Blue Water Footprint of Hydropower Generation under Arid and Semi-Arid Climatic Conditions

기술 요약: 건조 및 반건조 기후 조건 하에서의 수력 발전의 청색 물 발자국(Blue Water Footprint)

문제 제기
담수 자원은 인구 성장, 경제 확장, 그리고 기후 변화로 인해 점점 더 제약을 받고 있으며, 이는 이란과 같은 건조 및 반건조 지역에서 특히 심각한 상황이다. 수력 발전은 중요한 재생 에너지원이지만, 대형 저수지에 대한 의존도는 표면 증발을 통한 상당한 "숨겨진 물 비용"을 발생시킨다. 고온 건조한 기후에서 이러한 증발 손실은 다른 부문의 가용 수자원을 급격히 감소시키고 수력 발전의 지속 가능성을 저해할 수 있다. 물-에너지 넥서스(water-energy nexus)의 중요성에도 불구하고, 이란의 수력 발전과 관련된 청색 물 발자국(BWF)—즉, 유역으로 환원되지 않고 소비되는 지표수 및 지하수의 양—에 대한 포괄적이고 정량적인 평가 연구는 부족한 실정이다. 기존 연구들은 상세한 지역 데이터를 결-여하거나, 저수지의 다목적 성격 및 증발률에 미치는 기후 변동성의 영향을 충분히 고려하지 못하는 경우가 많다.

연구 방법론
본 연구는 2004년부터 2021년까지 이란 내 25개 운영 수력 발전소의 BWF를 정량화하기 위해 기술적-분석적 접근 방식을 채택하였다. 연구 대상은 73개의 활성 발전소였으며, 이 중 일관된 운영 데이터 가용성을 기준으로 25개를 목적 표집하였다.

• 데이터 출처: 연간 전력 생산량(테라줄, TJ)과 저수지 증발량(세제곱미터, m³)은 공식 국가 에너지 수지표, 이란 수자원 관리 공사의 보고서, 그리고 수력 발전 관리 센터의 데이터를 통해 추출되었다.
• 물 발자국 계산: 총 물 발자국($WF_{e,Total}$)은 건설 단계($WF_{e,c}$)와 운영 단계($WF_{e,o}$)의 합계로 계산되었다. 각 댐에 대한 구체적인 건설 데이터가 부족하여, 건설 단계에는 (Golabi 등, 2019에 근거한) 0.3 m³/TJ의 대리 값을 적용하였다. 운영 단계의 발자국은 연간 증발량($E_o$)을 연간 전력 생산량($P$)으로 나누어 도출하였다.
• 증발량 배분: 많은 저수지가 다목적(예: 관개, 홍수 조절, 생활 용수 공급)으로 활용된다는 점을 인식하여, 본 연구는 증발량의 100%를 수력 발전에 귀속시키는 것을 피하였다. 대신, Scherer와 Pfister(2016)가 제안한 배분 방식을 활용하였다. 배분 계수($f_A$)는 저수지의 목적 중 수력 발전의 우선순위 순위($n$)를 기반으로 결정되었다. 만약 수력 발전이 $r$ 순위라면, 증발 손실을 비례적으로 배분하도록 계수를 산출하였다.
• 민감도 분석: 배분 가정의 불확실성을 다루기 위해, 본 연구의 기본 순위 기반 배분, 모든 목적에 대한 균등 배분($f_A = 1/n$), 그리고 수력 발전에 대한 전량 배분($f_A = 1.0$)의 세 가지 시나리오를 비교하는 민감도 분석을 수행하였다.
• 통계 분석: 데이터의 정규성은 Kolmogorov–Smirnov 검정을 통해 평가되었으며, 분석은 SPSS 버전 23과 Excel을 사용하여 수행되었다.

주요 결과
본 연구는 25개 발전소 간의 청색 물 발자국에서 상당한 이질성을 발견하였으며, 이는 발전소 규모, 저수지 형태 및 지역 기후의 영향을 크게 받았다.

• 발전 규모별 변동: 대규모 발전소가 항상 더 효율적일 것이라는 가정과 달리, 결과에 따르면 소규모 수력 발전소(<10 MW)가 생산 단위 에너지당 가장 높은 BWF를 나타냈다.
  • 최고 BWF: 소규모 발전소인 Golab 발전소는 283,852.15 m³/TJ로 가장 높은 발자국을 기록했다.
  • 최저 BWF: 야수지(Yasuj)의 Shah Qasim 발전소(소규모)는 323.22 m³/TJ로 가장 낮았다.
  • 대규모 발전소: 대규모 발전소(>100 MW) 중에서는 Karkheh가 가장 높은 발자국(15,599.34 m³/TJ)을, Karoon-3가 가장 낮은 발자국(412.84 m³/TJ)을 기록했다.
• 시계열적 추세: 연간 BWF는 2004년부터 2021년 사이 상당한 변동을 보였다. 정점은 이란의 최근 역사상 가장 건조했던 해 중 하나인 **2021년(11,136.44 m³/TJ)**에 나타났으며, 이 시기는 강수량이 장기 평균보다 40~50% 낮고 기온이 높았던 특징을 보인다. 가장 낮은 연간 발자국은 2008년(3,690.31 m³/TJ)에 기록되었다.
• 기후적 동인: 고온 건조 지역의 발전소들은 실질적으로 더 높은 수분 손실률을 보였다. 본 연구는 높은 온도, 가뭄 조건, 낮은 습도가 증발을 직접적으로 심화시켜 BWF를 증가시킨다는 점을 확인하였다.
• 민감도 분석 결과: 배분 가정에 따라 BWF의 절대적 크기는 크게 달라졌으나(예: Golab의 BWF는 기본 방식의 ~283,000 m³/TJ에서 전량 배분 시 ~1.77 million m³/TJ까지 변동), 발전소의 상대적 순위는 일관되게 유지되었다. 이는 배분 불확실성에도 불구하고 특정 발전소의 높은 물 집약도에 관한 본 연구의 주요 결론이 견고함을 시사한다.

의의 및 주장
본 논문은 수력 발전의 물 사용을 기후 변동성과 연결하는 새로운 프레임워크를 제공함으로써, 건조 환경에서의 에너지-물 상호작용의 지속 가능성에 대한 비판적 관점을 제시한다고 주장한다.

• 수력 발전 지속 가능성의 재평가: 본 연구의 결과는 수력 발전이 보편적으로 지속 가능한 에너지원이라는 전통적인 인식에 도전한다. 이란과 같은 물 부족 지역에서는 대형 저수지로부터 발생하는 높은 증발률이 수자원 관리 관점에서 이러한 프로젝트를 환경적으로 정당화하기 어렵게 만들 수 있다.
• 방법론적 기여: 본 연구는 물 발자국 평가에 배분 계수와 기후 변동성을 통합하는 것의 필요성을 입증한다. 이는 저수지의 다목적 성격을 간과하거나 지역적 기후 조건을 무시하는 것이 부정확한 지속 가능성 평가로 이어진다는 점을 강조한다.
• 정책적 시사점: 저자들은 향-후 이란의 수력 발전 계획이 지역적으로 차별화된 접근 방식을 채택해야 한다고 주장한다. 이들은 증발을 최소화하기 위해 표면적 대비 부피 비율이 낮은 유수로식(run-of-river) 시스템이나 소규모 저수지를 우선시할 것을 제안한다. 또한, 본 연구는 기후 변화에 대한 회복력을 높이기 위해 국가 에너지 계획에 물 발자국 분석을 통합하고 통합적 물-에너지 관리 전략을 채택할 것을 권고한다.
• 글로벌 맥락: 보고된 BWF 값은 온대 지역보다 일반적으로 높지만, 다른 건조 지역(예: 스페인 남부, 남아프리카 공화국)의 연구 결과와 일치하며, 이는 지역 기후가 수력 발전 시스템의 물 발자국 크기를 결정하는 주요 결정 요인이라는 결론을 뒷받침한다.

본 연구는 수력이 여전히 핵심 에너지원임에도 불구하고, 건조 지역에서의 지속 가능성은 개선된 저수지 관리, 기후 적응형 설계, 그리고 재생 에너지 포트폴리오의 다각화를 통해 증발 손실을 인정하고 완화하는 데 달려 있다고 결론짓는다.