유럽환경시장동향제 95 호 2013 Report on Environmental Issues in Europe 독립형에너지공급시스템내재생에너지적용 하미희 /Germany 유럽환경시장동향보고서
코네틱리포트 기후변화대응기술분야 독립형에너지공급시스템내재생에너지적용 하미희 1 현대사회에서에너지는경제및사회시스템의기본적운영뿐만아니라. 제품생산활동, 통신및이동수단에도직접적으로활용되면서윤택한인간생활영유를위한필수전제조건으로자리잡고있다. 하지만. 에너지가보유한높은중요성에도불구하고지형적, 경제적요인등으로인해. 현재까지중앙에너지공급시스템구축미비로인한에너지미공급지역이전세계에산재하고있으며, 해당지역에대한적합한에너지공급시스템마련이시급히촉구되고있는실정이다. 이에. 소규모. 독립적으로시공이가능하며지속가능하게에너지를생산할수있는재생에너지의동지역에서의활용이큰조명을받고있으며. 다양한형태로써적용가능성이평가되고있다. 이에따라본고에서는독일에너지청 (DENA) 에서작성한 독립형에너지시스템적용을위한재생에너지의해답 (Renewable Energy Solution for Off-grid Applications) 보고서에기초하여세계에너지공급시스템부재지역현황및이에대한재생에너지의활용가능성을기술하고자한다. 1. 세계에너지부족지역과재생에너지의활용 전세계인구의 1/5 에해당하는약 13 억명이전력에대한접근성조차미확보된상태이며. 이에대한해결책으로도입된디젤발전기또한원료인원유수급의어려움으로활용에난항을겪고있는것으로조사되었다. 이와함께. 경제성장에박차를가하고있는개발도상국의경우국내총생산 (GDP) 에서주요에너지원인원유수입비중이선진국대비 (ex: EU -2.7%) 월등히높은비율을 (5.5 %) 차지하고 1 독일 Berlin 공과대학생태영향및생태독성연구실 (Contact e.mail miheeha2013@gmail.com) 1
있어. 이에대한경제적부담이큰것으로조사되었으며이는국제원유가격상승과동반하여점차적으로증대될전망이다. 또한. 산업화가완료된선진국에서조차지형적요인 ( 산간지방및대규모산림지역 ) 등으로인해에너지공급망구축미비지역이존재하는것으로확인되었다. 독일에너지청 (DENA) 에서전력화사업비용. 원유가격. 정치및경제적요건과인구규모를바탕으로수행한세계시장조사보고서에따르면. 다음국가들이독립형에너지시스템설비활용에높은가능성을보유한것으로조사되었으며. 주요지역별에너지접근성이미확보된인구규모는그림 1 과같다. 라틴아메리카 : 콜롬비아. 엘살바도르, 과테말라. 온두라스. 자메이카. 니카라과. 파나마. 페루 (8 개국 ) 아시아 : 방글라데시. 버마. 캄보디아, 인도. 몽골. 네팔. 파키스탄. 필리핀. 스리랑카 (9 개국 ) 아프리카 : 보츠와나. 카메룬. 에티오피아. 가나. 케냐. 모잠비크. 나미비아. 나이지리아. 세네갈. 남아프리카공화국. 탄자니아. 토고. 잠비아 (13 개국 ) 출처 : 국제에너지기수 (IEA). 세계에너지전망 2011 그림 1. 지역별에너지접근성이부재된인구규모 2
이에따라. 저렴한시공및생산비용과함께지속적인에너지생산이가능하고. 경우에따라설치지역내자체적인에너지수요를충당하여공공전력망내에너지수요과부하를방지하는보조에너지원으로써. 독립형재생에너지생산시스템구축이각광받고있다. 관련재생에너지원으로써태양. 수력. 풍력. 및바이오에너지등이고려되고있으며단독또는상호연계되어가사및농업과공공및사회기반시설운용등에서활용되고있다. 2. 재생에너지원별활용형태및전망 2.1. 태양에너지 태양광에너지는일조량을보유한거의세계모든지역에서생산가능하며. 세계태양전지 (solar cell) 생산과잉으로인한가격하락과맞물려현재재생에너지원중가장가격경쟁력이높다고평가되고있다. 태양광과의접촉을통해광전효과를일으켜전기를직접적으로생산해내는반도체인태양전지가동발전의핵심으로실리콘소재가가장보편적으로오랜기간동안사용돼오고있다. 일반적으로태양전지의집합체인태양광모듈. 전력변환장치인인버터 ( 태양광모듈에서생산된직류전기를교류전기로변환함 ). 전력저장용축전지및분전반 ( 생산된전력량이시스템내과부하되지않게조율함 ) 과전력량계가태양광시스템을구성하는기본요소가된다. 효율적인태양광발전을위해서는태양광과태양전지접촉면적의극대화를지원하는수직접촉이가장이상적이며. 200 W 이상규모태양광발전시스템의경우낮시간동안변화하는태양의위치에맞춰모터등의작동을통해자동으로각도가조절 ( 일반적으로낮동안 3 번의위치조정이이루어짐 ) 될수있는태양광모듈 ( 태양전지의집합체 ) 의시공이경제적이라고평가되고있다. 태양광발전을통해생산된전력은즉각적으로가정용전자제품 ( 냉장고, TV, 라디오등 ) 사용을위해활용가능한동시에, 축전지에저장되어저녁및밤시간에도활용가능하게된다. 이와함께. 펌프시스템과연계된태양광발전은지하수추출, 관개및생활용수공급 ( 낮시간동안취수된물은탱크에저장되어하루내내충분한수자원을공급하게된 ) 을원활히하여수자원접근용이성확보역시지원할수도있다. 이는특히. 저조한강우량과함께미비한전기공급. 높은일조량을갖고있는아프리카 3
지역에적용시매우긍정적인결과창출이기대될수있을것이다. 그림 2 는태양광 발전설비규모에따른 ( 개인주택및주택단지용 ) 시공형태와펌프, 풍력및양수 발전등타재생에너지생산시스템과의연계활용형태를나타내고있다. 출처 : Solarpraxis AG 그림 2. 독립형에너지시스템내태양에너지활용형태 -1) 태양광발전하우스 (. 2) 태양광발전주택단지. 3) 태양광및풍력과양수발전의결합 집광형태양열발전 (CSP) 은태양광을반사면을통해집광판에집중시켜연동된축열시스템을통해발생한수증기로터빈과발전기를가동하여전기를생산하게된다. CSP 발전은반사면설치형태에따라크게 4 가지 [ 수평형 (linear) 집광방식- Parabolic Trough 및 Linear Fresnel 형 ; 포인트 (Point) 형집광방식- Power Tower 및 Parabolic Dish 형 ] 으로구분되며. 모든시스템에태양위치추적기능이접목되어적용된다. CSP 발전은축열시스템을도입하고있어. 태양광발전대비별도의 에너지저장장치없이도저녁과밤에도운용이가능하다. 4 가지형태의 CSP 중 Parabolic Dish 형은곡면반사면전체가태양방향을항상향해있어야해대형화 설비가어렵지만. 집광도가가장높으며, 고효율발전이가능하고. 상대적으로모듈화가 간단하여소규모독립형발전설비에가장적합한형태로평가된다. 태양열발전은수영장및가정또는병원에서사용되는용수의가열과건물난방및농작물건조등에활용가능하며동목적을위해소모되는에너지의 60-80% 를충당할수있을것으로평가된다. 짧고낮은일조량에도활용이가능하며태양열집광기를통해포집된에너지는즉각적으로사용가능한동시에물탱크에열에너지로써저장역시가능하다. 다양한형태의태양열집광기가보급되었지만. 가장단순한형태인 4
무광택검은색플라스틱흡수체가보편적으로널리사용되고있다. 태양열발전을냉방시설의에너지원으로사용하는기술역시이미개발된상태로장기적관점에서동분야에서소모되는에너지저감에도큰기여를할수있을것으로평가되지만. 현재까지기존냉방시설대비설치비용이높아낮은경제성이라는취약점음보유하고있다. 2.2. 수력에너지 하천또는호소의수자원이보유한위치에너지를프로펠러식수차 ( 수력터빈 ) 를이용하여기계에너지로변환하고이것을다시전기에너지로변환하는수력발전은가장오랜발전역사 (100 년이상 ) 를보유하고있으며. 시설설치와함께해당지역내안정적인에너지공급을장기적으로 ( 몇십년간 ) 보장할수있다. 지형적요건으로공공전력망과의연결이미비한산간지방에설치조건이충족되어시공될경우장기적관점에서일반적으로생산단가가타재생에너지원 ( 태양및풍력등 ) 보다저렴하다. 수력발전시스템시공비용의대부분은터빈발전기등과같은기술적추가장비구입이아닌. 수로개선. 수자원이이동할수있는파이프라인시공및저수지건설등과같이기초가되는지형기반시설구축에지출되게된다. 수력발전은자연조건을이용하는것이므로. 초기에연중강수량과낙차의크기에대한정확한평가가수행되어야하며. 이에맞춘적합한수차선택과시설시공이요구된다. 소형수력발전규모에대한국제기준안은마련되지않은상황으로. 국가별로규정기준 ( 독일 : 1MW. 중국 : 25 MW. 인도 : 15MW 및스웨덴 : 1.5MW) 이다르게적용되고있다. EU 소형수력발전협회 (ESHA) 는 10 MW 를기준으로소형수력발전을정의하고있으며. 일반적으로 5 KW 가미니수력발전의기준용량으로적용되고있다. 수력발전의경우환경시스템의변화 ( 해당하천의생태계파괴 ) 를유발하게되므로. 규모면에서적은용량의발전시설설치가환경보호차원에서바람직하다고평가되고있다. 2.3. 풍력에너지 풍력에너지는수력에너지와같이세게많은지역에서이미오랜기간동안사용되어왔으며. 소형풍력발전은독립형시스템으로써높은적합성을보유하고있다고평가돼왔다. 풍력터빈국제표준안 (IEC 61400-2:2006 standard) 에따르면 5
소형풍력터빈은회전반경이 200m 2 이하로써, 계산된산출전력량이직류 1500 V 또는교류 1000V 보다낮은전압에서 50 KW 정도를생산해내는규모로정의된다. 현재소형풍력터빈의설치높이는일반적으로 20m 를넘지않고있으며. 발전량이 5-10 KW 에이르는것으로조사되었다. 풍력터빈의발전량은설치지역의바람조건에직접적으로연관돼있어, 경제적으로합리적인시공을위해시공전시기별기상조건변화년중연속적으로모니터링하여발전량의변동과이에대한예측이수행되어야할것이다. 바람세기가상대적으로약할경우. 태양광발전과의연계시스템설치를통해상호보완효과역시창출할수있다. 소형풍력터빈시공허가절차와기준은나라별로다르게적용되고있지만. 국제표준안은보편적으로수용되고있으므로. 시공시법적충돌을피하기위해풍력터빈국제표준안에의거하여생산된소형풍력터빈의구입및설치가바람직할것이다. 2.4. 바이오에너지 바이오에너지는다재다능한용도를보유하고있는가장중용한재생에너지원으로써. 고체 ( 바이오매스 ). 액체 ( 바이오연료 ) 및기체 ( 바이오가스 ) 의다양한형태로써사용되어왔다. 바이오에너지의가장큰장점으로는에너지의저장이용이하다는점과. 원유대비연소시이산화탄소배출저감이가능하다는것이다. 바이오매스는전세계 1 차에너지수요의 9.2%. 재생에너지원수요의 70.2% 를차지하는주요에너지원으로써. 주로아시아및서부사하라아프리카지역의개발도상국에서취사및난방을위해사용되고있다. 해당지역에서는전통적으로목재, 산림폐기물과천연거름및때에따라가공되지않은바이오매스역시활용되는상황이다. 이에따라. 이러한개발도상국내개선된바이오매스화덕보급을통한바이오매스의절약 ( 동일한취사활동시 10-50% 에달하는바이오매스절약이가능함 ) 과바이오매스의적절한사용및연소시발생할수있는매연의효과적저감필요성이대두되고있다. 이와함께. 바이오매스연소시열과전기를모두생산해내는현대화된난방시스템도입을통해바이오매스의효율적사용도모도함께고려되고있다. 6
바이오매스의발효를통해생산되는바이오가스는연소과정을통해난방열생산및취사에사용되거나. 에너지원으로써교통수단에직접공급가능하며. 소규모의 ( 여러개가구수또는경제용도의 ) 전력생산에도사용된수있다 ( 그림 3). 바이오가스리엑터 (reactor) 는설치후약 20 여년간장기사용이가능하다. 바이오가스생산시발효과정은현기성미생물의작용과밀접한연관이있으며. 가스생산후잔류하게되는발효산물 ( 물. 무기물질및미분해된유기물질둥 ) 역시천연비료로써활용이가능하다. 그림 3. 독립형에너지시스템내바이오가스활용형태 출처 : Solarpraxis AG 액체형바이오연료 (Biofuel) 는교통수단에대한에너지공급및전력생산용도에이상적으로부합하는에너지원이다. 크게원료가되는바이오매스에따라바이오에탄올과바이오디젤로구분되며. 바이오에탄올의경우설탕. 감자, 옥수수및나무껍질등전분계의목질계원료를기반으로생산되는반면. 바이오디젤은팜유. 대두유. 해바라기유및동물성지방등동 / 식물성유지가원료로사용된다. 바이오연료의경우식용용도로 ( 식용오일추출등 ) 사용후남은폐자원또는식용목적으로사용불가한불원료들을사용하여에너지를회수할수있다는큰장점을갖고있다. 7