태양광 발전 기술

반도체 소자로 이루어진 태양광(PV) 전지는 태양 에너지를 직접 직류전기로 변환한다. 태양광이 각각의 태양광 전지에 닿으면 전기가 흡수한 에너지가 반도체 소자 원자에 있는 전자로 전달된다. 이렇게 에너지를 띤 전자들은 회로 내 전류의 일부가 되어 전기를 생성한다. 태양광 전지는 직 병렬로 연결되어 태양광 모듈을 구성하며 용량은 보통 50~200W 정도이다. 태양광 모듈은 일련의 다른 어플리케이션 시스템 부품들(인버터, 태양 추적기, 배터리, 전지부품, 탑재시스템 등)과 함께 모듈식 성격이 강한 태양광 발전 시스템을 구성하며 용량은 몇 와트부터 수십 와트이다. 대형 전력회사용 태양광 발전 시스템은 보통 태양광 발전소라고 불린다.

현재의 태양광 발전 기술은 소재와 설계에 따라 결정질 실리콘(Crystalline Silicon), 박막(Thin-film), 집광형(Concentration) 태양광 발전으로 분류할 수 있다. 결정질 실리콘 태양광 발전은 현재 가장 잘 구축된 태양광 기술로 에너지 변환 효율이 최고 20%에 달한다. 최근에는 비결정질 실리콘 반도체 소자도 활용할 수 있는 박막 태양광 발전이 주목 받고 있다. 일반적으로 박막 태양광 발전이 실리콘 태양광 발전보다 효율이 약 11% 가량 낮지만, 비용이 덜 들고 제조 시 에너지 집약도가 낮으며 좀 더 유연하고 다방면에 쓰임이 있는 어플리케이션이다. 집광형 태양광 발전은 렌즈로 태양광을 모아 강화시킨 뒤 태양광 전지에 닿게 하는 방식으로 본격 시장 진출을 앞두고 있다. 집광형 태양광 발전은 최대 40%의 효율을 거둘 수 있다. 유기(Organic) 태양광 전기 같은 다른 기술은 아직 연구 단계이다.

가.  결정질 실리콘 태양전지

결정질 실리콘 태양전지는 단결정과 다결정으로 나뉘며, 단결정 실리콘 태양전지는 순도가 높고 결정결함밀도가 낮아 효율이 높지만 고가이다. 다결정 실리콘 태양전지는 상대적으로 품위가 낮아 효율은 떨어지지만 제조가 쉽고 저가로 생산할 수 있는 장점이 있어 실리콘 태양전지 수요의 80%를 차지하고 있다.

현재 상용화된 통상적인 결정질 실리콘 태양전지는 P-type의 실리콘 기판에 전극이 screen print된 형태로, 단결정 태양전지의 평균 효율은 18~19%, 다결정은 16~17%의 효율을 보이고 있다. 결정질 실리콘 태양전지 시장은 중국의 저가 공략으로 중국 기업이 시장의 대부분을 점유하고 있어, 대부분의 기업에서는 N-type, PERC(Passivated Emitter and Read Contact), 후면전극, HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) 등 고효율 태양전지 중심으로 개발하고 있다. LG전자는 N-type 단결정 양면수광형 셀을 개발하여 22%의 효율을 달성하였으며, 일본의 Panasonic은 21~22% 수준의 N-type HIT 셀을 미국의 Sunpower사는 22~23% 수준의 N-type IBC(Interdigitated Back Contact) 셀을 생산하고 있다.

나.  박막 태양전지

박막 태양전지는 실리콘 기판 전체를 태양광 흡수에 쓰는 결정질 실리콘 태양전지와 달리 유리나 플렉서블 기판 위에 빛을 흡수하는 반도에 소재를 얇게 증착하는 방식으로 제작하는 태양전지로 실리콘 박막, CIGS, CdTe 등이 있다. 박막 태양전지는 저가의 기판을 사용할 수 있고 공정이 상대적으로 단순하여 단가 절감과 다양한 응용이 가능하여 많은 연구가 진행되고 있으나, 결정질 실리콘 태양전지 가격의 지속적인 하락으로 박막 태양전지를 비롯한 다른 종류의 태양전지 경쟁력이 크게 약화됨에 따라 시장 진입이 지연되고 있다. 특히 실리콘박막 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지 제조 단가의 절대적 비중을 차지하는 실리콘의 양을 줄일 수 있어 실리콘 태양전지의 가격을 낮추기 위한 대안으로 많은 연구가 진행되었으나, 결정실 실리콘 태양전지 가격의 급락으로 시장이 크게 축소되었다. 이에 따라 삼중접합 구조를 활용한 실리콘 박막 태양전지로 13.4%의 세계 최고 효율을 달성한 LG전자 또한 실리콘 박막 태양전지 사업을 중단하였다.

CIGS 박막 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 등으로 구성된 화합물 반도체를 사용하는 태양전지로, 결정질 실리콘에 비해 광흡수율이 높아 1~2㎛의 두께만으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고 제조 공정이 결정질 실리콘 태양전지에 비해 단순하여 제조단가를 절감할 수 있는 등 많은 장점을 갖고 있어 삼성SDI, LG이노텍, Solibro 등 반도체 및 디스플레이 제조기술을 보유한 기업에서 개발을 시도하였다. 그러나 태양광 시장 침체로 대부분의 기업들이 사업을 중단하였으며, 일본의 Solar Frontier만이 상용화에 성공하여 14% 수준의 제품을 생산하고 있다. 삼성SDI는 5G급 대면적 모듈에서 세계 최고 수준인 16% 효율을 달성하였으나 상용화에 이르지 못하고 사업을 중단하였으나, Solar Frontier는 최근 23.2%의 최고효율을 발표하고 1GW급 양산설비 구축 계획을 발표하는 등 사업을 확장하고 있다.

다.  염료감응 및 유기 태양전지

염료감응 태양전지(DSSC, Dye Sensitized Solar Cell)는 1991년 스위스의 Gratzel 교수가 식물의 광합성 원리를 모방하여 고안한 태양전지로 TiO2 표면에 흡착된 염료가 빛을 흡수하여 여가시킨 전자를 TiO2가 받아 외부로 전달하는 전기화학적 반응을 이용한 태양전지이다. 제조과정이 간단하고 구성 재료의 가격도 저렴하며, 사용하는 염료의 색상에 따라 색상변경이 가능하고 투명하여 BIPV(Building Integrated Photo Voltaic) 등 다양하게 활용될 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 2011년 12.3%의 세계최고효율이 발표된 이후로도 10% 정도의 낮은 모듈 효율을 보이고 있으며, 액체 전해질의 누수와 용매 증발로 인한 낮은 내구성 개선을 위해 고체/준고체 전해질로 대체하기 위한 연구가 계속되고 있으나 상용화 단계에는 미치지 못하고 있다. 국내에서는 동진세미켐, 이건창호, 상보가, 해외에서는 호주의 Dyesol, 일본의 Fujikura 등에서 상용화 개발을 추진하고 있다.

유기박막 태양전지(OPV, Organic Photo Voltaic)는 유기반도체 물질 기반의 P-N 접합구조를 이용하며, 흡수층의 재료 구성에 따라 고분자계와 유기단분자계로 나누어진다. 유기 태양전지는 재료가 저렴하고 인쇄나 잉크젯 등의 도포 공정으로 대면적 태양전지를 제조할 수 있어 제작 단가가 낮고, 플라스틱 필름 위에도 막을 형성할 수 있어 이동용 전자기기가 wearable 등 다양한 적용이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 2000년대에 들어 10%대의 효율을 보이고 있으나 실용화 개발에 선두 역할을 했던 미국의 Konarka사의 도산과 태양광 시장 침체로 발전 속도가 다소 지연되고 있는 상태이다. 해외에서는 독일 Hiliat다가 탠덤구조로 12%의 효율을 달성하였고, 일본 Mitsybishi Chemical은 롤투롤 인쇄공정을 이용한 플렉서블 제품의 상용화를 진행하고 있으며, 국내는 코오롱인더스트리에서 롤투롤 연속 인쇄공정 기반으로 wearable, 아웃도어 용품에 적용하기 위한 제품을 개발하고 있다.

라.  페로브스카이트(Perovskite) 태양전지

페로브스카이트는 ABX3 구조를 가지는 유무기 하이브리드 적층 물질로, 최근 페로브스카이트를 염로로 사용한 태양전지에서 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 보이며 전 세계의 주목을 받고 있다. 2009년 일본에서 염료 감응 태양전지에 유기염료 대신 페로브스카이트를 코팅하여 3.8% 효율을 보고한 이후 5년 만에 20%대의 효율에 진입하는 빠른 속도의 효율 향상을 보이고 있으며, 높은 광흡수율과 단순한 제조공정, 낮은 원가, 유연성 등의 장점으로 결정질 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로서의 입지가 강화되고 있다.

우리나라에서도 활발하게 연구가 진행되어 2014년 한국화학연구원에서 18.4%의 세계최고수준의 효율을 발표한 이후 20.1%까지 향상시켰으며, 최근 스위스 EPFL(로잔연방공과대학교)에서 21%의 최고효율을 경신하였다. 향후 상용화 단계에 도달하기 위해서는 페로브스카이트의 중요 구성요소 중 하나인 납(Pb)을 대체할 수 있는 소재 개발과 수분 및 광조사에 대한 장기안정성 확보가 필요하며, 이를 위해 전 세계적으로 Pb-free, 장수명화, 플렉서블화 등의 연구가 경쟁적으로 진행되고 있다.

마.  인버터

태양광 시스템의 주요 요소 중 하나가 인버터이다. 태양광 시스템에서 나오는 직류 산출물은 인버터에 의해 교류로 바뀐다. 인버터가 태양광 발전소의 계통운전 요건 충족 여부에 영향을 미치기 때문에 계통연계형 태양광 발전소의 경우, 인버터의 성능이 특히 중요하다. 대부분의 인버터는 LVRT(Low Voltage Ride Through)와 유연한 유효/무효전력 제어 역량을 가지고 있다. 그러나 이것은 회전기기가 아니기 때문에 태양광 시스템은 전력계통에 관성 지원을 제공할 수 없다. CSP와 비교해 태양광 발전은 직사광선을 이용할 수 있을 뿐 아니라 태양광의 요소를 분산시켜 전기를 생산할 수 있는 장점이 있어 더 많은 지역에 효과적으로 활용이 가능하다. 태양광이 바람보다 예측 가능성이 높기 때문에 풍력발전에 비해 태양광 발전이 계통 연계에 따른 어려움이 더 적다. 현재까지는 태양광 발전이 상대적으로 비용이 많이 든다는 점이 대규모 활용의 주된 걸림돌이 되어왔다.

태양광 발전과 ESS 연계 모델 분석 ②

나.  가정용 ESS의 성장 가시화

가정용 ESS 시장은 전력 사용자 입장에서 낮은 가격에 전력을 저장하고 높은 가격에 판매해 경제성을 확보하는 시장이다. 경제성을 확보하기 위해서는 ESS 가격이 낮고 전기 요금이 높으며 시간대별 전기 요금이 차이가 커야 한다. 현재 상황에서 자체적으로 경제성을 확보하기는 어렵지만, 미국 캘리포니아나 유럽에서는 ESS 시장 확대를 위해 정책적 보조금을 지급하고 있어 시장이 형성되고 있다. 중장기적으로는 ESS 시스템 가격이 하락하면서 시장이 확대될 것으로 예상된다.

미국 캘리포니아의 경우 과거 대규모 정전 사태를 겪었고 2030년까지 전체 전력 생산량의 50%를 신재생에너지로 충당하려는 목표를 가지고 있어 ESS 시장을 적극 지원하고 있다. 대표적인 지원 제도는 SGIP(Self Generation Incentive Program, 자가발전인센티브프로그램)로 풍력 등 신재생에너지와 함께 설치되는 3MWh 이하 ESS에 대해 0.5~2.0달러/Wh 보조금을 지급하는 것이다.

[CPUC의 ESS 보급 확산을 위한 제도]

    - 2001년: 캘리포니아 공공발전위원회(CPUC) 에너지 저장 및 자립형 발전에 대한 보조금 제공 제도 SGIP 최초 소개

    - 2010년: 세계 최초로 ESS 의무화 법안 도입 à 2014년까지 평균 공급 전력의 2.25%, 2020년까지는 5% 이상의 ESS 공급

    - 2011년: 2020년까지 전체 전력 생산량의 33%를 재생에너지로 공급토록 목표 설정

    - 2013년: 캘리포니아주 내 3대 발전사에게 2020년가지 1,325MWh의 ESS 설치의무 부과

    - 2015년: 2030년 재생에너지 전력 공급 목표를 전체 발전량의 50%로 상향 조정

    - 2016년: 향후 3년간 SGIP의 예산을 총 249백만 달러(83만 달러/년)까지 확대, ESS 보급에 SGIP 예산의 75% 할당

전력 요금 체계 및 사용량 등에 따라 ESS의 경제성이 달라지지만, 캘리포니아 지역에서 10kWh 규모의 ESS를 설치하는 경우를 가정해보자. 평균 전력 요금이 kWh당 15센트, 피크 요금은 평균 요금보다 80% 높고, 평시 요금이 평균 요금보다 20% 정도 낮은 비율을 가정할 경우 연간 kWh당 55달러를 절약할 수 있다.

ESS 배터리 가격은 2016년 기준 325달러/kWh 수준이고 10kWh ESS를 설치할 경우 5시간 정도의 피크 시간을 감안하면 2kW 급의 인버터가 필요한데 이 가격은 1,400달러 수준으로 추정된다. 즉 10kWh의 ESS를 설치하는데 ESS 배터리 비용이 3,250달러, 인버터가 1,400달러로 총 4,650달러가 소요된다. 원금 회수에는 8.4년 정도가 소요된다. 캘리포니아의 경우 보조금 중간 기준으로 2,500달러 보조금을 받을 수 있다고 가정하면 회수 기간은 4년 이하로 줄어들게 된다.

[평균 전력 요금별 ESS 회수 기간]

연도	2016	2017	2018	2019	2020	2021
ESS 평균 가격 가정($/kWh)	386	325	284	255	228	217
11c/kWh	9.6	8.1	7.1	6.4	5.7	5.4
13c/kWh	8.1	6.9	6.0	5.4	4.8	4.6
14c/kWh	7.6	6.4	5.6	5.0	4.5	4.2
15c/kWh	7.1	5.9	5.2	4.7	4.2	4.0
18c/kWh	5.9	4.9	4.3	3.9	3.5	3.3
20c/kWh	5.3	4.5	3.9	3.5	3.1	3.0

그러나 배터리 가격이 하락하면 상황이 달라진다. SNE 리서치에 따르면 ESS 배터리 가격은 2016년 225달러 수준에서 2020년 200달러 초반으로 하락할 것으로 가정하고 있는데 이 경우 보조금이 없더라도 상당 지역에서 경제성이 확보될 것으로 추정된다.

최근 테슬라는 가정용 ESS인 파워월 2를 발표하였다. 파워월 2는 14kWh의 용량에 인버터까지 내재해 5,500달러에 출시하였다. 인버터의 가격을 1,000~2,000달러 수준으로 추정하면 kWh당 배터리 가격이 250~300달러 수준으로, 2016년 가정용 ESS 평균 시장 가격인 386달러 대비 크게 낮다. 테슬라가 이렇게 낮은 가격에 제품을 출시할 수 있었던 요인은 유통망에 있어서 타사 제품과 달리 온라인을 통해서 소비자에게 직접 판매하는 구조이기 때문에 일반적으로 제품 가격의 30~40%에 달하는 유통 비용의 상당 부분을 절감할 수 있는 것과 가정용으로는 고용량인 14kWh 제품으로 배터리를 제외한 부품의 단위당 원가를 줄인 것에 기인한다.

또한 기가팩토리 가동을 통해 배터리 원가를 떨어뜨릴 것을 감안한 전략도 있을 것이다. 테슬라는 2017년 하반기 Model 3의 출시에 맞춰 년 50GWh 생산 규모의 기가팩토리를 건설, 2020년까지 배터리 팩 원가를 100달러/kWh까지 낮추겠다는 계획이다. 구체적인 원가 절감 방법은 생산성 향상, 수직 계열화를 통한 중간 마진 절감, 관세 등의 절감 효과 그리고 배터리의 성능 개선이다. 기가팩토리에서 생산하는 2170 원통형 배터리는 기존 18650 대비 성능이 대폭 개선되었다.

현재 제시된 파워월 2의 가격이면 미국 내에서 신재생에너지 비중이 높거나 주간 전력 요금의 차이가 큰 지역에서는 투자 회수 기간이 5~6년으로 줄어들어 경제성을 기반으로 시장 확대가 가능할 것으로 예상된다. 특히 테슬라는 2016년 솔라시티 인수 이후 태양광 발전과 가정용 ESS, 전기차까지 통합된 시스템을 제공하고자 하고 있다. 태양광 발전과 전기차 판매가 확대되려면 가정용 ESS의 필요성도 높아지기 때문이다. 파워월 2의 배터리 용량이 평균 대비 높은 것도 이 때문으로 추정된다.

테슬라의 파워월 2가 성공적으로 시장에 출시되면 이는 과거 전기차 시장에서 Model S가 보여주었던 파급력을 재현할 수 있을 것으로 기대된다. 당초 전기차 시장은 높은 가격과 제한적 성능으로 인해 시장 확대가 더딘 상황이었다. 그러나 Model S가 획기적인 디자인과 성능 대비 낮은 가격으로 성공하자 경쟁 업체들도 기술 혁신을 통해 경쟁력 있는 모델들을 출시하면서 전기차 시장이 확대되기 시작하였다. 파워월 2 역시 인버터 일체형이라는 편리성과 가격적인 매력을 앞세워 판매를 확대하면 경쟁업체들이 이에 대응하기 위해서 성능 향상, 원가 절감 및 유통 구조의 개선 등을 기반으로 시장을 키워나갈 것으로 기대된다.

앞서 살펴본 바와 같이 아직 가정용 ESS 시장은 자체적인 경제성을 확보하지는 못하고 있으나 미국, 유럽 등에서 다양한 지원책을 통해 성장하고 있다. 또한 신재생에너지 시장의 확대는 ESS 시장의 성장을 견인할 전망이다. 최근 호주나 하와이와 같이 신재생에너지 비중이 높은 지역의 경우 태양광 발전에 대한 보조금을 크게 축소하면서 ESS를 설치해야만 보조금을 지원하는 지역들도 나타나고 있다. 신재생에너지 비중 증가로 전력망의 불안정성이 높아졌기 때문이다. 또한 이들 지역은 태양광 발전량이 많을 때는 외부 판가가 크게 하락하기 때문에 ESS를 설치하는 것이 더 유리한다.

다.  국내 동향

2016년 산업통상자원부는 ‘에너지신산업 성과 확산 및 규제개혁 종합대책’ 발표에서 풍력발전소에 이어 태양광 발전소에도 ESS를 설치해 생산한 전기에 신재생에너지공급인증서 가중치 5.0을 부여하기로 하였다. 우선 2017년까지 5.0을 적용하고 2018년부터는 보급여건 등을 점검해 가중치 조정을 추진할 계획이다.

하지만 해당 가중치는 ESS를 연계하였다고 항상 제공하는 것은 아니다. 우선 발전량이 아니라 방전량을 기준으로 제공하며, 발전설비 피크시간에 발전하고 그 외 시간에 방전한 전력량에 대해서만 가중치 5.0을 제공한다.

앞서 분석했던 대한민국 평균 농가를 기준으로 각 농가가 1MWh ESS를 연계 설치했다고 가정하고 경제성을 분석해 보자. 평균 일일 일조시간은 3.6시간으로 시간발전설비 피크 시간 내에 포함된다고 가정한다.

    - 대한민국 태양광 기준 평균 일조시간은 3.6시간/day

    - 평균 발전수익은 SMP 77.06원/kWh, REC 99.89원/kWh (2016년 기준)

    - 태양광 발전용량은 788kW

    - 태양광 발전설비 설치비는 15억 7,600만원

    - 농가당 전기농사 소득은 년간 1억 8,300만원

    - ESS 용량은 1MWh

    - 1MWh ESS의 설치비는 5억원 (50만원/kWh)

설치비 총액은 태양광발전소 설치비 15억 7,600만원에 ESS 설치비 5억원이 추가되어 20억 7,600만원으로 약 32% 가량 증가하였다.

788kW급 태양광발전소에 1MWh 용량의 ESS를 추가 설치하면

전체 설치비는 20억 7,600만원으로 약 32% 설치비가 증가한다.

설치비를 계산했으니 다음으로 농가소득을 계산하기 위해 우선 일일 발전량을 계산해보자. 일일 발전량은 778(kW) * 3.6(시간) = 2,800 kWh이다. 이 중 1,000kWh는 ESS에 저장하여 발전설비 피크시간 외에 방전하여 판매를 하고 나머지는 그대로 판매를 한다. ESS 연계 방전량은 5.0의 가중치를 받고 나머지는 그대로 1.0의 가중치를 받기 때문에 일일 농가소득은 (1,000 * (77.06 + (99.89 * 5.0)) + (1,800 * (77.06 + (99.89 * 1.0))) = 895,020원이 된다. 연간 소득으로 계산하면 3억 2,700만원이 된다. 기존 태양광발전소 소득인 1억 8,300만원과 비교하면 약 79% 정도 소득이 증가하게 된다.

하지만 이는 ESS 충 방전 과정에서 발생하는 전력 손실을 계산하지 않은 것이기 때문에 충 방전 과정에서의 손실 계산이 추가로 필요하다. 일반적으로 리튬이온 배터리 ESS의 전력효율은 충전효율 92%, 방전효율 92% 그리고 배터리 자체 효율 95%로 전체 과정에서 약 80%의 효율을 갖는다. 최근에는 기술의 발달로 충전효율 99%처럼 보다 고효율의 ESS들이 출시되고 있지만, 여기서는 보수적인 계산을 위해 충전 시 10%, 방전 시 10%로 총 20%의 전력 손실이 발생하는 것으로 가정하였다. 충전과 방전 과정에서 각각 90%의 효율로 계산하면 ((1,000 – 방전손실(100)) * (77.06 + (99.89 * 5.0))) + ((1,800 – 충전손실(110)) * (77.06 + (99.89 * 1.0))) = 817,900원이 된다. 연간 소득으로 계산하면 2억 9,900만원이 되어 기존 태양광발전소 소득과 비교하면 약 63% 정도 소득이 증가하게 된다.

788kW급 태양광발전소에 1MWh 용량의 ESS를 추가 설치하면

농가소득은 년 2억 9,900만원으로 약 63% 증가한다.

ESS 설치를 위해 투자비가 32%(5억원) 증가 하였지만, 연간 농가소득이 63%(1억 1,600만원) 증가 하므로 투자비 회수에 4년 정도 걸린다. 하지만 ESS의 수명이 적어도 10년을 보장하기 때문에 현재의 조건에서는 투자할 가치는 충분하다고 볼 수 있을 것이다. 물론 2018년 이후로 현재 5.0인 가중치가 어떻게 조정될지 아직은 미정이지만, 신재생에너지를 보급 확산하기 위해 적극적으로 노력하고 있는 현 정부의 태도를 볼 때 크게 하향 조정될 가능성은 적다고 예측된다.

게다가 정부는 ESS 보급 확대를 위해 2015년 발족한 “에너지저장장치(ESS) 융합얼라이언스”를 통해 신재생에너지 뿐만 아니라 소비재 등 타 분야로도 에너지저장장치 융합모델을 지속 확대하고 있다.

<ESS산업 제도개선 내용>

-      비상전원 활용: ESS 활용촉진을 위해 비상전원용으로써 ESS를 적용할 수 있도록 관련규정 마련 (’16.2)

-      요금제 개선: ESS활용촉진요금제 적용기간을 1년 à 10년으로 확대 (’16.8)

-      신재생 연계: 기존 풍력발전뿐만 아니라 태양광에 ESS 결합 시 REC 가중치 5.0 부여 (’16.9)

-      공공기관 의무화: 공공기관 ESS 설치 의무화 도입 (’17.~)

-      판매대상 확대: ESS 저장전력을 기존 전력시장뿐만 아니라 일반소비자(건물, 공장) 대상으로도 판매 허용할 예정

-      배전사업자 ESS 설치: 배전선로 설치 설비에 ESS를 명시적으로 포함

-      역전력계전기 설치: 신재생과 연계된 ESS에서 남은 전력을 거래하면 역전력계전기를 설치하지 않아도 되도록 개선

태양광 발전과 ESS 연계 모델 분석 ①

최근 발표에 따르면 미국에서 태양광 발전량이 급변동하는 덕 커브(Duck curve) 현상이 캘리포니아계통운영기구(CAISO)의 당초 전망보다 빠르게 진행되고 있는 것으로 나타났다. 덕 커브란 신재생, 특히 태양광 발전량이 증가하면서 일출에서 일몰 사이에 순 부하가 급격히 떨어지는 현상을 말한다. 즉, 아침에 해가 뜨면서 태양광발전소에서 전기를 생산하게 되면 그 만큼 수요가 줄어 석탄과 원자력발전 등 다른 에너지원의 발전량이 줄어들게 된다.

캘리포니아계통운영기구는 2013년 태양광 발전량 급증으로 일출 후 수요의 대부분을 태양광이 담당하게 되면서 덕 커브 현상을 처음 발견했는데, 태양광 보급 확대에 따라 점차 심해질 것으로 전망한 바 있다. 덕 커브 현상이 발생하게 되면 전력망의 안정적 운영이 곤란해지는 데다, 예비력을 충분히 확보해야 해서 운영유지비도 증가해 계통운영기관 입장에서는 어려움이 크다. 특히, 덕 커브 현상은 처음에는 태양광 발전량이 많은 봄철(3월)에 주로 나타났지만 점차 계절에 상관없이 발생하고 있고, 주중보다는 총 부하수준이 낮은 주말에 심화되고 있는 것으로 나타났다.

미국 캘리포니아주는 태양에너지 발전량 비중이 13%로 미국에서 가장 높다. 이중 8%가 대규모 태양광발전이다. 반면 하와이주는 캘리포니아주에 이어 태양광 비중이 7.9%로 높지만, 이중 6.9%가 주택용 태양광과 같은 분산형 태양광이다. 두 개 주 모두 덕 커브 현상이 발생하고 있어 캘리포니아 주는 대규모 태양광이, 하와이주는 주택용 태양광이 주 원인으로 분석되고 있다. 캘리포니아계통운영기구는 덕 커브 심화 현상과 일몰 후 급격한 출력 증발 대응을 위해 전력회사에 ESS 조달의무를 도입하고, 시간대별 요금제 등의 대책 마련에 부심하고 있다.

태양광발전량이 적은 국내도 예외는 아니다. 한전이 2005년 1월부터 2016년 12월까지 시간대별 원별 발전량 중 전력시장 거래실적을 활용해 순부하량을 분석한 결과, 순부하 최저치는 모두 일요일에 나타났다. 발생시간이 오전 8~9시와 오후 1~4시 사이로 이동함에 따라 덕 커브 현상이 뚜렷하게 나타났다. 2016년의 경우 국내 덕 커브 현상은 냉방수요가 집중되는 6~9월을 제외하고 발생했다. 냉방수요가 몰리는 여름철에는 태양광 발전량이 높은 편임에도 불구하고 낮 시간대 수요 급증으로 인해 순부하가 떨어지지 않았기 때문으로 분석된다. 4~5월과 11~3월 사이에 덕 커브 현상이 발생했으며, 특히 11~3월 사이에 더욱 뚜렷하게 관찰돼 앞으로 겨울철 계통운영이 더 어려울 수 있다는 전망이 나오고 있다.

다만 국내 덕 커브 현상은 전체 발전량 중 태양광 발전 비중이 1% 미만으로 낮아 태양광 발전량보다 낮 시간 전력수요의 높고 낮음에 영향을 많이 받고 있다는 게 한전의 설명이다. 하지만 2013년 이후 태양광발전 보급 급증에 따라 태양광 발전 전력량이 늘어났고, 향후 정부의 적극적인 신재생에너지 보급 정책에 따라 태양광발전의 지속적인 확대가 예상되면서 덕 커브 현상도 더 심화될 것으로 전망했다.

신재생에너지는 지역 및 기후 특성에 따른 발전출력 예측이 어렵고, 심한 출력변동을 가지고 있어 전력계통 측에 전압 및 주파수변동과 같은 전력품질 관련 문제들을 가지고 있다. 안정적인 전력공급과 양질의 전력품질 유지를 위해 전력회사는 계통운영 여건에 적합한 주파수 반응, 무효전력 보상, Fault Ride Though Capability 등과 같은 계통연계 기준(Grid Code)을 제정하여 운영하고 있다. 신재생에너지원의 출력 불균형을 완화하고, 전력품질 문제를 해결하는 대안으로 리튬전지를 활용한 에너지저장(ESS, Energy Storage System) 장치 기술이 필요하다.

전력계통의 특징은 전력생산과 전력소비가 동시에 이루어지고 있어, 전력소비 변화에 따라서 실시간으로 전력 생산량을 조절해야 하는 생명체와 같은 특성을 지닌다. 에너지저장장치(ESS)는 배터리에 전력을 저장(충전)하여 필요할 때 공급(방전)함으로써 전력이용 효율을 높여주는 시스템으로 전력계통에서 발전소, 송배전계통, 수용가에 설치되어 운영할 수 있다. 전기요금이 저렴할 때 또는 전력이 남을 때 전력을 저장한 후 전기요금이 비싼 첨두부하 시간대 또는 전력이 부족할 때 방전하여 수요관리에 변혁을 가져올 수 있다.

ESS 특징은 생산과 소비가 동시에 이루어져야 하는 전력계통의 “생산-소비” 패러다임을 “생산-저장-소비” 패러다임으로 바꾼 것이다. ESS 적용으로 태양광, 풍력 등 신재생에너지 발전 출력 안정과 에너지 활용 효율성도 높일 수 있다. 그리고 일시적이지만 발전소 이상의 기능을 발휘할 수 있기 때문에 수 조원을 들여 발전소를 건설하지 않고서도 ESS 충방전만으로 일정 전력을 공급할 수 있기 때문에 선진국들은 에너지 분야의 핵심 성장 동력으로 추진하고 있다.

기후와 날씨에 따라 발전량이 달라지는 태양광, 풍력과 같은 신재생발전에 ESS를 연계시켜 생산된 전기를 저장했다가 필요할 때 사용함으로써 신재생발전의 효율과 경제성을 높일 수 있다. 일반적으로 ESS는 전기수요가 낮은 밤에 생산된 전기를 충전하고 전기수요가 높은 낮에 이를 방전함으로써 발전소의 이용률을 높이는 효과가 있는데, 태양광 발전에 설치하는 ESS는 태양광 발전의 특성상 일조량이 좋은 낮에 많이 생산된 전기를 충전하고 저녁시간에 방전을 유도해, 낮에 최대발전으로 생기는 전력망 접속용량 부족을 완화시키고 봄 가을 겨울의 밤에 생기는 높은 전기수요에 대응하는 효과를 거둘 수 있을 것이다.

가.  국외 동향

2015년 10월 미국 Aliso Canyon 가스 저장소에서 치명적인 가스 누출 사태가 발생했다. 가스를 원료로 전력을 생산해 온 주변 발전 업체들은 가동이 어려워졌다. 새로 발전소를 짓기에는 시간이 부족해 자칫 전력 부족 사태로 이어질 수도 있는 상황이었다. 주지사는 비상 사태를 선포했다. 2016년 5월 캘리포니아 공공발전위원회는 400MWh 규모의 ESS를 설치하겠다고 발표하였다. 그리고 약 6개월만인 2017년 1월, ESS 설치가 완료되어 캘리포니아는 전력 부족 문제를 해결할 수 있게 되었다. Aliso Canyon 사례는 ESS의 수요가 새로운 성장 국면에 들어갔음을 보여준다. 이러한 변화가 가능했던 이유는 리튬이온 배터리 가격이 크게 하락하고, 수년 간의 테스트로 신뢰성을 확보했으며, 캘리포니아 지역의 특성상 신재생에너지의 비중이 높아 전력 저장의 효율성이 높았기 때문이다.

Aliso Canyon의 사례는 ESS 시장에 몇 가지 유의미한 변화가 시작되고 있음을 보여준다. 그 첫째는 리튬이온 ESS가 전력 공급 수단으로 유의미하게 사용되기 시작했다는 점이다. 전력은 저장이 어렵기 때문에 전력 업체는 과도하다고 보일 정도로 여유 전력 생산능력을 확보해야 하고 이로 인한 비효율이 높다. 과거부터 남는 전력을 이용해서 낮은 곳의 물은 높은 곳으로 이동시키고 전력이 필요할 때는 높은 곳에 저장된 물을 수력발전으로 공급해 주는 양수발전의 형태로 전력을 저장하기도 했다. 그러나 양수발전은 특정 입지 조건이 필요해 지리적 한계가 크고 환경 문제 등을 야기할 뿐 아니라 효율도 낮아서 시장이 확대되기에 한계가 있다.

양수발전에 비해서 비교할 수 없이 효율이 높고 설치가 자유로운 리튬이온전지 기반의 ESS는 수년 전부터 전력을 저장하는 우수한 방법으로 주목 받아 왔다. 그럼에도 불구하고 높은 원가와 보수적인 전력 시장의 특성으로 인해서 리튬이온 기반의 ESS 시장의 성장은 제한되어 왔다. 그러나 배터리 가격이 예상보다 빠른 속도로 하락하고 있고 지난 수년 간의 실증 사업 결과 안정적인 피드백을 확보하면서 높은 성장에 대한 기대가 유효해 졌다.

그 두 번째 변화는 신재생에너지의 비중이 증가하면서 리튬이온 ESS의 수요가 늘어나고 있다는 점이다. 캘리포니아 주지사는 해당 프로젝트가 예산과 시간의 한도 내에서 성공적으로 이루어졌다고 평가했다. 특히 경제성 측면에서 긍정적인 부분은 주로 낮에 발전되는 잉여 태양광 전력을 저장했다가 밤에 사용한다는 점이다. 이는 물론 캘리포니아 지역 특성과 밀접한 관련이 있다. 통상적으로 전력 수요는 낮에 높아지고 밤에 낮아진다. 그러나 캘리포니아 지역은 전기 난방의 비중이 높아 난방 수요가 있는 저녁 시간에 전력 수요가 높아지는 구조를 보이고 있다. 여기에 낮에만 전력을 생산하는 태양광 발전이 가세하면서 기존 전력망에 미치는 부담은 더욱 가중되고 있다.

캘리포니아 지역의 경우 전체 전력 생산 설비 중 태양광 비중이 30~40%에 달하도록 커지면서 태양빛이 비치는 낮에 전력 생산량이 많고 밤에는 줄어든다. 이로 인해서 전력 부하가 낮에는 심하게 낮아지고 밤에는 극심하게 올라가는 덕 커브 현상이 나타난다. 이는 전력망에 부담으로 작용할 뿐 아니라 가스 발전소 입장에서는 시간대별로 공급해야 하는 전력의 편차가 커져 가동률 조정 부담이 생겨 비용이 크게 높아진다. 또한 전력 공급 과잉인 낮에 전기 가격이 낮아져 ESS 설치를 통해서 이를 완화시키는 노력이 필요하다.

2016년 리튬이온 ESS 시장은 2.8GWh로 2015년 1.7GWh에 비해 65% 고성장했다. 전력용 시장이 가장 크게 성장했는데 미국 Aliso Canyon의 400MWh를 비롯, 미국과 유럽 지역에서 주파수 조정용 프로젝트가 빠르게 늘어나고 있다. 전력의 수요와 공급이 맞지 않으면 주파수가 불안정해지는데 이를 보완하기 위해 기존 전력 설비의 약 1~1.5%를 주파수 조정용 설비로 할당해왔다. 그러나 ESS로 대체하면 단시간 내에 주파수를 맞출 수 있고 기존 설비를 100% 가동할 수 있다.

리튬이온 배터리 가격이 하락하면서 주파수 조정용 시장에서는 이미 현재 가격에서도 경제성을 확보하기 시작한 것으로 추정된다. 주파수 조정용 잠재 시장 규모는 전체 전력 설비의 약 0.3~0.5% 수준인 30GWh 내외로 추정된다. 중기적으로는 배터리 가격이 하락하면서 피크 수요 대응 등 사용처가 확대될 것으로 예상된다.

신재생에너지의 비중이 늘어난 점도 ESS의 필요성을 높이고 있다. 독일, 미국 캘리포니아 등 일부 지역에서는 태양광, 풍력 등 신재생에너지 비중이 20%를 넘어서고 있다. 문제는 신재생에너지의 특성상 태양빛이 비치거나 바람이 부는 시기에는 발전이 되지만 그렇지 않으면 발전량이 주는 등 발전량의 변동이 매우 크다는 점이다. 이는 기존 전력망의 부담을 높이고 전력 수급을 불안정하게 한다. 이에 따라 신재생에너지와 연계된 ESS의 수요가 꾸준히 증가할 것으로 예상된다.

2025년 리튬이온 ESS 시장은 2016년 2.8GWh에서 25배 성장한 69GWh로 성장할 것으로 예상된다. 전력용 시장이 26배 성장한 33GWh로 가장 크게 성장할 것으로 예상된다. 단기적으로 주파수 조정용 시장 및 신재생에너지 연계 시장이 성장을 견인할 것으로 예상되고, 중기적으로는 ESS 가격이 하락하면서 전력망을 보완하는 다양한 역할을 담당하며 수요처가 확대될 전망이다. 상업/가정용 시장은 23배 성장한 23GWh로 추산된다. 단기적으로는 보조금 지원을 통해 성장하고 있으나 신재생에너지의 비중이 확대되면서 수요가 증가할 전망이다. 특히 테슬라의 파워월2가 성공적으로 출시되면서 경쟁 업체들의 원가 절감 및 기술 혁신을 가속화시켜 시장 성장 속도가 빨라질 전망이다. 통신용/UPS 시장의 경우 12GWh로 15배로 성장할 것으로 예상된다. 이미 리튬이온전지가 기존 납축전지보다 경제성을 확보하고 있어, UPS업체가 리튬이온 기반의 솔루션을 제공하기 시작했기 때문에 UPS의 저장장치는 빠르게 리튬이온으로 대체될 것으로 예상한다.

농촌태양광 사업의 경제성 분석

현재 국내 태양광 설비의 약 65% 정도가 농촌 지역에 설치되어 있다. 이것은 우리나라의 농경지는 태양광이 풍부한 입지를 가지고 있어 태양광발전소를 건설하기에 좋은 입지조건을 가지고 있다는 뜻일 것이다. 우리 농가의 가구당 평균 농지 면적은 1.3ha이다. 해당 면적을 기준으로 앞서 정리한 내용들을 바탕으로 전기농사의 경제성을 간단히 분석해 보자.

    - 1ha 당 순수 농업소득은 8,660,000원

    - 1ha 면적에 설치 가능한 태양광 발전용량은 606kW

    - 대한민국 태양광 기준 평균 일조시간은 1,309시간/year

    - 2016년 평균 발전수익은 가중치 1.0 기준 177원

    - 606kW 용량의 태양광발전소 설치비용은 12억 1,200만원

1ha 토지 면적 기준을 대한민국 농가당 평균 토지 면적인 1.3ha로 변경하면 몇몇 숫자들은 다음처럼 변경된다.

    - 농가당 순수 농업소득은 11,300,000원

    - 설치 가능한 태양광 발전용량은 788kW

    - 대한민국 태양광 기준 평균 일조시간은 1,309시간/year

    - 2016년 평균 발전수익은 가중치 1.0 기준 177원

    - 788kW 용량의 태양광발전소 설치비용은 15억 7,600만원

평균적인 농가에 설치한 태양광발전소를 통해서는 1년에 1,031,492kWh의 전력 생산이 가능하다. 이를 통해 농가당 발전수익은 년 약 1억 8,300만 원이다. 15억 7,600만원의 태양광발전소 설치비용은 투자의 개념으로 조달할 수도 있고, 금융권의 대출상품을 통해서 마련할 수도 있을 것이다.

788kW급 태양광발전소를 통한 농가소득은 년 1억 8,300만원이다.

가.  직접 투자 형태

약 16억원에 해당하는 발전소 설치자금을 스스로 확보할 수 있다면 장기 투자 형태로 태양광발전소를 건설할 수 있을 것이다. 아래 그림에서도 볼 수 있듯이 적금, 상가, 오피스텔 등 대표적인 장기 투자 상품들의 수익률은 점점 하락하고 있는 추세이다. 2016년 기준 적금금리는 약 1.6%이고, 상가나 오피스텔 투자를 통한 수익률도 리스크를 감안하면서도 5% 수준이다.

하지만 태양광발전소의 경우에는 인버터 교체 등의 관리비를 수익의 10%로 제외를 하여도 최소 20년 보장 연평균 10~12%의 수익률을 기대할 수 있다. 원금 회수에는 약 8~9년 정도가 소요된다.

직접 투자의 경우, 태양광발전소의 수익률은 10~12% 수준이다.

나.  금융권 대출 형태

약 16억원에 해당하는 모든 설치비용을 금융권에서 대출을 받는다고 가정해보자. 현재 농촌에서 농민들이 태양광 발전 사업을 추진할 경우 가능한 대출 상품의 금리는 5년 거치 10년 분할상환에 연 1.75%의 변동금리가 가능하다. 연 1.75%는 상당히 낮은 금리인데, 이는 정부에서 태양광 발전, 특히 농촌에서의 태양광 발전사업 보급을 위해 내놓은 정책대출을 위한 금리이다. 연 1.75% 금리에 10년 만기로 16억원의 대출금에 대한 상환 금액을 계산하면, 원금 약 1,313만 원, 이자 약 120만 원으로 10년 동안 매달 총 1,433만 원의 균등상환이 가능하다.

농촌에서 전기농사를 추진할 경우 현재 연 1.75%의 저금리 대출이 가능하다.

은행권 대출금을 10년 동안 균등상환하고, 정부에서 보장하는 20년 발전수익 장기계약을 맺은 경우의 순이익은 아래의 표에서 알 수 있다. 처음 10년 동안은 균등상환금을 제외하고 매달 924,450원의 이익이 발생한다. 10년 동안 대출금을 모두 상환한 뒤에는 이후 10년 동안 매달 15,250,000원의 순이익이 발생한다. 이를 20년 평균으로 계산해보면 해마다 약 1억원의 순이익이 발생하는 것을 알 수 있다.

금융권 대출의 경우, 20년 동안 평균 연 1억원의 순이익이 가능하다.

[10년 상환, 20년 보장 발전수익 순이익]

물론 태양광 모듈의 수명은 위에서 계산한 20년보다 훨씬 더 긴 25~30년이므로 원한다면 이후로 최소 10년 동안은 더 발전이익을 얻을 수 있다. 발전단가는 그 당시 상황에 맞게 다시 계약을 해야겠지만 이익은 꾸준히 발생하며 순이익 역시 꾸준히 증가할 것이다.