PV 산업은 급성장하고 있는가? 유럽의 PV 주도국들은 관세를 인하하고 인센티브를 축소하며 PV 발전을 위한 여러 방안들을 제도화하고 있다. 미국의 PV는 명확한 연방 차원의 장려책이 없다. 일본은 현재 일본의 경제 전반과 PV 투자에 심각한 영향을 미칠 게 틀림없는 엄청난 국가적 재난(지진)에 직면하고 있다. 스페인은 PV에서 이렇다 할 발전이 없고 이탈리아의 사정도 스페인과 별반 다르지 않다.

전 세계 PV 시장은 현재 PV 수요를 늘리고 시장을 확대하기 위해 이들 국가에만 의존할 수는 없다. 이런 점에서 개발도상국들은 유럽 국가들의 느려진 PV 성장세를 따라잡을 호조건을 갖추고 있고, 마이크로 그리드 부문에서 급속한 성장을 이어갈 국가들로 부상하고 있다. 가장 기초적인 부분부터 시작하는 전력생산 공급 계획이 현재 개발도상국에서 생겨나고 있고, 효율적이고 비용 면에서 효과적인 시장 진입 전략들이 개발도상국에서 도입되고 있다. 시골 지역의 마이크로 그리드 이용은 현재 전 세계적으로 가장 대규모의 마이크로 그리드 프로젝트를 대변한다. 여러 시스템이 역사적으로 디젤 중심의 에너지 생산인 반면 가장 큰 성장 기회는 소규모의 풍력 발전도 중요한 역할을 차지하면서 PV에서 발생하고 있다. 

샤논 풀턴(Shannon Fulton) 

2011년 개발도상국의 에너지 문제와 신재생에너지 컨설턴트로 솔라비전(SVC)에 입사한 필자는 환경관리기술 Inc의 수석 수문지질학자로서 개발도상국의 신재생에너지 도입을 집중적으로 연구하고 있으며, 신재생에너지 도입 과정을 촉진하는 방법들을 연구 중에 있다. 일리노이 솔라에너지 협회의 회원인 필자는 지난 1월에 이사진으로 선출되었고 정책 위원회의 위원장을 맡고 있다.

앤디 스쿠마니치(Andy Skumanich) 

필자는 솔라비전(SVC)의 창립자이자 CEO이다. 이 회사는 시장 및 기술 연구 회사이며, 다양한 영역의 지원, 산업동향 분석, 조언을 제공한다. SVC의 고객층은 실사를 요하는 투자 회사부터 태양광과 신재생에너지에 대한 조언을 구하는 국제적인 회사까지 다양하게 포진되어 있다. SVC는 개발도상국의 고객들에게 정보를 제공하며 현재는 PV 마이크로그리드 설치 활동에 관여하고 있다. SVC를 설립하기 전에 필자는 실리콘밸리의 태양광 신규업체인 이노바라이트의 부사장을 역임했고, 그 전에는 응용 소재 태양광 부에서 수석 기술자로 근무했다. 필자는 버클리대 물리학 박사학위 소지자로, IBM 리서치에서 직원이자 과학자로 활동했다. 

개발도상국 - 마이크로 그리드는 휴대폰 모델과 유사하다

마이크로 그리드(Micro-Grid)의 휴대폰 모델은 저가이며 한정된 규모로 오지를 목표로 하는 에너지 공급 방법이다. 휴대폰 기술의 도입과 서비스 지역의 확대는 매우 급속하게 전개되었고, 비교적 저비용과 한정된 인프라에서 기존의 통신 인프라에 과도한 부담을 주지 않고 서비스 지역의 확대가 이루어졌다. 사실상 현재 개발도상국에서는 사람들이 냉장고보다 더 많은 수의 휴대폰을 휴대하고 있다. 휴대폰이 가난한 사람들의 가난 탈출을 돕는 것처럼 마이크로 그리드도 기존의 전송 라인에 과도한 부담을 주지 않고, 전력 수요를 충족하기 위해 전통적인 발전소를 건축할 목적으로 대규모의 자본과 시간을 투자하지 않고, 개발도상국의 급증하는 전력 수요를 충족할 수 있다.

초기 휴대폰 기술발전의 특징은 다양한 무선 셀 기지국을 사용하고, 비용이 많이 드는 일반전화 인프라 신설이나 관리 부담 없이 한 장소에서 다음 장소로 전화통화를 전송하는 방식이 그 특징이었다. 이와 유사하게 단일 그리드 혹은 지역의 전체 마이크로 그리드는 다양한 전력 공급원 간에 전송함으로써 중심화 된 그리드와는 별개로 독립적으로 작동한다. 이것은 레바논과 인도와 같은 개발도상국에서는 특히 중요한데, 이들 지역에서는 국민들이 자주 정전 사태를 경험하기 때문이다. 그리드는 신뢰성이 떨어질 뿐만 아니라 그리드 전송은 마일 당 100만달러까지 비용이 들어 그리드를 확장하는데 너무 많은 자본이 투자된다. 휴대폰 모델을 사용하면 단계적인 에너지 공급의 현실화가 가능하다.

마이크로그리드는 왜 중요한가?

그리드로 연결된 PV는 주로 지난 10년 사이에 거의 40GW가 설치되어 주요한 세계 에너지 공급원이 되었다. 솔라비전 사는 여러 개발도상국들의 PV 고객들에게 기술적인 조언을 제공하고 있는데, 우리의 분석에 따르면 PV의 비용 하락, 급속하게 팽창하는 인구, 중산층 확대의 결과 개발도상국들에서 PV 보급률이 급증할 것으로 예상된다. 개발도상국에서 이러한 PV 설치의 급증은 PV 마이크로그리드에 대한 수요를 촉진한다. 이 PV 마이크로 그리드는 저비용으로 설치 가능하고 유연성과 신뢰성이 높다. 더 나아가, 독립형 방식의 전력 생산으로 전환할 수도 있기 때문에 이 마이크로 그리드는 일반적인 정전과 길게 지속되는 정전 간의 간극을 메워줄 수도 있다. 솔라비전 사는 개발도상국들에서 마이크로그리드 PV 설치 잠재성이 향후 5년 사이에 5GW 이상이 될 것으로 내다보고 있으며, 특히 현재의 PV 주요 국가들의 성장이 느려지고 있는 만큼 개발도상국에서 PV 설치 비율은 그만큼 상대적으로 높아질 것으로 전망한다. 수많은 고객들과 계약이 이루어진 상태에서 우리는 마이크로 그리드 부문에서 PV에 대한 관심이 증가하고 있다고 판단한다. 이러한 분석은 현재 다른 일반적인 시장 분석에서는 파악되지 않는다. 왜냐하면 자금 확보가 아직 불확정적인 상태이며, 공식적인 기록에 포함되지 않은 계약이 많기 때문이다.

핵심적인 문제들 - 저가의 비용과 신뢰성

PV 가격의 하락은 모듈 비용이 떨어지고 오일 가격이 높아지면서 그만큼 부가가치가 높아지기 때문인 것으로 파악된다. 앞으로 가격은 더 하락할 것이고 새로운 방식의 에너지 저장 방식이 현실화되면서 PV 통합 마이크로 그리드는 가장 먼저 자원 문제를 해결해야 하는 개발도상국들에서 점점 더 많은 설치가 이루어질 것이다.

마이크로 그리드의 가장 큰 장점은 분산된 생산 방식을 사용한다는 것이며, 마이크로 그리드 내에서 과부하에 걸리지 않을뿐 아니라, 항상 그리드에서 독립되어 전력 공급 시 송전 정지에도 별다른 방해를 받지 않고 안정적으로 대처할 수 있다는 것이다. 다양한 전력 배분 방식을 결합해 지역사회에서는 정전이 지속될 경우에도 충분한 전력을 생산할 수 있고, 경찰서나 병원 같은 중요한 시설에 전력을 공급하고 시민들은 기본적인 전력 수요를 충족할 만큼 충분한 전력을 공급 받을 수 있다. 이와 마찬가지로 전력 그리드 중단 문제가 해결되면 마이크로 그리드는 별 문제 없이 전력의 품질에 영향을 주지 않고도 그리드에 재 연결된다. 마이크로 그리드는 중앙의 그리드와 완전한 호환이 가능하고 그리드 확장 부품으로 기능한다.  

특정한 마이크로 그리드 기술의 선택은 서비스의 지속 가능성에 지대한 영향을 미친다. 가장 완벽하게 일치하는 마이크로 그리드 시스템일지라도 기술적 장애나 고장은 그 지역 주민의 기술 부족 때문에 발생한다. 따라서 그 시스템이 지역에서 관리되든 중앙에서 관리되든 관계없이 남자든 여자이든 그 지역 주민의 참여가 성공적인 시스템 가동에 필수적이다. 지방에서 훈련과 교육을 받은 직원들은 자주 도시 지역으로 이주해 새로운 기술을 적용한다. 이처럼 마이크로 그리드 시스템에서 일관되고 신뢰할 만한 전력 공급원은 그 지역에 남아 있을 가능성이 높은 훈련생들, 특히 여성들의 선택에 크게 의존한다.  

마이크로 그리드는 무엇이고, PV는 어떤 식으로 그 일부가 되는가?

태양광 PV는 개발도상국의 에너지 수요 충족에 중요한 역할을 담당한다. 그러나 이러한 수요는 자원이 적은 상태에서 빠르게 증가한다. 이러한 조건에 완벽하게 맞는 것이 PV 마이크로 그리드 솔루션이다. 이는 단 시간 내에 비교적 저렴한 비용으로 에너지를 생산하는 신뢰할 만한 에너지원이다.

마이크로 그리드는 배분되는 에너지원, 에너지 저장의 중앙 집중식 망이며, 전력 그리드에 연결된 채로 일반적으로 가동된다. 다양한 에너지원이 자체 장치에 함께 연결되어 있고, 이것은 그 후 단일한 공통 지점에 있는 그리드에 연결된다. 마이크로 그리드는 네트워크상에 대등한 기능을 갖는 복수의 컴퓨터를 연계시키는 에너지 전송 방식으로 볼 수 있다. 이는 가동에 필요한 한 사람의 주요 관리자나 중앙 저장실이 없이 네트워크화 된 대칭적 형태이다. 이러한 형태의 신뢰성은 다양한 생산 기지에서 기능할 수 있다는 것이고, 필요할 때마다(즉, 절전이나 정전 시에) 독립적으로 관리가 가능하다는 데서 기인한다.

마이크로 그리드 에너지원은 표준형과 재생 방식의 결합으로 구성되어 있다. 초기의 하이브리드 카와 유사하게 초기 단계에서는 더 많은 화석 연료를 이용했지만 시간이 갈수록 화석 연료의 비율이 줄어든다. 마이크로 그리드에서 표준형 전력 공급원은 또한 PV에서 늘어나는 효율성을 극대화하기 위해 마이크로 터빈과 같은 새로운 장비를 사용할 수도 있다. 시간이 경과하면서 에너지 결합 형태는 PV와 다른 가능한 신재생에너지로 대체될 것이다. 

혼합된 전력 형태의 여러 가지 예들이 그림 1에 제시되어 있다.

표준형 발전기는 마이크로 터빈으로 대체할 수 있다. 마이크로 터빈은 국부 처리 난방이나 공간 난방을 위해 부산물인 열을 효율적으로 이용하고(80%까지 효율성 확보), 열과 전력 수요 간의 유연한 대처가 가능하다. 마이크로 터빈은 작은 내연 터빈이고, 크기는 대략 25~500kW 출력의 냉장고 크기이다.

마이크로 터빈은 비교적 소규모로 열과 전기를 모두 생산하며, 표준형 에너지 발전기에 비해 몇 가지 두드러진 장점이 있다. 예를 들자면 상대적으로 낮은 투자비용과 제한적인 이동 부분, 소형의 사이즈, 효율성 증대, 낮은 한정된 이동 부문, 적은 배기가스, 낮은 전력비용, 연료 사용 선택의 폭이 넓음과 같은 장점이 있는 것이다. 야간이나 흐린 날씨 조건에서도 마이크로 터빈 안에서 천연 가스 연소를 통해 표준 전력을 생산하고 주간에 태양광 전력을 생산하는 시스템인 태양광 결합 사이클은 현재 헬리오포커스와 캡스톤에서 개발 중에 있다. 캡스톤 마이크로 터빈의 몇 가지 예는 그림 2에 제시되어 있다.

사례 연구와 논의

솔라비전 사는 아제르바이잔, 인도네시아, 그리고 아프리카의 일부 국가들뿐만 아니라 파나마, 쿠바, 칠레 같은 라틴 아메리카 국가들과 인도를 비롯해 개발도상국들의 지역 전기 생산 고객들에게 기술적인 조언을 제공하고 있다. 이러한 기술적 조언 제공에서 눈에 띄는 공통점을 지적할 수 있다. 이 회사는 여러 국가들의 경험에서 다른 나라들에 적용할 수 있는 핵심적인 노하우와 실전 경험에서 얻어지는 교훈을 파악하고, 이를 비판적으로 평가하며, 기술적인 조언을 제공한다. 많은 고객들은 풍력에너지와 발전된 전력의 저장과 함께 CSP뿐 아니라 PV의 다양한 기술들을 이해하고자 한다1). 자금 확보와 관리의 어려움 또한 반드시 지적해야 할 사항이다. 솔라비전 사는 전 세계적으로 점차 증가하고 있는 PV에 대한 관심을 확인하고 있다. 이는 향후 PV 발전에 하나의 자극이 될 것이다. 우리의 분석은 이 부문에 대한 세부적인 시장 분석뿐만 아니라 구체적인 고객 지원에서 나온 것이다. 솔라비전 사는 현재 14MW까지 제공하게 될 인도의 태양광 프로젝트에 관여하고 있다.

몇 가지의 사례 연구를 통해 파악된 핵심적인 교훈

저자들 중의 한 사람이 쿠바를 방문해 시골의 전력 공급용 마이크로 그리드에서 PV의 사용을 살펴보고 이에 대한 기술적 조언을 제공했다2). 12년 전까지만 해도 쿠바의 에너지 상황은 아주 취약했다. 쿠바는 전체 섬에 공급되는 대형 전력 발전소가 11개 있었지만 아주 비효율적인 시스템을 갖고 있었다. 대부분의 발전소는 25년 전의 것으로 그 당시 고작 60%만 기능을 발휘하고 있었고, 특히 전력 수요가 최고 수준에 달하는 시기에는 잦은 정전이 문제가 되었다. 쿠바의 전송 그리드는 또한 전송 손실이 높은 수준이었다. 뿐만 아니라 인구의 75%는 석유로 요리를 하고 주택마다 전기 보급률이 아주 낮은 수준이었다.

2004년 허리케인이 이 나라를 강타한 이후 정전 발생 빈도는 더욱 많아졌고, 피크 오일(피크 오일이란 석유 생산량이 최고치에 달했다가 급격하게 줄어드는 현상을 뜻함)의 주된 요인과 기후 변화로 인해 쿠바의 ‘에너지 혁명’이 촉발되었다. 쿠바는 이 에너지 혁명 프로젝트를 통해 화석 연료에 기초하는 에너지를 대체하는 신재생에너지원의 개발에 박차를 가했다. 쿠바 사람들은 대체적으로 PV가 에너지 문제의 해결책으로 손색이 없다는 데 의견을 같이 했고, PV 개발에 많은 투자를 아끼지 않았다. 그 결과는 놀라운 수준이었다. 쿠바는 에너지 혁명 프로젝트를 통해 전기 보급률이 높은 나라로 부상했고, 탄소 발자국이 적은 나라, 즉 탄소 배출을 적게 하는 나라로서 세계에 이름을 알렸다. 2009년에 세계 야생동물 기금(WWF)은 지속 가능한 발전에 접근하고 있는 세계 유일한 나라로 선포했다.

쿠바 에너지 수요에 대한 해결책은 쉽게 해결될 수 있는 것이 아니었다. 쿠바의 심각한 경제 봉쇄로 인해 역사적으로 에너지 인프라에 대한 정부와 민간의 투자는 상당히 위축되어 있었다. 그러나 ‘에너지 혁명’ 프로젝트는 쿠바가 에너지 보존과 소규모의 신재생에너지 프로젝트의 도입과 같은 다양한 조치들을 통해 성공할 수 있는 기반을 마련해 주었다.

‘에너지 혁명’ 프로젝트의 성공적인 실행과 관계된 중요한 요인들 중에서 우선적으로 꼽히는 요인은 비용이다. 일단 와트 당 약 2.5달러 범위로 설치비용이 저렴하다. 그러나 풍력 전기 생산은 훨씬 더 경제성이 있는 것으로 보인다. 이러한 상황에서 쿠바의 마이크로 그리드 모델은 여러 에너지원을 혼합한 방식을 사용하며, 가장 중심이 되는 것은 PV다. 쿠바의 상황에서 가장 적당한 시나리오는 PV, 태양열, 풍력, 바이오 가스 생산을 혼합한 방식이다. 사진 1은 바야모 근처 섬의 동부 지역 마을에 총 1/2MW를 제공하는 신재생에너지 센터 마이크로그리드 PV 설치 상황을 제시하고 있다.

인도는 쿠바보다 현재 훨씬 더 강력한 경제력과 태양광 설치 전략을 자랑한다. 그러나 인도는 화석 연료 고갈에 대한 인식 부족으로 많은 비판을 받아왔고, 급속한 인구 성장, 부족한 전력 공급 인프라, 정치적 약속 부재와 정부의 자원 부족 때문에 지역의 전력 생산은 엄청난 어려움에 직면하고 있다. 인도의 ‘솔라 미션’ 프로젝트는 현재까지 세계 최대의 신재생에너지 계획이다. 이 프로젝트는 2020년까지 3MW에서 20GW까지 인도의 태양광에너지 용량을 확대하는 것을 목표로 한다. 이 엄청난 사업은 인도의 ‘국가적 기후 변화 전략’의 중심을 이루며, 이 야심찬 계획의 일부의 시행에만도 1,000억달러 이상이 필요할 것으로 예상된다. 이러한 도전 때문에 인도는 휴대폰-마이크로 그리드의 혜택을 누리는 이상적인 국가로 지목되고 있다. 솔라비전 사는 현재 PV를 설치하는 고객들을 지원하는 것뿐만 아니라 마이크로 그리드에서 PV를 고려하는 인도의 다양한 고객들을 갖고 있다.

마이크로 그리드 설치는 일본에서는 이미 하나의 현실이며, 마이크로 그리드 애플리케이션이 후쿠시마 핵발전소 시설에서 안전 디자인의 일부가 아니었다는 점은 놀랄 만하다. 센다이의 사쿠라 마이크로 그리드 전력 생산 배분 시스템이 구축되어 일본 센다이 지역의 소규모 지역에 전력을 공급하고 있다. 마이크로 그리드 시스템은 주요한 전력 그리드에 연결되지만 그 자체의 태양광 PV와 가스로 가동되는 발전기도 포함되며, 고등학교, 의과대학, 수질관리소에 전력을 공급한다.

중요한 교훈

쿠바에서 배울 수 있는 중요한 교훈은 정부의 강력한 지원과 국민들에 대한 약속 준수가 성공적인 에너지 혁명에 반드시 필요한 요소라는 것이다. 쿠바는 에너지 할당량 생산, 효율성, 교육, 전국적으로 태양광에너지의 점진적인 확대와 같은 개념을 도입함으로써 혁신적인 에너지 정책을 새롭게 도입했다.

태양광에너지 용량을 확대하기 위한 인도의 야심찬 장기 전략은 고려해 볼 만한 또 다른 핵심 전략이다. 이러한 전략은 정부의 확고한 지지 의사를 보여주며, 기업 투자를 위한 기회제공을 목표로 하고 있다. 인도는 또한 솔라 미션 프로젝트의 목표를 달성하기 위해 선진국들로부터 재정적인 지원과 기술적인 지원을 요청할 계획이다. 이러한 야심찬 계획이 없이는 이와 같은 종류의 지원은 성과를 얻을 수 없을 것이다. 

마이크로 그리드 형태이든, 아니면 대규모 공익사업 형태이든 상관없이 태양광 PV 프로젝트에 대한 자금 확보는 여전히 어려운 문제로 남아 있다. 여전히 재원 확보가 어렵기 때문에 마이크로그리드 부문에서 PV에 대한 수요는 낮은 단계이다. 그러나 현재 가격이 떨어지고 있고, 대체에너지에 대한 필요성이 절실한 만큼 특히 개발도상국들은 마이크로 그리드의 일부 방식 도입 방법을 적극적으로 고려하고 있다.

좀 더 시야를 확대하면 알 수 있는 사실은 개발도상국들은 열병합발전과 태양광발전을 혼합한 형태에 관심을 갖고 있다는 점이다. 이런 방식을 선택하면 디젤 발전기를 구입하는 선행 투자비용을 상당 수준으로 낮출 수 있다. 그러나 운영비용이 증가한다. 실제로 일부 지역에서는 휘발유 비용이 운송비 때문에 훨씬 더 높고(예를 들면, 네팔) 마이크로 그리드는 사실상 훨씬 더 경제적이다. 혼성 방식은 PV, 디젤, 기타 요소들을 혼합한 형태이다. 솔라비전 사의 다양한 고객층은 이러한 부분들이 어떤 식으로 작동하는지, 그리고 어떻게 시작할 수 있는지 이해하는 데 많은 관심을 갖고 있다 3), 4).

PV는 마이크로 그리드의 핵심 부품에 매우 적합하다. 세계적으로 그리드에 연결된 PV 성능은 급속한 속도로 증가해 40GW에 이르고 있다. 이러한 성장은 주로 지난 10년 사이에 이루어진 결과이다. 마이크로 그리드와 독립형(오프-그리드) 부문은 PV 시장에서 주요한 부품이 될 높은 가능성을 보여주고 있다. 솔라비전 사는 향후 7년 사이에 마이크로 그리드 설치가 5GW 수준까지 늘 것으로 전망하고 있다. 실제로 주요 선진국들은 인센티브의 규모를 다시 늘리고 있고, 실제 설치에 대한 투자도 증가하고 있기 때문에 마이크로 그리드 시장이 태양광 시장의 주요 수요 시장으로 떠오를 것은 명백해 보인다.

화석 연료 기반 에너지원에서 신재생에너지원으로 이동하는 전 세계적인 추세는 에너지 독립성, 온실가스 배출 감축, 화석 연료의 고갈에 따른 것으로 분석된다. HSBC의 수석 세계 경제학자인 카렌 워드는 최근에 현재 남아 있는 오일 공급량은 49년이 채 되지 않아 고갈될 것이라고 한 연구에서 보고했다. 현재의 수요 수준이 증가하지 않고 그대로 유지된다고 해도 앞으로 49년이 채 되지 않아 지구상의 오일이 동이 날 것이라는 예측이다 5). 화석 연료 자원은 무한한 것이 아니라 한정되어 있다. 화석 연료 의존도를 낮추려는 이러한 운동은 서구 선진국과 산업 국가들에서 환경적으로 안전하고 무한한 에너지원인 신재생에너지원에 대한 관심에서 촉발되었다. 신재생에너지원은 특히 기본적인 인프라가 부족한 개발도상국에서도 특별한 관심을 기울여야 할 에너지이다. 더 나아가, 전기 그리드가 존재하는 곳에는 전기 중단과 정전이 심심치 않게 문제가 된다. 마이크로 그리드는 1~10MW까지는 쉽게 전력 생산이 가능하고 지역의 수요에 따라 전력 생산량을 확대하거나 줄일 수 있다는 장점이 있다. 

PV와 PV 통합 마이크로 그리드에서 생산된 전기는 청정에너지이며, 재생이 가능하고 환경적으로 안전하다. 마이크로 그리드 도입은 목재 연료와 화석 연료를 대체하기 위해 조속히 이뤄져야 할 과제이다. 특히 화석 연료는 이 지구에서 탄소 배출에 지대한 영향을 미치며 인체의 건강과 환경에 치명적인 결과를 초래한다.

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