수상태양광, 수생태계 부정적 영향 없어

화석, 원자력 발전에 따른 환경문제 대응과 지속가능 에너지원 확보를 위해 신재생에너지가 보급·확대되고 있으며, 그 중 우리 생활에 가장 깊숙이 다가온 것이 태양광발전 시스템이다.
태양광발전 시설을 육상에 설치 시 삼림훼손과 음영간섭, 민원발생, 인허가 등의 어려움에 직면하는데 비해 수상태양광은 이러한 문제점들을 상당수 해결할 수 있다.
우리나라는 저수지 수면의 7%를 이용할 경우 5.5GW의 수상태양광 개발이 가능하다. 2008년부터 연구개발을 해온 결과 상업화에 필요한 기술이 개발됐고, 2012년도부터 국내와 일본에서 사업이 본격적으로 추진되고 있다. 국내의 경우 K-water가 합천댐에 세계 최대용량의 수상태양광(40MW) 개발사업(2017~2018년)을 추진하고 있다.

국내 수상태양광은 K-water와 한국농어촌공사가 관리

수상태양광은 계류장치(Mooringsystem)로 고정된 부유체(Structure 및 Floater)에 태양광 모듈을 고정한 시설물을 수면위에 설치한 것을 말한다. 이 때 부유체는 최대외압조건(풍속 30~35m/sec)에서 모듈을 지지하고 계류장치는 부유체 고정 및 댐 수위 변화에 따른 계류선의 여유장력을 조정해 부유체의 방향을 일정하게 유지시킨다.

수상태양광 모듈에서 생산된 전기는 직류형태로 연결된 수중케이블을 통해 육상에 설치된 전력변환장치를 거쳐 교류로 변환되고 다시 송·변전설비를 거쳐 전력계통에 공급된다.
국내 수상태양광은 K-water와 한국농어촌공사가 관리하고 있는 댐 및 저수지에 대부분 설치되어 있다. 해외 수상태양광은 미국, 일본, 스페인 및 영국 등지에서 개발되었다.

프레임형과 부력일체형 두 가지 형태 운영
부유체 및 계류시설이 차지하는 구성비율은 건설비 중 약 43%로 수상태양광에서 차지하는 비율이 높은 편이다. 기타 전력변환장치 및 송·변전설비는 기존 육상태양광과 동일하므로 부유체에 국한해 언급하면, 현재 국내외 시장을 형성하고 있는 부유체는 프레임형과 부력일체형 2종류로 분류할 수 있다.

프레임형은 구조적 안정성이 높아 모듈경사각을 33도로 할 수 있다. 발전이용률이 높지만 건설비가 비싸 최대설계외압을 크게 적용해야 하는 지역(주로 저수면적이 넓은 저수지)에 설치된다. 부력일체형은 모듈경사각을 12~20도로 낮춰 최대설계외압을 감소시키는 구조로 발전이용률은 3~3.5% 떨어지지만 건설비가 프레임형에 비해 약 15~20% 낮은 장점이 있다.

이를 고려해 소규모 저수지는 건설비 절감을 위해 부력일체형을 주로 사용하고, 중·대규모의 댐은 안전성과 환경적 측면을 고려해 프레임형 구조체를 주로 사용하고 있다.
또한, 태양 위치에 따라 모듈 방향을 추종하는 추적식 수상태양광도 시도되고 있다. 그러나 수상태양광에서 추적식은 태양광의 이동에 따른 움직임 외 수심변화에 따른 상하 움직임을 동시에 고려해야 하는 어려움이 있어 프레임형 고정식에 비해 2~3배 건설비가 높다.

이를 해결하기 위한 연구개발 단계로써 2013년도에 합천댐 100kW급(K-water)과 반월저수지 10kW(쏠라테크, 위닝비지니스), 2014년에 금광저수지 465kW(한국농어촌공사, 솔키스)의 수상태양광을 설치·운영하고 있다. 합천댐 설비는 계류장치로 고정한 원형 가이드 프레임안에서 모듈이 설치된 구조체를 회전시키는 구조이며, 반월저수지 설비는 수면아래 밸러스트 탱크 물 양을 조정해 부유체 경사각을 가변하는 구조다. 금광저수지 설비는 고정된 중심축을 중심으로 부유체 전체를 회전시키는 구조로 운영되고 있다.

수상태양광 발전효율 육상과 비교해도 양호
K-water의 태양광 시설 중 2011년~2012년에 설치됐고 모듈 특성이 유사한 육상태양광 발전소 3기와 수상태양광 발전소 2기의 월별 이용률을 분석한 결과 수상태양광의 연간 이용률은 16%로 청주정수장, 고산정수장(전주)에 비해 2%, 황지정수장(태백)에 비해 1%가 높음을 확인했다. 청주정수장과 수상태양광의 발전량과 온도(모듈, 주변)를 비교해 보면 일평균 주변온도는 청주정수장이 합천수상에 비해 주위온도는 3℃, 모듈온도는 4℃가 높으며, 이용률은 2%가 낮음을 알 수 있다.

여름철(2014년 7월 1일 기준) 합천 수상태양광과 이로부터 약 40km 거리에 있는 함안 옥상태양광을 비교한 결과를 보면 좀 더 구체적으로 온도와 발전량의 상관관계를 알 수 있다.
옥상태양광은 오전 10시부터 주변온도가 35℃일 때 모듈온도가 50℃를 초과하면 급속히 발전량이 감소됐으며, 수상태양광은 주변온도가 일 최고 28℃를 넘지 않으며 모듈온도가 55℃까지 상승해도 육상에 비해 발전출력이 감소되지 않음을 확인할 수 있었다. 이로부터 동일한 일사량 조건에서 발전 임계점에 도달하는 모듈온도는 55℃ 정도며, 이 때 발전 최대출력은 주변 대기온도에 반비례해 증가함을 확인했다.

2016년 3월 준공한 보령댐 수상태양광은 짧은 운영기간으로 인해 연간 발전성능을 분석하기 곤란하나, 이로부터 약 3.3km 떨어진 보령정수장 옥상과 대지에 설치된 태양광시설이 있어 비교 분석이 가능함에 따라 해당 시설로부터 여름철 시간대별 이용률을 분석할 수 있었다.

전반적으로 수상태양광과 육상태양광을 비교한 결과 모듈온도가 임계점을 초과해도 출력감소가 작으며, 육상태양광의 경우 출력에 풍속이 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

모듈온도가 60℃ 이내일 때 수상태양광과 육상태양광의 이용률은 시간대별 일사량에 비례했다. 반면 모듈온도가 60℃를 초과할 경우 수상태양광은 이용률에 큰 차이를 보이지 않으나, 육상태양광의 이용률은 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 풍속이 발전출력에 미치는 영향은 10시와 11시 각각의 모듈온도는 64.4℃, 65.6℃으로 유사하지만 풍속은 약간의 차이를 보였다.

이는 상대적으로 주변 수변온도가 낮은 환경의 수상태양광 이용률은 풍속에 따라 큰 영향을 받지 않았지만, 주변 대기온도가 높아 이미 모듈의 발전임계점에 도달한 육상태양광 이용률은 풍속이 낮아지면 더욱 크게 발전량이 감소했음을 추론할 수 있었다.

수상태양광 설치로 인한 수생태계 부정적인 영향 없어
K-water는 한국환경정책·평가연구원(KEI)과 함께 합천 제2수상태양광(500kW)을 대상으로 수질 및 수생태계 영향 모니터링과 환경적 안전성 검증을 위한 연구를 수행했다. 그 결과 현재까지 수상태양광 운영에 따른 수질·수생태계의 부정적 영향은 확인되지 않았다.

일부에서 우려하는 수온상승은 설치지점과 대조지점이 큰 차이가 없었으며, 호소 수질기준 30항목과 퇴적물의 토양환경기준 10항목, 기자재의 용출기준 44항목 모두 기준에 적합했다. 플랑크톤의 군집지수도 설치지점과 대조지점간 큰 차이가 발견되지 않았으며, 저서무척추동물의 종수, 개체수도 설치지점과 대조지점간 큰 변화가 없었다.

조류의 경우 태양광 모듈 반사광이 조류 서식에 영향을 미쳐 조류가 회피성을 보일 것으로 우려했으나, 수상태양광 설치 전과 후 시설물 주변에서 관찰되는 종수가 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 수상태양광 부유체가 형성하는 그늘은 어류에게 좋은 서식처를 제공해 부유체 하부에서 많은 수의 치어를 관찰할 수 있었고, 어류의 군집지수는 설치지점에서는 다양도, 풍부도, 균등도지수가 높은 것으로 나타나 어류의 좋은 서식처가 되고 있음을 알 수 있었다.

수상태양광 사업 진행시 입지 선정이 가장 중요
과거 댐을 이용한 에너지 개발의 대표적 사례는 물의 위치, 압력에너지를 이용한 수력발전이었다. 그러나 넓은 수면적을 활용한 수상태양광발전이 2011년 이후 제한된 범위로 건설된 이래 관련 기술이 빠른 속도로 연구, 개발돼 점차 시장이 확대되고 있다.

넓은 수면은 음영간섭이 적고 낮은 주변온도로 태양광발전에 유리한 환경이지만 강풍, 파랑 및 습기 등에 항상 노출되므로 이를 고려한 설계·시공이 이뤄지지 않으면 운영 시 발전이용률 저하로 사업수익성이 크게 낮아질 수 있다. 뿐만 아니라 저수지 바닥형상, 홍수기 부유물, 저수지 운영패턴, 송·변전설비 부지 및 계통연계 등 각종여건에 따라 초기 건설비가 증가하고 개발 인·허가 불가 등의 문제가 발생할 수 있으므로 수상태양광 입지 선정에 많은 시간투자가 수반되어야 한다.

또한 K-water의 수상태양광 환경검증 결과 2011년부터 현재까지 수상태양광 운영에 따른 수질, 플랑크톤, 어류 등에 있어 우려할 만한 수준의 부정적 영향은 나타나지 않았으며, 어류 서식처 제공이라는 긍정적 효과를 확인할 수 있었다. 상기 환경검증 사례는 전세계적으로 유일하며, 환경적 요인을 고려한 수상태양광 설계 모델의 주목할 만한 성과 자료가 될 것으로 보인다.
글 K-water 합천댐관리단 정효근

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