에너지전환과 소위 탄소중립을 이루려면 두 마리 토끼를 쫓아야 합니다. 한편으로는 효율 혁명을 통해서 에너지 소비량을 대대적으로 줄이고, 다른 한편에서는 햇빛 혁명을 이루어서 재생가능에너지원 에너지 공급량을 대대적으로 늘여야 합니다. 오늘날 에너지 소비량이 많은 나라들을 기준으로 보아 에너지 수요를 절반 이하로 줄이고, 그렇게 줄어든 수요를 재생가능에너지원에서 얻은 에너지로 공급하는 것입니다. 현재의 체제에 미련이 많은 사람들은 그게 과연 되겠는가 의문을 말하지만 냉정하게 말해 선택의 여지가 없습니다. 자발적으로 앞서서 그렇게 만들지, 아니면 원치 않지만 어쩔 수 없이 그렇게 될지 하는 것 밖에는 없다고 생각합니다. 자발적으로 전환을 하면 충격을 많이 줄여 소위 연착륙을 할 수 있을지 모르지만 가만히 있다가 어쩔 수 없이 그러한 상황을 맞게 되면 좋게 말해 경착륙, 나쁘게 말해 추락을 하게 될 겁니다.
햇빛 혁명에 초점을 맞추어 재생가능에너지원에서 얻은 에너지, 줄여 말해 재생가능에너지의 공급을 대대적으로 늘이자고 할 때 절반으로 줄인 수요 만큼을 공급한다고 해도 여전히 막대한 것은 사실입니다. 따라서 현대적인 태양의 시대를 맞기 위해서는 할 수 있는 모든 곳에 햇빛발전소와 바람발전소를 세우는 노력이 필요할 겁니다. 그런데 많이 필요하다고 막무가내로 접근하게 되면 자칫 재생가능에너지와 식량 및 생태계가 충돌할 가능성이 있습니다. 농경지와 산림, 갯벌 등을 대규모 햇빛발전소로 뒤바꾸고 있는 현재 대한민국의 흔한 풍경이 바로 이러한 충돌입니다. 덕분에 농민을 비롯해 많은 사람들이 햇빛발전과 바람발전을 저주하는 사태까지 생기고 있습니다.
햇빛발전을 대대적으로 늘이되 식량과 생태계를 해치지 않고 기왕의 인공 건조물을 할 수 있는대로 활용해야 합니다. 길과 둑, 다리 뿐만 아니라 할 수 있는 후보지를 널리 찾아야 합니다. 이렇게 기존의 건조물이나 시설, 대상에 햇빛발전 설비를 붙여 기존의 기능과 햇빛발전 두 가지 기능을 하게끔 만드는 것을 ‘일체형 햇빛발전(Integrated Photovoltaics)’이라고 합니다. 저는 ‘붙이 햇빛발전’이라고 해보면 어떨까 하는 생각도 해보았습니다.
독일의 프라운호퍼 연구소에서는 여러 가지 갈래의 특화된 연구소가 많은데 그 중 프라운호퍼 햇빛발전시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy System; ISE, 이하 프라운호퍼 ISE)는 햇빛발전시스템에 관한 연구를 합니다. 이 프라운호퍼 ISE에서 현재 실용화되었거나 연구되고 있는 일체형 햇빛발전(붙이 햇빛발전)의 하위 갈래를 여섯 가지로 정리하고 그 각각의 독일 내 실용성있는 잠재력을 연구한 바 있습니다. 어떤 종류가 있고, 각각 얼마나 잠재력을 가지고 있는지 가늠하기가 좋아서 아래에 프라운호퍼 ISE 홈페이지에 소개된 일체형 햇빛발전의 종류와 개념, 그리고 그 잠재력 등에 대한 내용을 옮겨보겠습니다.
– 녹색아카데미 최우석
붙이 햇빛발전 (일체형 햇빛발전 Integrated Photovoltaics)
붙이 햇빛발전의 여섯 가지 갈래
프라운호퍼 ISE에서는 붙이 햇빛발전(일체형 햇빛발전)의 갈래를 위의 그림과 같이 여섯 가지로 분류하고 있습니다.
- 도시붙이 햇빛발전 (도심 햇빛발전, Urban Photovoltaics; UPV)
- 물붙이 햇빛발전 (물위 햇빛발전, 수상 햇빛발전, Floating Photovoltaics; FPV)
- 논밭붙이 햇빛발전 (논밭위 햇빛발전, 영농형 햇빛발전, Agriphotovoltaics; APV)
- 집붙이 햇빛발전, 건물붙이 햇빛발전 (건물 일체형 햇빛발전, Building-Integrated Photovoltaics; BIPV)
- 차붙이 햇빛발전, 탈것붙이 햇빛발전 (차량 일체형 햇빛발전, Vehicle-Integrated Photovoltaics; VIPV)
- 길붙이 햇빛발전 (도로 일체형 햇빛발전, 길위·길옆 햇빛발전 Road-Integrated Photovoltaics; RIPV)
붙이 햇빛발전의 독일 내 잠재력
프라운호퍼 ISE는 성공적인 에너지전환을 위해서는 독일 내에 500 GW의 햇빛발전 용량이 필요할 것이라고 추산합니다. 2019년 중반까지 독일에는 48 GW의 햇빛발전소가 설치되었는데 이중 75% 가량이 지붕에 설치되었고 나머지가 맨땅에 설치되었다고 합니다. 이 설치 용량이 10배가 되어야 하는 것입니다. 그런데 앞에 이야기했듯이 맨땅 햇빛발전이 대대적으로 확장되면 갈등과 수용 문제가 생기게 마련입니다. 따라서 붙이 햇빛발전(일체형 햇빛발전)이 갈등을 피하는 길일 뿐 아니라 시너지 효과도 얻을 수 있는 유력한 길인 것입니다.
프라운호퍼 ISE에 따르면 기술적으로 설치 가능한 것으로만 국한해서 독일의 붙이 햇빛발전의 잠재력을 추산해보면 위의 그래프와 같다고 합니다. 잠재력의 순위를 매기면 논밭붙이 햇빛발전이 1700 GW로 1위이고, 건물붙이 햇빛발전이 1000 GW로 2위입니다. 나머지는 이 두 갈래에 비하면 기술적 잠재력에 차이가 꽤 큽니다. 3위가 길붙이 햇빛발전 290 GW이고 4위가 59 GW의 도시붙이 햇빛발전입니다. 물론 기술적으로 설치 가능하다고 다 설치가 되는 것은 아니고 경제성 있는 잠재력은 경제적, 제도적, 실용적 경계 조건과 수용성 문제를 모두 고려해서 결정하게 됩니다. 여하튼 기술적 잠재력만 본다면 에너지전환을 위해 독일 내에 필요한 500 GW의 설치용량을 다 소화하고도 몇 배나 남을 만큼의 잠재력을 가지고 있다는 점을 알 수 있습니다. 즉, 숲과 산림을 햇빛발전을 위해 희생시키지 않아도 되고 경작지도 농사와 햇빛발전을 함께 할 수 있는 곳으로 가꿀 수 있다는 것입니다.
통합이 가져다 주는 기회들
이렇게 붙이 햇빛발전으로 에너지전환을 해나갈 수 있는데 여기에 아래와 같은 추가적인 기회도 있다고 프라운호퍼 ISE는 전망합니다.
- 첫째 기회 : 토지 이용 갈등이 생기지 않게 한다.
- 둘째 기회 : 표준화된 햇빛발전 널(태양광 모듈; 패널)보다 개별 상황 맞춤형 햇빛발전 널이 많이 필요해서 지역의 햇빛발전 널 생산 기회가 생긴다.
- 셋째 기회 : 햇빛발전소를 위한 구조물이나 건물 거죽 재료 등을 덜 쓰게 되어 자재 소비를 절감하고 햇빛발전 설치를 위한 비용이 전체적으로 준다.
- 넷째 기회 : 지역 에너지 공급과 주행 거리 연장. 건물붙이 햇빛발전은 아침과 저녁 발전량을 늘려서 특정 시간대에 몰리는 발전량을 보완해준다.
논밭붙이 햇빛발전 Agrivoltaics (APV)
영농형 태양광발전이라고 보통 칭하는 논밭붙이 햇빛발전은 최근 극적으로 발전하였고 지금은 거의 세계 모든 지역에서 찾아볼 수 있습니다. 설치된 논밭붙이 햇빛발전소는 2012년 약 5 MW에서 2018년 약 2.9 GW로 급성장했다고 합니다. 주로 정부 지원 프로그램으로 운영되는 일본(2013년부터), 중국(2014년 무렵부터), 프랑스(2017년부터), 미국(2018년부터)에서 성장하고 있고, 최근에는 한국도 동참하고 있다고 프라운호퍼 ISE는 소개하고 있습니다.
- [논밭붙이 햇빛발전 – 간단 정리]
- 전 세계 설치 용량 : 약 2.9 GW (2018년 현재)
- 독일의 기술적 잠재력 : 약 1700 GWp
- 잇점
- 광대한 땅 면적 잠재력
- 소규모 지붕 햇빛발전 시스템보다 덜 비싸다.
- 우박, 서리, 가뭄 피해로부터 농작물 보호하는 등 농업에 부수적인 잇점이 생긴다.
- 해결과제
- 토지를 이중으로 이용하는 데에 대한 법규 체계 개혁
- 농부에게 지급하는 EU 농업 보조금 관련한 사항
- 독일 재생가능에너지법의 FIT 관련 사항
건물붙이 햇빛발전 Building-Integrated Photovoltaics (BIPV)
건물일체형 태양광발전이라는 이름으로 많이 불리는 이 갈래의 햇빛발전에 대한 관심은 아주 오래 전부터 있었습니다. 건물붙이 햇빛발전은 건물 거죽이 담당하는 단열, 바람과 햇빛으로부터 보호, 건축적 기능 등 기존의 기능들을 만족하는 동시에 전기를 만들어내는 기능을 하는 건축 요소를 가리킵니다. 이러한 복합기능 덕택에 건물붙이 햇빛발전 자재들은 기존 건축 외장재들보다 더 경제적이고 생태적으로도 균형잡혀있다 할 수 있습니다. 건물 소유주들은 건물붙이 햇빛발전을 통해 갈수록 엄격해지는 건축물 에너지 성능 관련 규정을 지킬 수 있고, 건축적으로는 지붕과 건물 입면을 주변 경관과 어울리게 미적으로 꾸미면서도 에너지 전환에 이바지할 수 있습니다. 지역의 생산자들이 개별 건물에 건물붙이 햇빛발전 모듈을 맞춤 생산할 수 있는 기회도 더 생길 수 있다고 프라운호퍼 ISE는 설명합니다.
- [건물붙이 햇빛발전 – 간단 정리]
- 독일의 기술적 잠재력 : 약 1,000 GWp
- 잇점
- 건물 분야 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 중요한 요소 (제로에너지/플러스에너지)
- 이미 유리로 외장을 한 건물은 비교적 적은 노력으로 햇빛발전 모듈을 적용할 수 있다.
- 해결과제
- 상업적 규정과 기술적 규정 사이의 접점 찾기 위해 설계 및 계획에 공이 더 든다.
- 표준 제품, 자동화 공정을 이용하기 어려운 맞춤 제품 생산이 필요해 비용이 올라간다.
- 기능과 미적 요소를 모두를 만족하는 제품이 아직 적어서 더 제품 스펙트럼이 넓어져야 한다.
갈수록 다양한 색상과 질감, 모양의 건물붙이용 햇빛발전 부속들이 나오고 있어서 디자인 면에서는 선택지가 많아지고 있는 추세입니다.
길붙이 햇빛발전 Road-Integrated Photovoltaics, PV in Railways and Noise Barriers (RIPV)
운송에 쓰이는 땅에 일체화된 햇빛발전(transport-area-integrated photovoltaics)은 차도(road-ways)와 철도(railways)에 통합되거나 그 가까이에 설치되는 햇빛발전소로 이루어집니다. 햇빛발전 널(PV modules)은 차도와 자전거길, 산책로나 도시의 광장에 직접 통합될 수도 있고, 철로의 침목 위나 방음벽이나 고속도로의 길가 같이 길에 붙은 땅이나 시설에 통합될 수도 있습니다. 길 위에 햇빛 지붕을 씌우는 것도 생각할 수 있는데 이렇게 하면 발전과 동시에 길 표면이 풍화되는 것을 막는 효과도 있습니다. 독일 내 모든 종류의 수송로를 다 합하면 독일 땅 면적의 약 5%에 달하는데, 방음벽, 자전거길, 고속도로 길가 등 합리적으로 이용할 수 있는 이미 포장된 구역만 약 72 GW의 기술적 잠재력을 가지고 있다고 합니다.
이용할 수 있는 면적은 아주 크지만 요구조건이 엄격하고 충족해야 할 기대도 높습니다. 특히 길의 바닥을 이용하려면 아주 까다로운 점이 많습니다. 프라운호퍼 ISE의 연구 프로젝트 가운데 전기 생산에 최적화되고 수명이 길고 안전이 확보된 햇빛발전 도로포장재의 구조를 개발하는 연구도 있다고 합니다.
- [길붙이 햇빛발전 – 간단 정리]
- 독일의 기술적 잠재력 : 최소 300 GWp
- 잇점
- 이미 포장된 땅을 활용
- 도로 따로, 햇빛발전소 따로 짓는 것에 비하면 건설, 연결, 설치에 드는 노력이 덜 든다.
- 전력망과 연결 거리가 짧은 경우가 대부분이다.
- 해결과제
- 햇빛발전 널 기술에 무척 엄격한 요구조건 (안정성, 역학적 부하, 미끄럼 저항성, 소음 흡수)과 결과적으로 높은 널 비용
- 넓은 면적에 필요한 효율적인 배치 시스템
- 청소, 수리, 관리가 더 복잡하다.
[적용의 조건]
햇빛발전 널을 소리막이벽에 통합할 때에 남북으로 뻗은 길가 소리막이벽이라면 양면 햇빛발전 널이 적합합니다. 동서로 뻗은 길에서는 한면 햇빛발전 널을 소리막이벽에 경사지게 올리는 것이 좋습니다. 햇빛발전 널이 길 거죽에 직접 일체화될 때에는 수송로 요구조건을 만족해야 하고, 기상 조건이 나쁠 때에도 충분히 접지력을 발휘할 수 있어야 합니다.
도시붙이 햇빛발전 Urban Photovoltaics (UPV)
도시붙이 햇빛발전은 큰 주차장, 광장이나 운동 및 여가 활동 공간과 같은 도시 안 포장된 땅에 해가림 시설, 가로등, 전기 이동수단 충전 시설, 비가림 시설 등과 결합하여 햇빛발전을 한다는 개념입니다. 이렇게 하면 애초 다른 목적의 공간에서 에너지까지 얻게 되어 가치가 배가되고 사람들이 일상에서 에너지전환을 긍정적으로 경험할 수 있게 된다는 장점이 있습니다. 다양한 가능성은 훨씬 많습니다. 복합 환승 시설이나 무역 전시장 주차장의 조명, 해가림, 비가림 시설에 햇빛발전판을 결합한 경우도 있고, 길가에서는 햇빛발전 시스템이 광고판 역할을 하거나 통신 설비와 일체화될 수도 있습니다. 도시붙이 햇빛발전은 디자인도 나쁘지 않아야 하고 기존 기능을 해치지 않아야 하므로 보통 맞춤형으로 설계하고 시공할 수밖에 없습니다. 게다가 공공의 공간은 법률적 조건이 복잡해서 허가 절차가 어렵다.
- [도시붙이 햇빛발전 – 간단 정리]
- 독일의 기술적 잠재력 : 최소 59 GWp
- 잇점
- 이미 포장되어 이용하고 있는 땅을 활용
- 계통망과 연결 거리가 가깝다.
- 조명, 해가림, 전기 이동수단 충전장치, 비가림 시설에 햇빛발전판을 일체화하여 하나의 시설을 두 가지로 활용
- 넓은 포장면의 과열 방지
- 다소 황량해보이는 지역을 시각적으로 보기 좋게 한다.
- 해결과제
- 기능과 디자인의 결합
- 허가를 위해서는 세세하게 검토해야 할 점들이 많다 (안전, 행정 절차, 책임, 표준)
- 맞춤형 디자인과 소량 생산 때문에 설계에 더 공이 들고 비용도 더 높다.
- 햇빛발전 널에 대한 기술적 요구 사항 (안정성, 역학적 부하, 운송, 소음 흡수, 반사율)
- 빛반사와 같은 바람직하지 않은 효과 방지하기
물붙이 햇빛발전 Floating Photovoltaics (FPV)
수상 태양광발전이라고 흔히 부르는 물붙이 햇빛발전, 또는 물위 햇빛발전은 물에 뜨는 지지대에 햇빛발전소를 세운 것입니다. 유럽에서는 흔히 폐쇄된 노천 광산에 물을 채운 채굴장 호수와 같은 인공 호수에 세우기도 하고 저수지 또는 잔잔한 바다 위에도 세운다고 합니다. 최근 물위 햇빛발전은 아주 활발하게 성장하고 있는데 2018년 중반까지 1.1 GW가 넘는 용량이 설치되었다고 프라운호퍼 ISE는 정리하고 있습니다.
- [물붙이 햇빛발전 – 간단 정리]
- 전세계 설치된 용량: 약 1.1 GW (2018년 중반까지)
- 독일의 기술적 잠재력: 약 55 GWp (채굴장 호수만)
- 잇점
- 물의 냉각 효과 때문에 전력 생산량이 더 높다.
- 증발을 막아 물이 덜 줄게 한다.
- 해를 가려서 수온을 더 낮게 한다.
- 해결과제
- 설치와 관리가 더 복잡하다.
- 방수 요구조건을 맞출 수 있는 생태적으로 안전한 물질이 아직 많지 않다.
차붙이 햇빛발전 Vehicle-Integrated Photovoltaics (VIPV)
차붙이 햇빛발전은 차량 안에 햇빛발전 널을 기계적으로나 전기적으로, 그리고 디자인 면에서도 완전히 한 몸이 되도록 통합하는 것을 말합니다. 햇빛발전 널이 차량 모양새에도 매끄럽게 한 몸이 되어야 하겠고, 전기 구동 장치와 전력 저장 장치와도 잘 연결되어야 합니다. 동시에 지붕이나 앞덮개 등의 본래 역할도 해내야 합니다. 차붙이 햇빛발전은 차량의 주행거리도 늘려주고 직접 전력을 공급하므로 탄소배출도 줄입니다. 승용차의 경우는 미적인 요구사항이 높고, 트럭이나 버스 같은 대형 차량에서는 하중에 부담이 되지 않도록 가벼워야 합니다. 여행용 트레일러나 이동식 주택, 배달용 자전거, 트램, 기차, 배, 비행기, 드론 등에도 탈것붙이 햇빛발전을 적용할 수 있습니다.
- [차붙이 햇빛발전 – 간단 정리]
- 독일의 기술적 잠재력 : 최소 55 GWp
- 잇점
- 주행거리가 늘어난다. (하루에 몇 km 수준으로 늘어난다.)
- 소비처 가까운 데에서 발전을 하므로 전력계통망과 충전 설비의 부담을 줄인다.
- 전기차 충전 비용을 절약한다.
- 화석연료 차량에 설치하면 교통 분야 탄소배출을 줄인다.
- 해결과제
- 기존 햇빛발전 널에 비하여 새로운 재료와 생산 과정을 적용해야 한다.
- 특수한 영역에 필요한 다양한 종류의 널이 생산하기 위해 소량 맞춤형 생산이 필요하다.
- 설치 면적이 작아 최고로 효율이 좋은 햇빛전지를 적용해야 한다.
차붙이 햇빛발전 널이 적용된 차량의 경우는 하루에 몇 km씩 주행거리가 늘어납니다. 냉동·냉장탑차의 경우에는 냉각장치를 가동하기 위한 부하를 줄일 수도 있습니다.
