에너지(E)에 관한 N가지 스토리(S), ENS! 우리의 일상을 함께하는 에너지, 항상 우리 곁에 있지만 잘 몰랐던 에너지에 관한 이야기! 탄소중립을 위한 핵심 수단으로 주목받고 있는 재생에너지 중에서 ‘태양광’을 주제로 ENS 시리즈 세 번째 편을 준비했습니다. ‘태양광’에 대해 알아 두면 쓸모 있고 재미있는 지식을 SK E&S 미디어룸이 전해드립니다.
1. 태양 빛이 전기로 바뀐다고? 태양광 발전 원리를 알아보자
태양광 발전은 빛 에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 방식입니다. 태양전지가 빛을 받으면 ‘광전(光電)효과’가 발생하여 전자를 내보내는데, 이때 전력이 생산됩니다.
광전효과를 처음 발견한 것은 프랑스 과학자 에드몽 베크렐입니다. 그는 1839년 화학전지를 연구하던 중 특이한 현상을 관찰하게 됩니다. 전지에 태양 빛을 비추자 평소보다 많은 전자가 발생하는 것이었습니다. 하지만 당시의 물리학 이론으로는 이 현상을 설명할 수 없어, 그의 발견은 단순한 관찰에 그쳤습니다.
그렇다면 베크렐이 발견한 현상을 설명한 사람은 누구일까요? 바로 상대성이론으로 유명한 물리학자 알베르트 아인슈타인입니다. 그는 1905년 논문을 통해 빛이 입자성을 가진다는 ‘광자’ 개념을 제시했고, 이를 바탕으로 베크렐이 발견한 현상에 대해 설명했습니다. 이와 함께 빛 입자가 금속 표면에 닿으면, 전자를 때려 전자가 방출되는 현상을 광전효과라고 명명했습니다. 아인슈타인은 광전효과 이론을 밝혀낸 공로로 1921년 노벨 물리학상을 수상합니다.
광전효과를 이용한 태양전지의 발명은 1954년 미국의 벨 연구소에서 이뤄졌습니다. 전자를 가지고 있는 반도체에 전선을 연결해서 빛을 비췄을 때 나오는 전자들이 흐를 수 있도록 한 것입니다. 이 태양전지의 발명을 통해 인류가 태양광을 에너지원으로 활용할 수 있게 됩니다.
2. 우리 집에 태양광 패널을 설치한다면?
우리가 자주 볼 수 있는 100cmx160cm 크기의 태양광 패널 한 장의 출력 용량은 약 300W정도입니다. 약 10장 정도의 패널을 설치한 후(3kW) 이 시스템으로 하루 4시간씩 전기를 생산한다면, 대한민국 가구당 한 달 전기 사용량인 360kWh[1]를 모두 태양광으로 대체할 수 있습니다. 물론 이는 단순 계산했을 때의 예상 발전량이며, 실제로는 패널의 크기, 설치 장소, 일조량 등 다양한 요인에 따라 발전량이 달라질 수 있습니다. 10장의 패널을 설치하기 위해서는 16㎡(약 5평)의 면적이 필요한데, 공간 제약이 있는 아파트에서는 베란다에 태양광 패널을 한두 개만 설치해 전기 사용량의 일부만 태양광 발전으로 대체하기도 합니다.
[1] 2024년 8월 한국의 주택용 가구당 평균 전기 사용량 363kWh (한국전력)
일반 가정이 아닌 태양광 발전소에서는 어느 정도의 전력을 생산할 수 있을까요? SK E&S의 임자도 태양광 발전소(전라남도 신안군에 위치)는 그 규모가 987만㎡(약 30만 평)에 달합니다. 무려 여의도 면적의 3.8배에 해당하는 수준입니다. 이곳은 99MW의 설비 용량을 갖추고 있어 연간 137.3GWh[2]의 전력 생산이 가능합니다. 이는 대한민국 주택용 가구 기준으로 연간 38만 가구가 사용할 수 있는 양입니다.
[2] 99MW X 24(시간) X 365(일) X 태양광 발전 평균 가동률(약 16%)=137.3Gwh
3. 기술 발전, 태양광 발전의 보급을 이끌어 내다.
태양광 발전은 1950년대에 개발됐지만 보급은 더디게 이뤄졌습니다. 개발 초기 낮은 경제성, 설치 장소의 제약 등의 한계가 있었기 때문입니다. 하지만 2010년 이후 태양광 발전 보급이 빠르게 늘었습니다. 국제에너지기구(IEA)에 따르면 2009년 23GW에 불과했던 세계 태양광 누적 설비 용량은 2019년 627GW까지 증가했습니다.
이는 기술의 발전으로 태양광 발전 확대의 걸림돌로 꼽히던 낮은 경제성 및 한정적인 설치 장소의 문제가 극복되고 있기 때문입니다.
태양전지가 점차 보급되면서 생산 공정 기술이 비약적으로 발전할 수 있었고, 이에 따라 규모의 경제가 발생하기 시작했습니다. 또한 유지 보수 경험의 누적으로 인해 기존 태양광 발전의 수명이 연장되고 운영 비용을 절감할 수 있게 되면서 태양광 발전의 경제성이 증가하게 되었습니다.
뿐만 아니라, 바다나 호수에 태양광 패널을 설치하는 ‘수상 태양광’, 건물 외벽의 자제를 태양광 패널로 대체하는 ‘건물 일체형 태양광’, 축사나 주차장 지붕을 태양광 패널로 대체하고, 자전거 도로 위에 태양광 패널을 설치해 그늘을 만드는 ‘지붕형 태양광’ 등 다양한 방식의 태양광 발전이 개발되면서 설치 장소가 평야에만 한정되던 태양광 발전의 한계가 극복 되었습니다.
우리나라는 ‘신재생에너지 설치의무화제도’[3]를 통해 공공기관이 짓는 연면적 1,000㎡ 이상 건물의 경우, 에너지 사용량의 일정비율(2024~2025년 기준 34%)을 신재생에너지로 사용하도록 규정하여 태양광 발전을 포함한 신재생에너지 보급을 위해 노력하고 있습니다.
또한 일정 규모 이상의 민간 건축물에도 태양광 패널을 의무화하는 논의도 진행되고 있어, 앞으로 도심에서도 더욱 태양광 발전 모습을 쉽게 볼 수 있을 것으로 전망됩니다.
[3] 정부가 신재생에너지 확대를 위해 2004년부터 일부 건물을 대상으로 시행, 초창기에는 건축공사비의 5%를 신재생에너지에 투자하도록 했었지만, 2011년 4월 이를 예상에너지사용량을 기준으로 변경
4. 태양광 에너지를 밤에도 사용하는 방법은?
태양광 발전은 무한한 태양 에너지를 사용하여 탄소배출 없이 전력을 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 날이 흐리거나 해가 뜨지 않는 밤에는 활용이 어렵다는 점, 즉 에너지 수급의 간헐성이라는 점도 한계로 꼽히고 있습니다. 그러나 어두운 밤에도 태양광 에너지를 사용하는 방법이 있습니다. 바로 에너지저장시스템(ESS)과 스마트그리드 등의 에너지솔루션[4] 기술을 활용하는 것입니다. 이를 통해 낮에 생산된 태양광 에너지를 저장했다가 밤에 사용하는 것이 가능해지는 것입니다.
[4] 에너지저장장치(ESS)와 인공지능(AI) 등의 기술을 접목해 에너지의 공급, 소비를 통합 관리하고 최적화하는 기술
태양광 발전과 에너지솔루션 기술을 활용해 에너지 자립을 이룬 마을들도 생겨나고 있습니다. 일례로 전라남도 섬인 가사도는 2014년 ESS와 소규모 독립형 마이크로 그리드(Micro-grid)[5]를 연계해 에너지를 자급자족하는 시스템을 갖췄습니다. 약 300명의 주민이 거주하는 이 섬에는 320㎾ 규모의 태양광 발전 단지와 400㎾ 규모인 4대의 풍력발전기가 있으며, 마이크로 그리드 센터를 통해 섬 전체의 에너지를 효율적으로 관리하고 있습니다.
[5] 전력망에 정보통신기술을 융합해 전기사용량과 공급량, 전력선의 상태까지 알 수 있는 기술인 스마트그리드를 소지역 특성에 맞게 적용한 것
충청남도 홍성군 죽도도 2015년부터 에너지 자립 마을이 됐습니다. 현재 약 60명이 거주하고 있는 죽도에는 총 211㎾급 태양광 및 풍력 발전시설이 있으며, 약 900kW의 전기를 저장할 수 있는 ESS를 통해 에너지를 자급자족하고 있습니다.
5. 고갈되지 않는 친환경에너지 태양광, 전 세계는 지금 태양광 발전 중!
유럽연합(EU) 산하 태양광발전협회인 솔라파워유럽에 따르면 2022년 전 세계 태양광 누적 설비 용량은1,177GW이며, 2027년에는 글로벌 태양광 설비 용량이 3,532GW에 달할 것으로 전망됩니다.
미국과 유럽 등의 주요국들은 지속적으로 태양광 발전을 확대하고 있습니다. 솔라파워유럽은 2027년까지 미국의 태양광 발전 설비 용량이 매년 평균 23%씩 성장해 2022년 140GW에서 393GW로 증가할 것으로 추정했습니다. 같은 기간 다른 국가들도 독일 18%, 스페인 30%, 폴란드 27%, 사우디아라비아 61% 등의 성장률을 기록할 것으로 분석했습니다.
영국은 최근 2025년부터 지어지는 주택에 태양광 패널을 의무로 설치하도록 하는 ‘옥상 혁명’ 추진 계획을 발표했습니다. 이를 통해 현재 영국의 전체 에너지 생산량 중 4.9%를 차지하고 있는 태양광 발전 비중을 2030년까지 3배 확대하겠다는 목표입니다.
중국은 2005년부터 보조금과 정책 지원으로 태양광 발전의 대중화를 촉진하고 있습니다. 중국 국가자원국의 ‘2023년 국가전력산업 통계’에 따르면 중국의 태양광 설비 용량은 609GW로, 세계 1위이며 전 세계 태양광 설비 용량의 절반가량을 차지하고 있습니다. 솔라파워유럽은 중국의 태양광 발전 설비 용량이 연평균 26% 성장하여 2027년에는 1,275GW에 이를 것으로 예상합니다. 이는 2023년의 3배에 해당하는 수치입니다.
일본의 지자체들도 태양광 보급 확대에 나서고 있습니다. 가와사키시는 2025년부터 단독주택을 건설 시 태양광 발전 설치를 의무화했습니다. 도쿄와 가나가와현은 태양광 발전 구축 비용을 지자체에서 지원하고 잉여전력 판매수입을 통해 회수한다는 방침입니다. 이 같은 지원책들을 통해 일본 정부는 2022년 66GW였던 태양광 발전 규모를 2030년에 104~118GW까지 확대한다는 목표입니다.
우리나라는 제11차 전력수급기본계획을 통해 2022년 23GW이던 태양광·풍력 설비 용량을 2030년까지 72GW로 확대한다는 방침을 밝혔습니다. 이를 통해 제28차 유엔기후변화협약(UNFCCC) 당사국 총회(COP28)에서 합의된 재생에너지 3배 확대 목표를 달성할 계획입니다.
SK E&S는 국내 민간 최대 재생에너지 사업자로 국내외에서 태양광 2.9GW, 풍력 1.6GW를 포함해 2023년 말 기준 약 4.5GW 규모의 재생에너지 사업을 운영 및 개발하고 있습니다.
SK E&S는 99MW급 임자도 태양광 발전소를 운영하고 있을 뿐만 아니라, 국내 최초이자 최대 규모의 민간기업주도 해상풍력 프로젝트인 ‘전남해상풍력사업’을 올해 말 준공할 예정입니다.
SK E&S는 해외 재생에너지 시장에도 주목하며 2020년부터 베트남 남부 닌투언에 131MW 규모의 태양광 설비를 운영해 왔습니다. 더불어 서부 티엔장에서도 2021년 50MW, 2023년 100MW 규모의 해상풍력 발전소를 준공해 총 281MW 규모의 설비를 상업 운영 중입니다.
SK E&S는 태양광 및 풍력을 중심으로 매년 약 1GW의 재생에너지 파이프라인을 추가해 2025년까지 재생에너지 사업을 7GW 규모로 확대하고자 합니다. 이를 통해 늘어나는 재생에너지 수요에 적극 대응하는 동시에 탄소중립 실현에 이바지할 계획입니다.
이상으로 에너지(E)에 관한 N가지 스토리(S), 태양광 편을 마칩니다. 태양광에 대한 유용한 정보들을 알아가는 시간이 되셨기를 바랍니다!
[ENS] E너지에 관한 N가지 S토리 #1, 천연가스편(바로가기)
[ENS] E너지에 관한 N가지 S토리 #2, 전기편(바로가기)
