졌습니다. 프로젝트의 첫 번째 연구는 1990년대에 Amazon 지역의 저수지인 Balbina, Tucuruí 및 Samuel에서 수행되었습니다. 아마존 지역은 방대한 식생으로 특징지어지며, 따라서 유기물 분해에 의한 가스 배출 가능성이 더 크기 때문에 연구에 초점을 맞췄습니다. 나중에 1990년대 후반에 이 프로젝트에는 Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo 및 Barra Bonita도 포함되었습니다.

Amazon Research Institute의 Dr. Philip M. Fearnside가 1990년 투쿠루이 공장의 가스 배출량에 관해 발표한 기사에 따르면, 그 해 공장의 온실 가스 배출량(CO2 및 CH4)은 700만에서 1000만 톤 사이였습니다. . 저자는 같은 해에 화석 연료에서 5,300만 톤의 CO2를 배출한 상파울루 시와 비교합니다. 즉, Tucuruí만이 상파울루시 온실가스 배출량의 13~18%에 해당하는 배출량을 책임지게 됩니다. 이는 오랫동안 "무배출"로 간주되는 에너지원으로서 상당한 가치입니다. . 시간이 지남에 따라 유기물은 완전히 분해되어 더 이상 이러한 가스를 방출하지 않을 것이라고 믿어졌습니다. 그러나 Balcar 그룹의 연구에 따르면 가스 생산 공정은 강과 비에 의해 유입된 새로운 유기 물질의 도착을 통해 공급됩니다.

동식물 종의 손실

특히 생물다양성이 높은 아마존 지역에서는 저수지가 형성되는 곳에서 식물상 유기체의 필연적인 죽음이 있습니다. 동물의 경우 생물체를 제거하기 위해 세심한 계획을 세운다고 해도 생태계를 구성하는 모든 생물체를 살릴 수 있다고 보장할 수는 없습니다. 또한, 댐은 주변 서식지에 변화를 가져옵니다.

토양 손실

침수된 지역의 토양은 필연적으로 다른 목적으로 사용할 수 없게 됩니다. 이것은 특히 Amazon 지역과 같이 주로 평평한 지역에서 핵심적인 문제가 됩니다. 식물의 위력은 하천의 흐름과 지형의 요철의 관계에 의해 주어지기 때문에 지형의 요철이 낮을수록 더 많은 양의 물을 저장해야 하며, 이는 넓은 저수지 면적을 의미한다.

강의 수리학적 기하학의 변화

강은 배출, 평균 유속, 퇴적물 부하 및 바닥 형태 사이에 동적 균형을 갖는 경향이 있습니다. 저수지의 건설은 이러한 균형에 영향을 미치고 결과적으로 저수지 부지뿐만 아니라 주변 지역과 저수지 아래의 지반에서 수문 및 퇴적 질서의 변화를 일으킵니다.

명목 용량 x 실제 생산 수량

또 하나 제기해야 할 문제는 공칭 설치용량과 발전소에서 생산되는 실제 전력량 사이에 차이가 있다는 점이다. 생산되는 에너지의 양은 강의 흐름에 따라 다릅니다.

따라서 Uatumã 강에 설치된 Balbina 수력 발전소의 경우와 같이 강의 흐름이 제공할 수 있는 것보다 더 많은 에너지를 생산할 수 있는 잠재력이 있는 시스템을 설치하는 것은 쓸모가 없습니다.

식물의 확고한 힘

고려해야 할 또 다른 중요한 점은 발전소의 확고한 전력 개념입니다. Aneel에 따르면 플랜트의 확고한 전력은 플랜트가 설치된 강의 역사적 흐름에 기록된 가장 건조한 시퀀스를 기반으로 얻을 수 있는 최대 연속 에너지 생산입니다. 이 문제는 점점 더 빈번하고 심각한 가뭄 기간에 직면하여 점점 더 중심이 되는 경향이 있습니다.

브라질의 수력 발전

브라질은 세계에서 가장 큰 수력 발전 잠재력을 가진 국가입니다. 따라서 그 중 70%가 Amazon 및 Tocantins/Araguaia 분지에 집중되어 있습니다. 건설된 최초의 대규모 브라질 수력 발전소는 1949년 바이아의 Paulo Afonso I로 180MW에 해당하는 전력을 사용했습니다. 현재 Paulo Afonso I은 총 4개의 발전소로 구성된 Paulo Afonso 수력 발전 단지의 일부입니다.

발빈

Balbina 수력 발전소는 Amazonas의 Uatumã 강에 건설되었습니다. Balbina는 마나우스의 에너지 수요를 공급하기 위해 건설되었습니다. 예측은 각각 50MW의 전력으로 5개의 발전기를 통해 250MW의 용량을 설치하는 것이었습니다. 그러나 Uatumã 강의 흐름은 약 112.2MW의 훨씬 낮은 평균 연간 에너지 생산을 제공하며 그 중 64MW만이 확고한 전력으로 간주될 수 있습니다. 발전소에서 소비자 센터로 전력을 전송하는 동안 약 2.5%의 손실이 있음을 고려하면 109.4MW(고정 전력의 경우 62.4MW)에 불과합니다. 250MW의 공칭 용량보다 훨씬 낮은 값입니다.

이타이푸

Itaipu 수력 발전소는 설치 용량이 14,000MW로 세계에서 두 번째로 큰 발전소로 간주되며 18,200MW로 중국의 Três Gorges에 이어 두 번째입니다. 파라나 강에 건설되고 브라질과 파라과이의 국경에 위치한 이 식물은 양국에 속하기 때문에 이국적 식물입니다. 브라질에 공급하는 이타이푸에서 생산되는 에너지는 브라질 전체 전력(7,000MW)의 절반에 해당하며, 이는 브라질에서 소비되는 에너지의 16.8%에 해당하고, 나머지 절반은 파라과이에서 사용하며 파라과이의 75%에 해당한다. 에너지 소비.

투쿠루이

Tucuruí 발전소는 Pará의 Tocantins 강에 건설되었으며 설치 용량은 8,370MW에 해당합니다.

벨로 몬테

파라 남서쪽 알타미라 자치제에 위치한 벨로 몬테 수력발전소는 싱구 강에 건설됐다. 이 발전소는 100% 국내 최대 규모이자 세계에서 세 번째로 큰 수력발전소입니다. 11,233.1 메가와트(MW)의 설치 용량. 이는 17개 주에서 6천만 명이 사용할 수 있는 충분한 부하를 의미하며 이는 전국 주거 소비량의 약 40%를 차지합니다. , Tucuruí 식물을 대신하여 가장 큰 100% 국유 식물입니다. Belo Monte는 또한 각각 Três Gargantas와 Itaipu에 이어 세계에서 세 번째로 큰 수력 발전소입니다.

Belo Monte 발전소 건설을 둘러싼 많은 문제가 있습니다. 환경부에 따르면 11,000MW의 설비용량에도 불구하고 발전소의 고정전력은 전체 전력의 40%에 해당하는 4,500MW에 달한다. 아마존 지역에 건설된 벨로몬트는 고농도의 메탄과 이산화탄소를 배출할 가능성이 있다. 이 모든 것은 전통적인 인구의 삶에 대한 큰 영향과 동식물에 대한 큰 영향을 제외하고 있습니다. 또 다른 요인은 건설이 인구가 아닌 대부분 기업에 혜택을 준다는 것입니다. 전력의 약 80%가 중남부 지역의 회사에 공급됩니다.

적용 가능성

언급된 부정적인 사회적, 환경적 영향에도 불구하고 수력 발전 에너지는 화석 연료와 같은 재생 불가능한 에너지원에 비해 장점이 있습니다. 메탄과 이산화황의 배출에 기여함에도 불구하고 수력 발전소는 화력 발전소에서 내뿜는 것과 같은 다른 유형의 유독 가스를 방출하거나 방출하지 않으며 환경과 인간의 건강에 매우 해롭습니다.

그러나 수력 발전소에 의한 영향에 비해 환경 영향이 적은 태양 및 풍력과 같은 다른 재생 가능 에너지 원에 비해 수력 발전소의 단점이 더 분명합니다. 문제는 여전히 새로운 기술의 생존 가능성입니다. 수력 발전 에너지 생산과 관련된 영향을 줄이기 위한 대안은 대규모 저수지 건설이 필요하지 않은 소규모 수력 발전소 건설입니다.

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또한 댐의 수명은 약 30년으로 장기적인 생존 가능성에 의문을 제기합니다.

Michigan State University에서 수행한 "21세기 지속 가능한 수력 발전" 연구는 대규모 수력 발전 댐이 기후 변화에 직면하여 훨씬 덜 지속 가능한 에너지원이 될 수 있다는 사실에 주의를 환기시킵니다.

경제적, 기반 시설 비용뿐만 아니라 사회적, 환경적, 문화적 비용까지 수력 발전의 진정한 비용을 고려해야 합니다.