인공저수지 온실가스 배출에 대한 평가
2020-06-05
org.kosen.entty.User@57230e26
김영일(a337yi)
1. 개요
수력발전의 계속된 개발은 온실가스 저감 노력과 관련하여 중요한 논쟁거리로 떠올랐다. 수력발전을 위해서는 댐을 건설 후 넓은 지역을 수몰 시켜 인공저수지를 만들어야만 한다. 이러한 일련의 과정은 육상생태계를 호소생태계로 바뀌는 토지피복 변화를 야기하게 되어, 이에 대한 결과로 온실가스의 배출이 일어날 수 있게 된다. 온실가스 가운데, 특히 수력발전 인공저수지(이후 인공저수지로 명명)에서의 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)의 배출량이 무시할 만한 적은 수준이 아니란 것이 그동안의 연구에서 밝혀졌다. 인공저수지에서의 온실가스 배출과 관련한 생지화학 과정은 다소 복잡하고, 시공간에 따른 배출량의 변이가 큰 편이라 특정 국가 혹은 지역에서의 배출 경향을 인공저수지의 배출로 일반화하기 힘들다[1]. 그러므로, 인공저수지에서 온실가스 배출이 일어나는 원인, 배출과 관련한 생태계 내에서의 과정, 배출의 시공간 변이에 대한 특징 등에 대한 정확한 이해가 필요할 것이다.
이 보고서에서는 인공저수지에서 배출되는 온실가스 가운데 대부분을 차지하는 탄소 가스와 관련한 내용을 다룰 예정이다. 인공저수지에서의 온실가스 배출에 대한 이해와 배출량에 대한 평가를 위해서는 호소생태계 탄소 순환, 수력발전 시 환경 영향에 대한 이해가 필요할 것이다. 이와 같은 이유에서 이 보고서에서는 1) 호소생태계에서의 탄소 순환, 2) 인공저수지 건설이 환경이 미치는 영향, 3) 인공저수지 탄소 순환의 특징, 4) 수력발전과 온실가스 배출, 이상 네 가지 부분에 대해 본문에서 정리할 예정이다.
2. 주요 내용
2.1. 호소생태계의 탄소 순환
일반적으로 호수와 저수지를 담수 호소생태계로 정의한다. 저수지는 인공 혹은 자연적인 구조물에 물길이 막혀 호수와 같이 물이 고이게 되어 생기게 되는데, 저수지의 생성과 더불어 생태계 내에 급격한 생지화학적 변화가 생기게 된다[2]. 호소생태계는 종속 영양 생물의 활동(Heterotrophic)이 주를 이루기 때문에 물 표면에서 대기 중으로 탄소 배출이 이루어진다. 호소생태계 내 탄소의 흡수 및 배출의 균형은 물 내 서식하는 식물과 플랑크톤의 총식물생산성(Gross primary production, GPP)과 물 내 서식하는 미생물, 식물, 플랑크톤의 호흡과 호소 바닥 침전물의 분해, 광산화 현상에 의한 탄소 배출량의 차이에 의해 결정된다. 이 중 호수 내 생물학적 활동은 호소생태계, 대기간 탄소 교환에 가장 중요한 역할을 담당한다. 또한, 토양 침식에 의해 주위 육상생태계에서 호수 내로 많은 양의 탄소 유입이 이루어지는 경우, 호소생태계의 탄소 순환에 큰 변화가 생길 수 있다[3].
호소생태계 총식물생산성 가운데 자가 호흡량을 뺀 약 30~60%는 순식물생산성(Net primary production, NPP)으로써 생태계 내에 축적된다. 총식물생산성 양은 물 내 존재하는 질소, 인 등의 영양분이 많을수록 증가한다. 특히 인은 호소의 식물생산성과 강한 양의 상관관계를 맺고 있는 것으로 나타났다. 침전물과 물 내에서 존재하는 미생물의 호흡이 호소생태계의 이산화탄소와 메탄 배출의 주원인이 된다. 이 중, 메탄의 배출은 무산소 환경의 침전물에서 이루어지는 미생물 활동에 의한 것이다. 고온 환경과 외부 육상생태계에서의 다량의 유기물 유입이 이루어질 경우, 미생물 활성이 증가하여 대기 밖으로 배출되는 탄소의 양이 많아진다[4].
2.2. 인공저수지 건설이 환경에 미치는 영향
지금까지 전 지구의 약 0.4%에 해당하는 육상 지역(60만 km2)이 수력발전을 위해 침수된 것으로 알려졌다[5]. 침수된 지역인 인공저수지는 물이 유입되는 유입 지역과 추력발전용 터빈을 돌리고 흘러나가는 유출 지역을 포함한다. 전 세계적으로 침수 후 인공저수지가 들어서면서 지금까지 약 4~8천만 명의 난민이 발생되었단 보고가 있다[1]. 이와 같은 댐 건설, 침수 등의 일련의 과정을 거치게 되면서 육상생태계에서 호소생태계로 바뀌는 토지피복 변화가 생기게 된다. 수문 상의 변화로 야기되는 토지피복 변화는 이전 나타나지 않았던 생물학적, 물지적 변화를 동반하게 된다. 이들 변화의 대표적인 예로는 생물 서식처의 차단 및 기존 생물 종의 소멸, 식물생산성과 영양염류 순환 변화, 메틸수은에 의한 수중 먹이 그물 오염, 물 표면으로 배출되는 온실가스 증가를 들 수 있다.
침수가 발생하는 과정에서 토양의 유실, 강 유역의 변화가 발생한다. 유실된 토양은 인공저수지 바닥의 침전물로 쌓여 수심을 변화시키므로 저수 용량을 감소 시켜 수력 발전량에 영향을 줄 수 있다[1]. 침전물은 온실가스 배출에도 영향을 주게 되어, 인공저수지에서 발생하는 온실가스양은 전 지구의 인위적 활동에 의한 온실가스양의 약 7%에 해당할 것이란 추정도 있다[6]. 인공저수지에서의 온실가스 배출 강도는 지리학적 위치에 따른 기후와 지형에 따라 다르게 나타난다고 알려져 있다. 예를 들어 열대 기후대에 위치해 있는 인공저수지에서의 온실가스 배출량은 온대 기후대나 아한대 기후대에 속한 지역의 경우보다 많다.
2.3. 인공저수지의 탄소 순환 특징
인공저수지에서 탄소 배출이 이루어지는 이유를 아래 세 가지로 설명할 수 있다. 첫째, 침수 전 육상에서 식생에 의해 흡수되는 탄소의 양이 사라지게 된다. 둘째, 인공저수지 내 침전물로 쌓이게 되는 유기 토양과 침수되어 죽게 되는 식물 생물량의 미생물 분해가 쉽게 일어난다. 미생물 분해를 통해 이산화탄소나 메탄 배출이 이루어진다. 셋째, 인공저수지 상류와 주변 육상생태계에서 지속해서 유기 탄소의 유입이 이루어지게 되고, 이것으로 인해 미생물 분해가 촉진된다. 사실 침수가 이루어진 이후에는 유기물 분해의 속도(분해율)가 작아지는 것이 분명하나[7], 분해 가능한 다량의 유기물들이 존재하는 인공저수지의 조건으로 인해 침수 후 탄소 배출량은 증가할 수 있게 된다. 또한, 깊은 수심 아래 존재하는 침전물은 무산소 환경에 놓이게 되어, 혐기성 미생물의 활동으로 인해 메탄 배출이 이루어질 수 있다. 인공저수지 바닥에서 생성된 메탄의 일부분은 수면 위로 이동하면서 산성화되어 이산화탄소로 바뀌게 되기도 한다[8].
현장 측정을 통해 연구한 결과는 인공저수지에서의 탄소 배출의 주요 특징으로 침수 후 시간에 따른 배출 강도의 변화와 생태계형, 유기물 밀도, 수심에 따른 배출의 공간적 변이를 보여준다. 완성된 지 오래지 않은 인공저수지의 경우, 영양분을 다량으로 포함한 유기물이 인공저수지 물과 침전물 내에 존재하기 때문에 높은 탄소 배출이 이루어질 수 있다. 그러나 십수년 이상의 시간이 흘러 인공저수지의 나이가 들게 되면, 유기물 함량이 급속도록 줄게 된다. 이에 따라 탄소 배출의 강도는 줄어들어 자연 호수에서의 탄소 배출과 비슷한 경향을 띠게 된다[9].
열대 혹인 아한대 인공저수지에서 침수된 육상생태계가 이탄습지와 같이 다량의 유기물을 포함한 토양을 가지고 있으면, 이들 토양 유기물의 분해로 인해 더 많은 탄소 배출이 이루어질수 있다. 수심의 차이에 따른 수온, 용존산소량의 차이가 발생하기에 인공저수지에서의 탄소 배출 차이가 일어날 수 있다. 캐나다 퀘벡주에서 측정한 결과에 따르면, 수심 5m 이하의 얕은 곳의 이산화탄소 배출량은 일일 1.5 g C m-2로 10m 이상의 깊은 곳의 배출량(일일 0.92 g C m-2) 에 비해 높게 나타났다[10]. 얕은 수심의 침전물층 온도는 깊은 수심의 것보다 높기 때문에 미생물 분해와 이산화탄소 배출이 더 활발히 일어날 수 있을 것이다.
인공저수지에서의 생지화학 순환과 탄소 배출에 대한 보다 상세한 연구를 위해 1991년 캐나다 온타리오주의 산림, 습지 지역 17 ha의 면적을 침수시킨 실험을 진행하였다. 실험지는 약 1 m의 얕은 수심을 유지시켰고, 이산화탄소, 메탄 배출이 침수 이 후 크게 증가되었음이 측정을 통해 확인되었다[11]. 또한 침수 전후의 용존유기탄소에 대한 측정 자료를 통해 인위적인 침수 처리는 저수지 내 용존유기탄소 농도를 증가시킴이 확인되었다. 이밖에 실험실에서의 연구를 통해 침수 환경이 토양 및 식물유기물의 분해 속도와 탄소 배출량에 미치는 영향에 대해 알 수 있었다. 침수 토양이 침수되지 않은 토양보다 더 많은 이산화탄소와 메탄을 생산하였다. 특히 침수 조건에서의 탄소 배출량은 온도, 산소 농도, 토양과 식물의 유기물 함량 등과 유의미한 관계를 맺고 있음이 밝혀졌다[12].
2.4. 수력발전과 온실가스 배출
수력발전은 인류가 개발한 전기 생산 방법 가운데 화석 연료를 사용하지 않는 청정한 에너지원으로 알려져 있다. 현재 전 지구 전기 생산의 약 22%를 수력발전이 담당하고 있다. 캐나다의 경우, 수력발전에 의한 전기 생산은 총 전기 생산량의 70%에 이르는 것으로 알려져 있으나, 우리나라는 총 전기 생산량의 2%에 해당하는 작은 비율을 가지고 있다. 전기 발전 시 온실 가스 배출량은 MWh (Megawatt hour) 또는 KWh (Kilowatt hour)당 배출로 측정되는데, 수력발전 시 온실가스 배출량은 화석연료를 사용하여 발전하는 화력발전에 비해 25배 이상 적은 온실가스 배출이 이루어 지는 것으로 평가되었다[13]. 낮은 온실가스 배출 잠재력을 가지고 있다고 하더라도 인공저수지에서 배출되는 탄소 배출이 무시할 수 있는 수준인가에 대한 논쟁이 이어져 왔다[14].
지금까지 전 세계 다양한 인공저수지에서 측정한 결과로 수력발전시 수반되는 온실가스 배출에 대한 평가가 이루어졌다. 이들 결과를 종합해서 계산해보니, 연간 전 세계 모든 인공저수지에서 배출되는 온실가스 총 배출량은 0.8 Pg CO2로 추정되었다. 배출의 대부분은 탄소 가스로 이루어졌는데, 이 중 메탄의 기여가 크게 나타났다. 인공저수지 배출량 중, 터빈 발전 시 그리고 하류로 빠른 이동 시 수중 내 가스 제거 작용으로 대기 중으로 이동하는 탄소 가스양도 상당한 것으로 밝혀졌다[15].
국제 수력발전 협회의 연구 자료에 따르면 열대 지역에 위치한 일부 인공저수지를 제외한 대부분의 인공저수지는 낮은 탄소 배출력을 가진다. 높은 탄소 배출을 보인 열대 지역의 인공저수지(예, 동남아시아 메콩강 유역 내 위치한 저수지)는 완성된 지 10~20년 내의 것으로, kWh당 100 g CO2 이상의 배출이 이루어지는 것으로 평가되었다. 이와 같은 수치는 화력발전소에서의 전기 생산량 당 온실가스 배출량과 비견될 정도로 많은 양이라고 할 수 있다[15]. 이를 제외한 인공저수지의 약 80%는 태양광 발전, 풍력발전 등 신재생 에너지 생산 시의 온실가스 배출량과 비슷한 수준으로 나타났다. 그러므로, 인공저수지에서의 온실가스 배출량에 대한 지역적 차이가 분명한 까닭에 수력발전에 의한 온실가스 배출량의 정의는 쉽지 않다[16].
2.4.1. 메탄 배출의 중요성
수력발전으로 인한 온실가스 배출 평가 시 가장 중요히 고려해야 할 점은 메탄으로 배출되는 온실가스의 양이다. 다른 자연 호소생태계보다 인공저수지에서 메탄 발생은 높은 편이며, 이와 같은 현상은 수심이 깊고 열대 기후대에 속한 인공저수지에서 분명하였다. 스위스 수자원 연구기관 EAWAG가 스위스 중부에 위치한 인공저수지에서의 조사를 통해 많은 양의 메탄 배출이 수력발전과 관련되어 있음을 확인하였다. 해발 500m 고원에 위치한 이 인공저수지에 상류로부터 계속적으로 유기물이 공급되어 저수지 침전물의 분해로 연간 약 15만톤의 메탄이 배출되는 것이다. 15만 톤의 메탄 배출량은 자동차로 2,500만 km을 주행 시 발생하는 배출량과 소 2천 마리에서 나오는 양에 상응하는 것이다. 그동안 온대 지역의 수력발전 시 배출되는 온실가스의 양이 간과된 경향이 있었지만, 이 보고를 통해 온대 인공저수지에서의 메탄 배출의 중요성과 메탄 배출에 대한 정확한 평가가 이루어져야 함을 결론 내릴 수 있었다[17].
또 다른 연구는 전 세계 100만 개의 넘는 인공저수지에서는 연간 10억 톤에 달하는 온실가스가 배출될 수 있다고 추정하였다. 인공저수지에서의 온실가스 배출량 가운데, 지구온난화 기여 잠재력(Global warming potential)으로 환산 시 메탄이 기여하는 부분은 80%에 달할 것이락 이 연구는 주장하였다. 이처럼 메탄 기여가 높은 이유로 많은 유기물이 인공저수지 내로 흘러 들어갔기 때문으로 분석되었다. 그리고 우리나라와 같은 장마가 있는 지역에 위치한 인공저수지의 경우, 홍수 지대 내 식물의 다량 분포가 메탄의 과다 발생의 주요 원인으로 꼽힐 수 있다. 수심의 변동에 따라 식물체는 인공저수지로 흘러 들어가는 유기물의 원천이 될 수 있다[18].
3. 결론
수력발전을 위해서는 댐 건설 후 넓은 지역의 토지피복 변화가 필수적으로 일어나게 된다. 토지피복 변화는 육상생태계가 호소생태계로 변하는 것을 의미하며, 토지피복 변화로 인해 많은 환경 문제가 발생하게 된다. 수력발전 인공저수지에서의 온실가스 배출에 대한 문제는 중요한 환경 문제 가운데 하나로 받아들여지고 있다. 위 본문에서는 온실가스 가운데 탄소가스를 중심으로 인공저수지에서의 온실가스 배출에 대한 과정과 주요 특징에 대해 살펴보았다. 이를 통해 수력발전 시 발생할 수 있는 온실가스량에 대해 평가하고 이를 정리하였다.
2016년 10월 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC) 국제 회의에서 수력발전 인공저수지에서 배출되는 온실가스를 국가 간 온실가스 배출 총량에 합산하여 보고하도록 의결하였다. 인공저수지에서의 온실가스는 침수 육상생태계에서의 발생으로 구분하도록 하는 지침이 마련되었다[19]. 이와 같은 사실에서 확인할 수 있듯, 인공저수지에서의 생지화학 순환에 대한 이해와 온실가스 발생량에 대한 보다 정확한 평가는 국제사회에서 더욱 중요해질 전망이다. 수력발전은 온실가스 발생이 적은 청정에너지원의 하나로 받아들여지나 기후대에 따른 온실가스 배출의 공간 변이가 크고 특히 메탄 발생량의 차이가 큼을 이해하여야 한다. 결론적으로 넓은 공간을 대상으로 한 생태계 모형과 더욱 효율적인 측정 장비를 이용하여 다양한 지역의 인공저수지에서 온실가스 배출에 대한 연구가 이루어져야 할 것이다.
References
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2. Cole, J. J. et al. Plumbing the global carbon cycle: integrating inland waters into the terrestrial carbon budget. Ecosystems 10: 171-184. 2007.
3. Hanson, P. C. et al. Lake metabolism: relationships with dissolved organic carbon and phosphorus. Limnol Oceanogr 48: 1112-1119. 2003.
4. Lennon, J. T. Relative importance of CO2 recycling and CH4 pathways in lake food webs along a dissolved organic carbon gradient. Limnol Oceanogr 51: 1602-1613. 2006.
5. Pearce, F. Trouble bubbles for hydropower. New Sci 150: 28-31. 1996.
6. St. Louis, V. L. et al. Reservoir surfaces as sources of greenhouse gases to the atmosphere: a global estimate. BioScience 50: 766-775. 2000.
7. Kim, Y. et al. Effect of inundation, oxygen and temperature on carbon mineralization in boreal ecosystems. Sci Total Environ 511: 381-392. 2015.
8. Bastviken, D. et al. Methane emissions from lakes: dependence of lake characteristics, two regional assessments, and a global estimate. Global Biogeochem Cy 18: GB4009. 2004.
9. Tremblay, A. et al. Do hydroelectric reservoirs emit greenhouse gases? Environ Manage 33: S509-S517. 2004.
10. Duchemin, E. et al. Production of the greenhouse gases CH4 and CO2 by hydroelectric reservoirs of the boreal region. Global Biogeochem Cy 9: 529-540. 1995.
11. Matthews, C. J. D. et al. Carbon dioxide and methane production in small reservoirs flooding upland boreal forest. Ecosystems 8: 267-285. 2005.
12. Oelbermann, M. & Schiff, S. L. The redistribution of soil organic carbon and nitrogen and greenhouse gas production rates during reservoir drawdown and reflooding. Soil Sci 175: 72-80. 2010.
13. Chamberland, A. & Levesque, S. Hydroelectricity, an option to reduce greenhouse gas emissions from thermal power plants. Energ Convers Manage 37: 885-890. 1996.
14. International Rivers Network. Flooding the land, warming the earth: greenhouse gas emissions from dams, Berkeley, USA, pp. 18. 2002.
15. Study shows hydropower’s greenhouse gas https://www.hydropower.org/news/study-shows-hydropower’s-carbon-footprint [Viewed 2020-06-01]
16. Räsänen, T. A. et al. Greenhouse gas emissions of hydropower in the Mekong River Basin. Environ Res Lett 13: 034030. 2018.
17. 수력댐 저수지도 온실가스 배출? http://www.koscaj.com/news/articleView.html?idxno=51657 [Viewed 2020-06-01]
18. 댐 발전 인공저수지도 온실가스 배출원…메탄 다량 방출 https://www.mk.co.kr/news/world/view/2016/09/686090/ [Viewed 2020-06-01]
19. The hydropower paradox: is this energy as clean as it seems? https://www.theguardian.com/sustainable-business/2016/nov/06/hydropower-hydroelectricity-methane-clean-climate-change-study [Viewed 2020-06-01]
수력발전의 계속된 개발은 온실가스 저감 노력과 관련하여 중요한 논쟁거리로 떠올랐다. 수력발전을 위해서는 댐을 건설 후 넓은 지역을 수몰 시켜 인공저수지를 만들어야만 한다. 이러한 일련의 과정은 육상생태계를 호소생태계로 바뀌는 토지피복 변화를 야기하게 되어, 이에 대한 결과로 온실가스의 배출이 일어날 수 있게 된다. 온실가스 가운데, 특히 수력발전 인공저수지(이후 인공저수지로 명명)에서의 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)의 배출량이 무시할 만한 적은 수준이 아니란 것이 그동안의 연구에서 밝혀졌다. 인공저수지에서의 온실가스 배출과 관련한 생지화학 과정은 다소 복잡하고, 시공간에 따른 배출량의 변이가 큰 편이라 특정 국가 혹은 지역에서의 배출 경향을 인공저수지의 배출로 일반화하기 힘들다[1]. 그러므로, 인공저수지에서 온실가스 배출이 일어나는 원인, 배출과 관련한 생태계 내에서의 과정, 배출의 시공간 변이에 대한 특징 등에 대한 정확한 이해가 필요할 것이다.
이 보고서에서는 인공저수지에서 배출되는 온실가스 가운데 대부분을 차지하는 탄소 가스와 관련한 내용을 다룰 예정이다. 인공저수지에서의 온실가스 배출에 대한 이해와 배출량에 대한 평가를 위해서는 호소생태계 탄소 순환, 수력발전 시 환경 영향에 대한 이해가 필요할 것이다. 이와 같은 이유에서 이 보고서에서는 1) 호소생태계에서의 탄소 순환, 2) 인공저수지 건설이 환경이 미치는 영향, 3) 인공저수지 탄소 순환의 특징, 4) 수력발전과 온실가스 배출, 이상 네 가지 부분에 대해 본문에서 정리할 예정이다.
2. 주요 내용
2.1. 호소생태계의 탄소 순환
일반적으로 호수와 저수지를 담수 호소생태계로 정의한다. 저수지는 인공 혹은 자연적인 구조물에 물길이 막혀 호수와 같이 물이 고이게 되어 생기게 되는데, 저수지의 생성과 더불어 생태계 내에 급격한 생지화학적 변화가 생기게 된다[2]. 호소생태계는 종속 영양 생물의 활동(Heterotrophic)이 주를 이루기 때문에 물 표면에서 대기 중으로 탄소 배출이 이루어진다. 호소생태계 내 탄소의 흡수 및 배출의 균형은 물 내 서식하는 식물과 플랑크톤의 총식물생산성(Gross primary production, GPP)과 물 내 서식하는 미생물, 식물, 플랑크톤의 호흡과 호소 바닥 침전물의 분해, 광산화 현상에 의한 탄소 배출량의 차이에 의해 결정된다. 이 중 호수 내 생물학적 활동은 호소생태계, 대기간 탄소 교환에 가장 중요한 역할을 담당한다. 또한, 토양 침식에 의해 주위 육상생태계에서 호수 내로 많은 양의 탄소 유입이 이루어지는 경우, 호소생태계의 탄소 순환에 큰 변화가 생길 수 있다[3].
호소생태계 총식물생산성 가운데 자가 호흡량을 뺀 약 30~60%는 순식물생산성(Net primary production, NPP)으로써 생태계 내에 축적된다. 총식물생산성 양은 물 내 존재하는 질소, 인 등의 영양분이 많을수록 증가한다. 특히 인은 호소의 식물생산성과 강한 양의 상관관계를 맺고 있는 것으로 나타났다. 침전물과 물 내에서 존재하는 미생물의 호흡이 호소생태계의 이산화탄소와 메탄 배출의 주원인이 된다. 이 중, 메탄의 배출은 무산소 환경의 침전물에서 이루어지는 미생물 활동에 의한 것이다. 고온 환경과 외부 육상생태계에서의 다량의 유기물 유입이 이루어질 경우, 미생물 활성이 증가하여 대기 밖으로 배출되는 탄소의 양이 많아진다[4].
2.2. 인공저수지 건설이 환경에 미치는 영향
지금까지 전 지구의 약 0.4%에 해당하는 육상 지역(60만 km2)이 수력발전을 위해 침수된 것으로 알려졌다[5]. 침수된 지역인 인공저수지는 물이 유입되는 유입 지역과 추력발전용 터빈을 돌리고 흘러나가는 유출 지역을 포함한다. 전 세계적으로 침수 후 인공저수지가 들어서면서 지금까지 약 4~8천만 명의 난민이 발생되었단 보고가 있다[1]. 이와 같은 댐 건설, 침수 등의 일련의 과정을 거치게 되면서 육상생태계에서 호소생태계로 바뀌는 토지피복 변화가 생기게 된다. 수문 상의 변화로 야기되는 토지피복 변화는 이전 나타나지 않았던 생물학적, 물지적 변화를 동반하게 된다. 이들 변화의 대표적인 예로는 생물 서식처의 차단 및 기존 생물 종의 소멸, 식물생산성과 영양염류 순환 변화, 메틸수은에 의한 수중 먹이 그물 오염, 물 표면으로 배출되는 온실가스 증가를 들 수 있다.
침수가 발생하는 과정에서 토양의 유실, 강 유역의 변화가 발생한다. 유실된 토양은 인공저수지 바닥의 침전물로 쌓여 수심을 변화시키므로 저수 용량을 감소 시켜 수력 발전량에 영향을 줄 수 있다[1]. 침전물은 온실가스 배출에도 영향을 주게 되어, 인공저수지에서 발생하는 온실가스양은 전 지구의 인위적 활동에 의한 온실가스양의 약 7%에 해당할 것이란 추정도 있다[6]. 인공저수지에서의 온실가스 배출 강도는 지리학적 위치에 따른 기후와 지형에 따라 다르게 나타난다고 알려져 있다. 예를 들어 열대 기후대에 위치해 있는 인공저수지에서의 온실가스 배출량은 온대 기후대나 아한대 기후대에 속한 지역의 경우보다 많다.
2.3. 인공저수지의 탄소 순환 특징
인공저수지에서 탄소 배출이 이루어지는 이유를 아래 세 가지로 설명할 수 있다. 첫째, 침수 전 육상에서 식생에 의해 흡수되는 탄소의 양이 사라지게 된다. 둘째, 인공저수지 내 침전물로 쌓이게 되는 유기 토양과 침수되어 죽게 되는 식물 생물량의 미생물 분해가 쉽게 일어난다. 미생물 분해를 통해 이산화탄소나 메탄 배출이 이루어진다. 셋째, 인공저수지 상류와 주변 육상생태계에서 지속해서 유기 탄소의 유입이 이루어지게 되고, 이것으로 인해 미생물 분해가 촉진된다. 사실 침수가 이루어진 이후에는 유기물 분해의 속도(분해율)가 작아지는 것이 분명하나[7], 분해 가능한 다량의 유기물들이 존재하는 인공저수지의 조건으로 인해 침수 후 탄소 배출량은 증가할 수 있게 된다. 또한, 깊은 수심 아래 존재하는 침전물은 무산소 환경에 놓이게 되어, 혐기성 미생물의 활동으로 인해 메탄 배출이 이루어질 수 있다. 인공저수지 바닥에서 생성된 메탄의 일부분은 수면 위로 이동하면서 산성화되어 이산화탄소로 바뀌게 되기도 한다[8].
현장 측정을 통해 연구한 결과는 인공저수지에서의 탄소 배출의 주요 특징으로 침수 후 시간에 따른 배출 강도의 변화와 생태계형, 유기물 밀도, 수심에 따른 배출의 공간적 변이를 보여준다. 완성된 지 오래지 않은 인공저수지의 경우, 영양분을 다량으로 포함한 유기물이 인공저수지 물과 침전물 내에 존재하기 때문에 높은 탄소 배출이 이루어질 수 있다. 그러나 십수년 이상의 시간이 흘러 인공저수지의 나이가 들게 되면, 유기물 함량이 급속도록 줄게 된다. 이에 따라 탄소 배출의 강도는 줄어들어 자연 호수에서의 탄소 배출과 비슷한 경향을 띠게 된다[9].
열대 혹인 아한대 인공저수지에서 침수된 육상생태계가 이탄습지와 같이 다량의 유기물을 포함한 토양을 가지고 있으면, 이들 토양 유기물의 분해로 인해 더 많은 탄소 배출이 이루어질수 있다. 수심의 차이에 따른 수온, 용존산소량의 차이가 발생하기에 인공저수지에서의 탄소 배출 차이가 일어날 수 있다. 캐나다 퀘벡주에서 측정한 결과에 따르면, 수심 5m 이하의 얕은 곳의 이산화탄소 배출량은 일일 1.5 g C m-2로 10m 이상의 깊은 곳의 배출량(일일 0.92 g C m-2) 에 비해 높게 나타났다[10]. 얕은 수심의 침전물층 온도는 깊은 수심의 것보다 높기 때문에 미생물 분해와 이산화탄소 배출이 더 활발히 일어날 수 있을 것이다.
인공저수지에서의 생지화학 순환과 탄소 배출에 대한 보다 상세한 연구를 위해 1991년 캐나다 온타리오주의 산림, 습지 지역 17 ha의 면적을 침수시킨 실험을 진행하였다. 실험지는 약 1 m의 얕은 수심을 유지시켰고, 이산화탄소, 메탄 배출이 침수 이 후 크게 증가되었음이 측정을 통해 확인되었다[11]. 또한 침수 전후의 용존유기탄소에 대한 측정 자료를 통해 인위적인 침수 처리는 저수지 내 용존유기탄소 농도를 증가시킴이 확인되었다. 이밖에 실험실에서의 연구를 통해 침수 환경이 토양 및 식물유기물의 분해 속도와 탄소 배출량에 미치는 영향에 대해 알 수 있었다. 침수 토양이 침수되지 않은 토양보다 더 많은 이산화탄소와 메탄을 생산하였다. 특히 침수 조건에서의 탄소 배출량은 온도, 산소 농도, 토양과 식물의 유기물 함량 등과 유의미한 관계를 맺고 있음이 밝혀졌다[12].
2.4. 수력발전과 온실가스 배출
수력발전은 인류가 개발한 전기 생산 방법 가운데 화석 연료를 사용하지 않는 청정한 에너지원으로 알려져 있다. 현재 전 지구 전기 생산의 약 22%를 수력발전이 담당하고 있다. 캐나다의 경우, 수력발전에 의한 전기 생산은 총 전기 생산량의 70%에 이르는 것으로 알려져 있으나, 우리나라는 총 전기 생산량의 2%에 해당하는 작은 비율을 가지고 있다. 전기 발전 시 온실 가스 배출량은 MWh (Megawatt hour) 또는 KWh (Kilowatt hour)당 배출로 측정되는데, 수력발전 시 온실가스 배출량은 화석연료를 사용하여 발전하는 화력발전에 비해 25배 이상 적은 온실가스 배출이 이루어 지는 것으로 평가되었다[13]. 낮은 온실가스 배출 잠재력을 가지고 있다고 하더라도 인공저수지에서 배출되는 탄소 배출이 무시할 수 있는 수준인가에 대한 논쟁이 이어져 왔다[14].
지금까지 전 세계 다양한 인공저수지에서 측정한 결과로 수력발전시 수반되는 온실가스 배출에 대한 평가가 이루어졌다. 이들 결과를 종합해서 계산해보니, 연간 전 세계 모든 인공저수지에서 배출되는 온실가스 총 배출량은 0.8 Pg CO2로 추정되었다. 배출의 대부분은 탄소 가스로 이루어졌는데, 이 중 메탄의 기여가 크게 나타났다. 인공저수지 배출량 중, 터빈 발전 시 그리고 하류로 빠른 이동 시 수중 내 가스 제거 작용으로 대기 중으로 이동하는 탄소 가스양도 상당한 것으로 밝혀졌다[15].
국제 수력발전 협회의 연구 자료에 따르면 열대 지역에 위치한 일부 인공저수지를 제외한 대부분의 인공저수지는 낮은 탄소 배출력을 가진다. 높은 탄소 배출을 보인 열대 지역의 인공저수지(예, 동남아시아 메콩강 유역 내 위치한 저수지)는 완성된 지 10~20년 내의 것으로, kWh당 100 g CO2 이상의 배출이 이루어지는 것으로 평가되었다. 이와 같은 수치는 화력발전소에서의 전기 생산량 당 온실가스 배출량과 비견될 정도로 많은 양이라고 할 수 있다[15]. 이를 제외한 인공저수지의 약 80%는 태양광 발전, 풍력발전 등 신재생 에너지 생산 시의 온실가스 배출량과 비슷한 수준으로 나타났다. 그러므로, 인공저수지에서의 온실가스 배출량에 대한 지역적 차이가 분명한 까닭에 수력발전에 의한 온실가스 배출량의 정의는 쉽지 않다[16].
2.4.1. 메탄 배출의 중요성
수력발전으로 인한 온실가스 배출 평가 시 가장 중요히 고려해야 할 점은 메탄으로 배출되는 온실가스의 양이다. 다른 자연 호소생태계보다 인공저수지에서 메탄 발생은 높은 편이며, 이와 같은 현상은 수심이 깊고 열대 기후대에 속한 인공저수지에서 분명하였다. 스위스 수자원 연구기관 EAWAG가 스위스 중부에 위치한 인공저수지에서의 조사를 통해 많은 양의 메탄 배출이 수력발전과 관련되어 있음을 확인하였다. 해발 500m 고원에 위치한 이 인공저수지에 상류로부터 계속적으로 유기물이 공급되어 저수지 침전물의 분해로 연간 약 15만톤의 메탄이 배출되는 것이다. 15만 톤의 메탄 배출량은 자동차로 2,500만 km을 주행 시 발생하는 배출량과 소 2천 마리에서 나오는 양에 상응하는 것이다. 그동안 온대 지역의 수력발전 시 배출되는 온실가스의 양이 간과된 경향이 있었지만, 이 보고를 통해 온대 인공저수지에서의 메탄 배출의 중요성과 메탄 배출에 대한 정확한 평가가 이루어져야 함을 결론 내릴 수 있었다[17].
또 다른 연구는 전 세계 100만 개의 넘는 인공저수지에서는 연간 10억 톤에 달하는 온실가스가 배출될 수 있다고 추정하였다. 인공저수지에서의 온실가스 배출량 가운데, 지구온난화 기여 잠재력(Global warming potential)으로 환산 시 메탄이 기여하는 부분은 80%에 달할 것이락 이 연구는 주장하였다. 이처럼 메탄 기여가 높은 이유로 많은 유기물이 인공저수지 내로 흘러 들어갔기 때문으로 분석되었다. 그리고 우리나라와 같은 장마가 있는 지역에 위치한 인공저수지의 경우, 홍수 지대 내 식물의 다량 분포가 메탄의 과다 발생의 주요 원인으로 꼽힐 수 있다. 수심의 변동에 따라 식물체는 인공저수지로 흘러 들어가는 유기물의 원천이 될 수 있다[18].
3. 결론
수력발전을 위해서는 댐 건설 후 넓은 지역의 토지피복 변화가 필수적으로 일어나게 된다. 토지피복 변화는 육상생태계가 호소생태계로 변하는 것을 의미하며, 토지피복 변화로 인해 많은 환경 문제가 발생하게 된다. 수력발전 인공저수지에서의 온실가스 배출에 대한 문제는 중요한 환경 문제 가운데 하나로 받아들여지고 있다. 위 본문에서는 온실가스 가운데 탄소가스를 중심으로 인공저수지에서의 온실가스 배출에 대한 과정과 주요 특징에 대해 살펴보았다. 이를 통해 수력발전 시 발생할 수 있는 온실가스량에 대해 평가하고 이를 정리하였다.
2016년 10월 기후 변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC) 국제 회의에서 수력발전 인공저수지에서 배출되는 온실가스를 국가 간 온실가스 배출 총량에 합산하여 보고하도록 의결하였다. 인공저수지에서의 온실가스는 침수 육상생태계에서의 발생으로 구분하도록 하는 지침이 마련되었다[19]. 이와 같은 사실에서 확인할 수 있듯, 인공저수지에서의 생지화학 순환에 대한 이해와 온실가스 발생량에 대한 보다 정확한 평가는 국제사회에서 더욱 중요해질 전망이다. 수력발전은 온실가스 발생이 적은 청정에너지원의 하나로 받아들여지나 기후대에 따른 온실가스 배출의 공간 변이가 크고 특히 메탄 발생량의 차이가 큼을 이해하여야 한다. 결론적으로 넓은 공간을 대상으로 한 생태계 모형과 더욱 효율적인 측정 장비를 이용하여 다양한 지역의 인공저수지에서 온실가스 배출에 대한 연구가 이루어져야 할 것이다.
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19. The hydropower paradox: is this energy as clean as it seems? https://www.theguardian.com/sustainable-business/2016/nov/06/hydropower-hydroelectricity-methane-clean-climate-change-study [Viewed 2020-06-01]