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수상태양광, 에너지와 환경을 생각한다
  • 미래환경
  • 승인 2013.10.01 15:52
  • 호수 49
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 수상태양광, 에너지와 환경을 생각한다

 

   
▲ 이 남 형한국수자원공사 K-water연구원 녹색기술연구소 연구원/차장1996~2007 한국수자원공사 사업부서 근무2008~2013 K-water연구원(수상태양광 분야연구)워싱턴주립대 석사충남대학교 대학원 박사과정LNHYD@kwater.or.kr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

수상태양광은?
최근 많은 국가들이 기후변화와 유가급등에 대처하기 위해 화석연료를 대체하기 위한 신재생 에너지원 개발에 많은 투자와 정책적인 지원을 하고 있음은 널리 알려진 사실이다. 특히 신재생에너지원 중 태양광의 경우 무공해 청정에너지원으로 인식돼 미래 대체에너지로써 각광받고 있으며 그 성장세는 가히 폭발적이라 할 수 있다. 독일의 경우 2011년 기준 전 세계 태양광발전용량의 35.6%를 담당하고 있으며 자국의 신재생에너지 공급원 중 태양광에너지는 전체의 11.8%에 달한다. 우리나라는 신재생에너지의 보급을 촉진시키기 위해 2004년‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법’을 제정해 신재생에너지 개발을 장려해 왔으며, 그 결과 2012년 기준으로 전체 국내 신재생에너지원에서 태양광이 차지하는 비중은 7%에 달할 정도로 급성장했다.

   
 
   
 
그동안 태양광발전 기술은 주로 태양광 셀(cell)의 효율을 높이는 연구에 치중해 왔고 그 결과 태양광발전에 드는 비용이 화석연료로 발전한 비용과 같아지는 그리드 패리티(grid parity) 달성을 머지않아 기대할 수 있을 정도의 성과를 내왔다. 근래에 들어서 태양광의 설치방법이나 운영효율 개선에 관한 새로운 응용기술들이 많이 개발되고 있으며, 그 중에 최근 국내외적으로 각광을 받고 있는 수상태양광(Floating Photovoltaic) 기술도 태양광발전의 하나의 응용기술이라 할 수 있다. 수상태양광발전은 기존의 육상태양광 발전기술과 수상 플로팅(floating) 기술을 융합한 새로운 개념의 태양광발전 방법이다. 육상의 태양광을 수상으로 확장한 것으로 이해하면 쉽다.

그동안 정부의 정책적 지원에 힘입어 태양광 발전의 급속한 양적 증가가 이뤄지기는 했으나 신재생에너지원이 지닌 친환경 대체 에너지원이라는 사회적 수용성에 반하는 환경적 문제점 또한 대두되고 있는 것이 현실이다. 본래 태양광발전은 건물의 옥상 등을 활용해 소규모로 설치하고 이를 그 건물에서 소모하고 남는 전기는 저장해 야간이나 흐린 날에 사용하거나 전력망(Grid) 운영자인 한전에 판매하는 방식이 가장 이상적이고, 이것이 바로 스마트 그리드(smart grid)의 개념이기도 하다. 그러나 우리나라와 같이 화석연료의 의존성이 큰 나라에서는 대용량의 태양광발전소 건설은 필연적인 선택일 수밖에 없다. 그러나 문제는 대용량의 태양광발전소를 토지 비용이 상대적으로 작은 임야나 농지에 주로 설치한다는 것이다. 이로 말미암아 산림과 경관훼손 등으로 인한 환경 및 사회적 논쟁을 촉발해 왔다. 왜냐하면 산림을 훼손하면서까지 태양광발전소를 짓는 것은 탄소배출이 없는 청정 녹색에너지라는 태양광발전의 본래 취지에 반하는 일이기 때문이다. 뿐만 아니라 야생동물의 서식지 파괴 등 동식물에 대한 피해가 발생할 수밖에 없어 필연적으로 생태계의 훼손을 가져오게 된다. 이러한 대규모 육상태양광의 환경파괴 문제점을 해결하고 동시에 유휴 수면을 자원으로 활용하고자 나온 아이디어가 바로 수상태양광이다.

수상태양광의 역사
수상태양광의 역사는 그리 길지 않다. 국내외적으로 2007년도 이후부터 본격적으로 출현한 것으로 문헌상에 보이고 있다. 문헌상으로 나타난 최초의 수상태양광은 2007년 7월에 SPG solar社가 포도 농장으로 유명한 미국 캘리포니아 나파밸리 Far Niente 농장 저수지에 설치한 것이 처음인 것으로 알려져 있다. Far Niente 농장 저수지에 설치한 수상태양광은 저수지의 증발을 억제하기 위한 목적으로 설치됐고 약 70%의 증발억제 효과와 1%의 전력생산이 증가됐다고 밝히고 있다. 아시아에서 는 미국과 거의 동시에 2007년 8월에 일본의 아이치현(愛知縣) 아이치 저수지에 설치한 것이 처음으로 알려져 있다. 아이치 저수지에 설치한 수상태양광의 특징은 태양광모듈의 경사 각도를 10도로 설치한 것인데 이와 같이 설치해도 수면에서의 여러 효과로 인해 육상에 30도로 설치한 것과 동등한 효과가 있다고 밝히고 있다. 국내의 경우는 2009년 ㈜쏠라비젼이 당진의 석문저수지에 설치한 것이 처음으로 알려져 있다. 225W 결정질 태양광모듈 9장으로 구성돼 있으며 연구목적으로 설치됐다.

   
 
한편 수상태양광에 있어서 가장 중요한 기술 가운데 하나는 수위변동에 따라 수상부유체가 자유로이 움직일 수 있도록 해야 하고, 동시에 발전효율이 감소하지 않도록 정남향을 유지해야 하며, 바람에 의해서 수상부유체의 좌우 움직임이 최소화 되도록 고정(계류)해야 한다는 것이다. 기존의 국내외 사례는 수심이 얕고 연중 수위변동이 크지 않은 저수지나 연못에 설치한 것들이 대부분으로서, 육상에 계류선을 연결하면 됐기 때문에 계류에 대해 크게 고민을 하지 않아도 되는 것들이었다. 그러나 수자원공사(K-water)가 운영 중인 대규모 댐 저수지들은 연중 수위차가 최고 40~50m 달하는 곳이 많고 육상과의 거리가 멀어 앞선 사례들과 같이 계류선을 육상에 고정하기 어렵기 때문에 새로운 방식의 계류방법이 도입돼야 했다.

더욱이 대규모의 수상태양광을 개발하기 위해서는 다목적댐 저수지와 같이 규모가 큰 수면이 필요하기 때문에 이러한 계류의 문제점을 해결하는 것은 사업의 성패와 직결되는 것이기도 했

   
 
다. 이런 점에서 K-water가 2009년도에 주암댐에 설치한 2.4kW 수상태양광은 대규모 댐 저수지의 수위변동에 적응이 가능하도록 한 최초의 수상태양광으로서 의미가 매우 크다.

K-water는 주암댐에서의 2년여에 걸친 수상태양광 실증을 마치고 2011년 합천댐에 100kW 상용화 실증플랜트를 설치했고, 이를 기반으로 2012년에 당시 세계 최대 규모의 500kW 수상태양광을 설치함으로서 국내외 수상태양광 시장을 선도했다. 2012년 설치한 합천 500kW 수상태양광은 다수의 신기술을 개발 적용해 설치기간을 획기적으로 단축하고 무게를 크게 줄여 비용을 기존 대비 30%가량 절감했다. K-water는 이들 신기술을 특허등록하고 Solartus®라는 브랜드 네이밍을 수상태양광 사상 처음 도입해 K-water의 앞선 기술력을 상품화했다.

 

수상태양광의 도약
K-water의 다목적댐 저수지와 농어촌공사 및 지자체 소유의 저수지를 대상으로 한 우리나라의 수상태양광 개발 가능한 잠재량은 약 4.17GW로 조사됐다. 이는 100만kW급 원전 4기에 해당하는 것으로 이를 모두 개발할 경우 지난여름 많은 우려를 자아냈던 전력난을 극복할 수 있을 정도의 충분한 양이다. 더욱이 화석연료로 인한 온실가스 배출이나 원전과 같이 방사성물질의 위험성이 전혀 없는 청정에너지이니 그 가치는 매우 크다고 할 것이다.

이러한 수상태양광의 가치를 인정해 정부는 2013년 1월 ‘신재생에너지 공급의무화제도 관리 및 운영지침’을 개정해 수상태양광에 대한 신재생에너지인증서(REC) 가중치를 1.5배로 인정하는 정책을 시행하고 있다. 즉, 수상태양광으로 100kWh를 생산했다면 150kWh의 가격으로 판매할 수 있도록 한 것이다. 이는 기존의 임야를 이용한 태양광의 REC 가중치가 0.7인 것을 감안하면 큰 시혜인 것은 분명하다. 이러한 정부정책에 따라 최근 국내에는 수상태양광에 대한 개발 열풍이 불고 있다. 농어촌공사는 2012년 12월 부안 청호지에 30kW, 2013년 7월에 나주 백룡제에 30kW의 수상태양광을 각각 설치했으며, 최근 전남 장성과 경남 밀양에 각각 200kW의 수상태양광을 설치 준비 중이다. 2013년 7월 동서발전은 당진화력 냉각수 유입수로에 1000kW의 수상태양광을 설치했으며 이는 현재 국내에서 가장 큰 규모이다. 또한 해외에서도 수상태양광 개발이 계속 이어지고 있다. 지난 6월에는 이탈리아 ciel-et-terre社가 일본 사이타마현 오케가와시 동부 공업단지 내 조정연못에 수상태양광을 설치했다.

   
 
수상태양광의 가장 큰 걸림돌은 육상태양광 대비 1.5배에 달하는 원가문제를 해결하는 것이다. 이를 위해 원가 비중이 가장 큰 수상부유 구조체의 제작비를 획기적으로 절감하는 기술개발이 필요하다. 최근 이러한 문제를 극복하고자 부력재와 구조체 소재에 대한 다양한 시도가 이뤄지고 있다. 기존의 대부분의 수상태양광 구조체는 알루미늄이나 FRP 소재의 자재를 사용했으나, 나주 백룡제와 일본 오케가와에 설치된 수상태양광에는 태양광 모듈과 PE 성형 부력재를 일체화한 방법을 적용해 원가를 30%정도 절감했다고 주장하고 있다. K-water도 중소기업과 함께 원가절감과 수상태양광분야의 강소기업 육성을 위하여 부유체에 적용할 새로운 소재를 개발하여 내년도에 합천댐에서 실증할 예정이다. 또한 K-water는 수상태양광에 태양 추적식 개념을 도입해 고효율 발전으로 발전량을 획기적으로 늘려 전력판매 수익 증대를 통한 원가회수 기간 단축을 목적으로 100kW급 추적식 수상태양광을 개발 중이다. 본 실증플랜트는 10월말 완공을 목표로 합천댐에서 설치공사 중이며 이를 통해 국내외 수상태양광 시장에 새로운 지평을 열 계획이다. 아울러 수상태양광의 확대 일환으로 해상에서의 적용 가능성을 시험하기 위해 시화 방조제 내해에 20kW급 해상태양광 실증플랜트를 10월에 설치 완료해 실증운전 중이다. 이는 세계 최대 규모의 시화조력발전소와 향후 개발예정인 시화해상풍력과 연계해 개발하게 될 2016년 시화 자연에너지 클러스터 조성사업을 염두에 둔 선행연구로서 진행 중이다.

수상태양광의 미래
K-water는 정부가 정한 RPS(Renewable Portfolio Standard) 의무공급 대상자로서 2016년까지 태양광발전으

   
 
로 14GWh의 전력을 생산하도록 할당량을 부여 받았다. K-water는 이를 전량 수상태양광으로 충당할 계획이며, 아울러 2016년까지 300MW, 2017~2022년까지 1500MW의 수상태양광을 설치할 예정이다.

이를 통해서 2022년까지 수상태양광 발전량 5747GWh, 1조원의 발전매출을 달성하여 국내 1위의 신재생에너지 전문기업으로서의 위상을 공고히 할 야심찬 계획을 세워두고 있다.

지금까지 수상태양광은 에너지 생산과 환경이라는 측면에서 매우 긍정적인 평가를 받아왔다. 그러나 수상태양광은 당장 풀어야 할 문제점과 지금껏 들어나지 않은 문제점들이 노정돼 있다. 가장 먼저 제조 원가를 획기적으로 낮춰야 한다. 현재의 REC 가중치 우대 정책 없이도 육상태양광과 견줄 수 있을 정도로 지속적인 원가절감 노력이 필요하다. 두 번째로는 환경성에 대한 우려를 불식시켜야 한다. 이는 환경훼손 극복을 목적으로 한 수상태양광에게 다소 아이러니한 것이나 대규모의

   
 
수상태양광 개발시 필연적으로 부닥칠 수밖에 없는 문제이다. 동식물에 무해한 친환경적인 자재를 사용하고 시각적인 환경 노이즈를 최소화 할 수 있도록 미적 설계가 가미돼야 한다. 수상태양광에 인공 수초섬을 가미하는 것도 좋은 결합 모델이며, 주변 환경과 어우러질 수 있도록 소재의 색상 선정에도 많은 고민이 있어야 할 것이다. 세 번째로 강소기업 육성이다. 견실한 중소기업으로 하여금 경제성이 있는 부유체 소재와 설계기법을 개발토록 지원해 수상태양광에 관한한 리딩 국가인 대한민국에서 수상태양광에 특화된 세계적인 강소기업을 만들어 해외시장에 당당히 나설 수 있도록 해야 한다. 마지막으로 정부의 적극적인 지원이다. 현재 수상태양광 사업은 상수원보호구역과 같은 규제로 인하여 난관에 봉착해 있다. 환경문제를 해결하기 위한 수단으로 개발된 수상태양광이 환경규제법에 의해 제한을 받고 있는 모순된 상황은 조속히 해결돼야 한다. 정부의 전향적이고 과감한 결단이 필요한 시점이다.

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