날씨가 안 좋으면 재생에너지를 사용하지 못할까?

날씨가 안 좋으면 재생에너지를 사용하지 못할까?

16기 변은경 16기 배영은 16기 이서준

  세계적으로 기후변화에 대응하기 위해 앞다투어 재생에너지 보급을 확대해 나가고 있다. 유럽연합은 그 동안 국제 사회에서 온실가스 감축을 선도해왔고, EU 27개 회원국의 평균 2020년까지 에너지 사용의 20%를 재생에너지로 대체해 나가겠다는 계획을 추진 중이다. 

자료 1. 재생에너지 3020 정책 중 재생에너지 발전 비중 <산업통상지원부>

  우리 정부 역시 2030년 국가 온실가스 감축 목표를 온실가스 배출 전망치(BAU) 대비 37%까지 줄이겠다는 감축안을 확정하고, 2017년 12월, 제 8차 전력수급기본계획에서 2030년까지 재생에너지 사용 비중을 전체 에너지 대비 20%까지 증가시키는 계획을 발표하였다. 이렇게 환경을 위해 재생에너지 사용과 보급이 중요하게 인식되면서 재생에너지에 대한 관심과 투자가 늘어나고 있다. 하지만 재생에너지에도 큰 단점이 존재하는데, 날씨에 따라 전력량이 일정하지 못하다는 것이다. 그렇기 때문에 탈석탄 ∙ 탈원전 선언을 이어 나가고 있는 현재 상황에서 신재생에너지로의 에너지 전환 시 전력계통의 불안정을 우려하는 목소리도 적지 않다. 신재생에너지 기술은 날씨에 굴복하여 적합하지 못한 환경에서는 에너지를 생산 못하게 되는 것일까? 과연 태양광, 풍력, 그리고 태양열 발전이 적합하지 못한 날씨에서는 발전이 불가능할지 알아보자.

 

날이 흐리면 태양광발전은 운영이 안 될까?

재생에너지 3020 정책으로 태양광 발전은 사람들에게 많이 알려져 있는 신재생에너지이다. 햇빛이 있는 곳이면 어디서든 설치하여 발전할 수 있고 설치 후 유지비용이 들지 않으며, 무한한 재생 에너지이기 때문이다.

태양광 발전은 태양광 발전 시스템을 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 방식으로, 태양 전지의 반도체가 광전효과를 통해 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환하여 발전하는 원리를 말한다.

자료 2. 태양광 발전의 원리 <한국 신재생 서비스 블로그>

  태양광 발전에서는 n형 반도체와 p형 반도체를 접합시킨 태양전지를 사용한다. 여기서, 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 정공(hole)과 전자(electron)가 발생하는데 정공은 P형 반도체 쪽으로, 전자는 N형 반도체 쪽으로 모여 전위차가 발생하면 전류가 흐르게 되는 것이다. 이러한 이유로, 태양광 발전을 위해 서는 태양빛이 가지고 있는 에너지가 필요하기 때문에 낮에만 전력을 생산할 수 있다. 또한 비나 눈이 오는 등 날씨가 흐린 날에는 전력을 생산하지 못하는 아쉬운 단점을 가지고 있다. 따라서 현재 에너지가 과잉 되거나 부족할 때, 전력망의 안정을 위해 에너지저장시스템인 ESS를 사용하고 있다. ESS를 이용하면 원하는 시간에 전력을 생산하기 어려운 신재생 에너지를 미리 저장했다가 필요한 시간대에 사용할 수 있기 때문이다. ESS는 생산된 전기가 수시로 전력망에 공급되거나 전기자동차 충전소 등에서 높은 출력으로 갑자기 전기가 소비될 때 유용하다. ESS는 전기의 불규칙한 수요와 공급을 조절하고 수시로 변화하는 주파수를 조정해 전력망의 신뢰도를 향상시키기 때문이다.

자료 3. ESS화재 사고를 진압하는 모습 <연합뉴스>

  이렇게 ESS 시장은 계속하여 확장되고 있지만, 문제는 ESS 화재 사고도 잇따르고 있다는 것이다. 지난해 8월부터 올해 1월까지 23건의 ESS 화재가 발생했으며, 일반 화재와 달리 진화가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 따라서 최선의 방법은 신재생에너지 그 자체로 전력망을 안정시킬 수 있는 기술의 개발이라고 할 수 있다. 지난해, ‘해가 없을 때는 에너지를 생산할 수 없다’는 상식을 깨는 연구 결과가 발표되었다. 한국과학기술연구원 광전소재연구단은 태양 전지용으로 사용되는 나노선 구조 반도체의 원자 구조 배열을 압전 현상이 발생하는 구조 배열로 조절하는 것을 성공시켰다. 즉, 기존의 빛에 의한 전기 생산 기능과 물리적 진동에 의한 전기 생산 기능을 함께 수행할 수 있는 물질을 개발한 것이다. `이를 통해 하나의 물질에서 태양전지의 태양광 에너지 확보 효과와, 물리적 압력 혹은 진동을 통한 압전 특성을 활용한 에너지 수확 효과를 동시에 거둘 수 있는 가능성을 입증했다. 그리고 올해 더욱 발전된 형태의 기술들이 개발되었는데, 그 중 하나가 태양광 패널 표면에 무반사 자기세정 유리를 적용해 마찰전기를 일으키는 기술이다. 이 기술을 적용하면 패널 표면에 태양광이 반사되지 않아 더 효과적으로 집광할 수 있고, 빗방울이 나노 구조물로 이뤄진 표면에 균일하게 흘러 안정적으로 마찰전기를 얻을 수 있다. 태양광 에너지의 효율을 높이기 위해 떨어지는 빗방울의 마찰을 이용한 마찰전기 수확 아이디어가 많이 제안되었지만 처음으로 태양광 패널에 항상 사용되는 보호 유리와 유사한 광학적 성능을 갖는 마찰전기 수확장치를 개발한 것이다. 

자료 4. 나방 눈을 모사하여 만든 태양 전지 표면 <포항공대>

  연구진들은 나방의 눈 구조에서 아이디어를 얻을 수 있었다. 나방의 눈은 나노 크기의 작은 돌기가 균일하게 뒤덮여 있는데, 이를 모사한 유리로 태양 전지 표면을 덮으면 태양광이 반사되지 않아 더 효과적으로 빛을 모을 수 있다. 또한 비가 내릴 땐 빗방울이 나노 돌기 위로 균일하게 흘러 표면에 압력을 가해 안정적으로 마찰전기를 얻을 수 있다. 연구팀은 불규칙적으로 발생하는 마찰전기 수확장치의 전기 에너지를 안정화 시킨 후, 전력전달 시점을 조절하는 스위치 기반 회로를 적용했다. 이를 통해 전체 시스템의 에너지 생산 효율을 높일 수 있게 되었다. 또 빗물이 흘러가면서 먼지와 같은 이물질을 제거해주는 자가 세정 효과까지 확인되어, 비가 올 때마다 태양전지 패널의 효율을 감소시키는 먼지까지 없앨 수 있어 태양전지의 장기적인 성능 유지도 기대할 수 있다. 이렇게 ‘날이 흐리면 태양광 발전을 할 수 없다’는 선입견을 깨는 연구들이 발표되고 있다. 아직은 상용화되지 않았지만 햇빛과 빗방울, 바람 모두로부터의 전력 생산을 실현할 수 있는 연구결과가 나왔다는 것에 큰 의의가 있다.

 

바람이 불지 않으면 풍력발전기는 작동되지 않는다?

  풍력발전기란 바람의 에너지로 날개를 회전시켜 회전력으로 전기 에너지를 생산하는 재생에너지 기술이다. 온실가스 배출이 없기에 친환경적이며 바람은 지구상에서 꾸준히 발생하기에 지속 가능성을 가진다. 이러한 풍력발전기는 9 MPH(마일퍼아워), 약 4 m/s (= 14.4 km/h)이상으로 부는 바람에 작동을 한다. 이는 산들바람으로 나뭇잎이 흔들려 소리가 나고 긴 머리카락이 흔들리는 정도이다. 그 미만의 풍속이라면 풍력발전기는 작동을 하지 않는다. 하지만 평균 풍속이 4 m/s 이라면 풍속의 측면에서 풍력발전기가 가동될 가치가 있다.

  우리나라는 풍속을 기준으로 하였을 때 풍력발전기 설치가 적합한 지역이 많다. 실제 영덕풍력발전기 기둥의 높이는 80m이다. 우리나라에 기둥 80m의 풍력발전기를 설치한다고 할 때, 고도 80 m의 연평균 풍속이 14.4 km/h를 넘으면 풍속의 측면에서 설치 가치가 있다고 할 수 있다. 기상청에 따르면 우리나라 고도 90m의 연평균 풍속순위를 매겼을 때 1위는 미시령으로 30.2 km/h이고, 50위는 거문도의 경우 20.2 km/h이다. 이로 보았을 때 최소 50개 이상의 지역이 풍속의 측면에서 풍력발전 설치의 가치가 있으며 우리나라는 풍력발전의 잠재성을 갖췄다고 할 수 있다. 

  재생에너지 3020 정책으로 풍력에너지의 발전 비중이 점점 늘어나고 있는데, 출력량의 불안전으로 우려의 목소리가 크다. 풍력발전기는 자연환경에 의지할 수밖에 없는 구조이기 때문에 자연 변화에 따라 출력 변동성이 크기 때문이다. 그렇다면 바람이 불지 않는 날에는 풍력발전기가 작동하지 않을까?

자료 5. 해상풍력발전기 <David L. Chandler(4,25,2013), Wind power — even without the wind>

  14.4 km/h 미만의 바람에서 풍력발전기의 날개는 터빈을 돌릴 정도로 충분히 회전하지는 못한다. 그러나 바람이 불지 않아도 발전이 되는 해상풍력발전 기술이 개발되고 있다. 해상풍력발전을 하게 되면 부유 터빈이 사용된다. 이를 계류시키기 위해서는 닻 역할을 하는 무엇인가가 필요하다. 이때 30 m(미국 국회의사당 꼭대기의 돔의 직경과 비슷함) 직경의 콘크리트 중공 구(속이 빈 구)를 두어 닻 역할과 동시에 과잉 생산된 에너지를 저장하자는 것이 MIT 연구진의 아이디어이다.

  지금까지, 공급과 수요는 그 양이 서로 같아야 하기 때문에 전력이 수요에 비해 과잉 생산되면 에너지를 사용 못하고 낭비해야 했다. 하지만 해상풍력발전 기술을 이용하면 남는 에너지를 낭비하지 않고 효율적으로 사용할 수 있다. 풍력에너지가 과잉 생산될 때마다 그 에너지로 중공 구 안의 물을 뺀다. 그리고 바람이 불지 않을 때 중공 구 안으로 해수가 유입되도록 하고, 이 때 수력 발전처럼 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이다. MIT 연구원에 따르면 400m 해저에서 직경 25 m의 중공 구체 하나가 최대 6 MWH(메가와트시)의 전력을 바람이 안 불 때 생산할 수 있다고 한다. 1,000 개의 구체가 수 시간동안 가동되면 원자력 발전소를 대체할 수 있는 수준까지 미칠 수 있다는 것이다. 또한, 에너지를 몇 분 안에 오프라인으로 이동시킬 수 있어 가치가 높다고 한다. 이러한 해상풍력발전은 삼면이 바다로 이루어진 우리나라에 유리하다고 할 수 있다. 이와 더불어 해상 풍력발전은 삼치, 고등어, 정어리 같은 특정 어종의 서식지 역할을 하는 좋은 영향도 미칠 수 있다. 제주도에 있는 탐라해상풍력발전단지의 경우 설치과정에서 기존의 어장을 축소하는 악영향을 주었지만 구조물 주위에 새로운 어자원이 형성되어 어류가 많아졌다고 한다. 

  그 외 풍력발전기에 대한 오해와 진실을 살펴보자. 풍력발전기를 30년마다 교체하다 보니 발전기의 수명이 짧은 것이 아니냐는 오해가 많다. 하지만 실제로 풍력발전기의 수명은 30년보다 길지만 신기술의 발전으로 30년 마다 교체하는 것이 효율적이라 판단되어 진행되는 것일 뿐이다. 그리고 고드름과 같은 얼음이 생기면 낙상하여 위험요소로 작용되지 않은가에 대한 우려도 있다. 풍력발전기에 얼음이 생성되면 얇게 생성이 되고 생성이 되었을 때는 가동을 멈추고 태양빛 등으로 거의 녹게 된다. 또한 떨어져도 터빈 주변으로 떨어지기에 큰 위험 요인이 되지는 않는다.

 

태양이 가려지고 날씨가 추우면 태양열 발전이 안되지 않을까?

  태양열 발전은 복사에 의해 전달되는 태양에너지 중 주로 가시광선 영역의 파장을 흡수하여 열에너지 형태로 전환시키고, 획득된 열을 이용해 전력을 생산하는 발전방식이다. 이때, 태양 복사에너지를 고밀도로 집적하는 집광장치가 있어야 하며, 열원 획득을 위한 흡수장치, 그리고 흡수된 열에너지를 이용하여 발전을 행하는 발전장치가 필요하다. 열에너지 공급 이후에의 공정은 기존의 화석연료를 이용한 발전과 동일하다.

자료 6. 태양열발전 원리 <두산백과>

따라서 발전 사이클을 운전하기 위해 필요로 하는 고온의 열원을 어떻게 태양에너지로부터 얻을 것인가 하는 문제는 태양열 발전의 중요한 핵심요소이다. 이러한 태양열 발전은 반사경의 형태와 방식에 따라 크게 네 가지로 구분한다.

자료 7. 태양열 발전 종류별 모형<이현진 (2012). 태양열을 이용한 발전기술. 전기저널, 36-43>

먼저 구유형(PTC, Parabolic Trough Concentrator)과 선형프레넬형LFR, Linear Fresnel Reflector)은 한 개의 축으로만 태양을 추적하여 2차원으로 집광한다. 반면, 타워형(CRS, Central Receiver System)과 접시형(Parabolic Dish)은 태양을 두 축으로 추적하여 3차원 집광이 가능하다. 각각의 특징을 간단하게 정리하면 다음과 같다.

자료 8. 태양열 발전 종류별 특징 <손영준 (2019). [전문가 연재] 신재생에너지의 현재와 미래. 기계저널, 59(9), 51-53>

  태양에너지를 활용하는 모든 응용분야는 계절, 시간 및 기후조건에 따른 에너지 공급의 불균일성을 걱정하지 않을 수 없다. 이러한 한계점을 넘어서기 위한 방법은 화석연료와 함께 발전을 행하는 복합 시스템을 구성하는 것이다. 태양열발전은 화력발전소의 작동 원리가 동일하기 때문에 기존 석탄, 가스 발전소와의 조합이 가능하다. 이러한 방식은 일조 조건에 따라 화석연료의 사용량을 조절하여 최적의 조건에서 최대용량으로 운전하여 일정량의 전기를 지속적으로 생산할 수 있다. 태양열원이 부족할 때에, 추가적인 열을 화석연료로 공급하여 발전기를 가동하는 방법 뿐 아니라 기존 화석연료 발전시스템에서의 폐열을 회수해 추가 발전을 행하는 방법 등이 사용되고 있다.

  또 다른 해법으로 태양광 발전과 마찬가지 맥락으로 '에너지 저장장치'가 있다. 태양열 발전에서는 배터리보다 상대적으로 저렴한 열저장장치(TES, Thermal Energy Storage)에 잉여태양열을 저장했다가 전력 수요 피크 시간대에 방출해 발전을 할 수 있다. 이는 동일한 양의 생산전기를 기준으로 태양광 시스템의 전기저장에 비해 약 1/20의 저비용 에너지 저장이 가능하다. 이로 인해 원하는 양의 전략을 원하는 시간대에 생산할 수 있게 되었으며, 다른 재생에너지와 달리 전력 발전 시간과 양을 통제가 가능하다는 장점을 갖게 되었다. 장치 특성상 열에너지 저장장치를 사용하지 않은 접시형 발전방식을 제외한 모든 태양열발전 장치는 이렇게 그 한계를 극복하였다.

자료 9. 스페인 8월 맑은 날, 태양열 플랜트와 태양광 플랜트 총 발전량 비교 <김동윤, 김경남 (2017). 태양열 발전 기술의 동향과 전망. 한국태양광발전학회지, 3(1), 61-67>

스페인의 태양광 플랜트(PV)와 태양열 플랜트(CSP)의 총 발전량을 비교한 그림을 보면, 태양이 가려진 시간에도 태양열 발전은 꾸준히 전력을 생산하고 있음을 볼 수 있다.

 

결론

  재생에너지의 사용화에 있어 환경에 따른 생산량의 변화를 문제 삼을 수 있다. 특히 태양광과 풍력발전에 있어 전자는 날씨가 흐릴 때, 후자는 바람이 세게 불지 않을 때 에너지가 생산되지 않을 것이라고 판단할 수 있다. 하지만 이는 기술의 발전에 따라 점차 해결이 되는 문제이다. 태양광 발전은 빛이 아닌 다른 물리적 작용으로도 전기를 생산하는 기술을 개발하고 있다. 나노선 구조 반도체의 배열을 특정하게 하여 진동으로도 전기를 생산할 수 있게 하며, 무반사 자기세정 유리 패널로 빗방울의 흐름을 통해 마찰 전기를 얻는다. 풍력 발전기는 과잉 생산된 전기 에너지를 저장하여 결핍 시 사용하는 기술이 발전된다. 닻 역할을 하는 중공 구에 해수 넣었다 빼는 방식으로 유연하게 전기를 생산하는 것이다. 태양열 발전은 다른 발전기에서 생성된 폐열을 가지고 부족한 열에너지를 대신하여 전력을 생산하는 기술이 개발된다. 

  이처럼 재생에너지의 기술발전 현황을 탐색해 보는 것은 기존의 오해를 해소하고 기술을 생활속 에 받아들이는데 있어 중요한 작용을 할 수 있다. 재생에너지의 상용화에 대해 논의하는 제8회 세계재생에너지총회(KIREC)가 10월 23~25일에 서울 코엑스에서 열린다고 한다. 이러한 행사에 참여해 보며 재생에너지에 대한 오해를 풀고 현황을 이해해보는 것도 좋을 것이다.

 

출처

1. 최홍식(2018.09.04), 압전효과 장착된 태양전지, 밤에도 전기 생산한다, 솔라투데이 탄소제로, https://www.solartodaymag.com/news/articleView.html?idxno=7075

2. 이부용(2019.03.19), 나방 눈 모사 유리로 흐린 날씨에도 태양광 발전 맑음, 대경일보, http://www.dkilbo.com/news/articleView.html?idxno=174285

3. Patrick Nelson(Network World, 2018. 04. 19), 비가 와도 전기 만드는 하이브리드 태양광 패널… 기후 나쁜 지역 데이터 센터에 효과적, ITWORLD, http://www.itworld.co.kr/news/108999

4. 두산백과, 풍력발전기, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1159110&cid=40942&categoryId=32375

5. David L. Chandler(4,25,2013), Wind power — even without the wind, MIT News Office, http://news.mit.edu/2013/wind-power-even-without-the-wind-0425

6. Commonly asked questions about wind energy, We Energies, https://www.we-energies.com/environmental/winddev_qa.htm

7. 김교환, 기획재정부 12기 소셜미디어 기자단 기자(2019. 08. 30), 바다 한가운데서 전기를 생산하는 부유식 해상풍력발전, 기획재정부 경제e야기, https://m.blog.naver.com/mosfnet/221633542702

8. [높이 80m, 날개 길이 41m] 영덕 풍력 발전기를 실제로 보면 어떨까요?, https://m.blog.naver.com/mars_jacobs/221413243626

9. 풍력기상자원지도_평균풍속순위, 기상청 날씨누리, http://www.weather.go.kr/weather/climate/wind_average01.jsp?season=yr&height=50&x=18&y=13&rank=50

10. 윤정훈(2019. 01. 21), 이번엔 울산서 가스공장서 큰불.. 잇따른 ESS화재 원인은?, 아주경제, https://www.ajunews.com/view/20190121163228502

11. 함애정, (2018. 12) 재생에너지 사업 참여에 대한 국민 인식과 선호 분석 - 태양광 발전, RISS

12. 이상훈(2017), 한국에서 태양광 에너지의 경제성은?, 한국에너지공단 신재생에너지센터

13. 강용혁, 김진수 (2005). [테마기획 4_신재생 에너지] 고온 태양열발전 기술. 기계저널, 45(10), 47-51

14. 김진수, 강용혁, 이상남, 윤환기, 유창균, 김종규 (2007). 태양열복합발전 기술개발 동향 및 설계. 한국신재생에너지학회 학술대회논문집, 684-687

15. 김동윤, 김경남 (2017). 태양열 발전 기술의 동향과 전망. 한국태양광발전학회지, 3(1), 61-67

16. 두산백과, 태양열발전, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1152454&cid=40942&categoryId=32375

17. 이현진 (2012). 태양열을 이용한 발전기술. 전기저널, 36-43

18. 손영준 (2019). [전문가 연재] 신재생에너지의 현재와 미래. 기계저널, 59(9), 51-53