태양광 초강국의 에너지 저장 과제
시진핑 중국 국가주석은 2020년 12월 2030년까지 풍력·태양광 발전 설비 용량을 1,200기가와트로 늘리겠다고 발표했다. 당시에는 야심 찬 목표로 보였지만, 중국은 예정보다 6년 앞선 2024년 7월 이를 달성했다. 2025년 말에는 풍력·태양광 설비 용량을 합쳐 1,840기가와트를 넘어섰으며, 이는 중국 전체 발전 설비 용량의 47.3%에 해당한다. 확장세가 둔화할 조짐은 보이지 않는다. 2025년 1~5월에만 태양광 198기가와트, 풍력 46기가와트가 추가됐다. 특히 5월에는 태양광 93기가와트, 풍력 26기가와트가 설치됐다. 에너지 분석가 라우리 밀리비르타는 기상 조건에 따라 이 설비들이 폴란드나 스웨덴, 아랍에미리트와 맞먹는 양의 전력을 생산할 수 있다고 지적했다.
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이처럼 폭발적인 성장은 예상치 못한 문제를 낳았다. 재생에너지는 사람들이 전기를 필요로 할 때가 아니라 해가 비치고 바람이 불 때 생산된다. 2025년에는 전력망이 잉여 전력을 흡수하지 못해 에너지를 버리는 출력제한이 세계 곳곳에서 사상 최대 수준을 기록했다. 브라질은 태양광 발전량의 20%를 버렸고, 독일·프랑스·네덜란드는 재생에너지 발전량을 합계 3.9테라와트시 줄였다. 이제 중국이 마주한 핵심 과제는 발전량을 더 늘리는 것만이 아니라, 전력이 필요한 시점에 쓸 에너지를 저장하는 일이다.
배터리 저장 부문은 2024년보다 2025년에 75% 성장했지만, 이처럼 빠른 확장으로도 필요한 규모를 따라잡기 어렵다. 화학 배터리는 단기 주파수 조정에 뛰어나지만, 수 시간 동안 저장하는 용도로 확대하면 성능 저하와 공급망 제약에 부딪힌다. 해법은 오래된 기술을 새로운 규모로 적용하는 데 있다. 바로 양수식 수력발전이다. 이 시설은 거대한 배터리 역할을 하며, 화학 배터리보다 유지관리 비용이 낮고 희토류 광물이 필요하지 않으며 70~100년 동안 운영할 수 있다.
양수식 수력발전의 원리: 중력을 이용한 배터리
양수식 수력발전의 작동 원리는 기초 물리학에 바탕을 둔다. 수천 톤의 물을 상부 저수지에 높은 곳에 저장해 중력 위치에너지로 보관한다. 물을 방류하면 발전기에 연결된 터빈을 통과하며 빠르게 흘러내리고, 위치에너지가 전기로 바뀐다. 강물의 흐름에 의존하는 기존 수력발전 댐과 달리, 양수식 발전 시스템은 같은 물을 반복해서 사용하므로 계절별 강우량과 관계없이 운영할 수 있는 폐쇄형 순환 구조를 만든다.
전력 수요가 낮거나 재생에너지 발전량이 많을 때 발전소는 잉여 전력을 사용해 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼 올린다. 수요가 최고조에 달하면 물을 다시 아래로 흘려보내 터빈을 돌려 필요에 따라 전력을 생산한다. 중력을 이용하는 이 단순한 저장 시스템은 현재 전 세계 장주기 에너지 저장 용량의 90% 이상을 차지한다.
현대식 발전소에는 가변속 전동발전기가 점점 더 많이 도입되고 있다. 이를 통해 운영자는 양수 과정에서 고정된 속도로 가동하는 대신 전력 소비량을 조절할 수 있다. 이런 유연성은 전력망 안정화 서비스의 수준을 높여준다. 이 기술은 막대한 양의 잉여 전력을 흡수한 뒤 수 시간, 길게는 며칠에 걸쳐 방출하는 데 적합해, 간헐적인 풍력·태양광 발전량을 조절하는 데 이상적이다. 리튬이온 배터리는 단기 저장 시장을 장악하고 있지만, 방전 시간을 수 시간 단위로 늘리는 데는 비용이 많이 들고 잦은 충·방전을 거치면 성능이 저하된다.
중국은 지리적 이점을 갖추고 있다. 연구에 따르면 중국의 양수식 저장 잠재력 가운데 79%가 북서부와 남서부에 있으며, 이들 지역의 산악 지형은 저수지를 건설하기에 적합한 고도 차이를 자연적으로 제공한다. 다만 평탄한 지역에서도 기술자들이 혁신적인 해법을 도입하기 시작했다. 충분한 공학적 창의성을 발휘하면 다양한 지형에 이 기술을 적용할 수 있다는 점을 보여주고 있다.
기록적인 프로젝트가 바꾸는 지형
중국은 양수식 발전소를 짓는 데 그치지 않고, 지금까지 구상된 시설 가운데 가장 크고 야심 찬 시설을 건설하고 있다. 2024년 8월 완공된 허베이성 펑닝 양수발전소는 세계 최대 규모다. 중국 국가전력망공사가 운영하는 펑닝 발전소에는 각각 300메가와트급인 가역식 펌프·터빈 12기가 설치돼 있으며, 총 설비 용량은 3.6기가와트다. 2013년 6월 착공한 이 사업은 미국 배스카운티 발전소가 보유했던 종전 기록을 넘어섰으며, 이제 중국 북부 전력망 안정의 핵심 역할을 한다. 2단계 시설에는 발전기 모드에서 330MVA, 양수 모드에서 345MVA를 내는 첨단 가변속 발전기가 적용돼 전력망 주파수의 변동에 정밀하게 대응할 수 있다.
설비 용량에서는 펑닝이 정상을 차지하지만, 장쑤성 전장(쥐룽) 양수발전소는 양수발전소 댐 가운데 가장 높은 댐으로 기록됐다. 2025년 10월 가동을 시작한 이 발전소의 상부 저수지 댐은 높이가 182.3미터로, 대략 60층 건물과 맞먹으며 자유의 여신상보다 높다. 장쑤성이 대부분 평지여서 이 공학적 성과를 이루는 과정은 특히 까다로웠다. 기술자들은 현장에서 파낸 흙과 암석을 댐체 건설에 활용해, 자연적인 고도 차이가 없는 룬산 계곡에 인공적인 고도 차이를 만들었다.
쥐룽 발전소의 설비는 지하 800미터 깊이의 공동에 자리 잡고 있다. 각각 225메가와트급인 가역식 발전기 6기가 설치돼 총 용량은 1.35기가와트다. 상부 저수지에는 물 1,707만 입방미터를 저장할 수 있다. 양수 과정에서 연간 약 18억킬로와트시를 소비하고, 방류할 때는 13억5,000만킬로와트시를 생산한다. 국가전력망 전장전력공급회사 발전부 왕천후이 국장에 따르면, 이 발전소는 약 270만킬로와트의 양방향 에너지 조절 용량을 제공해 산업이 발달한 양쯔강 삼각주 지역의 전력 수요가 최고조에 달할 때 전력망의 부담을 덜어준다. 공식 전망에 따르면 이 시설은 연간 약 14만 톤의 석탄 소비를 줄이고, 이산화탄소 배출량을 약 34만9,000톤 감축하며, 약 36만 가구에 전력을 공급할 수 있다.
완전 가동되면 약 270만킬로와트의 양방향 에너지 조절 용량을 제공해, 전력 수요가 최고조에 달하는 시간대에 전력망의 부담을 덜어줄 것입니다.
중국은 독립형 저장 시설을 넘어 기존 수력발전과 양수식 발전을 결합한 하이브리드 시설도 선도적으로 구축하고 있다. 해발 9,842피트의 티베트고원에 건설 중인 쓰촨성 서부 량허커우 사업은 세계 최대 하이브리드 시스템이다. 기존 3,000메가와트급 수력발전소에 1,200메가와트급 양수식 발전 설비를 더해 총 4.2기가와트 규모의 단지를 조성한다. 이 사업은 하부 저수지 역할을 하는 야건 1급 수력발전소와 연계돼 거대한 물 배터리를 만든다. 산 지표면 아래 1,640피트에 자리한 지하 발전소의 굴착은 완료됐으며, 하부 저수지 콘크리트 타설이 진행 중이다.
안후이성의 지시 양수발전소는 2021년부터 중국 동부의 ‘초대형 전력 은행’으로 운영되고 있다. 용량은 180만킬로와트로, 비상 전력망 수요에 106차례 대응해 100% 기동 성공률을 기록했다. 2024년 기준 발전량은 24억7,900만킬로와트시였으며, 연간 석탄 소비량을 약 21만6,000톤 줄이고 이산화탄소 배출량은 47만5,000톤 감축했다. 2024년 생산액은 16억8,400만 위안으로, 지역 경제 발전에 크게 기여하는 동시에 국가 물·토양 보전 모범 사업으로 인정받고 있다.
지리적 혁신: 산악 지대에서 해안까지
전통적인 양수식 발전 개발은 자연 계곡을 상·하부 저수지로 활용할 수 있는 산악 지역에 집중돼 있다. 중국에서는 북서부와 남서부가 국가 전체 에너지 저장 잠재력의 79%를 차지하며, 칭하이성 한 곳만으로도 전체의 32%에 이른다. 이들 지역에는 효율적인 발전에 필요한 급격한 고도 변화가 있다. 지리정보시스템과 수치표고모델을 활용한 연구에서는 상부 저수지를 추가로 건설할 수 있는 기존 대형 저수지 532곳을 확인했으며, 이들의 이론상 잠재력은 9,671기가와트시다. 실제로 활용 가능한 잠재력은 8,717기가와트시로, 중국의 현재 양수식 발전 계획·예비 용량의 약 1.74배다.
그러나 중국의 에너지 수요 중심지는 동부 연안 지역에 있으며, 이곳은 평탄한 지형 탓에 과거 저장 시설 개발이 어려웠다. 장쑤성 쥐룽 사업의 성공은 지형적 제약이 큰 지역에서도 대규모 양수식 발전이 가능하다는 점을 보여준다. 인공적인 고도 차이를 만들고 지하 발전소를 활용하면, 이제 기술자들은 외딴 산악 지역에서 전력을 장거리 송전하는 대신 주요 전력 수요지 인근에 저장 시설을 구축할 수 있다.
미래를 바라보며 연구자들은 중국의 광범위한 해안선을 활용한 해수 양수식 에너지 저장 방안을 탐색하고 있다. 이 방식은 바다를 하부 저수지로 활용해 담수가 필요하지 않고, 농업용수나 생활용수와 경쟁할 일도 없다. 최근 한 연구는 총 저장 용량이 4,379기가와트시에 이르는 해안 후보지 약 2만 곳을 확인했다. 이 가운데 87곳은 건설 비용이 킬로와트당 약 949유로로 기존 담수 방식에 가까운 수준이다. 특히 굴착을 최소화할 수 있는 자연 해안 저지대를 활용할 경우 비용을 낮출 수 있다. 이 기술은 연안 지역의 해상풍력 단지를 전력망에 연결하는 데 핵심 역할을 할 수 있으며, 저장 시설과 재생에너지 개발을 연계해 확장할 수 있는 틀을 제공한다.
건설 속도와 품질 관리
중국의 개발 속도는 세계 경쟁국들을 크게 앞선다. 2023년 5월 기준 중국은 양수식 발전 용량 50기가와트를 운영하고 있었으며, 이는 전 세계 용량의 30%였다. 2025년 8월에는 설비 용량이 62.365기가와트에 이르러 제14차 5개년 계획 목표를 예정보다 앞서 달성했다. 현재 89기가와트 규모의 사업이 건설 중이며, 개발업체들은 추가로 276기가와트에 대한 승인을 추진하고 있다. 중국은 2035년까지 400기가와트를 달성해 양수식 수력을 국가 장주기 저장 시스템의 기반으로 삼는다는 목표다.
이 같은 개발 가속화는 첨단 공학 기술과 산업화된 건설 방식에 힘입었다. 후난성 핑장 사업에서 기술자들은 ‘톈웨’라는 가변 직경 터널 굴착기를 사용해 길이 1,338미터, 경사각 50도의 수갱을 굴착했다. 세계 최초로 이 기계는 경사면을 올라가면서 굴착 직경을 6.5미터에서 8미터로 조절했으며, 미끄러짐을 막기 위해 3중 그리핑 유압 연동 시스템을 사용했다. 기계의 길이는 87미터, 무게는 900톤이다. 제조사인 중국철도공정장비그룹(CRCHI)이 ‘미끄럼 방지 삼각 매트릭스’라고 설명한 3중 그리핑 시스템은 굴착기가 수갱 벽에 고정돼 안전하게 오르막으로 전진할 수 있도록 한다. 1.5미터마다 중앙과 후방 그리퍼를 번갈아 작동해 역추력을 지속해서 유지하는 방식이다. 이런 혁신 덕분에 사업을 앞당겨 추진할 수 있으며, 일부 설비는 설치를 시작한 지 불과 18개월 만에 가동에 들어갔다.
그러나 빠른 건설 속도는 품질 관리의 문제도 드러냈다. 2025년 말, 75억 위안(10억6,000만 달러) 규모의 대표 사업인 푸젠성 융안 양수발전소는 하부 저수지 건설에서 ‘심각한 품질 결함’이 발견됐다는 보도가 나온 뒤 논란에 휩싸였다. 국가에너지국은 2021~2025년 국가 5개년 계획의 우선 사업인 이 현장에서 부적합 자재와 부실 시공이 있었다는 의혹을 조사하기 시작했다. 시공업체들의 모회사인 중국전력건설공사는 특별 조사단을 꾸리고 법률과 규정에 따라 문제를 해결하겠다고 밝혔다. 이 사건은 중국이 저장 인프라 확충에 속도를 내는 가운데 건설 속도와 공학적 엄정성 사이에 긴장이 있음을 보여준다.
장주기 저장을 둘러싼 세계적 경쟁
중국의 확충은 양수식 발전 개발이 전 세계적으로 다시 활기를 띠는 흐름의 일부다. 국제수력발전협회(IHA)에 따르면 전 세계 개발업체들이 추진 중인 신규 양수식 발전 용량은 570기가와트이며, 이 가운데 약 40%를 중국이 차지한다. IHA 최고경영자 에디 리치는 재생에너지 출력제한이 사상 최대 수준에 이른 것은 발전 설비 용량에 저장 인프라를 맞춰야 한다는 경고 신호라고 강조한다.
2025년에 나타난 사상 최대 수준의 출력제한은 명백한 경고 신호입니다. 세계는 청정 발전 설비를 빠른 속도로 구축하고 있지만, 이제는 이를 활용하거나 저장하는 데 필요한 인프라 구축 속도도 그에 맞춰야 합니다.
리치는 이어 “에너지 안보와 에너지 주권, 회복력을 진지하게 생각한다면 양수식 발전을 사후 대책이 아니라 기반 시설로 다뤄야 한다”고 말했다.
다른 나라들은 규제와 인허가 장벽 탓에 더디게 움직이고 있다. 유럽에서는 독일의 300메가와트급 리들 사업이 10년 넘는 계획 끝에 승인을 받았고, 오스트리아의 림베르크 III 시설은 4년간의 집중적인 지하 공사를 마치고 2025년 9월 가동에 들어갔다. 미국에서는 워싱턴주의 1,200메가와트급 골든데일 시설을 비롯해 90개가 넘는 사업이 개발 단계에 있지만, 1980년대 법률의 적용을 받는 인허가 절차 탓에 대부분 최소 10년은 지나야 운영될 전망이다.
영국은 스코틀랜드 고원의 1,800메가와트급 어바 사업을 포함해 2030년대 중반까지 양수식 발전 용량을 10기가와트로 늘릴 계획이다. 이러한 사업은 잉여 풍력 전력을 흡수하고 비용이 많이 드는 가스 화력 피크 발전소의 가동을 대체하는 것을 목표로 한다. 중동에서는 두바이 수전력청이 걸프 지역 최초의 시설인 250메가와트급 하타 발전소의 시험 운영을 시작했다. 상부 댐에 물 530만 입방미터를 저장하고 지하 60미터에 발전소를 둔 이 시설은 두바이의 2050 탄소중립 전략을 뒷받침한다.
인도는 빠르게 늘어나는 태양광·풍력 발전 설비를 보완할 대규모 사업을 추진하고 있다. 안드라프라데시주의 1,800메가와트급 간디코타 사업에는 안드리츠가 공급하는 가역식 펌프 터빈이 사용된다. 그린코의 핀나푸람 단지는 태양광 1,000메가와트, 풍력 550메가와트, 폐쇄형 양수식 발전 1,200메가와트를 결합해 인도 최초의 재생에너지·저장 시설 공동 입지 사업이 된다. 호주에서는 스노위 2.0 사업이 저수지 사이 터널을 뚫어 용량 2,000메가와트를 추가할 예정이며, 퀸즐랜드의 키드스턴 사업은 폐금광을 250메가와트급 저장 시설로 전환한다.
국제수력발전협회 부최고경영자 파블로 발베르데는 중국의 진전을 높이 평가했다.
재생에너지의 선구자가 계속해서 새로운 기록을 세우고, 새로운 기술을 뒷받침하며, 새로운 해법을 내놓는 모습은 고무적입니다. 수력 산업은 끊임없이 혁신하고 있으며, 중국에서 이뤄지는 최신 발전을 더 자세히 살펴보기 위해 국제 대표단을 이끌고 방문하기를 기대합니다.
핵심 내용
- 중국은 풍력·태양광 발전 목표를 예정보다 6년 앞서 달성해 2025년 말 설비 용량이 1,840기가와트에 이르렀다. 이에 따라 발전량의 변동과 출력제한에 대응할 에너지 저장 시설이 시급해졌다.
- 양수식 수력발전은 잉여 전력으로 물을 높은 곳에 퍼 올렸다가 필요할 때 터빈을 통해 방류하는 방식이다. 세계 장주기 에너지 저장 용량의 90% 이상을 제공하며, 70~100년간 운영할 수 있다.
- 허베이성 펑닝 발전소는 세계 최대인 3.6기가와트급 양수발전소다. 장쑤성 쥐룽 발전소는 182.3미터로 가장 높은 댐을 보유해 평탄한 지형에서도 이 기술을 활용할 수 있음을 입증했다.
- 중국의 양수식 발전 용량은 62기가와트이며 89기가와트 규모의 사업이 건설 중이다. 재생에너지 연계를 지원하기 위해 2035년까지 400기가와트 달성을 목표로 한다.
- 기술자들은 해안 저지대를 활용하는 시험용 해수 저장 시스템과 기존 수력발전에 저장 기능을 결합한 하이브리드 발전소 등 다양한 지형에 맞춰 기술을 적용하고 있다.
- 푸젠성 융안 시설에서 시공 결함 의혹에 대한 조사가 시작되는 등 일부 사업에서 품질 관리 우려가 불거져 빠른 개발의 위험을 보여줬다.
- 전 세계 개발업체들은 신규 양수식 발전 용량 570기가와트를 추진하고 있다. 중국은 간소화된 인허가 절차 덕분에 서방 국가들보다 빠르게 건설하는 반면, 다른 나라들은 승인에 10년이 걸리는 경우도 있다.
