신재생에너지 설비가 기후환경을 변화시킨다.

신재생에너지 설비가 기후환경을 변화시킨다

자원고갈부터 기후변화까지 여러 문제들이 국제적 이슈로 대두됨에 따라 각 국가들은 자국의 실정에 맞는 신재생에너지 설비를 증설하는데 노력하고 있다. 신재생에너지 설비 중 가장 쉽게 떠올릴 수 있는 태양광이나 풍력 등은 벌써 시장의 규모가 커지고 상용화에 접어드는 수준에 와있다. 이에 따라 다양한 문제점 또한 제기되고 있다. 예를 들어 기상변화에 따른 불안전한 생산량, 생태계 교란 등이 대표적이다. 본 기사에서는 대표적인 신재생에너지인 태양광과 풍력을 중심으로 신재생에너지 설비가 기후환경에 어떠한 영향을 주는지에 대하여 이야기 할 것이다.

 

1. 신재생에너지 발전소 근방의 국지적인 강우량 증가

[그림 1. 사하라 지역의 풍력 ∙ 태양광의 강수 효과 Modeling]

출처 : Phys.org

일리노이 대학의 자연자원 ∙ 환경과학과 리얀 박사 연구팀은 태양광 및 풍력 발전 설비가 강우량과 식물 생장에 미치는 영향을 시뮬레이션 분석하였다. 900만km² 면적에서 3TW와 79TW를 생산하는 풍력과 태양광 발전소를 가정하였는데, 이 수치는 사하라 지역의 20%를 태양광 패널로 뒤덮고, 300만개의 풍력 발전 터빈을 설치하는 규모로 세계 에너지 수요를 넘어서는 규모이다.

시뮬레이션 결과, 사하라 사막의 일평균 강우량은 0.24mm에서 0.59mm으로 두배 이상 증가하였으며, 사헬지역의 일평균 강우량은 2.23mm에서 3.57mm로 50%이상 증가하였다. 이는 태양광 패널과 풍력 발전 터빈이 대기 순환에 강우량을 증가시키는 방향으로 관여하여 발생한 결과이다. 이처럼 강우량이 증가하면 사막 지역의 식물 생장력이 높아지며, 식물의 토지 피복도가 증가하면 사막의 지표면에서 반사되는 태양에너지를 감소시켜 더욱 강우량을 증가시킨다. 이는 최근 급격한 사막화가 이뤄지고 있는 사헬지역에 긍정적인 효과를 가져올 것으로 보여진다.

 

 

1.1. 일반적인 구름 형성 및 강수 매커니즘

강수의 유형은 지형성 강수, 대류성 강수, 저기압성 강수, 전선성 강수로 나뉘는데, 그 원리는 아래의 표에서 나타냈다. 지형성 강수는 다우지, 대류성 강수는 소나기, 저기압성 강수는 태풍, 전선성 강수는 태풍을 형성하는 특징을 가진다. 아래와 같은 과정으로 대기가 움직이고 구름이 형성되어 강수가 일어나는 것이다. 태양광 패널과 풍력발전 블레이드는 강수활동이 일어나는 대기의 움직임과 유사하게 관여하여 발전소 주변의 강수량을 증가시킨다.

[표 1. 강수 유형]

출처 : EBS클립뱅크, 에듀넷, zum학습백과

■ 단열 압축에 따른 구름의 소멸

하강 기류 → 주위 기압 상승 → 단열 압축 → 기온 상승 → 증발 → 구름 소멸 → 맑은 날씨

■ 단열 팽창에 따른 구름의 생성

상승 기류 → 주위 기압 하강 → 단열 팽창 → 기온 하강 → 응결 → 구름 생성 → 흐린 날씨

 

 

1.2. 태양광 패널과 풍력 터빈과 강수량 증가

[그림 2. 태양광 및 풍력 발전설비와 강수량]

태양광 패널이 태양에너지를 흡수하여 온도가 높아지면 지표 주변의 온도 또한 함께 높아진다. 이때, 지표 부근의 대기 온도 또한 높아지고, 뜨거운 공기는 상승 기류를 형성한다. 따라서 대류성 강수와 유사한 형태로 비가 내리게 된다. 풍력발전기는 대규모의 터빈을 가지는데, 바람에 의해 터빈이 회전하면서 상층부의 뜨거운 공기를 아래로 내려 보낸다. 밤 시간, 풍력발전기의 운동에 의해 대기는 강제적인 대류를 하게 되고, 지표면 주변의 최저 대기온도가 높아지면서 증발량이 많아져 강수량 증가가 유도된다. 사막 지역의 강수량이 증가하면 식물 생장력이 높아지고 사헬 지대의 경우 급격하게 이뤄지고는 있는 사막화를 저지하는 효과가 클 것으로 예상된다.

 

 

2. 태양광 발전에 대한 필자의 견해

이번 항목에서는 거시적인 시점에서 바라본 지구의 에너지 수지에 대한 필자의 생각을 서술하려 한다. 지구는 표면에 도달하는 태양복사에너지의 일부를 수용하는 동시에 일부는 반사하고, 지구복사에너지를 방출하면서 복사평형을 이루고 있다. 이러한 지구의 에너지 수지에 미칠 태양광 패널의 작용을 생각해보았다.

태양광 패널은 햇빛을 최대한 모아서 전기를 뽑아내는 설비이다. 따라서 지구의 표면에 위치한 태양광 패널은 햇빛을 받고 저장하며, 전기에너지를 만들어내고 패널 자체의 온도가 상승하기도 한다. 이때, 열역학 제2법칙(고립계의 총 엔트로피(무질서도)의 변화는 항상 일정하거나 증가하는 방향으로 진행한다. 즉, 자연계의 에너지 전달에는 방향이 존재한다.)에 따르면, 신재생에너지로 생산된 전기에너지는 인간을 거쳐 종말에는 결국 열에너지의 형태로 전환 될 것이다. 예를 들어 전기에너지를 이용하여 자동차가 달린다고 하면, 자동차가 달리면서 타이어와 도로, 차체와 공기 등 마찰에 의해 열에너지로 전환된다. 이렇듯 전기에너지는 다양한 경로를 거쳐 열에너지의 형태로 지구에 잔류하게 되는 것이다.

인간이 태양광 패널을 이용함으로써 이전의 자연상태에서는 우주로 반사하던 태양에너지까지 끌어당겨 사용하는 것이며, 그 전기에너지는 결국 열에너지로 변환되고, 지구에 잔류하는 태양에너지의 양을 축적하여, 결국 지구 온도를 상승시킬 수도 있는 것이 아닌가? 하는 의문에서 출발하였다.

 

 

2.1. 알베도란?

[그림 3. 기후계의 구성 요소 및 상호작용]

출처 : 기상청

알베도란 표면이나 물체에 반사되는 태양복사의 분율로 대게 (%)단위로 나타내며, 이에 따른 기온 변화를 알베도 효과라 한다. 알베도가 높으면 태양에너지를 많이 반사하여 주변 기온이 낮아지는데, 높은 알베도를 갖는 표면의 조건은 건조한 토양, 밝은 색, 부드러운 표면 등이 있다. 반면 알베도가 낮으면 태양에너지를 덜 반사하고, 많이 흡수하여 주변 기온이 높아지는데, 낮은 알베도를 갖는 표면의 조건은 습윤한 토양, 어두운 색, 거친 표면 등이 있다.

[그래프 1. 지면 상태/조건에 따른 알베도]

출처 : The Azimuth Project

식물체의 경우 식물체의 종, 생육 고도, 표면으로 드러난 토지의 비율, 잎들의 각도 & 옆면 지수가 관여된다. 알베도 효과를 지구 전체로 확장시키는 경우 구름의 양, 빙하의 면적, 사막의 면적, 식생 등 토지 피복도, 지형적 특성, 도시 건축물, 도로 포장률, 대기 중 에어로졸 농도 등 고려해야하는 요소가 많아진다. 따라서 지구 전체에 걸친 알베도 효과를 정확히 정량화하고 지구온난화에 대한 기여도를 산출하는 것은 매우 어렵다.

한가지 예를 들면, 빙하의 감소는 극지방의 알베도 감소와 양의 피드백을 갖게 된다. 지구온난화에 의해 극지방의 빙하가 녹아 바다가 되면, 빙하의 알베도는 40~90%로 매우 높지만, 물의 알베도는 10%이하로 매우 큰 폭으로 알베도가 떨어지게 된다. 알베도의 감소는 극지방에 흡수되는 태양에너지의 양을 증가시키고, 극지방의 온난화를 가속화한다. 따라서 더욱 빠른 속도로 빙하가 사라지며 알베도 또한 급격하게 낮아지는 것이다. 이처럼 알베도는 기후시스템과 긴밀하게 연결되어 있으며, 그 효과 또한 무시할 수 없다.

 

2.2. 태양광 패널의 알베도

[그림 4. 일반물질 표면의 알베도 (미 연방항공국 기술지침 의거)]

출처 : Roger. D C

태양광 패널의 목적은 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 것이다. 따라서, 전자기파인 빛에너지를 최대한 흡수하기 위해 반사방지 코팅과 스티플링(stippling) 확산 반사를 이용하거나, 광포획 구조를 형성한다. 이처럼 태양광 패널은 거친 표면을 가지며, 진청색이나 검은색 등으로 모듈 색이 어둡고, 무기물 재질로 표면이 건조하여 낮은 알베도의 조건을 모두 만족한다. 미 연방항공국의 기술지침에 따르면 태양관 패널은 10이하의 매우 낮은 알베도를 갖는데, 이는 도달하는 태양에너지의 대부분을 흡수한다는 의미이다. 따라서 반사되어야 할 태양에너지가 태양광 패널에 의해 전기에너지로 변환되어 지구에 잔류한다면, 생성된 전기에너지는 열역학 제2법칙에 의해 자연계에서 엔트로피가 높아지는 방향인 열에너지의 형태로 전환되고 결국, 지구 내부에 열에너지가 축적되는 것이 아닌가 하는 의문이다. 물론, 필자가 서술한 부작용은 그 크기가 매우 미비할 수 있지만 기술에 대한 경계심을 갖고자 함이 본 기사를 작성하는 목적이다.

 

우리는 지구온난화가 온실가스에 의해 촉진되는 것이 자명한 것처럼 여겨지는 교육을 받아왔다. 인간 활동에 의해 탄소와 같은 온실가스가 배출되고, 온실가스에 의해 지구가 방출하는 적외선 방사를 대기층에 흡수되어 지구온난화를 일으키는 과정은 우리가 알고있는 통상적인 시각에서 바라본 지구온난화의 과정이다.

때문에 현재 우리 사회는 지구온난화에 대응하기 위해 온실가스를 감축하는 신재생에너지 기술에 관심을 갖고 있다. 하지만 기술에 대한 맹신을 자칫 거대한 부작용을 가져올 수 있다. 특히 생태계와 같이 복잡한 시스템에서는 인간의 기술이 성공을 거둔 사례가 드물기 때문에 ‘좋은 기술’이라고 불리울수록 우리는 더욱 경계해야 할 것이다.

자원부족, 에너지안보 등의 문제에 따라 신재생에너지의 필요성이 대두되고 있는 현 상황에서 신재생에너지를 어떻게 효율적으로 이용할 수 있을까? 위에서 지적한 문제점은 높은 알베도를 지닌 지역에 태양광 패널이 설치되어, 알베도가 감소하고, 지구에 흡수되는 에너지 총량이 증가할 수 있다는 가능성이었다. 따라서 태양광 패널을 효과적으로 사용하기 위해서는 부지의 알베도까지 고려하는 것이 어떨까? 하는 생각을 하였다.

예를 들어 도심 지역의 경우, 평균적인 알베도가 7~12% 정도로 태양광 패널의 알베도와 별반 차이가 없다. 이러한 지역에 태양광 패널을 설치하는 것은 알베도 감소에 의한 부작용을 최소화하는 동시에, 무의미하게 도심속으로 흡수되어 열섬 현상과 같은 환경문제를 야기하는 에너지를 유용한 전기에너지로 변환하여 삶의 질 향상까지 도모할 수 있을 것이다.

 

참고자료

1) 『Large wind and solar farm in the Sahara would increase heat, rain, vegetation』, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2018.09.06

2) 김기범 기자, 『풍력 · 태양광발전, 마른 ‘사하라 사막’에 단비 부른다? 』, 경향신문, 2018.09.09

http://news.khan.co.kr/kh_news/khan_art_view.html?art_id=201809092140015

3) 원호섭 기자, 『태양광이 사하라 강우량 두 배 늘린다는데…』, 매일경제 & MK, 2018.09.16

http://news.mk.co.kr/newsRead.php?year=2018&no=583839

4) 블로그 기자단 전인형, [알베도 효과] 기후변화에 영향을 주는 요인!, 기상청 블로그, 2018.10.29

https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=kma_131&logNo=221387227081&categoryNo=8&parentCategoryNo=0&viewDate=&currentPage=1&postListTopCurrentPage=1&from=postView

5) 『기후변화와 산림 Climate change and Forest』, 산림청, 2009.10

6) 김윤미 기자, 『지구를 살리는 13가지 방법』, LG사이언스랜드, 2011.02.16

http://lg-sl.net/product/scilab/sciencestorylist/IQEX/readSciencestoryList.mvc?sciencestoryListId=IQEX2011020011

7) 임현지 연구원, 『태양광의 눈부심 오해를 둘러싼 과학적 근거』 녹색에너지전략연구소, 2018.08

http://www.hamgil.or.kr/%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80%EA%B8%B0%ED%9B%84%EB%B3%80%ED%99%94/%EC%95%84%EC%A0%A0%EB%8B%A4-%EC%86%94%EB%9D%BC-07-%ED%83%9C%EC%96%91%EA%B4%91%EC%9D%98-%EB%88%88%EB%B6%80%EC%8B%AC-%EC%98%A4%ED%95%B4%EB%A5%BC-%EB%91%98%EB%9F%AC%EC%8B%BC-%EA%B3%BC%ED%95%99%EC%A0%81-%EA%B7%BC%EA%B1%B0