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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.

어두운 밤에도 태양광 발전을? 복합 태양광 시스템

밤에도 태양광 발전을? 어디서나 쉽게 만드는 복합 태양광 시스템

태양광, 풍력 등 재생에너지는 이제 다양한 발전방식의 중요한 한 축으로 자리매김했습니다. 그러나 변화무쌍한 자연의 힘을 이용하기에 전력 생산량이 일정하지 않고 예측하기도 어렵다는 단점이 있지요. 이를 해결하기 위해 에너지저장장치와 조합하거나 분산형 전력망을 구성하는 등 다양한 방법이 활용되지만 자연의 흐름에 따라 자연스럽게 그 양이 변한다는 근본적인 특성은 바뀌지 않습니다. 날씨에 상관 없이 일정한 출력이 나오도록 태양광발전 효율을 높이고 제어시스템을 적용한다 한들 태양이 없는 밤에는 전력을 생산할 수는 없는 것처럼 말이죠.

그러나 자연은 늘 ‘에너지’로 가득합니다. 낮 동안 내려쬔 태양빛의 열은 땅이 품고 있다가 밤에 내어놓으며 온도가 지나치게 떨어지는 것을 막아주지요. 습도가 높은 날에는 짙은 공기가 태양의 에너지를 아침까지 머금고 있기도 합니다. 그렇다면 이런 에너지를 이용하면 재생에너지의 들쭉날쭉한 특성을 조금이라도 보완할 수 있지 않을까요?

낮동안 햇볕으로 뜨거워진 지표면은 밤이 되면 주변으로 열을 내며 식습니다. 지표면보다 열을 잘 전하는

고체인 금속은 더 빨리 식지요. 이렇게 주변으로 발산된 열은 대기중에 붙잡혀 기온을 올리면서 땅을

차가워지고 공기는 따뜻한 상태를 만듭니다. 이러한 현상을 ‘복사냉각’이라 합니다. © 기상청

‘복사냉각’ 현상 이용해 밤에도 태양광 에너지를 생산

미국 스탠퍼드대에서 최근 발표된 연구가 해답이 될 수 있을 듯합니다. 연구진은 ‘복사냉각’ 현상을 이용해서 밤에도 에너지를 수확할 수 있는 태양광 시스템을 개발했습니다. 복사냉각이란 지구가 태양으로부터 흡수한 복사에너지, 즉 햇볕의 열에너지를 지표면이 품고 있다가 밤에 열을 내놓으면서 땅이 차갑게 식는 현상을 말합니다. 쉽게 말하면 쇠구슬을 뜨거운 물에 담그면 쇠구슬이 물로부터 열을 얻어 뜨거워지는데, 뜨거워진 쇠구슬을 공기 중에 꺼내놓으면 열을 내 주변의 공기를 데우면서 자신은 빠르게 식는 것이죠. 이것이 바로 복사냉각입니다.

태양광발전은 햇볕을 받아서 전기를 생산하는 발전방식입니다. 당연히 낮 동안 태양광패널은 태양열을 흡수해 한껏 뜨거워지지요. 그러다 해가 지면 태양광패널이 발전을 멈추는 동시에 주변으로 열을 내놓으면서 빠르게 차가워집니다.

연구진은 이 과정에서 발생하는 태양광패널과 공기의 온도차를 이용할 생각을 했습니다. 태양광패널 아래쪽에 온도의 차이를 전기에너지로 바꾸는 ‘열전소자 모듈’을 추가하고 열을 빨리 식히는 히트싱크를 달아서 전기를 생산한 것이지요. 태양광패널은 반도체, 즉 광물과 금속으로 만들기에 빨리 뜨거워지고 빨리 식습니다. 따라서 해가 지면 금방 차가워집니다. 그런데 땅에서는 낮동안 모아 둔 온기를 내보내서 공기를 데우니 태양광패널 표면에서는 제법 큰 온도차가 나타납니다. 히트싱크는 태양광패널이 더 빨리 식게 해서 온도차를 최대한 크게 해 주지요. 열전소자는 온도차가 클수록 더 많은 전기를 만듭니다.

연구진이 개발한 복사냉각 활용 발전시스템. TEG가 온도차를 전기에너지로

바꾸는 열전소자입니다. 연구진은 열전소자에 열을 빨리 식히는 히트싱크를

부착해서 온도차를 극대화했습니다. © Stanford Univ.

이 연구는 사실 완전히 새로운 태양광발전 시스템을 만든 것은 아닙니다. 기존에 널리 사용되는 태양광패널에 열전소자를 붙인 것뿐이지요. 따라서 설치 비용도 그리 많이 들지 않았습니다. 연구진은 기존 시장에 나와 있는 태양전지 패널과 부품, 열전소자 등을 그대로 활용했다고 합니다. 설치 과정도 단순해서 자원이 별로 없는 오지나 원격지에서도 손쉽게 만들어서 가동할 수 있지요. 전체 개발 및 설치 과정에서 가장 비싼 것이 열전소자였을 정도입니다.

다만 열전소자가 태양광패널과 공기의 온도 모두에 민감하게 반응하도록 미세하게 조정함으로써 밤에도 조금이나마 전기를 생산하게 했다는 점이 큰 의의입니다. 게다가 쉽게 만들고 설치할 수 있다는 말은 복잡한 시스템을 구하기 어려운 저개발국이나 오지에서도 얼마든지 쉽게 밤낮으로 전기를 생산하는 태양광발전을 이용할 수 있다는 뜻이기도 합니다.

물론 이제 연구를 막 시작한 만큼 아직 성능이 높지는 않습니다. 연구진이 개발한 설비는 면적 1㎡ 당 50㎽의 전기를 생산하는 수준입니다. 날씨가 맑고 조건이 좋은 날에는 생산량이 100㎽까지 올라가기는 했지만, 전력이 수 와트 수준은 돼야 전등을 켤 수 있다는 점을 생각해보면 많이 아쉽습니다. 열전소자만으로 전등 하나를 밝히려면 20㎡ 넓이의 태양전지가 필요한 셈이죠.

열전소자와 결합한 태양광패널은 이전에도 개발된 바 있습니다. 다만 이번 스탠퍼드대 연구는 패널을

복합소재로 만들지 않고 기존의 부품을 이용해 ‘적정기술*’에 가까울 만큼 쉽고 간단하게 복합태양광

시스템을 만들었다는 점이 특징입니다. 이러한 기술이 점점 성숙된다면, 태양광 발전도 밤낮으로 전기를

생산할 수 있을 것입니다. 사진은 한국동서발전이 울산지역 산업단지에 설치한 지붕태양광. © 동서발전

* 적정기술(適正技術, appropriate technology) : 그 기술이 사용되는 사회 공동체의 정치적,

문화적, 환경적 조건을 고려해, 해당 지역에서 지속적인 생산과 소비가 가능하도록 만들어진 기술

연구진은 태양광패널과 대기의 온도차에 특화된 부품을 도입하면 효율을 더 높일 수 있을 것이라고 말합니다. 열전소자는 ESS에 쓰이는 배터리에 비해 수명이 길고 유지관리 비용이 적게 들기 때문에 적절한 소자만 개발된다면 ESS의 필요성을 줄일 수도 있습니다. ESS에 사용되는 리튬이온전지의 사용처가 무척이나 많다는 점을 생각해보면 이는 산업 전체에도 큰 도움이 됩니다. 내다 팔 수준의 전력이 아니라고 하더라도 발전시설에 설치된 각종 센서나 CCTV에 전력을 공급하기에는 충분할 것입니다.

이러한 가능성 덕분인지, 연구 자체는 단순한 편인데도 이번 스탠퍼드대 연구 결과는 최근 미국물리학회가 발간하는 학술지 '어플라이드 피직스 레터(Applied Physics Letter)'에 게재됐습니다. 연구진은 앞으로 열전소자 부품과 열 절연 특성을 강화하고, 태양전지 패널 자체의 복사냉각 효율을 높이는 연구를 진행할 계획이라고 합니다.

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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