태양광(Photovoltaic)발전, 선진국 중심 기술개발 한창

태양광 발전은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 기본 원리는 반도체 Pn접합으로 구성된 태양전지(Solar Cell)에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자 양공 쌍이 생겨나고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다.

이러한 태양 전지는 필요한 단위 용량으로 직·병렬 연결하여 기후에 견디고 단단한 재료와 구조에 만들어진 태양 전지 모듈(Solar Cell Module)로 상품화된다.

그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량의 강도에 따라 균일하지 않은 직류가 발생한다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직·병렬로 연결한 태양전지 어레이(Array)와 전력 저장용 축전지(Storage Battery), 전력 조정기(Power Controller) 및 직·교류 변환장치(Inverter) 등의 주변장치로 구성된다.

무한정, 무공해의 태양 에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고 대기오염이나 폐기물 발생이 없으며 발전 부위가 반도체 소자(素子)이고 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 없으며 태양 전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고 발전 시스템을 반(半)자동화 또는 자동화시키기에 용이하며 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점을 지니고 있다.

그러나, 태양 전지는 가격이 비싸 많은 태양광 발전 시스템의 건설에는 초기 투자가 요구되므로 상용 전력에 비하여 발전 단가가 높고 일사량에 따른 발전량 편차가 심하므로 안정된 전력 공급을 위한 추가적인 건설비 보완이 필요한 단점이 있다.

이러한 태양광 발전 시스템의 기상 조건에 따른 제약과 이용 기술상의 문제점은 기술 개발과 실증 실험을 통하여 개선될 수 있으나 초기의 많은 설비 투자와 높은 발전 가격은 태양광 발전의 보급에 있어서 선결되어야 할 당면 과제이다.

해외 선진국, 태양광 발전 기술 개발 한창

미국은 태양광 발전을 인공위성의 전원으로 1960년대부터 이용해 왔는데 지상용 태양광 발전시스템의 실용화를 위하여 1972년부터 5년 주기의 National Photovoltaic Program을 수립하여 기술개발을 추진해오고 있다. 최근에는 태양전지의 효율 향상과 가격 목표를 달성하기 위한 기술 개발과 병행하여 태양전지의 저가 제조기술을 개발하기 위한 PVMaT(Photovoltaic Manufacturing Technology) Project와 태양광발전의 상업화에 필요한 실증 실험 및 주변장치의 가격을 낮추기 위한 시스템 기술개발을 목적으로 하는 PVUSA(Photovoltaic Utility Scale Application) Project, 태양광 발전기술을 건물에 적용하기 위한 PV: BONUS 계획이 동시에 추진되고 있다. 또한 개발된 제조기술을 상업화하기 위하여 관련 제조업체들로 구성된 Photovoltaic Utility Group이 주관하는 TEAM­UP(Technical Experience to Accelerant Market) Project도 추진되고 있다.

한편 일본은 1974년에 태양광발전기술을 개발하기 위한 국가 주도의 Sunshine Project를 수립하여 추진하였으며, 1980년에는 신 에너지기술종합개발기구(NEDO, New Energy and Industrial Technology Development Organization)를 설립함으로써 본격적인 태양광 발전 기술의 개발에 착수하였다. 이와 함께 1987년에는 기업과 연구기관 등으로 태양광발전회(JPEA, Japan Photovoltaic Energy Association)를 구성하여 기술 및 시장에 관한 정보교환과 공동연구를 수행하고 있다.

1990년에는 24개 기업과 2개 단체로 태양광발전 기술연구조합(PVTEC, Photovoltaic Power Generation Technology Research Association)이 결성됨에 따라 정부와 기업 및 연구소의 상호 협력뿐만 아니라 대민 홍보와 연구개발의 기능을 수행하고 있다. 특히 1993년에는 경제성장, 에너지, 환경보전에 대한 균형있는 대책과 종합적인 기술개발을 위하여 기존의 Sunshine Project, Moonlight Project 및 지구환경 기술개발 계획을 통합한 에너지 환경 영역 종합 기술개발 추진계획(New Sunshine Program)을 수립하여 체계화하였다. 1999년부터는 환경을 보호하고 대체에너지의 보급을 촉진한다는 뜻에서 이러한 시스템을 설치할 경우 반액을 국가에서 지원하고 있다.

유럽공동체(EC)의 태양광 발전 기술개발은 비록 소규모이기는 하나 1975년 이후 꾸준히 계속되고 있다. 1989년부터는 1차 3년 3개월의 계획기간을 가진 Non Nuclear Energy Program JOULE(Joint Opportunities for Unconventional or Longterm Energy Supply) 계획을 수립하여 태양광발전 기술의 연구개발을 계속 추진하고 있다.

이 계획의 2000년까지 모듈 가격 목표는 1ECU/Wp이며 1994년까지의 JOULEⅡ 계획은 상업화를 목적으로 다결정 규소 태양전지 제조기술개발과 태양광발전 시스템에 대한 연구에 중점을 두고 있다. 또한 저가의 박막 태양전지를 개발, 실용화하기 위한 목적으로 EUROCIS 컨소시움을 구성하여 독일을 중심으로 CuInSe2 태양전지 연구에 주력하여 괄목할 만한 성과를 얻고 있다.

이와는 별도로 유럽 각국은 자체적인 장기계획에 의해 태양광발전 기술개발을 추진하고 있으며 독일의 소규모 태양광 발전 시스템의 실증 실험 및 개인 주택에의 실용화 보급을 위한 2250 Roofs Project, 이탈리아의 100kW급 태양광 발전 시스템의 표준화 및 보급을 위한 PLUG Project, 스위스의 MW House Project 및 프랑스의 PV 20 Project가 진행되고 있다.

태양광 발전 기술의 실용화를 위해서는 상용 전력과 경쟁이 가능한 발전 단가 수준의 태양전지를 대량생산하고 동시에 신뢰성과 이용효율이 높은 시스템을 개발하여야 하므로 2000년대 초까지 1$/Wp의 모듈 가격과 5 6Φ/kWh의 발전단가 실현을 개발목표로 설정하고 있다.

그러나 현재의 태양전지 가격은 4.5 5.5$/Wp 수준이므로 새로운 고효율 박막 태양전지재료의 개발에 치중하고 있으며 응용제품의 다양화뿐만 아니라 응용분야를 확대하기 위한 이용기술, 시스템의 신뢰성 향상과 최적화를 위한 실증 실험, 그리고 측정 및 평가기술 개발도 각국에서 활발히 진행되고 있다. 또한 미래의 태양광 발전은 우주공간에서의 태양광 발전과 Microwave 송전(SPS), 사막 지대의 대규모 태양광발전에 의한 초전도 송전 또는 수소 생산 이용 등이 구상되고 있으며 Zero Energy 개념의 지하공간, 또는 해상 구조물 전원으로서의 이용도 검토되고 있다.

원자력 발전시설, 선진국 줄고 신흥국 늘어 날 듯     

지난 1986년 체르노빌 원자력발전소 사고, 후쿠시마 원자력발전소 사고 등으로 독일 등의 선진 국가들이 ‘탈 원자력발전’을 표명했고, 프랑스와 중국은 더 안전한 원자력 기술 개발에 나서고 있다. 이렇게 국가마다 정책이 크게 다르기 때문에, 안정적인 에너지 확보를 위한 인류의 노력은 앞으로 큰 영향을 받을 것으로 예상된다.

현재 가동 중인 원자력발전소 총 발전용량 기준 세계 5위를 차지하고 있는 독일은 ‘탈 원자력발전’을 결정함에 따라 2030년까지 이분야에서 완전히 철수하게 된다. 2010년 시점 원전 총 발전용량 기준 세계 3위인 일본은 좀 더 시간을 두고 ‘탈 원자력발전’을 도모하게 될 것으로 예상되지만, 그렇다 하더라도 2030년에는 원전 발전용량이 60% 이상 감소할 전망이다. 일본에서는 ‘탈 원자력발전’을명확하게 표명하지 않았지만, 비교적 노후된 원자로가 많기 때문에(평균 가동년수 22년), 향후 전력 구성이 크게 변동될 가능성이 높다.

다른 선진국에서도 각종 열 에너지와 재생 가능 에너지 기술을 개발하고 있기 때문에 폐원자로가 될 원자력발전소를 대신할 새로운시설을 건설하는 움직임은 제한될 것으로 예상된다. 그 결과 2030년에는 경제협력개발기구(OECD) 회원국의 총 발전량 중 원자력이차지하는 비율이 16%(2010년 시점에서는 21%) 감소하고, 세계 총 발전량에서 차지하는 비중도 10% 정도에 머무를 전망이다. 

대형 사고 불구하고 아시아권 중심 발전설비 증가 예상

후쿠시마 원자력발전소의 심각한 사고에도 불구하고, 원자력 발전이 급증하는 전력 수요를 충족시키기 위한 비장의 카드가 될 것이라는 기대감은 여전히 높으며, 특히 러시아와 아시아 신흥 경제권에서는 이러한 경향이 뚜렷하다. ‘앞으로도 급격한 변화는 없을것’이라고 가정하면 세계 원전의 총 발전용량은 2030년까지 37% 증가하고, 아시아 개발도상국에는 세계 총 발전용량의 4분의 1이집중될 것이고 2010년 시점에는 1%에 불과할 것이다.

현재 세계에서 가장 야심적인 프로젝트가 계획된 곳은 아시아 국가들이다. 한국에서는 2010년 신고리 원자력발전소 1호기(출력1GW)가 가동을 개시했다. 신고리 원자력발전소에는 2020년까지 5기의 원자로가 추가될 예정으로 이 중 3기는 이미 건설되기 시작했고 신고리 원자력발전소의 총 발전용량은 6.5GW가 될 예정이다. 또 중국에서는 푸칭과 닝보에서 원자력발전소 건설 프로젝트가진행되고 있다. 총 발전용량은 각각 6GW로 예정되어 있으며, 2015년에는 이 중 절반 정도의 전력을 공급할 수 있게 될 전망이다.

현재 건설 중인 원자력발전소 중 총 발전용량이 세계에서 가장 큰 것은 중국이며 28기의 원자로를 합친 총 발전용량은 현재 26GW로2020년까지 60~70GW까지 높일 방침이다. 또한 중국에서는 현재 제12차 5개년 계획이 진행되고 있으며, 이 과정에서 2020년 원전의총 발전용량 목표가 82GW까지 높아질 가능성도 있다.

인도도 향후 20년간 원전 발전용량을 60GW 상승시키는 새로운 방침을 내세우고 있으며, 이 중 약 11GW는 2012년부터 2017년 사이에 가동을 개시하는 원전에서 공급될 전망이다. 또 중국과 인도는 제4세대 원자로 개발에도 성공하는 등, 이 분야에서는 최첨단 기술을 보유하고 있다. 당분간 원자력발전소 개발 프로젝트는 대체로 신흥 경제권 국가에 한정될 것으로 보인다.