태양광 발전이 미래 에너지 해법이다

l 글 과학기술칼럼니스트 이준정 박사

l 신재생에너지, 선택이 아닌 필수

지금 전 세계는 기상 관측 이래 최고기온을 계속 갱신할 정도로 극심한 기후변화를 겪고 있다. 하와이 상공에서 측정하는 이산화탄소 농도는 407ppm을 넘어섰다. 이대로 가면 지구 평균온도가 산업혁명 이전에 비해 3~4도 이상을 넘어설 수도 있다. 지금 당장 전 세계의 화석연료 사용을 중단한다 해도 2도 이상 증가할 전망이다. 이제 지구온난화로 인한 자연재해 발생은 막기 힘들게 됐고, 앞으로의 피해를 최소화하기 위해서는 화석연료 사용을 최대한 줄이고 신재생에너지 비율을 크게 늘리는 방법밖에 없다.

미국정부는 최근 전 국토에 걸쳐 태양광(Photovoltaic, PV) 에너지 활용을 적극 유도하는 정부 지원정책을 발표했다. 2020년까지 연방정부 보조금으로 건설하는 저소득층용 주택에서 PV 발전량 1 기가와트(GW)를 목표로 세웠다. 이 목표는 오바마 대통령이 ‘기후행동 계획(The Climate Action Plan)’에서 목표로 세웠던 100MW 건설 계획을 10배나 확장시킨 조치이다. 미 정부가 PV 발전 시설을 적극 확산시키는 이유는 저소득층의 에너지 비용을 줄이고 일자리도 늘리는 효과가 높기 때문이다.

미국뿐만이 아니다. 전 세계적으로 2015년에 신재생에너지 발전량을 147 GW 만큼 증가시키는 신기록을 세웠다. 173개국이 신재생에너지 도입 목표를 설정하였고 146개국은 신재생에너지 지원정책을 시행 중이다. 신재생에너지는 이젠 화석연료와 경쟁할 만큼 경제성을 갖추고 있고 독일 같은 경우엔 2050년까지 전체 전력 생산량의 50% 이상을 신재생에너지로 충당하는 목표를 세웠다. PV 설비능력을 200GW까지 높이려고 매년 노후설비 교체 분까지 포함하여 PV 발전설비를 6~7GW씩 늘려갈 계획이다.

독일은 위도가 높아서 일조량이 우리나라보다 적은데도 불구하고 태양이 화창한 평일엔 PV 발전량이 순간 전력의 35%를 점유하고 주말에는 50%를 점유하기도 한다. 2015년 말 기준으로 총 PV 발전설비는 40GW이며 전국에 150만 개의 PV 발전설비가 분산되어 있는 태양광발전 모범국가다.

세계 곳곳에서 아예 ‘100% 신재생에너지’를 추구하는 도시, 지역사회, 기업들도 급속히 늘어나고 있다. 선진국은 물론이고 신흥국들도 에너지 안보와 환경문제를 극복하기 위한 대책으로 신재생에너지 구축에 대한 금융 지원을 강화하고 있다. 특이한 점은 신재생에너지 확산 운동이 역사적으로 화석연료가 매우 저렴한 시기에 벌어지고 있다는 점이다.

 

l 태양광 에너지가 특히 각광받는 이유

현재 상업적 규모에 도달한 신재생에너지는 풍력 에너지와 태양광 에너지이다. 이 중 풍력 에너지는 풍속이 적어도 초당 5~6미터 이상인 지역이어야 하며 주변지역에 소음공해를 유발하는 문제로 인해 최근엔 육지보다 해상풍력 단지로 추진하는 추세이다. 반면에 태양광 에너지는 설비비가 저렴할 뿐만 아니라 부지만 있으면 단기간 내에 발전소를 설치할 수 있어서 빠른 속도로 확산되고 있다.

일반적으로 활용되는 태양전지는 고순도 실리콘 단결정에 보론(Boron)을 첨가한 P형 반도체와 표면에 인(phosphorous)을 확산시킨 N형 반도체를 겹쳐놓은 PN접합이다. 태양빛이 태양전지에 쪼여지면 태양빛이 가지고 있는 에너지에 의해 반도체 내부에 있던 전자(-)와 정공(+)이 자유롭게 이동하게 되는데, 전자(-)는 N형 반도체 표면(상면)에 그리고 정공(+)은 P형 반도체 표면(하면)에 쏠리게 되므로 태양전지의 상면과 하면 사이에 전압차가 형성되고 전류가 흐르게 된다. 이 전류를 모으면 전력이 된다.

PV 발전설비는 한번 설치하면 설비 수명이 다 할 때까지 태양이 비치는 한 지속적으로 전기를 생산하므로 궁극적으로 미래 에너지는 무한자원인 태양광 에너지로 모두 전환될 수 있도록 기술발전이 전개될 전망이다.

이미 넓은 주차장이나 매립지, 혹은 공장 지붕 등의 유휴공간에 PV 패널을 설치하여 100kW 정도의 전력을 생산하는 사례가 급증하고 있다. 단독주택의 경우도 지붕 위에서 3kW 정도 발전할 수 있고 아파트인 경우엔 베란다 창틀 하부공간을 이용해서 250~500W 규모를 설치할 수 있다.

금년 8월부터는 PV 발전설비 설치자가 전력이 필요한 이웃에 남는 전기를 판매할 수 있는 ‘프로슈머 전력 거래’ 제도가 도입된다. 개인이 남아도는 태양광 전력을 이웃에게 팔 수 있게 된 것인데, 한전에서 판매자와 구매자를 온라인으로 연결해주는 중개업무를 맡는다. 앞으로 대규모 PV 발전 단지에 에너지 저장 시스템(ESS)을 결합할 수 있게 되면 태양광 발전량이 일정하지 않더라도 비교적 안정된 전력 공급이 가능해지므로 화력발전이나 원자력 발전량의 일부를 대체할 수 있게 될 것이다.

 

l 태양광 발전설비에도 뛰어난 철강기술이 필요

△ 포스코 고내식강 포스맥이 사용된 보령댐 수상태양광발전소

태양광 에너지를 생산하는 PV 발전설비는 수명이 25년~30년이다. 따라서 설비의 내구성이 가장 중요하다. PV 발전설비 비용은 태양광모듈, 태양광 인버터 그리고 구조물과 시공비, 크게 네 가지로 나뉘는데 태양광 모듈과 인버터가 50%, 구조물과 시공비용이 나머지 50%를 차지한다.

우선 태양광 모듈은 효율이 중요하다. 고순도 단결정 실리콘으로 제작된 모듈을 채택해야 하며 통상 12년 후 90% 정격출력, 그리고 25년 후 80% 정격출력을 보증한다. 구조물은 극심한 기후변화나 폭풍 등 재해에도 자체 하중이나 가혹한 응력 변화를 잘 견뎌낼 수 있고 장기간 태양에 노출되어도 자외선에 의한 열화나 부식이 없어야 한다.

전 세계적으로 태양광발전설비의 구조물은 강도 특성이 가장 뛰어나고 내후성, 내식성이 빼어난 표면처리 강판을 채택한다. 특히 PV 패널을 쉽게 체결할 수 있도록 강재(鋼材) 프로파일, 레일, 브라켓, 전용 볼트 등을 다양하게 개발하여 시공비를 낮추고 있다. 태양광 발전설비도 뛰어난 철강기술의 지원을 받아야 미래 에너지로서 경쟁력을 강화할 수 있는 것이다.

* 포스코리포트는 해당 분야 전문가 필진이 직접 작성한 것으로, 포스코의 입장이나 전략을 담고 있지 않습니다.