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태양광발전의 이면, 과연 친환경적인가?

재생에너지 발전량 비중을 2030년까지 20%로 높이겠다는 문재인 정부의 ‘재생에너지 3020’ 정책에 따라 태양광 발전소가 우후죽순 생겨나고 있다. 이는 원자력, 석탄 발전량을 낮추고 친환경 재생에너지 비중을 키우려는 정부의 의도가 담겨있다. 실제로 태양광 에너지는 기존 원자력, 석탄 등의 화석연료와는 달리 지속가능성을 표방하고 있어 환경 친화적인 에너지로 미래의 에너지 고갈과 환경오염에 해답이 될 것으로 기대되고 있다. 그리고 이러한 정책에 따라 정부는 태양광 발전소를 설치하는 데 보조금을 지급하고 20년간 고정 가격에 태양광 발전소에서 생산된 전력을 구입해주는 정책을 펼치고 있다. 그 결과로 최근 2년 동안 태양광발전 시설 허가 면적이 급증했다.

하지만 우리는 다시 생각해보아야한다. 과연 태양광발전이 무조건 좋은 것일까?
태양광발전을 통해 기존 에너지의 문제를 해결하자는 취지는 좋다. 그러나 이를 무분별하게 확장했을 때, 태양광발전의 이면은 드러난다. 분명 태양광발전은 언젠가는 필요불가결한 에너지지만, 치명적인 단점으로 인해 오히려 환경에 악영향을 끼치고 있다. 더군다나 전력난과 탈원전으로 단점이 더욱 부각되고 있다. 정부의 정책에 따라 기존 에너지 비율을 줄이고 이를 태양광발전으로 대체하고 있는데, 그 대체에너지가 사실은 환경에 악영향을 주고, 단점투성이라면 이러한 변화가 과연 옳은 것일까.

 

태양광발전의 치명적인 단점
 

태양광발전의 가장 큰 문제점 중 하나는 낮은 효율성에 있다. 현재 주로 사용되고 있는 에너지에 비교하면 태양광발전으로 기존의 에너지를 대체한다는 것이 시기상조임을 알 수 있다. 태양광발전의 발전효율은 약 8~15%, 통상 12%에 이른다. 수력 발전이 80~90%, 화력 발전이 45~50%, 원자력 발전이 30~40%의 발전 효율을 보인다는 것을 고려했을 때, 이는 매우 낮은 수치에 해당한다. 즉 동등한 에너지를 발전기에 투자할 때, 태양광발전을 통해 생산할 수 있는 전력량은 미미한 수준임을 의미한다. 만약 발전 효율이 낮다고 하더라도 원자력 발전과 같이 발전량이 많거나, 단가가 낮거나 필요로 하는 부지가 적어 많이 지을 수 있다면 단점이 상쇄될 수 있으나, 아직까지는 이러한 문제를 해결하지 못하여 낮은 발전 효율이 더욱 부각되고 있다.

둘째, 태양광발전은 상당히 많은 부지를 요구한다. 태양광발전은 1의 발전 설비를 구축하기 위해 13.2에서 44의 부지를 필요로 하는데, 원자력 발전이 1의 발전 설비 구축에 0.6의 부지를 필요로 하는 것에 비해 매우 비효율적임을 알 수 있다.

한국은 인구밀도가 높고 산지가 많아 1차적으로 부지를 확보하는 것이 어렵기 때문에 태양광발전의 비율을 높이는데 걸림돌이 되고 있다.

셋째, 태양광은 발전 단가가 상당히 높다. 모든 문제점을 해결하고 태양광의 발전 비율을 늘리는 것에 성공한다고 하더라도, 지금과 같은 발전단가로는 전기세를 감당하는 것이 불가능하다. 역대급 무더위로 인해 누진세에 대한 개편이 요구되는 지금, 효율도 떨어지면서 비싼 발전 단가는 현실성을 크게 떨어트리는 요소다.

넷째, 태양광은 외부 환경에 의한 효율성 저하 문제를 안고 있다. 단순히 모듈의 효율을 높이는 것은 기술 개발을 통해 개선할 수 있으나, 태양광은 환경에 의해 설치 이후 효율의 손실이 발생한다. 다음은 태양광의 효율에 영향을 끼치는 요소들이다.

[ 일사량의 변동, 적운 및 적설, 오염 및 노화, 온도 변화에 의한 효율 변동, 그늘 발생 시 손실 원재 및 자재 공급, 표준 상태일 때 태양 전지 모듈의 효율, 직병렬 접속의 불균형, 직류 회로 손실, 인버터 및 발전 장치 손실, 축전지충방전에 의한 손실, 최대 출력 차이의 손실 ]

즉, 부족한 발전 효율에 다양한 요소가 개입되어 추가적으로 실제 발전 전력량을 저하시키는데, 그 중에서도 온도 변화에 많은 영향을 받는다. 태양광발전은 단순히 일사량이 많고 온도가 높다고 해서 효율이 높은 것이 아니다.

통상적으로 태양광발전은 온도가 1℃ 올라감에 따라 효율이 0.5%씩 감소한다. 거기다 온도만이 발전에 관여하는 것이 아니라, 운량, 습도 등의 기상요소 역시 변수로 작용하기 때문에 태양광 모듈이 가지는 최대 효율을 발휘하는 것이 어렵다. 그래서 일사량이 높은 여름에는 높은 온도와 습도로 인해 오히려 발전량이 낮다. 2011년 5월부터 2013년 4월까지의 데이터에 따르면, 계절별에 따른 태양광 발전량은 봄, 가을, 여름, 겨울 순으로 측정되었다. 동기간 전력 소비량이 겨울, 여름, 봄, 가을 순으로 측정된 것을 고려해보면, 아직까지 태양광이 실용화되기에는 시기상조임을 알 수 있다. 전력을 가장 필요로 하는 여름과 겨울에 태양광을 통해서는 안정적으로 전력을 공급해줄 수 없다.

이러한 문제를 고려해보면 요즘 이슈로 대두되고 있는 전력난을 해결하기 위해 탈원전 정책을 펼치고 신재생에너지의 비율을 늘리는 것이 아직까지는 비현실적임을 알 수 있다.

현재 신재생에너지를 통해 생산되는 전력은 전체 발전량의 약 9.3% 가량을 차지하고 있으며, 재생에너지 2030 및 탈원전 정책 아래 그 비율은 점차 증가하고 있다. 하지만 신재생에너지 중 태양광발전의 비율은 50%를 상회할 정도로 높은데, 현실적으로 이러한 변화를 통해 전력난을 해결할 수 있을지는 생각해봐야 하는 문제이다.

마지막으로 태양광발전이 정말 친환경적인가에 대한 문제이다. 태양광발전은 효율성이 낮기 때문에 사업성의 확보를 위해 최대한의 부지를 확보하려 하지만, 우리나라의 지형 특성상 산지가 많기 때문에 이러한 조건을 만족하는 부지를 확보하기 어렵다. 그러나 지금 진행되고 있는 정책은 지형에 대한 고려 없이 보급률 확대를 위해 무조건적인 참여를 유도하는 것이 실정이고, 이는 멀쩡히 있는 산을 태양광 발전소로 만들어 버리는 결과를 야기했다. 그리고 2018년 7월 4일, 경북 청도군 매전면의 한 태양광 발전소에서 산사태가 발생했다. 태양광 패널 설치를 위해 나무를 베어 기반이 약해진 상태에서 태풍 쁘라삐룬이 상륙하여 발생한 산사태로, 인명 피해는 없었으나 흙더미가 도로를 덮쳐 위험천만한 상황을 연출했다. 청도 뿐 아니라 철원 태양광 발전소에서도 이틀간 내린 비로 인해 축대가 무너지는 사고가 발생했다. 이는 태양광발전소 설치 계획과 재생에너지 정책을 다시 한 번 고려하게 만드는 사고였다.

임야에 태양광발전소를 설치하기 위해서는 나무를 베고 산을 깎아야 한다. 산에 있는 나무는 흙을 잡아주고 물을 흡수하는 역할을 하여 장마, 태풍 등으로 인한 집중호우로부터 산사태를 막아주는 역할을 한다. 이런 역할을 하는 나무들을 베고 산을 깎은 결과는 누구 나 쉽게 예상할 수 있는 산사태이다. 현재 정책 상 태양광 발전은 허가도 잘 나오는 편이고 허가 이후에는 별 다른 규제가 이뤄지지 않기 때문에 엄청난 산림 훼손이 일어나고 있다.

태풍 쁘라삐룬의 영향권이 영남지방으로 한정되었기 때문에 이정도로 그쳤지만, 대한민국 전역을 강타하는 태풍이 온다면 피해 규모가 더 커질 것이다. 산림청에 따르면 2010년 30ha였던 산림 태양광 발전시설 허가 면적이 2014년엔 175ha, 2015년에는 522ha로 급증했다. 정부의 보조금 지급과 태양광발전으로 생산된 전기의 판매가 안정적으로 진행됨에 따라 점점 산림 태
양광 발전시설도 증가할 것으로 예측된다. 건물 옥상, 폐농지 등에 설치하는 태양광발전소와는 달리 땅에 뿌리내리고 있는 나무를 베어내고 산을 깎아 만드는 임야 태양광발전소. 지금처럼 무분별하게 설치된다면 태풍으로 인한 피해 규모도 어마어마해질 것이다. 친환경을 위해 시작된 태양광인데 이 태양광을 위한 벌목이 과연 친환경적인가? 문제는 이뿐만이 아니다.

패널의 환경적 문제를 언급하기 전에 먼저 패널의 수명부터 짚고 넘어가야 한다. 태양광을 설치하려는 소비자가 늘어나면서 태양전지의 효율 문제와 더불어 중요시 되는 것이 수명 문제이다. 현재 태양광 패널의 평균 수명은 약 15년 정도로 보고 있다. 여기서 태양광 패널의 수명이라 함은 최종적으로 발전성능이 제대로 나오는지 나오지 않는 지로 결정된다. 앞서 태양전지가 25℃ 이상일 때 1℃상승 시마다 발전 효율이 떨어진다고 언급하였다. 이러한 태양전지 셀의 온도 상승은 셀의 한계작동온도를 지속적으로 초과 상태로 만들고, 이는 장기적으로 태양 전지 모듈의 신뢰성을 저하시킨다.

태양에너지는 무한한 에너지원일지라도 태양광 패널은 온도 과열로 인해 발전 성능이 최저점으로 떨어지기 때문에 짧은 수명을 가지게 된다. 통상적으로 원자력 발전소의 수명이 60년 정도라면 태양광 발전소의 수명은 20년 정도라고 한다. 단순히 수명이 짧다는 것에서도 사실 대체 에너지로써 적합하지 않지만, 수명이 다해 버려진 패널에서 심각한 중금속의 누출, 환경 문제를 일으키고 있다는 것이 더 큰 문제이다.

버려진 태양광 패널이 문제를 일으키는 것은 결정질 실리콘이라는 핵심 물질 때문이다. 결정질 태양전지는 전체 태양전지의 90%를 차지할 만큼 대중적으로 많이사용된다. 이를 만드는 과정에서 사염화규소로 명명되는 부산물이 생성되는데, 이 물질은 사람의 피부와 시력에 악영향을 주며, 폐부종으로 인하여 호흡이 곤란해지는 증상까지 동반할 수 있다. 또한 심할 경우 동식
물 모두 죽음까지 이르게 할 수 있는 물질이다. 또한 버려진 태양광 패널에서 납과 카드뮴, 인듐, 구리, 육불화에탄 등 다양한 중금속이 검출된다. 중금속으로 인한 오염이 발생할 경우 일차적으로 대기, 수질, 토양 오염을 야기할 뿐만 아니라, 이러한 환경 속에서 자란 농수산물로 인해 인간에게도 생명에 치명적인 영향을 준다. 대표적으로 카드뮴에 노출되었을 때 생기는 이타이이타이병은 뼈가 물러지면서 조금 움직이는 것만으로골절이 일어나는 무서운 병이다. 중금속 오염은 국민의 건강과도 직결되어 있는 중요한 문제이다.

 

태양광 발전의 미래

태양광 에너지는 아직까지 현실화하기에 큰 걸림돌이 많다. 지금처럼 억지로 신재생 에너지를 활성화 하겠다고 산을 깎는 행위는 지속가능을 표방하는 신재생에너지와는 어긋나고, 효율성 문제와 폐패널의 문제를 해결하지 못한다면 대체에너지로써도, 환경 친화 에너지로써도 의미를 가지기 어렵다. 물론 태양광 에너지의 순수한 가치에는 변함이 없다. 화석 연료와는 달리 무
한한 에너지원이라는 점, 환경오염을 일으키지 않는다는 점은 매력적인 카드이다. 제한적이지만 기술이 발전함에 따라 여러 단점들이 해결의 키워드를 찾고 있다는 점도 긍정적이다.
특히 수명 부분은 상당부분 개선의 여지가 있다.

수명에 큰 영향을 주는 태양전지의 온도 상승에 따른 발전효율 저하를 막기 위한 방안으로 크게 세 가지의 방법이 있다. 첫 번째는 냉각장치를 설치하여 열을 주변 환경으로 효율적으로 방출하는 것을 돕는 것이다. 냉각장치의 종류 또한 여러 가지지만, 기존 모듈에 지하수를 통해 냉각수를 분사하는 방식을 가장 많이 사용한다. 최근에는 지하수의 사용량을 최소화하기 위한 냉각 장치가 꾸준히 개발되고 있는 상황이다.

 

두 번째는 태양전지 소재나 구조에 변화를 주어 높은 온도에서도 출력을 유지할 수 있도록 하는 것이다. 태양전지의 종류에 따라 다양한 연구가 시도되고 있지만 그 중에서도 최근 가장 주목받는 것은 한화 큐셀 코리아에서 개발한 ‘큐피크 듀오’ 다. 큐피크 듀오는 퀀텀듀어 기술이 적용된 태양광 모듈 제품으로, 셀 뒷면에 반사막을 넣어 태양전지를 높이는 복합기술에 첨단 레이저로 태양광 셀을 반으로 잘라 높은 온도에서도 저항 손실을 최소화하고 출력을 높인 것이 특징이다. 이외에도 각 소재의 열화 원인을 줄이는 소재나 열에 강한 구조를 개발하여 수명을 연장하는 기술이 꾸준히 개발되고 있다.

세 번째는 수면 위에 설치하는 수상 태양광이 있다. 수상태양광은 댐이나 저수지의 유휴 수면에 설치하는 융·복합 태양광 시설로, 모듈 냉각 효과와 그늘을 피할 수 있어 육지 태양광 보다 발전효율이 10% 가량 높은 것으로 나타났다. 물의 비열이 커서 온도의 급격한 상승이 없기 때문에 한여름에도 발전효율이 떨어지지 않는다. 산지나 농지를 훼손하지도 않고, 우리나라의 저수지를 이용하면 대규모의 태양광 에너지 개발이 가능하다.

이외에도 태양광의 발전 효율은 단순한 물 세척으로도 어느 정도 상승 시킬 수 있다. 100kw에서 비세척 모듈과 세척 모듈의 수익을 비교해보면 연간 약 710만원가량 차이가 난다. 단가가 세고 효율이 낮은 현 상황에서 쉽게 문제점을 어느 정도 해결 할 수 있는 방법이다. 그 밖에 반사 판넬을 사용하거나 거울을 사용하는 방법으로도 효율을 상승시킬 수 있다.

태양광 패널 자체에서 반사되는 빛과 방향을 반사 판넬을 통해 다시 태양광 패널로 반사시킴으로써 최소 30%~45%까지 효율을 더 올릴 수 있다. 물론 반사 방식의 경우 역시 태양 전지의 온도 효율이라는 2차적 문제를 가지고 있기 때문에 완벽한 해답은 되지 않는다. 수명의 개선과 발전 효율의 개선은 결국 친환경 에너지로의 종착점에 한 걸음 더 다가가게 해준다. 하지만 제시한 해결 방식만으로는 수많은 단점들을 개선하는 것이 사실상 무리다.

그렇기에 우리는 서두르지 않아야 한다. 태양광 에너지가 친환경 에너지로써 의미를 가질 수 있게 기다려야 한다. 지금처럼 정책이란 이름 아래 무분별하게 태양광 발전소를 늘려가고 효율을 위해서 환경을 해치는 행위는 환경에게도, 전력이용 차원에서도 원전에 비해 나을 것이 전혀 없다. 태양광발전이 정말로 대체에너지로써 그 가치를 가지기 위해선 아직까지 시간이 필요하다. 그 시간까지 우리는 최대한 태양광 발전을 건강한 방향으로 진행해야 할 것이고, 지금과 같이 대체에너지 보급률의 확대에만 매달리고 억지로 기존 에너지를 대체하려는 행위는 더 이상은 일어나지 않아야 한다.

 

 

 

R.E.F. 12기 김준희
joon.hi.kim@gmail.com
R.E.F. 13기 정수인
shublanci@gmail.com
R.E.F. 13기 김준훈
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R.E.F.14기 김준호
hookim0513@gmail.com
 

R.E.F. 12기 김준희  joon.hi.kim@gmail.com

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