수상 태양광
1) 수상 태양광의 개요
현대 사회에서는 RE1001) 및 파리기후협약에 따라 기존 에너지와 차 원이 다른 청정 무제한의 에너지가 요구되고 있으며, 이를 타개하기 위 한 방법으로 신재생에너지에 대한 기술개발이 요구되고 있다. 특히, 태 양광 에너지는 전력 송배전에 필요한 인프라 불필요, 무한한 에너지자 원, 저렴한 유지비용, 무소음 및 무공해 등 친환경적이며 반영구적인 방
법으로서 태양이 비추는 곳이면 어디든지 간단히 설치하여 생산할 수 있 기 때문에 미래 에너지원으로 각광을 받고 있으며, 세계적으로도 미국, 일본, 유럽 등에서 많은 사업이 이루어지고 있다. 하지만 태양광 발전소 는 궁극적으로 태양전지를 이용하여 태양광을 전기로 변환시키는 것이 며 동일한 효율의 태양전지를 사용한다는 가정하에 생산 전력량은 면적 에 비례할 수밖에 없음에 따라, 결국 대량의 전력을 생산하기 위해서는 대규모의 태양전지를 설치할 수 있는 넓은 공간이 확보되어야 한다.
KEY FINDING
1. 수상태양광은 산림자원 감소와 생태계 및 경관 훼손 등의 부정적 영향을 미치는 육상태양광과 달리 상대적으로 환경영향이 적어 빠른 사업 추진이 가능하며, 발전효율이 육상 태양광 대비 10 % 가량 높음에 따라 최근 유휴수면을 대산으로 각광받고 있는 기술이다.
2. 국내에서는 2009년을 기점으로 국내에서 수상태양광 발전에 대한 관심이 증폭되면서 다양한 형태의 구조물이 등장하였으며, 한국농어촌공사와 한국수자원공사의 담수자원을 활용한 수상태양광이 많이 건설되고 있다.
3. 국내 한국농어촌공사에서 발주를 진행하는 저수지 영역, 한국수자원공사에서 진행하는 댐 수면, 정부에서 운영하는 해수면 영역에 대한 잠재량을 기준으로 시장을 추론하여 보면 연평균 성장률은 24 %로 2025년 1조8천억 원의 규모를 형성할 것으로 추산된다.
4. 하지만 해수면을 이용한 수상태양광의 경우 기존 담수시설용 실증기준을 적용하기에는 많은 환경변수가 있을 것으로 판단되며, 부가적으로 안전성, 내구성, 경제성, 환경성이 확보된 기술의 적용이 필요할 것이다.
데이터분석본부 호남지원 선임연구원
박 형 욱
Tel: 062-951-7711 e-mail: hyungwook@kisti.re.kr1) RE100 : 기업이 사용하는 전력 100 %를 재생에너지로 충당하겠다는 캠페인
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그림 1 수상 태양광의 구조
선진국의 사례를 살펴보면 일반유휴부지 뿐만아니라 다양한 공간 에 태양광 발전시설을 설치하여 전력을 생산하고 있으며, 특히 사막, 산악, 호수 같은 특별한 활용 가치가 없는 공간에 태양광 발전시설을 설치해 전반적인 국토활용도를 높이고 있다.
하지만 우리나라 지형의 경우 대부분이 산악지형이고 나머지 평 지 부분은 대부분 도심 혹은 농경지로 활용되고 있다. 세부적으로 산 악지형은 급경사로 태양전지의 설치에 애로가 있고, 태양광을 충분히 받기 위해 주변 나무를 모두 벌목하고 있음에 따라 집중호우 때 자칫 산사태 등을 유발할 가능성이 있으며, 도심지역의 경우 수많은 건물 과 도로 때문에 대규모 태양광 발전시설을 설치하기에는 다소 무리가 따른다. 이러한 여러 상황을 고려할 때 하천부지는 넓고 편평하며 높 은 장애물이 없이 일사량 확보에 용이해 태양광 발전소의 설치에 좋 은 입지 여건을 갖추고 있어 최근 이슈화되고 있다.
2) 육상 태양광과 수상 태양광의 비교
국내 태양광 발전사업은 정부의 정책 지원으로 최근 5년간 연평균 145.3 %의 고성장세를 보이면서 신재생에너지의 확장이라는 시대 적 요구에 부응하는 지속가능한 발전의 한 모델로 자리잡고 있다. 하 지만 면적 집약적인 사업 특성상 토지 비용이 상대적으로 저렴한 임
야 또는 농지에 주로 입지하여 산림자원 감소와 생태계 및 경관 훼손 등의 부정적 영향이 불가피하며, 이러한 환경적 문제의 발생은 신재 생에너지의 근본적인 취지인 친환경성을 퇴색시킴에 따라 자연보존 과 청정에너지 확대 간의 충돌을 야기하고 있다.
이와 같은 문제를 극복하기 위한 대안으로 최근 유휴 수면을 활용 한 수상 태양광발전이 주목을 받고 있다. 이는 육상태양광에 비해 상 대적으로 환경영향이 적어 빠른 사업 추진이 가능하다는 점과 발전 효율이 육상태양광 대비 10 % 가량 높기 때문이며, 수면의 자외선 을 차단하여 저수지 녹조현상을 완화시키고 어류의 산란환경 조성 이 가능하다는 이점에 기인한 바가 크다고 할 수 있다. 뿐만 아니라 국토 면적이 협소한 우리나라 실정을 감안할 때, 국토의 효율적 이용 측면에서 적합한 발전방식이 될 수 있다는 기대감은 향후 수상 태양 광 시장의 발전 가능성을 낙관적으로 전망하고 있다.
경제성 측면에서 살펴보면 수상 태양광이 설치될 현재 하천부지 는 국가 소유로 국토부에서 관리하고 있으며, 만약 사업 추진 시에는 일반 용지에 비해 토지 매입 비용을 절감할 수 있어 초기 투자비를 낮출 수 있다는 장점을 가지고 있다, 또한 장애물이 없어 일조시간을 최대한으로 산정할 수 있어 발전량을 극대화 시킬 수 있다. 게다가 하천부지의 특성상 경사면이 거의 없어 설계가 용이하고 활용 면적 을 극대화 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
가장 큰 문제점인 설치기반시설의 비용적 측면에서는 홍수위에도 태양전지의 침수를 막을 수 있는 높이까지 설치하여야 하며, 방수설 비 등의 추가적인 비용으로 인해 초기시공비 및 설치비용이 증가할 수 있으나 향후 발전량측면에서 살펴보면 장점이 더욱 큰 것으로 고 려되어 경제적으로는 충분한 타당성을 가질 것으로 예상된다.
특히 하천부지 설치 시 설치비 인상에 가장 큰 영향을 주는 것은 견고한 구조물로 만들기 위한 기초 구조물 시공비로 예상되는데 검 토 결과 1.5억 원/MW 정도의 상승이 있을 것으로 추산되나 이는 발전량 상승 및 토지매입비 저감 등으로 충분히 상쇄 가능하며, 오히 려 경제성이 우수할 것으로 사료된다. 또한 하천부지 태양광 발전소 는 설치 시의 비용 저감 이점 외에 발전량을 통해서도 경제적 이득을 기대할 수 있다. 통상적으로 하천부지가 일조량이 좋고 주변 환경 여 건에 의해 태양전지 모듈 온도가 낮아지는 것을 반영한다면 육상 태 양광 발전설비 대비 5 % 안팎의 발전량 상승을 기대할 수 있는데 이 를 단순한 계산에 의해 전기료로 환산할 경우 연간 1.7억 원 정도의 추가적인 경제성을 가져올 수도 있다.
육상 태양광 수상 태양광
- 넓은 대지 면적 필요. 공간 확보 어려움
- 부지 매입 또는 임대비용 과다 - 유휴수면(댐, 저수지, 하천, 호수 등) 활용
- 음영 회피지역 제약 - 육상에 비해 비교적 제약 적음
- 토목공사 등 기반시설 필요
- 태양전지 구조물 설치 - 기반시설 필요 없음
- 태양전지 부력체 설치
- 지반 온도 상승에 따른 발전효율 저하 - 육상 대비 낮은 수온으로 발전효율 증대 - 수변반사 산란파에 의한 발전효율 증가
- 환경 훼손 우려가 큼
- 환경피해에 따른 각종 민원 발생
- 비교적 환경 훼손 적음
- 넓은 면적으로 설치할 경우 산소 공급 등의 순기능 저지 - 광합성 저하로 녹조 발생 저감 효과
- 침수식물 생육으로 어류 산란장 제공 - 사회적 갈등 적음
표 1 육상태양광과 수상태양광의 비교
표 2 육상 대비 하천부지 태양광 발전소의 경제성 분석(1MW 기준)
구분 육상 하천부지 비고
부지비용 769 414 매입비용 감소
태양광모듈 828 828 동등
구조물/토목공사 260 403 기초구조물 시공비 추가
인버터 117 117 동등
송수전설비 86 86 동등
접속반/제어장치 485 485 동등
기자재설치비 144 144 동등
합계 2,689 2,477 하천부지 유리
(단위 : 백만원)
수상 태양광 | ASTI MARKET INSIGHT 2022- 076 수상 태양광 | ASTI MARKET INSIGHT 2022- 076
3) 국내외 수상 태양광 운영 현황
국외사례를 살펴보면 수상 태양광발전은 미국 캘리포니아주의 포 도 농장에 설치된 477 kW 급 수상 태양광 발전시스템이 최초의 사례 이다. 이후 일본에서 활발히 연구가 진행되어 왔는데, 특히 빗물 조정 연못, 저수지, 해상 등 다양한 환경에서 수상 태양광 발전시스템을 설 치하여 활용하고 있다. 대표적으로 카메야마시에 있는 빗물 조정 연못 에 200 kW 급 수상 태양광 발전시스템이 설치되었으며, 이후 수상과 육상에서의 발전량을 비교하기 위하여 아이치 저수지에 90 kW 급(수 상 : 경사 10 도 공랭식 10 kW, 경사 1.3 도 수냉식 10 kW, 경사 10 도 수냉식 60 kW/ 육상 : 경사 30 도 10 kW) 수상 태양광 발전시스 템이 설치되었다. 이탈리아에서는 테라모렌티그룹이 개발한 추적 부 유식 태양광 발전시스템(200 kW)이 설치되었다. 또한 이스라엘 솔라 리스시너지(Solaris Synergy)와 프랑스 에너지 기업 EDF는 공동 작 업을 통해 부유식 태양광 시스템을 2011년3월에 최초로 설치했다.
이 시스템은 수 KW부터 수십 MW까지 생산량을 다양하게 조절할 수 있는 모듈러 설계 형태로 제작되었으며, 각 시스템의 모듈은 기본적으 로 200 kW급의 생산력을 갖추고 있으며, 더 많은 모듈을 설치할수록 생산력이 높아지도록 설계되어 있다. 하지만 이경우에는 부유식 시스 템 자체의 단가가 높아 발전효율 측면에서 장점을 기대하기 어렵다.
국내 수상 태양광 발전시설의 경우 충청남도 당진군 소재 석문저 수지에 최초로 설치한 이후 2009년을 기점으로 국내에서 수상 태양
광 발전에 대한 관심이 증폭되면서 다양한 형태의 구조물이 등장하 였다. 한국수자원공사(K-water)에서는 주암댐에 2009년 2.4 kW급 시작품을 설치하여 수상 태양광 발전에 대한 가능성을 확인하고, 2 년여에 걸친 실증을 마친 후 2011년 합천댐에 100 kW 상용화 실증 플랜트를 설치했다. 이를 기반으로 2012년에 당시 세계 최대 규모의 500 kW 수상 태양광발전소를 건립하였으며, 뿐만 아니라 이듬해인 2013년12월 100 kW급 수상 추적식 태양광발전소를 구축하여 또 하나의 새로운 기술을 선보였다.
농어촌공사에서는 2012년12월 전라북도 부안 소재 청호지에 30 kW급 규모의 실증단지를 구축하는 한편, 2013년7월에 나주 백룡제 에 목적 외 사업으로 30 kW를 추가 설치했으며, 최근 경남 밀양 덕 곡저수지에 200 kW, 전남 장성 달성저수지에 210 kW 수상 태양광 발전소를 건설하였다. 또한 민간 공동협력사업으로 2014년8월 경기 도 안성에 위치한 금광저수지에 465 kW급 규모의 수상 회전식 태양 광발전소를 건설하였고, 동일한 방식으로 덕산저수지에 465 kW급 발전소를 구축하고 있다. 국내에서 최초로 MW급 수상 태양광발전 을 선보인 것은 동서발전으로 충남 당진군 당진 화력냉각수 취수로에 2013년6월 설치된 1,000 kW급의 수상 태양광발전소이다. 이는 해 수에 설치한 최초의 상용화단지로서 염해 환경에 대한 내구성과 시공 성을 고려하여 태양광 모듈의 설치를 위한 구조재를 모두 FRP 복합 재로 구성하였고, 중소기업과 동반성장을 통한 기술개발을 통해 진보 된 기술을 선보여 약 40일 만에 모든 시스템을 구축하였다.
그림 2 해외 수상태양광 운용시설
(a) 미국 캘리포니아주 수상태양광시설 (b) 이스라엘 수상태양광시설
그림 3 합천댐 설치 수상 태양광 시설 (500 KW)
4) 수상 태양광 시장 동향
신·재생에너지백서(산업통상자원부·한국에너지공단,)에서는 태양 에너지(태양광, 태양열) 설비가 적용될 수 있는 평면적을 산출하고 각 단위 면적별(1 ㎢)로 도달하는 일사 자원량을 적용하여 태양에너지의 잠재량을 세가지(이론적, 지리적, 기술적)로 구분하여 산정한 바 있 다. 대표적으로 활용 가능한 입지로는 수면을 활용해야 하는 입지적
특성상 한국농어촌공사가 보유한 농업기반시설(저수지, 담수호, 용·
배수로), 한국수자원공사의 다목적댐, 지자체에서 관리하는 소규모 저수지(소류지) 등을 들 수 있다. 따라서 국내 수상 태양광발전의 잠 재량(8,783 MW)은 30 %의 발전효율을 적용했을 때, 원전 2.6 기 (원전 1 기 발전 용량=1,000 MW)와 맞먹는 규모로 알려져 있으며, 이는 신재생에너지의 확대와 부족한 국토면적을 대신할 수 있는 수상 태양광의 가능성을 보여주는 것이라 할 수 있다.
표 4 수상 태양광발전 잠재량 산정 결과 비교
수면 관리기관 시설 구분 한국농어촌공사 결과 한국수자원공사 결과 한국전력공사 결과
개발면적(ha) 잠재량(㎿) 개발면적(ha) 잠재량(㎿) 개발면적(ha) 잠재량(㎿)
한국농어촌공사
저수지 4,238 3,260 3,260 1,976 3,626 1,813
담수호 3,908 2,633
용·배수로 147 73
한국수자원공사 다목적댐 2,680 1,624 5,312 2,656
한국수력원자력 발전용댐 1,263 632
지자체 소류지 940 570 1,641 820
국내 시장을 한국농어촌공사에서 발주를 진행하는 저수지 영역, 한 국수자원공사에서 진행하는 댐 수면, 정부에서 운영하는 해수면 영역 으로 크게 세가지로 대별해 수상 태양광 시장을 산출하면 다음과 같다.
➀ 한국농어촌공사 관리 전국 3,397 개 농업용 저수지에 대한 내 용의 경우 2019년을 기준으로 사회적 잠재량 593MW로 볼 수 있으며, 이는 1 MW를 2억 원으로 추산했을 때 1,186억 원으 로 예상 시장 추론
➁ K-water에서 발주 예정인 댐 수면에 2,758 MW 규모의 수상 태양광을 2026년까지 설치하는 계획 등 ‘신재생 3020 정책’을 기준으로 살펴보면 2019년 기준으로 발전용 댐의 잠재량인 623
MW로 추정하였으며, 이는 1,246억 원으로 예상 시장 추론
➂ 해양수산부에서 진행하고 있는 새만금 등 대규모 간척지에 대 한 잠재력을 살펴보면 2025년 2 GW를 목표로 현재 투자계획 및 발주를 진행하고 있음에 따라 2019년 기준 테스트베드로 진 행하고 있는 1,000 MW를 기준으로 추정하여 2,000억 원의 예상 시장을 추론
이를 통해 확보된 잠재량으로 MarketsandMarkets의 ‘Solar Floating structure’에서 제시된 CAGR 26.74 %를 그대로 적용한 결과 국내 시장규모는 <표 5>와 같이 추정할 수 있다.
표 5 수상태양광 추정 국내 시장규모
2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 CAGR(%)
수상 태양광 국내시장 4,432 5,617 7,119 9,023 11,435 14,493 18,369 26.74 (단위: 억원)
➁ 수상 태양광의 안전성 판단기준 마련 필요
수상 태양광발전은 설치환경이 육상이나 건물 지붕 등에서 수면 으로 변화된 방식으로 태양전지를 활용해 전기를 생산해 송전하는 기본적인 구성 및 원리는 여느 태양광발전 방식과 동일하나 수면에 발전소를 건설하기 위한 구조적 시스템에서 확연히 구분된다. 이에 각 모듈에 재하되는 풍하중은 구조물에서 중첩되고 계류로 집중되는 현상이 발생해 이에 대한 발전소의 규모가 제한될 수 밖에 없는 상황 이다. 2019년 일본 치바현 아마쿠라댐의 수상태양광발전소 붕괴사 고 역시 단위 구조물의 단편적인 안전성만으로 판단해 확대 설치된 사례가 있는 만큼 이를 고려한 안전성 검토 정책이 추가되어 연구가 필요할 것이다.
➂ 해상태양광으로의 변화
수상 태양광의 경우 기존 저수지 및 댐 등의 담수호에서 주로 진행 되었다. 문제는 이를 통해 확보된 실증 기술을 방조제 및 해수 조건의
대규모 사업으로 적용시키고 있다는 점이다. 염해 지역의 경우 장기 내구성, 구조재의 부식과 관련된 1차적인 구조물 소재가 마련되어야 하며, 장기적으로는 파랑 및 파고 등의 내구성 문제, 서식하고 있는 조류의 배설물 문제, 이에 더 나아가 유지관리 문제까지 함께 검토된 차별화된 기술적 노력이 필요할 것이다.
➃ REC 인센티브 개편
현재 REC 인센티브를 적용받는 수상 태양광이지만 전력거래 정책 방향 및 확대되어지고 있는 추세에 따라 경제성 측면에서 하락할 소 지가 있다. 이에 전력량 모니터링 등 O&M과 관련된 보다 많은 관심 이 요구될 것이며, 열악한 유지보수 환경을 고려한 서비스 모델로 발 전되어야 할 것이다.
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5) 분석자 인사이트
수상 태양광발전은 기존의 통상적 개념을 탈피해 물의 또다른 형 태의 에너지화 기술개발에 초점을 맞춘 연구개발 성과물로서 개념적 참신성과 혁신적 발상을 전제로 한 GT, ET, BT, IT가 융복합된 진정 한 자연친화적 에너지기술이라고 할 수 있다. 특히 국가 전체 저수지 수면의 5 %를 수상 태양광으로 개발할 경우 여의도 8배의 면적, 약 130만 가구에 전기를 공급할 수 있는 4,170 MW 태양광을 개발할 수 있어 태양광 에너지의 보급과 확산에 크게 기여할 수 있을 것으로
예상되고 있다. 실례로 K-water에서는 합천댐(0.5 MW), 보령댐(2 MW), 충주댐(3 MW)까지 총 3 개의 수상 태양광 발전시설을 보유하 고 운영하고 있으며, 충주댐에 설치된 ‘청풍호 수상 태양광발전소’는 연간 950 가구에 공급할 수 있는 4,031 MWh의 청정에너지를 생산 중에 있다. 블룸버그 리포트에 따르면 2021년1월 기준 국내 총 115 MW의 수상 태양광이 상업운전 중에 있으며, 추진 중이거나 가동중 인 용량을 모두 합하면 3,739 MW 규모가 될 것으로 기대되고 있다.
수상 태양광의 기술 및 시장 특성을 기반으로 모색할 수 있는 사업화 전략은 <표 6>과 같다.
구분 요인
기회요인 위험요인
외부 환경
정책
• 에너지의 안정적인 공급과 기후변화 대응을 위한 신재생 에너 지 기술개발 정책 추진
• 신재생 에너지 의무할당제, 공공건물 신재생 에너지 의무화 사 업 등을 통한 국내시장 확보
• 전력 수급 기본 계획 및 국가적 차원의 정책을 바탕으로 연구개 발 추진
• 세계 경제의 침체 및 환경규제 강화 등에 따른 단기적인 산업 침 체의 가능성
산업 • 국가별 에너지 수급의 예상되는 불균형을 해소하고 자국의 에 너지 수급에 안정성을 확보하기 위해 대체에너지 개발 추진
• 해외에서도 국내 기술력의 파급효과가 커지고 있음
• 대규모 발전에 따른 장거리 송전, 화석에너지 기반 전력 생산에 따른 비효율성으로 에너지 절감에 구조적 어려움 존재
• 국내는 아직 활성화된 시장 및 인프라가 부족
• 중국 업체의 기술/시장 지배력 강화
• 주요 공기업이 산업을 주도하여 중소기업 참여 영역 확보가 어려움
시장 • 세계적으로 지속가능한 친환경 에너지에 대한 선호도 증가로 인해 수상 태양광 에너지에 대한 시장 확대 전망
• 에너지 수요에 따른 ESS시장 급성장 추세
• 협소한 내수 시장 및 수출 중심 산업 구조로 불확실성 증대
• 선진국의 에너지를 이용한 다양한 비즈니스 모델이 활성화되고 있으나 국내는 미진함
기술
• 에너지 산업간 융복합 기술 개발을 통한 시너지 창출
• 전력량 계량 기술 및 ICT 결합
• 에너지 효율에 대한 니즈 증대 환경오염에 대한 관리 기술 강화 등으로 인한 관련 R&D 요구
• 선진국의 기술개발 가속화에 따른 기술 격차 확대
• 환경규제 강화 등에 따른 높은 기술개발 수준 요구 표 6 수상 태양광 시장의 신사업기회 분석
➀ 수상 태양광의 지속적인 확대 정책에 따른 기술력 확보 최근 정부가 한국판 뉴딜에 ‘그린뉴딜’을 포함하는 등 에너지 전환 을 핵심으로 하는 미래 경쟁력 확보 비전을 발표하면서 수상 태양광 시장 확대는 더욱 가시화되고 있으며, 대표적인 수상 태양광 지역인
‘새만금’은 총 2.1 GW에 달하는 세계 최대 규모의 태양광발전소가 조성될 예정이다. 이는 2019년 글로벌 전체 수상 태양광 설치량 1.3
GW보다 훨씬 큰 대규모 사업으로 진행될 예정이며, 한국농어촌공사 와 한국수자원공사에서는 2030년까지 2.6 GW를 단계적으로 개발 할 예정에 있다. 하지만 세부적인 내용을 살펴보면 기술적인 부분인 구조물 방식 부분에 집중되어 있어 부가적으로 안전성, 내구성, 경제 성, 환경성이 확보된 기술의 적용이 필요할 것이다.
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분원 (우) 02456 서울특별시 동대문구 회기로 66 한국과학기술정보연구원 T. 02)3299-6114 F. 02)3299-6244
