1. 서 론
2. 지하 양수발전(Underground Pumped Hydro Energy Storage)
2.1 지하 양수발전의 원리와 분류
2.2 지하 양수발전의 장점과 고려사항
3. 국가별 지하 양수발전 사례 및 연구
3.1 유럽
3.2 미국
3.3 중국
3.4 남아프리카 공화국
4. 지하 양수발전 연구동향 조사
4.1 Scopus와 VOSviewer
4.2 검색조건
4.3 국가별 연구 현황
4.4 지하 양수발전 연구동향 분석
4.5 지하 양수발전 모델링 연구동향 분석
4.6 지하 양수발전 모델링 연구 사례
5. 지하 양수발전의 국내 적용성
6. 결 론
1. 서 론
세계적으로 탄소배출 저감을 위해 신재생에너지를 통한 발전량의 비율이 지속해서 증가하고 있다. 국내의 경우, 한국전력거래소(Korea Power Exchange, KPX)의 제11차 전력수급기본계획에 따라 신재생에너지와 원자력 발전 등 무탄소 발전원의 발전량을 2038년까지 125.9 GW 확대할 계획이다(KPX, 2025). 그러나 무탄소 발전원들은 출력 관리에 어려움이 있다. 신재생에너지의 출력을 결정하는 요인은 기온, 일사량, 풍속 등으로 다양하기 때문에 출력이 가변적이다(Lee et al., 2024). 반대로, 원자력 발전은 출력이 일정해 기저 전원으로 기능하기 좋지만, 출력 제어가 어려운 경직성으로 인해 비상 상황에서만 출력제어가 이루어지고 있다(Kim et al., 2024). 이러한 한계를 가지는 무탄소 발전원의 확대를 위해선 장주기 에너지저장장치(Energy Storage System, ESS)의 충분한 확보가 필요하다(KPX, 2025). 국내에서 장주기 ESS는 4시간 이상의 방전시간(Discharge Time)을 가지는 ESS로 정의되며 전력망의 부하 완화, 주파수 조절, 수요와 출력 사이 균형 유지 등을 위해 필요하다. 제11차 전력수급기본계획은 2038년까지 23 GW 용량의 장주기 ESS를 확보하는 것을 목표로 한다. Fig. 1은 다양한 저장원리를 사용하는 장주기 ESS 기술의 기술 성숙도와 자본 및 기술 위험도를 각각 가로축과 세로축에 도시한 것이다(Kearney ETI, 2024). 기계적 저장(압축공기 저장, 플라이 휠), 전기화학적 저장(나트륨-황 배터리나 바나듐 레독스 흐름 배터리, 리튬 이온 배터리 등), 열 저장(용융염 배터리 등), 전기적 저장(슈퍼캐패시터 등), 화학적 저장(수소, 천연가스 합성) 등 다양한 장주기 ESS 기술들 중 가정 적은 위험도로 상용화 단계에 이른 기술은 양수발전(Pumped Hydro Energy Storage, PHES)인 것으로 평가되고 있다.
그러나, PHES는 저수지 조성 및 낙차 만족을 위한 지형적 제한과 대규모 환경파괴 문제 등의 단점을 수반한다(Beck et al., 2011). 특히, 양수발전의 저수용 댐 건설은 대규모 토지 개간 및 산림벌채를 필요로 한다. 또한, 댐 저수지에 쌓이는 퇴적물은 혐기성 조건에서 부패하며 이산화탄소, 메탄 등 온실가스를 배출한다(Park et al., 2022). 이러한 한계를 고려하여, 독일과 오스트리아 등 많은 국가에선 노후된 PHES를 현대화하는 과정에서 지하 하부 저수지를 증설하거나, 폐광산을 활용하는 방법으로 지하 양수발전(Underground Pumped Hydro Energy Storage, UPHES)을 고려하고 있다. UPHES는 지하에 저수지를 조성하는 PHES 기술의 한 종류로 하부 저수지 또는 상·하부 저수지 모두가 지하에 조성된다. UPHES는 대부분의 시설물이 지하에 매설될 수 있기 때문에 기존 PHES에 비해 지상 점유 면적이 적어 환경 파괴 문제나 주민 수용성 문제로부터 상대적으로 자유롭다(Madlener and Specht., 2013). 노후된 기존 PHES의 상부 저수지를 공유하는 새로운 하부 저수지를 지하에 굴착해 UPHES를 조성하면, 환경 영향을 최소화하면서 기존 PHES의 설비용량을 증설할 수도 있다(Stech et al., 2022). 폐광산 등 미사용 지하공간을 활용해 UPHES를 조성하면 지하 굴착 비용을 절약하면서 높은 낙차를 가질 수도 있고(Montero et al., 2013), 광산 배수를 정화 후 사용하여 수질 오염원이 되는 것을 방지할 수 있다(Winde, 2023). 이러한 UPHES는 저수량은 적지만 광산 수갱의 깊이에 따른 높은 낙차를 활용하여 수십~수백 MWh 또는 그 이상의 전력을 저장할 수 있고(Winde et al., 2017a), 2021년 국제 양수발전 포럼(Pumped Storage Hydropower International Forum)의 혁신 기술 중 하나로 소개되었을 만큼 세계적인 관심이 높다(Alexander et al., 2021).
UPHES는 수갱을 가진 폐광이 있고 연식이 30년이 넘은 노후 PHES를 보유한 국내에 적합한 기술로 생각되나, 아직 국내에서 UPHES를 다룬 연구는 드문 실정이다. 본 연구는 PHES를 보조할 수 있는 장점과 기능을 갖춘 UPHES를 소개하고, 학술논문 데이터베이스 Scopus를 활용해 UPHES에 관한 연구성과 서지정보를 수집한 후 VOSviewer를 이용한 동시출현단어 분석으로 세계적 연구동향과 지하공간의 장기 안정성 평가에 활용되는 수치해석 모델링 연구동향을 분석하였다. 또한, UPHES의 국내 적용성을 광산에 적용하는 경우와 기존 양수발전소의 지하를 활용하는 경우를 각각 평가하여 국내 UPHES 개념 도입의 기반을 마련하고자 하였다.
2. 지하 양수발전(Underground Pumped Hydro Energy Storage)
2.1 지하 양수발전의 원리와 분류
UPHES는 지하에 위치한 하부 저수지의 물을 양수하여 전력을 저장하거나 상부 저수지의 물을 방류해 전력을 생산하는 기술이다(Fig. 2). 지하의 저수지를 양수발전에 활용하는 UPHES의 개념은 1907년 미국에서 처음 제시되어 특허로 등록되었다(Fessenden, 1917). UPHES의 발전 원리는 PHES와 같아, 상부 저수지에서 물을 취수해 수갱의 관로(Penstock)를 통해 방류하여 전력을 생산한다. 낙하한 물은 발전실(Powerhouse)의 수차(Turbine)에서 전력 생산에 이용된 후, 조압수조(Surge Tank)와 방수로(Outlet)를 지나 하부 저수지에 저장된다. 하부 저수지는 발전실과 방수로보다 높게 설계되는데 이는 수차에 손상을 가하는 캐비테이션(Cavitation) 현상을 줄이기 위함이다(Frank and Jonah, 2011). 하부 저수지는 밀폐된 지하공간에 위치하기 때문에 환기갱(Air Duct)을 마련하여 수위 상승에 의한 갱내 공기의 압축을 해소할 필요가 있다(Kitsikoudis et al., 2020). 이는 갱내 공기의 압축이 UPHES의 저장효율을 감소시키고, 암반 안정성에 위험을 초래할 수 있기 때문이다(Menéndez et al., 2019). 다만, 일부 연구에 따르면 계절에 따라 환기갱으로 유입된 차가운 공기가 지하 저수지 내 결로 현상을 유발하여 기계·전기 설비에 문제가 될 수 있기 때문에, 환기갱의 필요성에 관해선 추가적인 논의가 필요하다(Pikl et al., 2019). 지하 발전실의 기계·전기 설비는 갱구 크기보다 작고 운반이 용이해야 하며, 갱내의 높은 온도와 습도에 대한 대비가 필요하다(Winde et al., 2017a). 이러한 기계·전기 설비의 마련이 어려울 경우, 일부 기계·전기 설비를 지상 구조물에 설치하는 것을 고려할 수도 있다.
UPHES는 상부 저수지의 설치 위치에 따라 Semi-UPHES와 Fully-UPHES로 구분할 수 있다(Chen et al., 2023). Fig. 2(a)에서, Semi-UPHES는 지상에 상부 저수지가 있는 UPHES이며, 산 위에 상부 저수지를 설치하여 기존의 수갱 높이보다 큰 낙차를 설계하거나, 광산 활동에 따른 지반 침하지를 상부 저수지로 활용하여 공사비를 절감하는 설계도 고려할 수 있다(Yang et al., 2023). 기존 양수발전소의 지하를 굴착해 상부 저수지를 공유하는 새로운 하부 저수지를 건설해 설비용량을 증설하는 경우도 Semi-UPHES로 구분할 수 있으며, 오스트리아의 Nassfeld UPHES와 추후 지하 저수지의 건설이 예정된 독일의 Rudolf-Fettweis UPHES가 대표적이다. 상부 저수지와 하부 저수지가 모두 지하에 위치하는 경우는 Fully-UPHES로 구분한다(Fig. 2b). Fully-UPHES의 경우, 실현된 사례가 아직 없다.
UPHES의 에너지 저장용량은 물의 낙차와 저수량, 터빈의 효율에 따라 식 (1)을 통해 계산할 수 있다(Madlener and Specht, 2013).
이때, 는 에너지 저장용량[J]이고, 는 터빈의 효율, 는 저수량[m3], 는 물의 밀도[kg/m3], 는 중력 가속도[m/sec2], 는 낙차[m]이다. 1회 양수-방류 주기를 고려할 경우, 식 (2)을 통해 물의 이동에 의해 감소할 1회 양수-발전 주기의 효율을 반영한다(Madlener and Specht, 2013).
이때, ηfull-cycle은 1회전의 전체 효율, ηpump는 양수 펌프의 효율, ηpipelines는 관로에서 효율이다. 양수-발전 주기에 따른 효율은 주간 또는 연간 등 특정 기간 사이 저장가능한 에너지 저장용량을 평가할 때 사용한다. UPHES의 경우, 이동하는 저수의 성분이 암반과 상호작용으로 화학적으로 변화하여, 설비의 부식이 기존의 PHES에 비해 빠를 것으로 예상되기 때문에, 설비 교체 주기의 증가에 따른 가동 가능 일수의 단축을 효율 계산에 함께 고려할 수도 있다(Chen et al., 2023).
2.2 지하 양수발전의 장점과 고려사항
UPHES는 최소 하나 이상의 저수지가 지하에 위치하기 때문에 PHES 보다 지표 점유 면적이 좁고, 이에 따라 공사 및 수몰로 인한 환경 파괴 문제가 적다(Beck and Schmidt, 2011). 이러한 장점은 PHES의 부지 선정 과정에서 지형적 제약을 해소하고, 주민 수용성 문제의 축소로 이어진다(Winde, 2023). 또한, PHES의 저수지는 증발로 인해 에너지 손실이 발생하는데(Mihai et al., 2024), 저수지의 지하화를 통해 에너지 손실도 줄일 수 있다(Tiwari et al., 2021, Yang et al., 2023). 폐광에 적용된 UPHES는 기계 설비의 수명 증대를 위해 광산 배수를 중화해서 사용하고, 갱도에 방수 공사를 하는 것이 고려되는데 이러한 방안은 광산 배수로 인한 수자원 오염과 지하수 교란을 예방할 수 있다.
광산에 UPHES를 적용할 경우, 다음과 같은 사항들이 고려되어야 한다. 첫째, 지질학적으로 장기적 암반 안정성이 보장되어야 한다. 양수-방류 주기에 따른 내수압(정수압+수격압(Water Hammer Pressure))이나 공기압, 지진에 의한 충격 등 동적 충격에 대해 지하공간은 안정해야 한다. 특히 높은 낙차로 방류된 고속의 물은 고르지 못한 갱도와 만나 와류(Eddy Flow)를 발생시켜 강한 수격압을 발생시키므로 이에 대한 고려가 필요하다(Lyu et al., 2022).
둘째, 수리적으로 암반의 방수성이 보장되어야 한다. 암반으로부터 지하수 유입이나 저수의 유출은 UPHES 시스템의 효율성을 감소시키고, 암반 내 수계를 교란하여 안정성을 감소시킨다(Xue et al., 2022). 광산 배수의 산성 성분은 기계설비를 부식시키고, 부식되어 발생한 고형물은 다시 기계 설비를 마모해 새로운 부식을 촉진하기 때문에, 저수의 산성도 관리는 UPHES에서 중요하게 다루어져야 한다(Lyu et al., 2022).
셋째, 공간적으로 광산의 UPHES는 전력 수요처 및 공급원, 상부 저수지와 가까운 위치에 있는 것이 좋으며(Pikl et al., 2019), 광산 내부에 장비의 이동 및 설비 접근을 위한 공간, 전력 설비를 위한 공간, 냉난방 및 환기 설비를 위한 공간이 보장되어야 한다(Alexander et al., 2021). 이와 같은 지질학적, 수리학적, 공간적 조건을 만족하는 광산은 주로 가행 광산이거나 최근에 폐광한 광산일 가능성이 높기 때문에, UPHES는 가행 광산의 운영을 방해하거나 미래의 채광 가능성을 저해하지 않도록 조성되어야 한다(Alexander et al., 2021).
넷째, 지하 공간 내 에너지 시설 도입을 위한 법적 허가 및 규제 차원에서 검토가 필요하다. 광산과 에너지 시설의 연립이 가능한지, 광산에 적용되는 법적 허가 및 규제와 에너지 시설에 적용되는 것이 서로 충돌하진 않는지를 비롯해, 광산에 대한 권리 소유자와 UPHES 운영자 사이 권리 및 책임 문제 등 포괄적인 법리적 검토가 필요하다(Alexander et al., 2021).
3. 국가별 지하 양수발전 사례 및 연구
UPHES는 오스트리아, 독일, 스페인, 벨기에, 미국, 중국, 남아프리카 공화국 등의 국가에서 활발히 연구가 되고 있고, 오스트리아와 독일에 건설 사례가 존재한다. 세계적으로 연구된 UPHES 타당성 평가 연구 중 구체적인 시설 규모와 저장용량이 평가된 사례를 Table 1에 정리하였다.
Table 1.
Specifications and energy storage capacity of UPHES under consideration for commercialization
|
Project site (Country) |
Lower reservoir tunnel size | Lower reservoir volume |
Water head |
Storage capacity | Reference | |
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Nassfeld (Austria) |
Cross section: 7.5×14.6 m2 Length : 1,950 m | 2,894,044 m3 | 317 m | 5,000 MWh | Seiwald and Tschernutter, 2009 | |
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Moriah (United State) |
Cross section: 11×7.3 m2 Length: 35,400,000 m | 160,000 m3 | 900.9 m | NA | Strang, 2017 | |
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Grund (Germany) |
Cross section: 5×7.5 m2 Length : 1,950 m | 250,000 m3 | 750 m | 400 MWh | Beck et al., 2011 | |
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Prosper-haniel (Germany) |
Cross section: 20~28 m2 Length : 26,000 m | 200,000 m3 | 932 m | 820 MWh | Kaiser et al., 2018 Montero et al., 2013 | |
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Rudolf-Fettweis (Germany) |
Main tunnel |
Cross section: 5×7.5 m2 Length : 946 m | 450,000 m3 | 350 m, 150 m |
NA (68 MW) | Stech et al., 2022 EnBW, 2025 |
| Long branch tunnel |
Cross section: 5×7.5 m2 Length : 340 m | |||||
| Short branch tunnel |
Cross section: 5×7.5 m2 Length : 210 m | |||||
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Martelange (Belgium) | Gallery 1 |
Floor section : 15×45 m2 Height : 110 m | 550,000 m3 | 150 m | NA | Kitsikoudis et al., 2020 |
| Gallery 2 |
Floor section : 15×45 m2 Height : 105 m | |||||
| Gallery 3 |
Floor section : 15×45 m2 Height : 100 m | |||||
| Gallery 4 |
Floor section : 15×45 m2 Height : 95 m | |||||
| Gallery 5 |
Floor section : 15×45 m2 Height : 90 m | |||||
| Gallery 6 |
Floor section : 15×45 m2 Height : 85 m | |||||
| Gallery 7 |
Floor section : 15×45 m2 Height : 80 m | |||||
| Gallery 8 |
Floor section : 15×45 m2 Height : 75 m | |||||
| Gallery 9 |
Floor section : 15×45 m2 Height : 70 m | |||||
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Shidangshan (China) |
Cross section: 490 m2 Length : 1,140 m 16 tunnel | 9,000,000 m3 | 339 m |
NA (1,200 MW) | Seetao, 2023 Zhao et al., 2025 | |
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Driefontein (South Africa) | Drift |
Cross section: 5×3 m2 Length : 10,000 m | 1,000,000 m3 | 2,500 m | 6,800 MWh | Winde et al., 2017b |
| Cross-cut |
Cross section: 3×3 m2 Length : 500 m | |||||
| Cross-cut to shaft | Cross section: 3×3 m2 Length : 1,000 m | |||||
3.1 유럽
오스트리아는 기술적, 환경적, 제도적 제약에 따라 지표면에 저수지를 조성하기 어려워짐에 따라 2007년 Nassfeld PHES의 부지 지하 암반을 굴착해 지하 저수지를 조성함으로써 UPHES로 전환하였다. 터널의 단면적은 7.5×14.6 m2, 길이는 1,950 m로 총 170,000 m3의 물을 저수할 수 있는 지하 저수지를 추가하였고, 이를 통해 5,000 MWh의 전력용량을 증설하였다(Seiwald and Tschernutter, 2009).
독일의 Niedersachsen 주 에너지연구센터(Energie-Forschungszentrum Nidersachsen, EFZN)에선 탄광을 활용한 UPHES를 2019년까지 완공하는 프로젝트를 수행하였다(Beck and Schmidt, 2011). 프로젝트는 유망한 광산 2곳(Grund, Pöhla) 을 대상으로 광산공학, 지질공학, 기계공학, 전기공학, 환경공학과 사회제도 차원에서 포괄적인 평가를 수행하였고, 이 중 더 유망한 것으로 판단된 Grund 광산에 UPHES를 적용할 경우 기존의 수평갱도를 단면적 5×7.5 m2의 가지 터널(Branch Tunnel)을 15 m 간격으로 굴착하여 240,000~260,000 m3의 저수를 저장할 것을 가정하였고, 700 m의 낙차를 활용해 100 MW의 설비용량을 가질 것으로 평가하였다. 프로젝트에서 고려한 상·하부 저수지가 모두 지하에 있는 UPHES는 당시 기술 수준으로는 경제성 확보가 어려울 것으로 평가되었으나, 상부 저수지가 지상에 조성되면 경제성 확보가 가능할 것으로 평가되었다. 그러나 평가 대상이었던 광산의 주변이 보호 구역으로 지정되어 있고, 이용수로 사용할 수원이 주변에 부재했으며, UPHES에 대한 주민 수용성에 불확실성이 있어 이 프로젝트는 실현되진 못하였다.
독일 내 2곳의 대학과 1곳의 연구소, 1곳의 광산회사, 1곳의 기술회사는 Partners Group을 조직하여 광산회사 RAG AG가 소유하고 있는 폐탄광 7곳에 대한 UPHES 타당성 조사를 수행하였고, 이 중 Prospel-haniel 광산이 UPHES 시설로 전환할 타당성이 높은 것으로 평가하였다. 이곳은 길이 26 km의 갱도를 하부 저수지로 사용하고, 932 m의 낙차를 활용해 약 820 MWh의 전력용량 확보가 가능할 것으로 평가되었다(Kaiser et al., 2018).
독일의 전력회사 EnBW (Energie Baden-Württemberg AG)는 Northern Black Forest의 Forbach에 위치한 양수발전소 Rudolf-Fettweis Plant의 설비 노후화에 따른 현대화 과정에서 신규 하부 저수지를 지하에 조성하여 설비용량을 증설하는 사업에 착수하였다(EnBW, 2025). Rudolf-Fettweis Plant에 굴착될 신규 지하 시설은 Fig. 3과 같다. Fig. 3에서, 2개의 신규 발전소 터널과 1개의 신규 하부 저수지 터널이 굴착될 예정이며, 이때 하부 저수지 터널은 단면적 5×7.5 m2, 길이 946 m의 주 터널(Main Tunnel)과 340 m 길이의 가지 터널 4개, 210 m 길이의 가지 터널 2개로 구성된다(Stech et al., 2022). 이 공사를 통해 68 MW의 설비용량을 증설할 수 있고, 최대 7시간의 방전시간을 가질 것으로 예상된다(EnBW, 2025).
Fig. 3.
Conceptual drawing of new power plant and underground reservoir in Rudolf-Fettweis PHES (EnBW, 2025)
스페인에서는 Asturian Central Coal Basin 지역의 폐탄광 중 침수되지 않은 광산을 대상으로 UPHES 적용 타당성을 평가하는 9개 프로젝트가 수행되었다(Menéndez et al., 2017). 그중 하나의 경우, 단면적 30 m2, 길이 5,700 m의 갱도를 하부 저수지로 사용하여 170,000 m3의 저수를 사용하고, 300 m의 낙차를 활용해 141 MWh의 전력용량 저장이 가능할 것으로 추정하였다(Menéndez et al., 2017).
벨기에에서는 Martelange 슬레이트 광산을 대상으로 UPHES 적용 연구가 수행 중이다. 이 광산에 적용될 UPHES는 Fig. 4와 같다. Fig. 4에서 하부 저수지는 높이가 각각 110 m, 105 m, 100 m, 95 m, 90 m, 85 m, 80 m, 75 m, 70 m인 9개의 공동에 해당하고, 수갱을 통해 상부의 물을 하부 저수지로 전달한다. 이곳에 UPHES가 적용될 경우, 낙차는 150 m, 하부 저수지의 저수량은 550,000 m3일 것으로 예상된다(Kitsikoudis et al., 2020).
3.2 미국
미국의 사례 중, 2017년 수력발전 회사 Moriah Hydro Corporation은 Minveille의 폐철광을 260 MW 규모의 UPHES로 전환하고자 연구를 진행한 사례가 있다(Strang, 2017). 하부 저수지로 활용될 수평갱도의 설계도상 단면적은 11×7.3 m2, 길이는 35,400 km, 깊이는 해수면 아래 328~474 m에 위치한다. 이에 따른 저수량은 2,894,044 m3이고, 상부 저수지는 상부의 갱도를 활용하여 900.9 m의 낙차를 가진다. 2.4 MW의 터빈 100대의 사용을 가정할 경우, 이곳에 적용된 UPHES는 연간 421 GWh의 전력 저장이 가능할 것으로 예상된다.
또한, Maine 주 Wiscasset의 부지에 대해 미국의 에너지 기업 Riverbank 사는 지하 600 m 아래 1,000 MW의 양수 발전이 가능할 것으로 평가하였다(Hydro-Review-Content-Directors, 2009). 이에 따라, 에너지 기업 AECOM Engineering 사와 전력 기업의 협력을 통해 Wiscasset에 대한 UPHES 적용성이 연구되었다(Turgeon et al., 2011).
Bibeault and Zigich(2020)은 New Mexico 주의 San Juan 탄광을 대상으로 UPHES를 적용할 때 타당성을 평가하는 연구를 수행하였다. 6×6 m2의 단면적과 연장 4.8 km의 운반 갱도 3개를 하부 저수지로 활용할 때, 150 MWh의 저장용량이 평가되었으나 사업화 가능성이 연구되진 않았다.
3.3 중국
중국의 주요 석탄 생산지인 북부와 중서부 지역도 건조한 기후로 인해 저수지의 증발 손실이 심하여, CMUR (Coal Mine Underground Reservoir) 프로젝트를 통해 폐탄광을 지하 저수지로 활용하는 사업이 수행되어 현재 중국 내 지하 저수지는 32개로 총 31,000,000 m3의 물을 저장하고 있다(Zhang et al., 2021). 중국의 UPHES 연구는 지하 저수지 제원을 바탕으로 UPHES를 적용할 때 발생 가능한 시나리오를 평가하는 연구가 수행되고 있다. Fan et al.(2020)은 150 m의 낙차와 104,000 m3의 저수량을 가지는 지하 저수지에 UPHES를 적용하여 내몽골 지역 풍속 및 일사량 데이터를 바탕으로 한 재생에너지 생산량을 저장할 경우의 타당성을 평가하였다.
중국 내 폐광에 UPHES를 적용한 시나리오 연구도 수행되고 있다. 2022년에는 장쑤성의 Zhenjiang 시의 폐광산을 설비용량 1,200 MW의 Shidangshan UPHES로 전용하는 프로젝트가 승인되어 타당성 및 안정성 연구가 수행되고 있다(Qiao et al., 2024). 구리 광산을 이용한 Shidangshan UPHES의 하부 저수지는 지하 271 m와 300 m 사이에 위치하며, 너비 18 m, 높이 29 m의 단면과 1,140 m의 연장을 가진 16개의 터널로 계획되었다(Zhao et al., 2025). Shidangshan UPHES의 설비용량은 1,200 MW로 예상된다(Seetao, 2023). Lyu et al.(2022)는 Shitai 광산에 UPHES를 적용하는 사례 연구를 통해 저장용량, 상부 저수지, 낙차, 암반상태와 지하공간, 기계설비, 경제 및 사회적 측면에서 포괄적인 타당성 평가를 수행하였으며, Gao et al.(2022)는 Lingxin 광산에 UPHES를 적용할 때, 인근의 풍력 및 태양광 발전 자원과의 연계를 최적화하는 연구를 수행하였다. Cao et al.(2024)는 인근에 50 MW의 태양광 발전소 단지가 건설될 산둥성 Zaozhuang 시의 탄광을 대상으로 해당 탄광에 UPHES를 적용할 때 양수-방류 주기의 최적화 방안을 연구하였다.
3.4 남아프리카 공화국
남아프리카 공화국의 Mine Water Research Group은 2017년 Driefontein 금광산을 대상으로 UPHES 적용 연구를 수행하였다(Winde et al., 2017b). Fig. 5는 Driefontein 광산 중 UPHES로 사용될 갱도를 표기하여 UPHES의 구조를 표현한 것이다. 해당 광산은 지표면으로부터 돌로마이트층, 규암층 순의 지질을 가지고, UPHES를 적용하면 지상의 카르스트 지형에 고인 물 중 단층을 통해 이동해 상부 저수지용 갱도에 저장된 물을 이용수로 사용한다(Fig. 5(a)). 저장된 물은 Shaft 7을 통해 3,000 m 깊이의 하부 저수지에 방류해 전력을 생산하고 양수해 저장한다. 하부 저수지는 레벨 당 1개의 주 운반갱도(단면적 5×3 m2, 길이 10 km)와 광체와 연결하는 레벨 당 100개의 크로스 컷(단면적 3×3 m2, 길이 500 m), 수갱과 연결하는 광체 당 4개의 크로스 컷(단면적 5×3 m2, 길이 10 km)으로 구성되어 총 1,000,000 m3의 저수를 저장할 수 있다(Fig. 5(b)). 이곳에 UPHES가 적용될 경우 2,500 m의 낙차를 활용해 최대 6,800 MWh의 전력용량을 저장할 수 있을 것으로 평가된다. 이러한 연구와 더불어, 최근에는 Karst Hydro와 같은 지하 양수발전을 다루는 스타트업이 설립되어 남아프리카 공화국에서 UPHES의 사업화가 진행 중이다(Creamer, 2024).
4. 지하 양수발전 연구동향 조사
4.1 Scopus와 VOSviewer
UPHES의 최신 연구성과와 연구동향을 분석하기 위해 학술연구 데이터베이스 Scopus에서 UPHES와 지하 저수지에 관한 연구를 탐색하였다. Scopus는 Elsevier에서 2004년부터 제공하는 학술연구 데이터베이스 서비스로 최대 100,000만 개의 문서, 399,000권의 도서, 7,000곳의 출판사, 94,000곳의 기관 프로필에서 서지 정보를 검색할 수 있다(Elsevier, 2025). 또한, 검색 결과 중 기간, 저자, 분야, 게재 형식, 핵심어, 국가 등 13가지 기준으로 검색 결과를 세분화하여 각 기준에 해당되는 연구성과를 파악할 수 있다.
Scopus에서 수집한 서지 정보에서 연구 동향을 파악하기 위해 VOSviewer를 사용하였다. VOSviewer는 입력 데이터 내 반복 출현하는 단어를 찾아 핵심어로 선정하고, 이들 간의 관계를 탐색하여 시각화 이미지를 제공하는 오픈소스 소프트웨어이다(Van Eck and Waltman, 2013). VOSviewer는 텍스트 마이닝(Text Mining) 기능을 통해 핵심어를 찾고, 핵심어 사이 네트워크 및 네트워크 간의 공통점을 클러스터(Cluster)로 구분한다(Van Eck and Waltman, 2011). 클러스터로 구분하는 과정은 Association Strength 유사도 계산법을 사용하여 동시출현단어 행렬을 바탕으로 유사도 수치를 계산하여 이루어지며, 분석결과는 시각화 이미지로 이용자에게 제공된다(Van Eck and Waltman, 2011). VOSviewer의 시각화 이미지에서 동시출현횟수(Occurrence)는 핵심어가 들어있는 원의 크기를 통해 해석할 수 있고, 핵심어 간의 연관관계(Link)는 연결선의 길이 또는 굵기를 통해 해석할 수 있다(Van Eck and Waltman, 2011). VOSviewer는 사용자의 요구에 따라 핵심어 외 국가, 언어, 연구자, 연구기관, 저자 간 관계, 출판 학술지, 인용 등을 주제로 다양한 관계도 탐색할 수 있다.
4.2 검색조건
Scopus에 사용한 검색식(Query string)은 Table 2와 같다. UPHES에서 가장 중요한 개념은 하부 저수지를 지하화하는 것이기 때문에, ‘지하 저수지(Underground Reservoir)’ 또는 ‘하부 저수지와 지하(Lower Reservoir and Underground)’를 양수발전을 의미하는 핵심어 ‘(Pumped Hydro or Pumped Storage)’와 함께 검색하였다. 연구기간은 2010년부터 2024년 사이 15년간으로 제한하였고, 형식은 Article, Conference Paper, Review로 제한하였다. 이러한 검색조건을 바탕으로 121개의 연구성과를 식별하였고 분석 대상으로 활용하였다.
Table 2.
Query string to search UPHES studies in Scopus
| Query string |
| ( TITLE-ABS-KEY ( “Underground reservoir” OR ( “Lower reservoir” AND “Underground” ) ) AND ( ALL ( “Pumped storage” OR “Pumped hydro” ) ) |
4.3 국가별 연구 현황
Scopus에 등재된 2010년부터 2024년 사이 UPHES를 대상으로 한 연구 121개 중 국가별 연구 수는 중국이 66편, 독일 19편, 스페인 18편, 벨기에 11편, 미국 11편, 캐나다 4편 등으로 조사되었다(Fig. 6). 영국, 노르웨이, 호주에선 3편의 연구가 발표되었고, 세르비아, 프랑스, 브라질, 오스트리아에서 2편의 연구가 발표되었다. UPHES 연구 성과가 10편 이상 발표된 국가 외 캐나다의 경우, 미국에서 수행된 Wiscasset의 UPHES 연구에 참여한 바 있고(Turgeon et al., 2011), 영국에선 에너지 기업 McWilliams Energy 사에 의해 지하 1,400 m에 6 GWh의 전력용량을 저장할 수 있는 UPHES 아이디어가 제안되어 사업이 수행되고 있다(Mcwilliams, 2019). 호주는 노천광산을 하부 저수지로 활용하는 연구와 함께(AGL, 2025), 일부 지하 광산을 하부 저수지로 활용하려는 연구가 수행된 바 있는 국가이다(Provis, 2019). 노르웨이, 프랑스 등은 독일, 벨기에, 스페인 등의 연구진과 함께 UPHES 타당성 연구를 수행한 바 있다(Madlener and Specht, 2013, Gombert et al., 2020).
4.4 지하 양수발전 연구동향 분석
Scopus에서 수집된 데이터를 VOSviewer에 입력하여 주요 동시출현단어와 이들 사이의 네트워크를 분석하였다(Fig. 7). 동시출현단어의 동시출현횟수 기준은 5회를 사용하였다. 식별된 1,400개의 핵심어 중 5회 이상 동시출현한 단어는 78개였다. 20회 이상 출현한 동시출현단어는 지하 저수지(Underground Reservoirs, 89회), 석탄광산(Coal Mines, 59회), 저수지(Reservoirs, 44회), 폐광산(Abandoned Mines, 42회), 지하수(Groundwater, 40회), 석탄(Coal, 33회), 에너지 저장(Energy Storage, 31회), 탄층 저장(Coal Storage, 26회), 수력발전(Hydroelectric Power, 26회), 양수발전(Pumped Storage, 26회), 양수발전소(Pumped Storage Power Plants, 21회) 순으로 나타났다.
네트워크 간 공통점을 기반으로 VOSviewer는 핵심어를 4개의 클러스터로 분류하였다. Cluster 1은 지하 저수지와 에너지저장, 폐광산, 수력발전, 양수발전 등의 핵심어를 중심으로 나타난 클러스터이다. 이 핵심어 외 클러스터를 구성하는 다른 핵심어와 함께 분석한 결과, 풍력발전(Wind Power), 신재생에너지(Variable Renewable Energies) 또는 소수력 발전(Small Scale Hydropower)과의 조합, 비용(Cost), 에너지 효율(Energy Efficiency) 또는 환경 영향성(Environmental Impact) 평가, 수치해석 모델링(Numerical Modeling)을 통한 연구 등을 통해 UPHES의 다양한 실현 가능성으로 현실화를 추진하는 연구 성과들이 Cluster 1을 구성한 것으로 나타났다.
Cluster 2는 지하수와 탄광, 지하 저수지와 탄층 저장 등의 핵심어를 중심으로 구성된 클러스터로, 탄층을 활용한 지하 저수지 연구 분야에 해당한다. Cluster 2의 핵심어는 지하수(Groundwater), 탄광(Coal Mine), 석탄(Coal), 석탄 채굴(Coal mining), 탄층 저장(Coal Storage), 지하 저수지(Underground Reservoir), 저수지(Reservoir), 광업(Mining), 중국(China) 등으로 나타났다.
Cluster 3는 양수발전 시설(Pumped Storage Power Plants, Pumped Storage Power Station), 저수지(Reservoir (water)), 폐광산(Abandoned Mine), 지하수 유동(Groundwater Flow), 지표수(Surface Waters), 침투(Seepage), 수치해석적 방법(Numerical Methods), 수치해석 모델(Numerical Model), 컴퓨터 시뮬레이션(Computer Simulation), 신재생에너지(Renewable Energies)로 구성된 클러스터로, 양수발전 설비 내 유체 유동에 관한 수치해석적 연구에 해당한다.
Cluster 4는 수리지질(Hydrogeology), 지하수(Groundwater), 지하수 자원(Groundwater Resources), 대수층(Aquifer), 물 공급(Water supply), 시뮬레이션(Simulation), 에너지(Energy)로 구성된 클러스터로 UPHES의 지하 저수지와 암반, 대수층 사이 수리지질적 유체의 상호작용에 관한 연구로 구성된다.
4.5 지하 양수발전 모델링 연구동향 분석
UPHES는 지하공간을 대규모로 개발하여 이용하는 설비이므로, 타당성 평가 단계에서부터 고도의 안정성 평가 및 운영 시나리오 평가가 필요하다(Kim and Lim, 2002). 따라서, 현재까지 수행된 UPHES 관련 수치해석적 모델링 연구 동향을 추가로 분석하여, 주요 평가 대상을 확인하고자 하였다. Table 2의 검색식에 전체 내용(All field)을 대상으로 ‘모델링(Modeling)’, ‘시뮬레이션(Simulation)’, ’수치해석(Numerical)’을 검색하는 조건을 추가하여 Scopus에서 모델링에 관한 UPHES 연구성과를 검색 하였으며, 86개의 연구성과를 식별하였다. 이를 활용한 VOSviewer 분석으로 1,100개의 핵심어와 55개의 5회 이상 동시출현단어, 3개의 클러스터를 획득하였다(Fig. 8).
Cluster 1에 해당하는 핵심어는 탄광, 탄층, 탄층 저장, 석탄 채굴, 광업, 지하광산, 저수지, 지하 저수지, 물 저장(Water Storage), 댐(Dam), 석탄 광주(Coal Pillar), 광산수(Mine Waters), 광산침수(Mine Flooding), 지하공간(Underground Space), 수자원(Water Resources), 수질(Water Quality)로 탄광과 이를 활용한 지하 저수지에 관한 수치해석 모델링 연구 분야에 해당한다.
Cluster 2에 해당하는 핵심어는 지하 저수지, 폐광산, 에너지 저장, 수력, 수력발전, 수력발전 시설, 양수발전, 양수발전 시설, 전기에너지 저장, 지하 저장(Underground Storage), 저장시스템(Storage Systems), 압축공기(Compressed Air), 물의 유동(Flow of Water), 에너지 효율, 환경 영향성, 수치해석 모델링으로 폐광산을 활용한 양수발전 수행 시 물의 유동이나 에너지 효율 등이 수치해석적 방법을 통해 연구되는 것을 반영한다.
Cluster 3에 해당하는 핵심어는 양수발전 시설, 지하수, 저수지, 수치해석적 방법, 수치해석 모델, 시뮬레이션, 컴퓨터 시뮬레이션, 물 공급, 침투, 수위, 수리지질, 지표수 등으로 양수발전의 물에 관한 수치해석적 분석 연구를 반영하여, 암반 내 물의 유동과 이에 관한 수리지질 측면의 수치해석 모델링 연구가 주로 수행되는 것으로 나타났다.
4.6 지하 양수발전 모델링 연구 사례
클러스터로 나타난 각 모델링 주제에 해당하는 연구 사례와 사용된 모델링 프로그램을 Table 3에 정리하였다.
Table 3.
UPHES modeling studies and modeling tools
| Modeling target | Software | Detail | Reference |
|
Underground tunnel stability | FLAC3D | Rock stability in underground lower reservoir corner sections | Beck et al., 2011 |
| Rock stability in underground lower reservoir tunnel | Menéndez et al., 2020c | ||
| Effect of air pressure on underground lower reservoir stability and Expansion of the EDZ around the underground powerhouse | Menéndez et al., 2019 | ||
| PHAST-PHREEQC-HST3D | Hydraulic-Mechanical-Chemical stability in underground lower reservoir | Pujades et al., 2018 | |
|
Lower reservoir fluid flow | ANSYS | Water velocity distribution in Underground lower reservoir | Beck et al., 2011 |
| OpenFoam | Wave in Underground lower reservoir | Pummer and Schüttrumpf, 2018 | |
| ANSYS fluent | Assessment of reservoir behavior and energy storage potential during filling and draining cycles | Menéndez et al., 2019 | |
| Effect of ventilation shaft and air pressure on UPHES system efficiency | Menéndez et al., 2020a | ||
| Air pressure and velocities distribution in ventilation shaft of UPHES | Menéndez and Loredo, 2020 | ||
| WOLF | Changes in underground reservoir water level according to UPHES operation scenario | Kitsikoudis et al., 2020 | |
| Solidworks | Water velocity distribution in Underground lower reservoir | Zhou et al., 2023 | |
|
Interaction between lower reservoir and aquifer | SUFT3D | Parametric study on the influence between groundwater and underground reservoirs | Pujades et al., 2016 |
| Interaction between groundwater and underground reservoirs based on operating scenarios using actual electricity price curves | Pujades et al., 2020 | ||
| COMSOL | Water loss from upper reservoir to lower reservoir by bedrock assuming that the underground reservoir is converted to a UPHES | Li et al., 2020 | |
| Evaluation of hydraulic and mechanical stability of the underground reservoir at Shidangshan UPHES and effectiveness of anti-seepage strengthening | Qiao et al., 2024 | ||
| Effects of water level and water pressure changes due to pumping and discharge cycles on surrounding rock | Zhao et al., 2025 |
Cluster 1에 해당하는 하부 저수지 암반 안정성 연구를 위해, 독일의 EFZN은 유한차분(Finite Difference Methods, FDM) 수치해석 프로그램 FLAC3D (Finite Lagrangian Analysis of Continua in 3D)를 이용해 Grund 광산을 UPHES로 전환할 때 지하 저수지의 모서리 구간에서 암반 안정성을 연구하였다(Beck and Schmidt, 2011). Menéndez et al.(2019)은 스페인의 Asturian Central Coal Basin의 폐광산을 대상으로 FLAC3D를 이용해 지하 발전실 주변의 변위 및 굴착손상대(Excavation Damaged Zone, EDZ)의 확장 그리고 공기압에 의한 지하 저수지 주변의 EDZ 확장을 연구하였고, 지하 저수지 주변 암반에 록볼트를 통한 보강의 효과도 연구하였다(Menéndez et al., 2020c). Pujades et al.(2018)은 지하 저수지의 암반 내 황철석과 석회석이 상부 저수지에서 대기와 접촉한 물과 만나 발생하는 화학적 상호작용과 용질의 이동, 그리고 그것이 암반 안정성에 끼치는 영향을 3개의 프로그램(PHAST, PHREEQC, HST3D)을 조합하여 연구하였다. PHAST로 용질의 수송을 모사한 후, PHREEQC을 활용해 모델 내 발생하는 화학반응을 반영하였으며, HST3D를 통해 3차원 공간에서 지하수 유동과 열, 용질의 전달을 평가하였다(Parkhurst and Kipp, 2002, Kipp, 1997).
Cluster 2에 해당하는 유체의 유동 연구로 양수-방류 주기에 따른 물의 수위, 수압, 유속, 파도 또는 공기압과 공기 유속 변화 효과가 주로 연구되었다. 독일의 EFZN은 상용 전산 유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램 ANSYS를 이용해 Grund 광산에 UPHES를 적용할 때 지하 저수지 내 유체 유동을 연구하였다(Beck and Schmidt, 2011). Pummer and Schüttrumpf(2018)은 주 수로터널과 가지터널을 CFD 프로그램 OpenFoam으로 모델링하여 저수지 내 유체유동과 파도를 연구하였고. Zhou et al.(2023)은 중국의 Longdong 광산에 UPHES를 적용하는 것을 가정하여, SolidWorks를 이용해 굴곡진 갱도에서 물의 유속 변화를 연구하였다. Menéndez and Loredo(2020)는 CFD 프로그램 ANSYS fluent를 이용해 UPHES의 환기갱 내 공기압 및 유속 분포를 연구하였고, 환기갱의 크기에 따른 공기압이 UPHES의 시스템 효율에 미치는 영향도 연구하였다(Menéndez et al., 2020a). 벨기에의 Martelange 광산을 대상으로 한 UPHES 연구는 유한체적(Finite Volume Method, FVM) 프로그램 WOLF를 사용하여, 상부 저수지와 지하 저수지의 수위 변화를 모델링하였다(Kitsikoudis et al., 2020).
Cluster 3에 해당하는 물과 암반의 상호작용 연구를 위해 Martelange 광산을 대상으로 한 연구들은 유한요소(Finite Element Method, FEM) 수치해석 프로그램 SUFT3D (Saturated Unsaturated Flow and Transport in 3D)를 이용해 광산에 UPHES를 적용할 때 지하 저수지 특성 인자(암반의 유체투과율, 지하수량, 저수량, 라이닝 두께, 경계조건, 양수-방류 주기)들을 변화시켜 14개의 시나리오를 설정해 지하 저수지와 암반 대수층 사이 상호작용을 연구하였고, 이후 실제 전기가격 곡선을 바탕으로 한 운영시나리오에 따라서 저수지와 암반의 상호작용을 연구하기도 하였다(Pujades et al., 2016, Pujades et al., 2020). 지하 저수지로 활용되고 있는 중국의 Daliu Tower 광산을 대상으로 한 연구에서는 FEM 프로그램 COMSOL을 이용해 상부 저수지에서 하부 저수지로 이동하는 물 중 수로가 아닌 암반을 통해 이동하는 물 손실을 평가하는 연구를 수행하였다(Li et al., 2020). 중국의 장쑤성에서 폐광한 구리 광산을 UPHES로 전환하는 Shidangshan 양수발전소 조성 프로젝트에 관하여 Qiao et al.(2024)는 COMSOL을 활용해 지하 저수지 굴착 후 주변 암반의 응력, 변위, 물의 유동을 모델링한 후, 양수-방류 주기에 따른 수리-역학적 안정성 평가, 차수 처리의 효과 평가를 수행하였고, Zhao et al.(2025)는 COMSOL Multiphysics를 활용하여 유사한 연구를 수행하여 UPHES 운영 중 양수-방류 주기에 따른 수위 및 수압이 지하수위 변화에 끼치는 영향을 모델링하여 변형률 연화 효과가 소성영역 확대에 기여할 수 있다는 것을 확인하였다.
5. 지하 양수발전의 국내 적용성
향후 제11차 전력수급계획에 따른 무탄소발전원 확대 전망에 따르면 23 GW의 추가적인 ESS가 필요하다(KPX, 2025). 23 GW의 ESS 수요 중, 신규 PHES 설비가 9개소(영동, 홍천, 포천, 합천, 영양, 금산, 곡성, 봉화, 구례) 2030년부터 순차적으로 도입되어 5.7 GW의 설비용량을 충족할 전망이고, 배터리 ESS 설비는 2025년부터 도입되어 68 MW의 설비용량을 충족할 전망이다. 잔여한 ESS 수요는 양수발전으로 1.25 GW, 기타 저장장치로 2.22 GW를 충족할 계획이다. 따라서, 광산을 사용하여 UPHES를 적용하거나, 기존 PHES의 상부 저수지를 공유하는 지하 저수지를 건설해 UPHES를 적용한다면 잔여한 ESS 설비용량 수요를 충족할 수 있을 것이다.
광산에 UPHES를 적용하는 경우, 물이 이동할 수 있는 수갱과 지하 저수지와 발전실이 조성될 충분한 공간, 지하 암반조건이 양호해야 한다(Chen et al., 2023). 폐광 및 가행 광산을 포함한 국내 광산 중, UPHES를 적용할 수 있을 수갱을 가지는 광산을 조사한 결과 22곳의 광산에 56개의 수갱이 있는 것으로 조사되었으며, 이중 석탄광은 12곳, 금속광은 10곳이었다(Lee et al., 2025). 물이 이동할 관로의 직경은 방류속도 및 방전시간에 관여하고, 고낙차에 의한 수압을 견딜 수 있도록 관체가 두꺼워지기 때문에, 직경이 2.4~3.05 m의 환기용 수갱은 물의 이동로로 활용하기 어려울 수 있다(Winde et al., 2017a). 이러한 환기용 수갱을 제외하면, 석탄광은 삼척탄광, 강원탄광, 함태탄광, 동원탄광, 장성광업소로 5곳, 금속광은 통영광산, 가곡광산(제2 연화광산), 가족광산, 연화광산, 장군광산(금호광산), 무극광산, 양양철광, 한덕철광으로 8곳으로 총 13 곳의 광산이 UPHES를 적용할 수 있는 후보 광산이 될 수 있다(Table 4). 후보 광산 중 수갱의 단면적에 관한 정보가 부재한 경우, 일반적 추정치 4 m로 기입하였고, 사각형의 단면을 가진 양양철광 제2 수갱의 경우 가로 너비와 세로 너비를 각각 기입하였다. 낙차를 결정하는 수갱의 유무 및 제원과 함께 이용 가능한 저수량을 결정하는 갱도 용적도 UPHES의 적용성 평가에서 중요한 요소로 고려되나, 수갱을 운영했던 대형 광산의 광산보안도 자료가 일부 소실되어 얻을 수 있는 정보가 제한적이다(KIGAM, 2022). 다만, 갱도 규격 및 제원에 관한 연구에 따르면, 국내 석탄광의 경우, 갱도 단면적은 넓으나(0.7×0.7~4.6×3.05 m2), 갱도 주변 암반에 많은 절리가 발달해 있고 갱내수 유입에 따라 하부 갱도가 거의 침수된 상태이기 때문에 폐갱도 활용을 위한 개발 난이도가 높을 것으로 예상된다(Shin, 2001). 또한, 국내 금속광은 암반이 견고한 편이지만 갱도 단면적이 작아(2.0×2.0 m2 내외)(Kim et al., 2009), UPHES 적용 시 저장 가능한 저수량이 상대적으로 적을 수 있기 때문에 갱도 용적을 고려한 저수량 설계가 중요할 것으로 사료된다.
오스트리아와 독일의 사례와 같이 노후된 기존 PHES의 현대화 과정에서 지하 저수지를 추가하여 설비용량을 증설하고 UPHES로 활용하는 방안도 국내에 적용할 수 있을 것으로 사료된다. 한국수력원자력은 통상적인 수력발전소의 수명을 발전소의 기계·전기 설비의 수명에 따라 40년으로 설정하나, 양수발전소의 경우 잦은 양수-방류 주기로 인한 부품의 노후화가 더 빠르다. 따라서, 미국의 EPRI (Electric Power Research Institute)에서 경제수명과 가동시간, 제작사의 권고수명을 근거로 설정한 기준수명에 따라, 양수발전소의 수명을 30년으로 본다(Lee, 2018). 2025년 기준 국내 양수발전소 7곳 중 수명이 30년을 초과한 양수발전소는 청평, 삼랑진, 무주 양수발전소로 3곳이고, 권고수명에 곧 도달하는 양수발전소는 산청 양수발전소이다(KHNP, 2025). 이들 중, 현대화 사업이 수행된 삼랑진 양수발전소를 제외하면 3곳의 양수발전소를 UPHES 적용 후보로 고려할 수 있다. 지하 저수지로 전환한 오스트리아의 Nassfeld PHES의 경우 편마암 지반으로 암반 상태가 양호하여 무지보 터널을 굴착해 이용할 수 있었다(Seiwald and Tschernutter, 2009). 국내 30년 이상 연식의 양수발전소 3곳의 지하 암반은 편마암과 일부 화성암으로 구성되며 수치해석적 지하공동 안정성 해석에 따른 천단 및 내공 변위, 이완대 예측 결과가 양호한 것으로 연구되어(Kim and Lim, 2002) 지하 저수지용 터널 조성이 가능할 것으로 사료되나, 추후 실제 하부 저수지 조성을 고려할 경우 암반의 수리-역학적 복합 거동을 비롯해 내수압, 지진, 지하수, 공기 등 여러 영향 인자에 대한 암반의 장기 공학적 안정성 평가, 경제성을 비롯한 인문·사회적 차원에서 타당성 평가가 선행되어야 할 것이다.
Table 4.
Candidate mines in Korea for UPHES with shaft specifications (modified from Lee et al., 2025)
6. 결 론
UPHES는 기존의 PHES가 가지고 있는 지형적, 환경적, 사회적 제약을 극복할 수 있고 폐광산을 활용 또는 노후 PHES의 현대화 중 설비 용량 증대 목적으로써 연구 및 적용 가치가 있는 것으로 평가된다. 세계적으로 UPHES 연구 동향은 광산(탄광)을 대상으로 지하 저수지 및 지하 발전소의 안정성과 터널 내 물과 공기의 이동, 저수와 지하수의 상호작용을 중심으로 수행되고 있으며, 각각의 연구 분야에 다양한 수치해석 모델링 소프트웨어를 활용한 모델링 연구가 수반되고 있는 것으로 확인되었다. 국내에 UPHES의 적용을 위해 폐광산 등 유휴 지하공간을 활용하는 방안에 대해 적용성을 검토한 결과, 국내 석탄광은 높은 낙차를 가진 광산이 많지만, 암반 및 지하수 조건이 불리할 것으로 예상되었고, 국내 금속광은 갱도 단면적이 작지만 일부 암반 조건이 유리한 광산에서 대해 적용성이 있을 것으로 사료되었다. 또한, 기존 양수발전소의 지하를 굴착하는 방안을 해외 사례와 국내 양수발전소 암반 안정성 해석 결과를 비교하며 검토한 결과, 암반 안정성 측면에서는 가능할 것으로 사료되었으나, 추가적인 안정성 평가 및 경제적, 지리적 측면에서의 검토가 필요할 것으로 예상되었다,
국내 UPHES의 도입을 위해 암반공학 분야에선, 적용성이 있는 광산 갱도의 용적과 종합적인 암반 안정성 평가가 필요할 것으로 나타났다. 갱도 용적은 지하 저수지의 저수량을 파악하는데 필요한 자료로 광산을 활용한 UPHES의 전력용량 평가와 편익 평가에 필요하기 때문이다. 또한, 기존 양수발전소 지하에 저수용 터널 굴착 가능성 및 효용 평가에 활용할 수 있도록 지하 양수발전소 주변 암반 물성과 단층, 지하수 상태 등에 대한 조사로 최신의 암반 자료를 획득해, 현재 암반 조건을 바탕으로 종합적인 안정성 평가가 필요할 것으로 보인다.
