[한국에너지신문] 현대 생활의 편리함에서 에너지를 빼놓을 수가 없다. 우리의 하루는 에너지를 활용함으로써 이루어진다. 손에 들고 있는 핸드폰, 타고 다니는 자동차도, 거리의 불빛들도. 모두 에너지를 활용하지 않고서는 불가능하다.
문제는 이 에너지가 대부분 화석연료라는 점이다. 화석연료의 연소과정에서 나온 이산화탄소가 지구 온난화를 유발시키고 지구의 온도를 높이고 있다는 것이 거의 정설이다.
그렇다면 이러한 화석연료를 쓰지 않고 우리에게 필요한 에너지를 공급할 수 있는 방법은 없을까? 지구온난화에 대한 환경문제가 발생하고, 화석연료 고갈에 따른 에너지 문제를 해결하기 위해서 인간은 다시 자연으로 눈을 돌렸다.
태초부터 인간이 살아가는데 필수적이었던 태양, 바람, 물, 땅을 이젠 에너지원으로 활용하기 시작한 것이다. 여기서는 화석연료를 대신해서 우리에게 에너지를 공급할 수 있는 신재생에너지의 종류를 두 번에 걸쳐 알아보고자 한다.
태양에너지
빛 활용하는 태양광·열 활용하는 태양열로 나눠
2005년 이후 저탄소 녹색성장 정책따라 본격화
◆태양에너지
우리는 상상할 수 없을 정도로 많은 양의 에너지를 태양으로부터 받고 있다. 일 년간 지구에서 받는 에너지의 량은 연간 세계 에너지 소비량의 약 2만 배이다.
지구가 태양으로부터 1~2주 동안 받는 에너지가 지구상에 매장된 전체 화석연료에 상당할 정도다. 수치상으로 보면 태양에너지만 잘 활용할 수 있다면 에너지 걱정은 전혀 없다는 이야기가 된다.
하지만 태양에너지를 우리가 필요한 에너지로 변환하는데 소모되는 에너지나 비용을 함께 고려해야만 한다.
청정하고 재생 가능한 에너지원인 태양에너지를 활용하는 방법에는 두 가지가 있다. 태양의 빛에너지를 인간의 실생활에 활용하는 태양광에너지기술과 태양의 열에너지를 활용하는 태양열 기술이다.
태양광에너지기술은 태양이 가지고 있는 빛을 활용하는 것이다. 다시 말해 광전자에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기술이다. 발전기에 해당하는 태양전지 셀, 태양전지에서 발전한 직류를 교류로 변환하는 전력변환장치인 PCS(Power Conditioning System), 전력저장기능의 축전장치, 시스템 제어 및 모니터링과 부하로 구성되어 있다.
태양전지는 실리콘으로 대표되는 반도체이며 반도체기술의 발달과 반도체 특성에 의해 자연스럽게 개발되었다. 태양전지는 전기적 성질이 다른 N(negative)형의 반도체와 P(positive)형의 반도체를 접합시킨 구조를 하고 있으며 2개의 반도체 경계부분을 PN접합(PN-junction)이라고 일컫는다.
이러한 태양전지에 태양빛이 닿으면 태양빛은 태양전지 속으로 흡수되며, 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체내에서 정공(正孔;hole)(+)과 전자(電子;electron)(-)의 전기를 갖는 입자(정공, 정자)가 발생하여 각각 자유롭게 태양전지 속을 움직이지만, 전자(-)는 N형 반도체쪽으로, 정공(+)은 P형 반도체쪽으로 모이게되어 전위가 발생하게 되며 이 때문에 앞면과 뒷면에 붙여 만든 전극에 전구나 모터와 같은 부하를 연결하게 되면 전류가 흐르게 되는 데 이것이 태양전지의 PN접합에 의한 태양광발전의 원리이다.
우리나라의 태양광산업은 1990년대에 시작하지만 본격적인 출발은 2005년 이후로 볼 수 있다. 이명박 정부가 들어서면서 ‘저탄소 녹색성장’정책에 힘입었다고 볼 수 있다. 하지만 2010년을 전후로 태양광발전 설비의 생산과잉으로 공급가격이 급격히 떨어지는 동시에 태양광발전이 보급된 지역의 환경민원이 느는 등 어려움을 겪고 있다.
태양열에너지의 경우는 태양으로부터 복사에너지를 흡수하여 열에너지로 변환한다. 변환된 열에너지를 직접 이용할 수도 있고, 저장했다가 필요시 이용할 수 도 있다. 복사광선을 고밀도로 집광해서 열 발전 장치를 통해 전기를 발생하는 방법도 있다.
태양열은 설비형 태양열시스템(active solar system)과 자연형 태양열시스템(passive solar system)으로 구분된다. 설비형 태양열시스템은 태양열 집열기를 이용하여 태양복사에너지를 열에너지로 변환하여 이를 직접 이용하거나 별도의 축열장치에 저장하였다가 필요시 사용하는 것이다.
이와 달리 자연형 태양열시스템은 주로 건물의 구조물을 이용해서 태양열을 집열 및 축열해서 이용하는 방법이다.
태양광선의 파동성질을 이용하는 태양에너지는 광열학적 이용분야로 태양열의 흡수·저장·열변환 등을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술이다. 태양열 이용기술의 핵심은 태양열 집열기술, 축열기술, 시스템 제어기술, 시스템 설계기술 등이 있다.
우리나라는 1990년대 이후 가정용 태양열 온수기(자연순환식)의 상업화가 이루어지면서 보급이 확대되었다. 심야전기온수기 시장이 열린 1990년대 말까지 20만대 가까운 태양열 온수기가 보급되었다.
그러나 대부분 중소기업이었던 태양열 온수기업체들 중 일부가 도산하면서 애프터서비스를 못해 수많은 민원만 양산하는 결과를 가져와 보급률이 급감하기도 하였으나 현재 검토 중에 있는 신재생열에너지공급의무화(Renewable Heating Obligation: RHO) 제도가 실행된다면 온수를 많이 사용하는 분야를 중심으로 태양열 보급이 확대될 것으로 기대하고 있다.
풍력에너지
발전기 날개의 회전력 이용 전기에너지로 변환
2000년대 중반부터 대규모 풍력발전단지 설치
◆풍력에너지
거의 무한정 이용할 수 있고 이산화탄소나 방사선폐기물과 같은 환경오염물질을 배출하지 않는 무공해 천연 에너지인 풍력에너지는 가장 큰 잠재력을 가진 천연에너지중 하나이다.
풍력발전은 바람이 갖고 있는 에너지를 이용하여 발전기에 달려있는 날개를 회전시켜 이 회전력을 이용하여 전기에너지로 변환하는 발전방식이다. 좀 더 과학적으로 설명하면 바람이 가지는 운동에너지의 일부를 기계적인 에너지로 추출하여 전기를 생산해 축전지에 저장하거나 전력계통에 연결하여 송전하는 것이다.
신재생에너지백서(2014)에 따르면 국내의 풍력에너지 잠재량은 육상과 해상을 포함하여 466백만 toe/년이며, 이중에서 이용 가능한 풍력 자원은 50백만 toe/년이다.
풍력발전으로 공급 가능한 잠재량은 육상풍력 발전이 3.6GW, 해상풍력발전이 8.8GW이며, 2013년 기준 전력거래소를 통하여 거래되는 풍력발전 설비용량은 우리나라 전체 전력 설비용량의 0.51%에 해당되고, 발전량은 전체 발전량의 0.19%에 해당하는 약 980.2GWh의 전력을 생산하였다.
우리나라 최초의 풍력발전기는 1975년 경기도 화성군 어도에 설치되었다. 한국과학원이 개발한 2.2kW의 풍력발전기이다. 하지만 이는 소규모 도서 지역의 수요를 위한 것이고 전력계통에 연계한 풍력 발전기중 우리나라 최초는 1992년 한국에너지기술연구원이 한국관광공사의 요청으로 제주도 서귀포 중문에 설치한 250kW(HSW) 풍력발전기이다.
국내 민간 자본이 풍력발전에 투입된 것은 2000년대 중반부터인데 대규모 풍력발전단지로는 2005년 경상북도 영덕과 2006년 강원도 대관령에 설치되었다.
영덕풍력발전단지는 1.65MW의 풍력발전기가 24기 설치된 39.6MW의 시설용량이며 강원도 대관령의 강원풍력 발전단지는 2MW 발전기 49기가 설치되어 총 시설용량이 98MW이다.
이후 2009년 11월에 준공한 33 MW(3 MW×11기) 시설 용량의 제주도 삼달풍력발전단지 등이 있다.
한편 해상풍력자원을 개발하기 위해 제주도에 실증연구단지를 조성하여 운영하고 있으며, 2011년에는 지식경제부에서 ‘서남해 2.5GW 해상풍력 종합추진계획’을 발표하여 추진하고 있다.
이 계획에 따르면 2016년 말까지 5830억원을 투자하여 99.5MW실증 단지를 구축하고, 2017년까지 400MW의 시범단지, 2019년에는 2000MW규모의 확산단지 등 총 13조원을 투자하여 2.5GW단지를 조성하는 것을 목표로 하고 있다.
풍력발전기는 2000년대 중반까지 외국 제작사의 제품을 수입, 사용하였으나 2000년대말부터 국산제품의 설치가 이루어지고 있다. 뿐만 아니라 풍력산업은 제조와 설치·운영까지 기계, 토목, 건축 산업뿐만 아니라 많은 분야의 산업이 복합적으로 결합되어 산업 전반에 미치는 파급 효과가 크다.
특히 토목, 건축 등 주변 산업이 발단한 우리나라에 유리한 사업이어서 관련 산업 가운데 발전가능성이 매우 높은 것으로 평가되고 있다.
