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재생에너지

재생에너지는 태양과 바람 물, 등 자연의 힘을 전기에너지로 만들어 사용하는 발전 방식이다. 탄소 배출을 하지 않으며 미세먼지 등 대기오염 물질을 발생하지 않는다. 세계적으로 기후변화 대응을 위해 탄소배출을 줄이기 위한 노력이 본격화되면서 재생에너지가 주목받고 있다. 발전단가가 점차 낮아지고 관련 투자가 증가하면서 글로벌 전력시장의 전체 발전량 중 재생에너지 비중은 점점 늘어나는 추세이다.

재생에너지 (2021년 기준) (출처 : 한국전력)

발전비중 : 7.5%
발전량 : 43.085GWh

재생에너지는 다양한 발전방식이 있다. 가장 쉽게 접할 수 있는 태양에너지는 열을 이용하는 태양열 에너지와 빛을 이용하는 태양광 발전이 있다. 태양열 발전은 거울을 이용해 한 점으로 태양빛을 모아서 집중된 열로 물을 끓인 후, 여기에서 발생하는 증기로 터빈을 돌려서 발전한다. 여러 개의 거울을 IT 기술로 제어해 태양빛을 모으기 때문에 넓은 부지와 햇빛이 강한 사막 지역에 많이 건설된다.

태양광발전은 빛의 입자가 특정한 물질에 닿으면 전자가 튀어나오는 ‘광전효과’를 기본원리로 한다. 전자가 튀어나오면서 N형 반도체와 P형 반도체를 결합시켜 만든 태양광 셀이 각각 다른 전하를 지니게 되는데 이 차이를 활용해 전류가 흐르게 하는 것이 태양광 발전이다. 태양광발전의 기본 단위인 태양광 셀은 크기가 작아 이를 타일처럼 배열해서 커다란 판으로 만든 것이 태양광패널, 또는 태양광모듈이다. 여러 장의 태양광패널을 직렬로 연결해서 사용하며 생산된 전기를 필요한 전압이나 주파수로 변환하는 인버터, 전체 전력시스템을 조율하는 컨트롤러로 구성된다. 태양광발전의 장점은 별도의 연료비가 필요 없고, 태양광 이외의 연료를 사용하지 않아 환경에 해로운 오염물질이 나오지 않는다는 점이다. 반면 날씨나 기후의 영향을 크게 받는다는 것은 태양광발전이 해결해야 할 과제다.

풍력발전은 바람으로 돌아가는 회전날개가 직접 터빈의 역할을 한다 간단한 구조로 자연의 힘을 이용할 수 있기에 재생에너지 중 가장 먼저 산업적 규모로 운영되기 시작했다 풍력발전기는 회전날개, 축, 발전기, 전선 외에도 발전기가 일정한 회전수로 돌아가도록 도와주는 기어 박스로 구성된다. 또 바람이 너무 강하게 불면 제동장치가 작동해 과열을 막아준다 풍력은 다른 에너지원에 비해 오염물질이나 온실가스 배출량이 현저히 적고 유지보수가 간편하나 소 음과 부피가 크다는 과제가 있다. 해상풍력발전은 이러한 단점을 해결할 수 있는 방법 중 하 나이다. 영국 등 세계적으로 해상풍력발전 시장이 증가하고 있는 추세이다.

해양에너지는 다양한 종류가 개발되고 있는데 바닷물 이용방식에 따라 조력에너지, 조류에너지, 파력에너지, 해수온도차 에너지로 분류할 수 있다. 조력에너지는 밀물과 썰물의 차가 큰 연안에 바닷물을 막는 댐과 수문을 설치해 수위 차이로 터빈을 회전시키는 방식이다. 연료가 불필요하고 발전량을 정확하게 예측 가능하나 바닷물의 염분에 발전설비가 노출되어 유지관리비가 많이 든다. 조류발전은 밀물과 썰물로 인한 바닷물의 흐름을 직접 이용하며 풍력과 유사한 방식으로 전기를 만든다. 비교적 안정적이나 대량의 조류가 충분한 빠르기로 흐르는 곳이 많지 않다. 파력발전은 파도의 운동에너지와 위치에너지를 이용해 터빈을 돌리는 방식이다. 설치 장소나 발전기의 유형 제약이 덜해서 소규모 발전도 가능하나 출력 변동이 심한 편이며 배의 운항이나 어업에 방해가 되므로 대규모 조성이 어렵다는 한계가 있다. 해수온도차 발전은 해수 표면의 온도와 심층의 온도 차이를 이용해 냉매를 증기로 만들어 터빈을 돌린다. 터빈을 돌리고 난 증기는 찬 바닷물로 다시 냉각, 액화하여 순환 사용이 가능하다.

전통적인 발전 방식으로 물과 지열을 이용하는 에너지가 있다. 수력발전은 물의 위치에너지와 운동에너지의 전환 현상을 이용한다. 높은 곳에 있는 물을 아래로 떨어뜨려 터빈을 돌리는 발전 방식으로 안정적으로 사용할 수 있어서 전력망을 구축하는 국가가 가장 먼저 고려하는 발전 방식이다. 또한 전력을 생산하는 시간이 5분 이내로 짧아서 전력 수요량 변화에 가장 민첩하게 대응할 수 있다. 우리나라의 경우 대부분의 수력발전소가 하루 4~5시간 정도 수요량이 높을 때만 운전하는 ‘첨두운전’을 하고 있다. 지열발전은 주로 화산활동으로 발생하는 지열을 이용하는 발전 방식으로 난방과 온수 급탕용으로 주로 사용한다.

이밖에도 옥수수, 사탕수수와 같은 전분작물에서 추출한 바이오 에탄올과 식물성 기름이나 동물성 지방을 원료로 만든 바이오디젤을 직접 태우거나 가스로 만들어 발전하는 바이오매스 발전이 있다.

2050 탄소중립, 해상풍력 기술 강국에 도전한다!

한국은 2022년에 ‘2050 탄소중립녹색성장위원회’을 발족하고, ‘탄소중립, 글로벌 중추국가로의 도약’을 비전으로 3대 정책방향 하에 4대 전략 및 12대 과제를 마련하였습니다.

특히 원전과 신재생에너지의 조화를 통한 에너지믹스 재정립을 전략 목표 중 하나로 정한 정부는 탄소중립을 실현할 전력공급 계획에서 풍력발전을 주목해왔습니다.

그리고 ‘제10차 전력수급기본계획(2022~2036)’를 통해 신재생에너지에서 태양광과 풍력 간의 발전량 비중을 `21년의 87:13에서 `30년은 60:40로 개편한다는 계획도 발표했습니다.

풍력발전, 그중에서도 해상풍력 발전은 한반도의 지리적 여건상 육상풍력 발전보다 설치에 장점이 많고, 세계 각국의 투자 확대로 급속한 성장세가 지속될 전망입니다.

GWEC(세계풍력에너지위원회)의 “Global Wind Report 2021”에 의하면, 해상풍력의 2021년~2025년 신규 발전용량 증가율이 육상풍력 증가율 15.7%의 7배가 넘는 113.4%에 달할 것으로 전망됩니다.

특히 해상풍력의 한 분야인 부유식 해상풍력 발전은 한국이 글로벌 경쟁력을 보유한 조선/해양 및 해저케이블 산업과 시너지 창출이 가능합니다.

해상풍력의 전망은 이처럼 밝지만, 한국의 해상풍력 산업은 아직 갈 길이 먼 형편입니다.

외국 글로벌 기업과의 기술격차, 실증경험의 부족, 국내 시장의 협소 등으로 국제적으로 경쟁력이 낮은 상황입니다.

풍력발전 기술개발을 탄소중립 실현의 주요 과제로 추진

출처 : 풍력 발전 현황 및 산업 동향 -해상풍력 및 부유식 해상풍력을 중심으로

KDB미래전략연구소 산업기술리서치센터

풍력터빈 기술의 경우, 국내 제조사는 4~5MW급 수준의 상용 풍력터빈을 개발 완료하였고, 현재 8MW급을 개발 중이나 외국의 선도기업들과 대비해 기술격차가 존재합니다.

타워 및 단조 부품의 경우 국산이 세계시장 점유율에서 상위권에 있으나, 블레이드, 증속기, 대용량 발전기 등은 핵심부품의 설계 및 엔지니어링 원천기술 경쟁력이 취약한 형편입니다.

출처 : 풍력 발전 현황 및 산업 동향 -해상풍력 및 부유식 해상풍력을 중심으로

KDB미래전략연구소 산업기술리서치센터

이처럼 풍력발전 핵심부품의 국산화율이 저조한 상황에서 현재 추진 중인 국내의 해상풍력단지 사업은 결국 외국 기업들만 큰 이익을 볼 거라는 지적도 있었습니다.

해상풍력 주요 부품 국산화 비율 (2021년 12월 기준)

출처 : http://www.epj.co.kr/news/articleView.html?idxno=29520

이에 따라 정부는 ‘공급인증서발급 및 거래시장 운영에 관한 규칙’을 개정해 해상풍력 설비 부품의 국산화 연구/개발을 유도하는 정책을 시행하기도 했습니다.

해상풍력발전단지를 건설할 때 부품의 국산화 비율이 50%를 넘거나 국비가 투입된 R&D의 결과물인 기자재를 사용하면, 해당 사업자에게 REC(신재생에너지공급인증서) 가중치를 추가로 부여하는 정책입니다.

이것은 추가 가중치에 따른 경제적 이익을 제공하여, 먼바다에서 추진되는 프로젝트의 특성상 개발비용 부담이 큰 사업자를 지원하기 위한 것입니다.

또한 이 규칙에 따르면 국내 공장에서 생산된 제품만 국산품으로 인정됩니다. 즉, 국내 기업이라 할지라도 해외 생산의 경우 국산품으로 인정하지 않으며, 반대로 외국업체가 국내에 세운 공장의 생산품은 국산품으로 인정됩니다.

이 정책은 해상풍력 분야에서 기술적 우위를 지닌 글로벌 기업의 국내 생산 투자를 유도하는 조항이기도 했습니다.

현재 정부는 ‘제10차 전력수급기본계획’을 통해 풍력터빈의 대형화 및 핵심부품 국산화, 해상풍력 배후항만 적기 조성, 해상풍력 O&M 서비스 육성을 추진하고 있습니다.

출처 : 풍력 발전 현황 및 산업 동향 -해상풍력 및 부유식 해상풍력을 중심으로

KDB미래전략연구소 산업기술리서치센터

부유식 해상풍력 시스템의 국산화

출처 : 국내 최초 상업용 해상풍력발전단지인 탐라해상풍력발전단지의 모습.

한국남동발전

먼바다에 설치가 가능한 부유식 해상풍력은 연안에 설치되는 고정식 해상풍력보다 많은 장점이 있습니다. 세계적으로 풍력터빈이 대형화와 함께 부유식으로 전환되는 추세는 이 때문이라 할 수 있습니다.

미국, 유럽은 물론 아시아에서도 더 많은 부유식 해상풍력 시스템이 설치될 것으로 예상되는데, 영국의 친환경 인증기관 Carbon Trust에 따르면 2023년까지 전 세계에 286MW의 부유식 해상풍력 시스템이 설치되며, 2050년까지 70GW로 확대될 전망이라고 합니다.

이에 따라 한국도 부유식 해상풍력 기술을 탄소중립 실현을 위한 주요 과제로 계획하고, 글로벌 경쟁력을 보유한 조선해양 및 해저케이블 분야와 시너지 창출 모색 중입니다.

출처 : 풍력 발전 현황 및 산업 동향 -해상풍력 및 부유식 해상풍력을 중심으로

KDB미래전략연구소 산업기술리서치센터

부유식 해상풍력은 기존 풍력발전기(로터, 나셀, 타워)외에 부유식 구조물, 계류시스템, 다이나믹 케이블이 추가로 구성되어 있습니다.

높은 파도가 치는 바다에 풍력터빈을 띄워 발전하기 위해서는 고도의 안정성을 갖춘 플랫폼이 필수적입니다. 글로벌 업체들은 이미 15MW 대형 풍력터빈을 선보이고 있었지만, 이에 적합한 대형 플랫폼은 아직 국내에 없었습니다.

하지만 한국은 이미 조선해양 분야에서 숙련된 고급인력이 많아 부유식 구조물, 계류시스템, 해저케이블 등 다수의 부품이 국산화되어 경쟁력 확보가 용이한 편이었고 곧 성과를 볼 수 있었습니다.

2022년 10월, 정부출연 연구기관인 선박해양플랜트연구소(KRISO)가 15MW급 부유식 해상풍력 플랫폼에 대한 AIP(Approval In Principle) 인증을 획득하여, 개념 및 기본설계에 대한 안정성과 성능의 타당성을 검증받았습니다.

KRISO와 함께 해양구조물 전문 엔지니어링기업 Front Energies(FE)가 협력/개발한 이 플랫폼은 대형 전용 설치선 등이 필요하지 않아 설치 기간 단축과 함께 비용 절감 효과가 기대됩니다.

▲ KRISO가 개발한 15MW급 부유식 해상풍력 플랫폼.

출처 : https://www.energy-news.co.kr/news/photo/202210/84379_63544_3747.jpg

해상풍력단지 설비의 지지구조 설계/시공 기술개발

정부의 제10차 전력수급기본계획에 따르면 2036년의 신재생에너지 설비는 107.4GW로 전체 발전설비의 45.3%에 달할 전망입니다. 그중에서 해상풍력의 목표치는 얼마나 될까요?

한전은 2030년까지 전북 서남권 1.26GW, 전남 신안권 1.5GW, 제주 한림 0.1GW 등 약 2.86GW 규모의 해상풍력단지 개발을 진행하고 있습니다.

이런 대규모의 해상 설비 건설에 대비한 설계/시공 기술의 연구개발도 진행 중입니다.

▲ 해상풍력 지지구조물 설계기법 개선안.

출처 : https://www.energy-news.co.kr/news/photo/202301/85991_65209_1354.jpg

한전 전력연구원은 '국내 해역의 중형 해상풍력발전 플랜트 타당성 조사'를 시작으로 단지개발, 단지 통합 운영 및 수산업 공존 관리 등 전주기 해상풍력기술을 연구해 왔습니다.

그리고 최근에 착수한 해상풍력 지지구조 최적화 설계기술 개발은 서남/신안 해상풍력 지지구조의 기본 및 상세설계에 활용하기 위한 한전의 설계기준을 수립하는 것입니다.

전력연구원은 기초의 표면과 토양 사이에 작용하는 마찰력인 주면마찰력을 충분히 활용해 기초의 암반거치가 필요하지 않은 합리적/경제적 설계를 통해 문제를 개선한다는 계획입니다.

또한 지지구조 선정/평가 프로세스 개발을 위해 국내 15종 이상의 해양조건을 기반으로 대표적인 지지구조 형식에 대한 설계 데이터베이스를 구축할 예정입니다.

한편 한국남동발전도 ‘균등화발전비용(LCOE, Levelized Cost Of Energy) 저감을 위한 10MW 이상급 해상풍력용 상하부 일괄 설치지지 구조시스템 개발’ 연구과제를 진행 중입니다.

이 과제는 산업통상자원부의 신재생에너지 핵심기술개발 사업으로 해상풍력 사업비의 많은 부분을 차지하는 설치비용 저감에 중점을 둔 것입니다.

이 기술은 기존 해상풍력 하부구조물 설치공법에 잭킹시스템(승강장치)을 적용한 것으로, 육상에서 해상풍력시스템 전체를 조립 후 예인선으로 끌고와 자가 설치가 가능해 해상풍력 구조물 설치시 대형 특수 선단의 도움이 필요 없습니다.

또한 고가의 잭킹시스템을 탈부착형으로 구성, 재활용함으로써 1기의 잭킹시스템으로 해상풍력단지 전체를 설치할 수 있는 신개념 공법으로 기존 해상풍력 설치공법인 자켓방식 대비 공사일수는 약 85일, 공사비는 최소 30% 이상 절감될 것으로 기대하고 있습니다.

해상변전소용 핵심 전기기기 기술개발 지원

해상풍력으로 전력을 생산하는 것만큼이나 생산된 전력의 변전과 송전 또한 중요합니다.

정부는 아직 낮은 단계인 한국의 해상풍력산업 경쟁력 확보를 위해 해저케이블, 친환경 변압기 등 핵심 기기에 대한 선제적 개발로 공급망이 강화돼야 하며, 이를 통해 아태지역 등 새로운 시장으로 진출이 필요하다는 입장입니다.

따라서 정부의 R&D로 진행하는 '신재생에너지 연계 해상변전소용 핵심 전기기기 기술개발' 과제 사업을 통해 해상풍력용 전력기자재의 기술력 강화를 도모하고 있습니다.

지난 2022년 10월, 한전과 전기산업진흥회 주최로 열린 '해상풍력단지 Transmission system 개발 로드쇼'는 국내외 해상풍력단지 개발사, 해상풍력 기자재 제작사를 대상으로 한 행사였습니다.

기술개발 과제 사업 참여기관의 기술력 홍보는 물론이고, 현재 추진 중인 신안 및 서남해 해상풍력단지의 구성 계획, 345kV급 해상풍력단지 Transmission system 도입의 타당성 검토, 국내기업이 개발 중인 해상풍력 전력기자재 개발 현황을 중심으로 해상풍력 분야의 중장기 연구개발 전략 및 국내 해상풍력 산업 공급망 현황을 공유하는 자리였습니다.

2050년 탄소중립의 목표 달성까지 계속되는 노력

지금까지 살펴본 바와 같이, 우리 정부는 해상풍력의 필요성을 인식하고 세계 5대 해상풍력 강국으로 발돋움하기 위해 연구개발 지원을 아끼지 않고 있습니다.

오늘도 해상풍력 핵심기술의 국산화를 위해 땀을 흘리고 있는 많은 연구개발진들의 노력이 결실을 거두어 탄소중립의 목표가 달성되는 그날이 오기를 기대합니다.

출처 한국에너지정보문화재단

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정책

재생에너지3020 이행계획

국내 에너지정책은 2008년부터 ‘재생에너지 중심의 청정에너지 체제로 전환’을 추진해왔으며, 이에 대한 구체적인 시행 방안과 달성 시점을 확정하고자 2017년 10월 ‘에너지전환 로드맵’을 발표했습니다. 2030년까지 재생에너지 비중을 20%로 높이겠다는 큰 윤곽을 제시한 후 2017년 12월, ‘재생에너지 3020 이행계획’을 발표해 계획을 구체화했습니다.

목표

재생에너지 발전량 비중을 20%까지, 누적 설비용량을 64GW까지 보급
신규 설비용량의 95% 이상을 태양광ㆍ풍력 등 청정에너지로 공급

주요국가 재생에너지 발전 비중

(단위 : %. 2015년 기준)

덴마크
31.1
스페인
14.6
독일
13.8
프랑스
9.2
미국
7.0>
일본
5.7
한국
2.4

자료 : 국제에너지기구 (IEA)

주요 이행 계획

1 국민참여 확대
- 도시형 태양광 보급 사업을 확대하고, 생산한 전력 중 소비하고 남은 잉여 전력은 현금 정산을 하는 등 상계거래제도를 개선
- 제로 에너지 건축물 인증 의무화 등을 통해 재생에너지 기반 건축물 확산
- 협동조합이 참여한 사업, 시민참여 펀드가 투자된 사업 등에 REC 가중치 추가 부여 등 인센티브를 제공
- 농업진행구역 내 염해 간척지, 농업진흥지역 이외 농지, 농업용 저수지 등에 태양광 설치를 활성화하여
  30년까지 10GW 규모의 태양광을 보급하는 등 농촌 태양광 확대
2 지자체 주도의 계획입지 도입
- 수용성, 환경성을 사전에 확보하고 부지를 계획적으로 조성하기 위해 계획입지 제도 도입을 추진
- 광역지자체 주도로 발굴한 부지는 관계 부처 협의를 통해 입지 적정성 검토 후 재생에너지 발전기구로 지정하는 등 사업자의 원활한 추진 지원
3 대규모 프로젝트 추진
- 수용성 및 환경성을 고려하여 단계적 추진
  - 1단계2018~2022년
    
    민간과 공공기관이 제안한 프로젝트 가운데
    5GW 규모의 프로젝트를 집중 추진
  - 2단계2023~2030년
    
    대형발전사의 재생에너지공급의무화(RPS) 비율을 단계적으로 상향 조정하여 대규모 프로젝트 추진 유도
4 재생에너지 확대를 위한 보급여건 개선
- 농업진흥구역 내 규제 완화, 공유재산 제도 개선 등 입지규제 및 사업 수익성을 저해하는 각종 제도 개선 추진
- 지역별 보급계획 수립, 전담조직 보강 등 지자체 역량 강화 지원
- 중앙정부와 지자체 간 재생에너지 정책협의회 상시 운영
5 환경을 고려한 재생에너지 확대
- 폐기물·우드펠릿 등에 대한 REC 가중치를 축소하고 국제기준 및 국내여건을 감안하여 비재생 폐기물을 재생에너지에서 제외 추진
- 태양광 폐모듈 재활용센터 건립 및 관리체계 구축, 풍력 대형블레이드 등에 대한 폐기지침 개발 등 재생에너지 폐기물 처리기반을 구축

주요국가 재생에너지 정책 동향 및 시사점

중국
- 재생에너지 목표 상향 조정 전망, FIT 기준가격 인하와 RPS 비중 확대를 통해 경제성 확보와 보급목표 달성 추진
  - - 재생에너지 13·5 계획(’16년)에서 ’20년 15%, ’30년 20%의 달성 목표 비중을 발표했으나,
    ’18년계획 수정안 초안에서 ’30년의 달성 목표를 35%로 상향한 것으로 확인되어 공식 목표가 조만간 조정될 전망
일본
- 보급 단가를 낮춰 경제성을 확보하고, 해상풍력 도입을 적극적으로 추진
- FIT 기준가격 인하 및 경매를 통해 태양광 시장의 가격 경쟁력 강화를 도모하고, 매년 FIT 기준가격을 고시하여 점차 FIT 기준가격을 인하하는 추세
- ’18년 3월 『해양재생에너지발전설비 정비 관련 해역 이용 촉진 법률안』을 각의 결정하며, 해상풍력 보급 촉진 정책 도입
미국
- 주정부를 중심으로 재생에너지 확대정책을 활발하게 추진하고 있으며, 각 지방정부에서는 재생에너지 목표 발전 비율을 상향
  - - 코네티컷 주 : ’30년 48%
  - - 뉴저지 주 : ’30년 50%
  - - 캘리포니아 주 : ’45년 100%
  - - 워싱턴 D.C. : ’40년 100%
EU
- ’30년까지 최종에너지 소비 중에서 재생에너지가 차지하는 비중을 27%에서 32%로 확대하는 재생에너지지침의 목표를 ’18년 6월에 상향 확정
- 재생에너지 보급 확대를 위해 허가 절차를 간소화하여 정기 프로젝트의 경우에는 최대 2년, 기존설비 현대화(Repowering)는 1년,
  10.8kW 이하의 소규모 프로젝트는 간단한 통지절차로 가능하도록 하여 보급 확대 전망