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1. 개요
水力發電所 / Hydroelectric Power Plant, HPP강, 호수 등 저수가 갖고 있는 중력 퍼텐셜 에너지를 물레방아, 터빈[1] 등을 이용해 전기로 바꾸는 발전소. 즉 물의 낙수차를 이용하여 전기를 생산한다. 발전 단가가 가장 저렴한 발전이나, (방식에 따라) 위험 역시 대단히 커질 수 있다.
2. 에너지 수집
물의 낙차에너지를 사용하는 발전 방법은 대개 2가지가 있는데, 하나는 물에 대전된 전하를 특정 방향으로 집진하여 전기를 생산하는 것이고, 다른 하나는 떨어지는 물의 운동 에너지를 사용해 수차를 돌려 발전기를 구동하는 식이다. 당연히 후자의 방법이 가장 많이 쓰인다.이 외에 1990년대 KBS에서 방영한 다큐멘터리 중에 댐 건설로 고향을 떠나게 된 시골 노인 부부 이야기가 나온 적이 있는데, 노부부의 집에 할아버지가 만든 소규모 물레방아 수력 발전기가 방송에 나온 적이 있다. 말 그대로 집 근처의 물줄기에 물레방아랑 물레방아와 연결된 발전기를 놓고 전기를 자급자족하는 형태. 과학캠프 등에서 종종 모형으로 재현하기도 하는 형태지만, 규모가 규모다 보니 경제성은 낮다. 근래에는 캠핑족을 노린 핸드폰등을 충전하기 위한 휴대용의 소규모 수력발전기도 시장에 나오고 있다.
소형 수력 발전기 '블루 프리덤'영상
또다른 수력발전기 영상.
전기는 기본적으로 전자의 이동이라서 저장해놓고 쓸 수 있는 게 아니다. 생산과 동시에 소비할 수 있을 뿐이다. 물론 휴대전화 쓰듯이 화학 에너지로 저장하여 사용할 수도 있지만 예전에는 발전소에서 팍팍 쏟아지는 정도로 대량의 에너지를 저장할 수 있는 배터리 기술이 없었고, 배터리 수명 문제 때문에 수지타산이 전혀 맞지 않았다. 2000년대 들어서 신재생에너지 발전이 폭발적으로 늘어나면서, 남는 전기를 저장하는 방법에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 에너지 저장 체계(약칭 ESS) 라고 해서 가장 각광받고 있는 분야. 발전소의 경우에 출력을 함부로 낮췄다간 다시 복구하는데 시간이 오래 걸려 문제가 생길 있기 때문이다.[2] 그런데 밤에는 전기 사용량이 적어져서 남는 전기가 많이 생기므로, 수력발전소 댐의 물을 거꾸로 올리기도 한다. 이것을 양수식 수력발전소라고 해서 한국지리 시간에도 배운다. 청평 양수 수력발전소와 삼랑진 양수 수력발전소가 대표적인 사례이다.
이러한 발전소는 발전을 하는 하부 댐과 물을 끌어올려 저장하는 상부 댐으로 나뉘어 있다. 일종의 배터리라 볼 수 있는데, 화학식 배터리에 비해 저장 가능한 양이 매우 많으면서, 수력 발전소 효율이 최소 90%이며 최근엔 거의 95%정도이기 때문에 손실율도 적다는 장점이 있다. 단점이라면 거대한 시설이 필요하다는 점. 한편 물을 퍼서 저장하기 때문에 얻는 또 다른 이점은 유량이 적은 시기에도 일반 수력발전소보다 출력이 덜 줄어든다는 장점도 있다.
추가로 이러한 배터리 같은 특성 때문에 신재생에너지와 함께 사용되는 경우가 많다. 신재생에너지는 발전량이 불안정하다는 특징이 있기 때문에 수요에 맞게 공급하기 힘들 가능성이 높은데, 양수식 수력 발전소와 병행하여 일종의 거대 배터리를 겸용하는 시스템을 구축하면 이러한 문제를 해결할 수 있기 때문이다.
3. 물의 공급
4. 터빈 방식
유량, 낙차에 따라 최적의 수차 모양이 다르다.- 프란시스 수차
자동차 엔진의 터보차저 혹은 동글동글한 블로워의 드럼같이 생긴 터빈과 그 케이스를 통해 달팽이 모양처럼 동글동글한 수로를 만들며, 수차의 정 중앙으로 물이 빠져나오는 구조를 가진다. 초대형 발전 시스템에 많이 쓰인다.
- 카플란 수차
프로펠러 수차에 가변익을 설치해서 낙차에 따라 효율이 높아질 수 있도록 날개의 각도를 조정할 수 있는 수차.
위의 2개는 회전축이 수직으로 나온다. 단, 카플란 수차의 경우 강바닥에 깔 때를 대비해 수평으로도 만들 수 있다. 이러면 물의 진행이 꺾이지 않는다.
- 헬리컬 수차
사실 거의 안 쓴다. 오히려 풍력 발전에 많이 쓰는데..... 연안 발전 시스템을 설치할 때 이 방식을 사용한다. 이 터빈 하나만 서 있으면 작동이 되기 때문. 등대 부분의 연안발전기가 이 형식으로 되어있다.
- 펠톤 수차
일반적으로 집에 쓰는 수력발전시스템이나 유역 변경방식을 이용한 초고낙차 발전소에 많이 적용된다. 반 갈라진 컵이 여러개 붙은 형태로 된 수차인데, 고압의 물을 저 컵에 쏘아 돌리는 형식으로, 유량이 적지만 수압이 높을 때 쓰면 효율적이다. 반면 1번의 프란시스 수차는 저수압-대유량으로 승부를 본다. RPM이 아주 높다.
5. 유형
수력발전은 물의 낙차를 이용하는 것이므로 수력발전을 하려면 반드시 물이 내려가는 경사를 급하게 만들어야 한다. 그래서 아래와 같은 유형이 고안되었다.- 댐식
가장 기초적인 형태. 하천의 경사가 큰 구간에 댐을 설치하고 가둔 물을 떨어트려 그 낙차로 터빈을 돌린다.
- 수로식
감입곡류하천에서 쓸 수 있는 유형. 댐을 설치하고 그 지점보다 아래의 특정 지점까지 수로를 직선으로 이으면, 곡선으로 돌아가는 원래 하천보다 낙차가 더 증가하는데, 그 낙차로 터빈을 돌린다.
- 터널 및 유역변경식
경동지형에서 자주 쓰는 유형. 고지대에 댐을 설치하고 도수터널을 통해 산 너머의 경사가 급한 저지대로 떨어트려 그 낙차로 터빈을 돌린다. 수로식과의 차이점은, 수로식은 발전을 하고 나가는 물이 취수되었던 강으로 다시 유입되지만 유역변경식은 이름답게 취수된 강과 다른 수계로 흘러나간다. 한국지리 시간에는 동고서저 지형을 이용한 강릉수력발전소가 주로 언급되며, 섬진강 유역에서는 일제강점기 때부터 써먹었다. 대한민국 최고령 수력발전소인 보성강수력발전소도 이 유형. - 댐수로식
댐과 수로를 합한 유형. - 양수식
다른 발전소와 유기적으로 작동하여 손실되는 전기를 줄이는 방식. 잉여 전력을 이용해 저지대에서 고지대의 저수지로 물을 올려, 전력이 필요할 때 물을 내려보낸다. 즉, 다른 발전소와 연동되지 않는 양수식 발전소는 무의미하다. 양수 발전은 주로 원자력 발전과 태양광, 풍력 발전과 연계된다. 남는 전력을 이용해 물을 올리고, 전력 수요가 가장 많은 시간대에 물을 내린다. 한국수력원자력에서 운용하는 수력 발전소 대부분이 양수발전소다. 양수발전은 블랙 아웃시 다른 발전소들이 다시 발전을 할 수 있도록 하는 자체기동발전 기능도 있다.
6. 국내의 수력발전소
국내 최초의 수력발전소는 구한말 평안북도 운산군 운산금광의 부대시설로 설치된 운산수력발전소이다. 500kW급으로 당시에는 최첨단 대용량 발전소였다.#대한민국에서 현재 가동되는 수력발전소 중 가장 오래된 곳은 전라남도 보성군의 보성강수력발전소이다.[3] 1937년에 준공되어 현재 [age(1937-01-01)]년의 역사를 지닌 남한 최장수 발전소로, 규모가 작아 타 지역에는 잘 알려져 있지 않다. 각 웹 지도 위성사진에서도 발전소라고 가리는 거 없이 대놓고 보여주고, 한국지리 교과서에 있는 전국 수력발전소 발전량 지도에서도 존재조차 안 알려 준다. 섬진강의 지류인 보성강 유역과 바닷가는 고도차가 많이 난다. 탐진강, 벌교천, 순천동천 등 남해안에서 발원하는 근처 하천들이 남해로 바로 흘러가는 것과 달리 보성강은 내륙 방향인 북동쪽으로 흐르다가 곡성에서야 섬진강과 만나 남하한다. 곡성, 구례보다도 수계상 위가 되는 곳이라, 전체적으로 고도가 높지 않은 전남에서 보성강 유역과 바닷가의 고도차는 많이 난다 볼 수 있다. 이 발전소는 보성강 물을 막아서 그 물을 바다 쪽인 득량으로 보내 낙차를 얻어 발전을 하는 유역변경식 발전소로, 발전을 하고 배출되는 물은 득량만 간척지의 농업용수로 공급된다. 한편 득량만 간척지는 일제에 의해 1937년에 득량만 방조제가 완공되어 생긴 곳이다. 근데 너무 작아서(1990년대에 현대화 해서 용량 증설한게 4.5MW. 그전에는 3.12MW였다.) 그런지 한국지리 교과서에 있는 수력발전소 통계 지도에는 안 나온다.
가동 중지한 곳까지 포함하면, 보성강 이전에 운암발전소가 있었다. 보성강보다 6년 앞선 남한 최초의 유역변경식 수력발전소였고, 1931년부터 발전을 시작했다. 위치는 전라북도 정읍시 산외면 종산리에 있었다. 1927년 10월 섬진강에 운암댐을 완공한 후 종산리 쪽 도원천으로 이어지는 도수로를 만든 뒤, 거기에 발전소를 건설했다. 터빈은 2기가 설치되었고, 발전용량은 5.12MW였다. 이후 1965년 운암댐 하류 2km 지점에 더욱 커다란 섬진강댐이 들어서면서 운암댐이 물에 잠긴 이후에도 이 발전소는 가동되었으나, 1980년대 들어 노후화가 심각하여 1985년 2월 1일자로 사용이 중지되었다. 도수로는 철거되었지만 발전소 건물은 아직 남아있다.
- 소양강댐 수력발전소: 200MW
- 화천댐 수력발전소: 27MW×4 = 108MW
- 춘천댐 수력발전소: 31.14MW×2 = 62.28MW
- 의암댐 수력발전소: 24MW×2 = 48MW
- 청평댐 수력발전소: 19.8MW×2 + 40.5MW + 60MW = 140.1MW
- 횡성댐 수력발전소: 0.5MWx2 = 1MW
- 도암댐 수력발전소: 82MW
- 팔당댐 수력발전소: 30MW×4 = 120MW
- 충주댐 수력발전소: 412MW
- 대청댐 수력발전소: 90MW
- 괴산댐 수력발전소: 1.2MWx2 = 2.6MW
- 용담댐 수력발전소: 국가전략시설이다.[4]
- 섬진강댐 수력발전소: 34.8MW
- 주암댐 수력발전소: 22.5MW
- 상사댐 수력발전소: 25MW
- 안동댐 수력발전소: 90MW
- 임하댐 수력발전소: 50MW
- 남강댐 수력발전소: 7MWx2 = 14MW
- 합천댐 수력발전소: 50MWx2 + 1.2MW = 101.2MW
- 밀양댐 수력발전소: 1.3MW
- 추산수력발전소
댐식 발전소 외에도 청평, 삼랑진, 무주, 산청, 양양, 청송, 예천에 총 7개소의 양수발전소가 존재하며, 추후 영동, 홍천, 포천, 합천, 구례, 영양, 봉화, 곡성, 금산 등에 양수발전소가 신축될 예정이다. 1#2# 양수발전소는 한국수력원자력를 비롯해 한전 발전 자화사들이 관리한다.
7. 북한의 수력발전소
북한의 수풍댐 수력발전소는 건설 당시 한반도의 대부분 지역에 전기 공급이 가능했을 정도로 대규모다. 심지어 북한 국장(國章)에도 배경으로 들어가 있다.그리고 지금도 북한에서 가장 발전용량이 크다. 일제강점기 시절에 만들어졌는데, 워낙 규모가 커서 지금도 저걸 뛰어넘는 발전소가 없다. 현재 북한은 심각한 전력난을 겪고 있는데, 화석연료가 매우 부족해서[5] 나무를 태우는 지경이고, 다른 대체에너지는 기술도 자금도 없고 제작에 드는 희토류조차 캘 수 없는 형편이다. 중국에서 밀수한 태양전지 따위를 쓰기도 하지만 그 정도로 커버될 리 없다.
때문에 북한은 그만큼 수력발전에 집중적으로 투자하고 있는데, 특히 전력을 대규모로 송전할 수 없는 열악한 현실상, 군 단위에 중소규모 수력발전소를 짓는 데에 집중하여 2005년에 TO상 총 48만 3,000kW의 전력을 확보할 수 있는 수력발전소 6,800여개를 건설했지만, 가동이 제대로 되지 않는다.
- 수풍댐 수력발전소: 800MW
- 단천댐 수력발전소: 200MW 예상, 건설중이다.
- 서두수(3월 17일)댐 수력발전소: 51MW
- 태천댐 수력발전소: 총 40MW
- 운봉댐 수력발전소: 총 40MW
- 위원댐 수력발전소: 39MW
- 장진강댐 수력발전소: 34.7MW
- 허천강댐 수력발전소: 33.5MW
- 안변청년 1, 2호댐 수력발전소: 총 32.4MW
- 희천 1, 2호댐 수력발전소: 총 30MW
- 강계청년댐 수력발전소: 22.4MW
- 부전강댐 수력발전소: 20.4MW
- 태평만댐 수력발전소: 19MW
8. 발전소의 제어
여러가지 기능이 있지만,- 발전기 자동 메니지먼트 및 낙차와 유량에 따른 발전소 출력 제어 시스템
- 댐이나 보에 있는 발전소의 경유 해당 댐의 수위, 강우량, 상류에서 오는 유입량을 감시하는 시스템
- 자동 로그 수집 및 전력회사와 전력거래소에 정보를 송신하는 시스템
등이 있다.
9. 발전량 조절 순발력
수력 발전소는 다른 발전소에 비해 엄청난 전력제어 순발력을 자랑한다. (태양광이나 풍력과 같이 발전 시작을 제어할 수 없는 발전소 제외)- 수소전지발전소: 최대출력까지 1시간
- 화력발전소: 최대출력까지 4시간
- 원자력발전소: 최대출력까지 1일. 단, pulse를 사용해 원자로 출력을 초고속으로 상승시킬 경우.
- 수력발전소: 10초~1분
수력발전소는 닫혀있는 워터밸브를 열자마자 순식간에 발전기를 가동시킬 수 있다. 또한 제어 속도가 매우 빠르고 민첩하기 때문에, 전력 부하의 변동이 잦을 경우 수력발전소를 우선으로 워멕에서 지시를 내려 부하 보상을 하게 된다. 참고로 450MW치 부하가 10분에 걸쳐 증가할 경우 화력발전소의 출력이 따라가지 못해 주파수가 떨어지는 것을 한전KPS 보고서를 통해 볼 수 있다. 여름에 에어컨이 켜지는 시각은 대부분 9시 부근. 이때 출근이니까.
10. Cold Start
Cold Start(정전 시동)란, 기기가 외부에 아무런 동력 없이 스스로 작동하여 상태를 점검하고 발전을 할 수 있는 상태가 되는 것을 의미한다. 이것을 위해선 특별한 메커니즘이나 fail over가 요구된다. 그리고 수력 발전소는 타 발전소와 달리 단순한 매커니즘으로 cold start가 가능하다. 이는 발전소 제어시스템 가동을 위해 비상동력원이 필요하지만 수력발전소는 그런 비상 전원이 필요없다는 말이다. 화력 발전소의 경우 연료 펌프를 가동해야 하고, 이그나이터도 켜져야 하고, 송풍기도 작동해야 하고, 워터펌프도 돌아가야 하고 해야 할 게 많다. 원자력 발전소의 경우 제어봉 들어올리는 데 전기 필요하지, RRS 작동시키는 데 전기 필요하지, MEMS,DCS 켜는데 전기 필요하지, 모두 전기를 요구한다. 조력발전소도 마찬가지로 수문 개방을 하는데 전기가 필요하다. 특히나 여기 수문은 수중에 있어서 손대기도 힘들다.반대로 수력 발전소의 경우 만약에 비상발전기까지 망가져서 전기 공급이 없을 경우, 터빈실에 있는 밸브를 직접 손으로 개방하여 터빈을 돌릴 수 있고, 잔여자계에 의해 정상치보다 낮지만 발전 전압이 뜬다. 단, 수동개방에는 생각보다 오랜 시간이 걸린다. 약 4분 동안 계속 돌려야 1/10쯤 열릴까 말까. 그 순간부터 발전기의 AVR이 독자적으로 계자에 전원을 공급, 발전기가 정상 가동될 수 있다. 본래 상위 제어계통의 지시를 받아 작동되지만 Fail-Over 상황에서는 혼자 알아서 작동한다. 이후 시스템이 부팅되면 바로 시스템이 다음 발전기를 켜고 발전소가 가동되는 식으로 줄줄이 이어지게 된다.
혹시 만약에 대한민국에 문제가 생겨서 전기가 다 끊어진다면, 원자력 발전소보다 수력 발전소가 전력 복구에 유리하다.
11. 환경 문제
수력 발전소 역시 완전한 친환경 발전방식을 사용하는 건 아니다. 자연을 인위적으로 바꾼거라 생태계 파괴 문제를 상당수 안고 있다. 수몰에 의한 것뿐만이 아니라 고습도 환경 조성으로 인해 기후가 변하는 것. 이를 방지하기 위해 만드는 것이 댐식의 수력발전소가 아닌 소수력발전(Small hydro)/초소수력발전(Micro hydro)으로, 고낙차 저수량을 모토로 하여 1MW(소수력)/1000KW(초소수력) 이하의 발전용량을 가진 발전기를 전기가 필요한 곳곳에 설치, 환경에 끼치는 영향을 줄이고 필요한 만큼의 전력을 얻는 효과가 있다.베트남의 초소수력 발전소의 모습. 은색 깡통들 안에 수직 터빈과 발전기가 들어 있다. 일단 터빈만 어떻게든 돌아가면 연결된 발전기가 작동해 전기가 만들어지니 발전소는 맞다. 다만 이건 좀 극단적인 케이스고...
중국 후베이 성의 홍핑 수력 발전소(Hongping Power station). 보통은 이 정도의 시설은 갖추고 있다.
초소수력 발전소의 개념도.
그림자료들의 출처는 위키백과
기후변화로 인해 가뭄일수가 늘면서 수력 발전소의 발전량이 줄었고, 이는 부족한 전력 공급량을 메우기 위한 화석발전소의 추가 가동으로 이어졌다. #
수력발전과정에서 물 속에 녹아있는 온실가스인 이산화 탄소와 메테인 등을 뿜는다.##
12. 기타
- 물로 전기를 만들어내기 때문에 연중 강수량이 일정해야 하며, 투수성이 낮은 지반을 기준으로 물을 높은 위치에 저장할 수 있는 댐 등이 있어야 한다. 가령 겨울이 돼서 물이 얼거나 말라버리면 발전이 불가능해지는데 이 때문에 대한민국만 해도 수력발전은 보조적인 역할에 가까우며 대부분의 전력을 화력발전과 원자력 발전에 의지하는 형편이다.
이를 토대로 북한의 전력발전 사정을 보면 석탄도 석유도 모자라서 그나마 수력으로 간간히 버티는데, 겨울이 되면 그 쥐꼬리만한 발전량마저 확 줄어든다. 반면 연중 강수량이 일정 기준을 넘고, 한겨울이 물의 흐름이 정지될 정도로 꽁꽁 얼지 않는 국가나 지역에서는 가장 주된 발전 방식이기도 하다. 대표적인 예시가 노르웨이인데, 산유국임에도 내수용 전력의 절반 이상을 수력발전으로 충당한다. 이것은 노르웨이가 경제성장을 이룩할 수 있었던 이유이기도 하다. 또한 북이탈리아의 부유함도 초기 산업화를 수력기관(물레방아)가, 현대 산업화는 수력발전이 큰 기여를 했다. 동아시아에서도 쿠로시오 해류의 영향이 강한 일본의 수력발전이 가장 발달해 있으며 특히 호쿠리쿠 지방에서 수력발전소를 흔하게 볼 수 있다. 실제로도 호쿠리쿠전력이 커버하는 지역은 일본의 다른 전력회사가 커버하는 지역에 비해 전기요금이 매우 싼 편이다. 또한, 캐나다에서도 퀘벡은 2023년 기준 주 내 전력생산의 94%를 수력발전으로 충당하고 이를 뉴욕주에 판매하는 등 일찍부터 신재생에너지에 대한 대비가 철저한 편이다.
대한민국의 경우 대부분의 지역에서 연중 강우량 중 절반 이상이 6, 7, 8월에 집중되지만(하상계수가 1000배...), 산간 지방의 많은 식생들이 지반의 수분을 안정적으로 붙잡아주고, 각종 댐 시설이 잘 발달되어있어 수력발전에 큰 문제가 없다. 다만 '가능은 하다' 수준이지 건기와 우기가 뚜렷하고 겨울이면 얼고 해서 보조전력을 벗어나기는 요원.
- 수력 발전을 하는 댐이 터져버리면 초대형 재앙이 일어난다. 댐 하류쪽은 피해 규모 추산이 무의미할 정도로 완전히 쓸려가 버리고 지형까지 바꿔 버린다. 방사능만 없지 핵폭탄 직격을 얻어맞은 것보다 더 큰 피해가 난다. 물론 댐은 많이 튼튼해서 테러나 폭격 등에는 잘 버티는 편이다. 하지만 홍수가 난다든가 해서 댐의 꼭대기를 넘어 물이 넘치기 시작하면 그 물이 댐 자체나 댐 아래의 지반을 파괴해서 댐을 무너뜨릴 수 있다.
- 터보부스트(출력증강)라고 되어있는 것은 표준 출력이 아닌 최대 출력을 의미한다. 수력발전소는 여타 원자력, 화력 발전소에 비해 출력증강이 상당히 용이한데, 1) 터빈이 저속이고 2) 터빈의 블레이드가 물에 직접 닿으므로 출력증강시 과열 방지가 타 발전에 비해 훨씬 수월하여, 표준 출력의 2배 이상으로 찍어올려도 발전기 시설과 수차가 버텨 준다. 여담으로 청평댐의 경우 외부 설비까지 출력 증강에 상시 대비가 되어 있어, 수자원공사의 공식적 자료(!)에 의하면 출력증강시 2배 이상의 출력을 낼 수 있다고 한다. 또한 대다수 전력시설의 변압기는 130% 이상의 과부하 내량을 기준으로 설계[6]하기에 실질적으로 수력발전소는 상류 수자원의 안정적인 공급이 있다면 안정성, 출력 조절에 있어서 타의 추종을 불허한다.
[1] 물의 에너지를 이용한 터빈을 보통 수차라고 부르며, 물레방아도 수차의 일종이다.[2] 원자력 발전소의 경우 거의 1일단위의 시간이 걸리면서 비용도 많이 든다. 화력발전소의 경우 좀 나아서 화력을 비교적 급하게 낮출 수 있지만 재가동에 수 십~수 시간 걸리는 것은 마찬가지이기 때문에 아예 끄는 경우는 그리 많지 않다. 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고도 원전 관리자가 급격히 출력을 높이기 위해 안전장치를 해제하면서 일어났다.[3] 현재 한국수력원자력에서 관리 중이다.[4] 도수터널을 사용해 물을 다른 곳으로 보내어 낙차를 유도한다. 용담댐으로부터 완주군 고산면까지 21.9km의 콘크리트 터널, 낙차는 40.8m로 다른 발전소들에 비해 매우 높다. 발전기는 제1 발전소, 제2 발전소로 구분되어 있으며, 각 발전소는 지하 3층, 지상 2층으로 되어있다. 지상 2층에는 관리 콘솔이 있으며, 지하 1층에는 터빈, 지하 2층에는 발전기, 지하 3층에는 발전기 냉각 시설이 있다. 출력은 22.4MW. 발전기는 11.4MW 두개를 쓴다.[5] 사실 부족한 것은 아닌데, 채굴 기술이 없는 것이다.[6] 효성변압기 가이드라인 참조.