에너지 - 토륨원전

1. 토륨원전

1) 토륨원전

- 토륨(원자번호 90번)을 연료로 사용하는 원자력 발전
- 원자로가 에너지를 생산하려면 특정 핵분열성 동위원소를 소모해야 하는데, 자연상태의 토륨에서 나온 토륨-232에서 변형된 우라늄-233을 원자로에서 소모할 연료로 사용

2) 토륨 연료의 에너지화 방법

a. 우라늄-233을 원자로에서 소모할 연료로 선택

- 토륨(토륨-232)은 그 자체가 핵분열성 물질이 아니라서 열중성자로에서 직접 사용이 불가능 하지만, 중성자를 흡수하면 우라늄-233으로 변형되어 훌륭한 핵분열 연료가 될 수 있음

b. 핵분열 연쇄반응

- 토륨은 핵분열 과정에서 만들어지는 중성자 수가 부족하여 스스로 연쇄반응을 일으킬 수 없음.
- 토륨을 원전의 연료로 쓰려면 핵분열반응이 멈추지 않도록 중성자 수를 보충하는 작업이 필요.

c. 중성자 보충 방식

- 토륨과 함께 초우라늄 핵종(우라늄보다 원자번호가 높은 핵종: 우라늄-235나 우라늄-238, 또는 플루토늄)을 일부 섞어서 이용하는 방식.
- 원전에 가속기를 도입한 형태:가속기를 이용해 고속으로 가속시킨 양성자를 이용해 중성자를 만들어 이 중성자를 토륨과 충돌시켜 핵분열을 일으킴.
Thorium-based nuclear power
Thorium
[물리산책] 제2의 원자력 에너지 토륨원전
4세대 토륨원전 LFTR에 대하여
토륨 원전 vs 우라늄 원전

2. Why 토륨(Thorium)?

1) 토륨 원전 장점

Georgia Institute of Technology 과학자 그룹: 보다 깨끗하고 안전한 원전

- 토륨 기반 전력은 미국에서만 1000년 이상 사용 가능한 에너지 솔루션. 인류의 환경에 나쁜 영향을 끼치는 문제를 해결할 수 있는 진정한 지속 가능한 에너지원.
Thorium-based nuclear power

Bill Thesling 미국 클리블랜드 Energy from Thorium foundation CEO : 국가와 국민을 위한 에너지 솔루션.

- 비싼 농축업무가 필요 없는 값싸고 풍부한 원료: 토륨은 국가와 국민의 에너지 상황을 해결 가능.
Ohio Group Holds Out Hope For Thorium Energy

Richard Martin 과학 저술가

- 토륨은 깨끗하고 풍부한 에너지원을 효율적으로 제공 가능한 동시에 핵무기 확산, 방사능 오염, 독성 폐기물, 복잡한 공정이 필요한 값비싼 연료에 대한 걱정을 덜어줌.
Thorium-based nuclear power

a. 우라늄 보다 매장량 풍부

- 납 만큼 흔한 금속으로 매장량이 우라늄보다 4배 많음. 지각에 원전 연료로 쓰이는 우라늄-235는 18mg/ton으로 은(100g/ton) 보다 귀한 반면, 토륨은 약 10g/ton 으로 매장량 풍부.
- 우라늄은 산출국이 한정된 반면 토륨은 세계 곳곳에 비교적 고르게 퍼져 있음.
- 토륨원소 비축량은 최소 1만 년 동안 지구에 에너지를 제공할 수 있을 정도 (카를로 루비아 박사)
- 토륨 매장량 : 전세계 약 6,355,000톤 이상 매장 추정(source: OECD NEA & IAEA, Uranium 2014: Resources, Production and Demand ('Red Book'), using the lower figures of any range.)
Thorium
토륨원전

b. 안전성

- 우라늄은 그 자체가 핵분열성 물질: 일단 핵분열을 시작하면 방사능과 고열을 방출하므로 이를 식히기 위한 냉각장치 필요. 따라서 대지진 같은 불의의 사고가 발생하면 냉각장치가 고장 나고, 그로 인해 노심 용융(melt down)이 일어나 방사능이 유출될 수 있음.
Ex)후쿠시마 원전사고
- 반면, 토륨은 자체적으로 핵분열을 일으키는 연쇄 반응이 나타나지 않기 때문에 사고로 정전이 될 경우 핵분열을 자동으로 멈춤.
- 미국 Martingale Inc에서 설계한 모듈형식 토륨원전은 연료가 외부공기와 접촉할 때까지 4개의 벽을 만들어 안정성을 높임.
ThorCon Power

c. 핵폐기물 문제 해결

- 독성 페기물 발생량이 우라늄의 1/1000
- 이산화탄소 또한 발생시키지 않음
- 토륨원전은 100% 연료로 이용 가능한 핵종(토륨-232)을 이용하고, 에너지 증폭기 방식의 경우, 고속로 시스템이기 때문에 일반 원자로에서 사용되고 남은 초 우라늄 핵종 까지 태워 없앨 수 있음.
- 기존 우라늄 원전 폐기물 방사능독성이 떨어지려면 1만년 이상 시간 필요한 반면, 토륨은 몇 백년 안에 방사능이 안전한 수준으로 떨어짐.

d. 핵확산 방지

- 토륨원자로의 부산물로 생기는 플루토늄은 기존 우라늄 원자로와 비교해 볼때 2% 미만.
- 우라늄 원전은 폐기물에 다량의 플루토늄이 포함돼 있어 핵무기 개발 용이 ← 원전개발 초기 단계에 선진국이 토륨이 아닌 우라늄을 선택한 배경 중 하나.

e. 효율성(1톤 토륨 vs. 250톤 우라늄)

- 토륨 1톤이 우라늄 250톤, 석탄 350만 톤에서 생산하는 전력과 같음. 1톤의 토륨으로 1GW 전기를 1년간 생산 가능
- 우라늄 원전: 우라늄 광산에서 250톤 채굴 후 35톤으로 농축. 1년간 1 GW급 원전에 쓰인 후 35톤의 핵폐기물 생성.
- 토륨 원전(액화불화 토륨 원전: Liquid fluoride thorium reactor): 자연상태의 토륨은 전부 연료로 사용될 수 있으며 비싼 농축과정이 필요하지 않음. 액화 토륨원전은 1년간 1 GW급 원전에 쓰인 후 1톤의 핵폐기물 생성. 그 중 83%는 10년 안에 안전해지며 일부를 팔 수 있고, 17%는 300년 동안 땅속에 격리보관.
- 'MIT의 미래원자력 2009’분석에 따르면, 원자력비용의 대부분은 실제로 원자로 건설비용(캐피탈 비용)이 차지함.
- 토륨 발전소 건립비용은 우라늄 발전소보다 5 ~7배 저렴: 1기가 와트의 전력을 생산하는 우라늄 연료 발전소 건설 비용은 대략 11억 달러 선. 토륨 액화 연료 원자로를 건설하는데 드는 비용은 노심용융 걱정이 없으므로 2억 5,000만 달러 수준으로 예상. (냉각장치 비용 절약).
Thorium is More Abundant than Uranium, but Can It Work?
- 운영 비용은 우라늄 발전소의 1/10: 1기가 와트를 생산하는 우라늄 연료 발전소 가동시 (미국 기준으로) 500명 정도의 인력이 필요하며, 연간 5천만 달러가 소요. 토륨액체연료 발전소를 가동하는 비용은 약 500만 달러 선이 될 것으로 예상
Thorium for dummies. Thorium reactors-Dr. Y(Federation of American Scientists)
- 미국에서 새롭게 설계한 ThorCon 에서 생산하는 전력 가격은 가스나 석탄보다 저렴한 KWh 당 3센트
우라늄 지고, ‘토륨(Thorium)’ 뜬다

3. 토륨 원전 개발 History

1) 최초 개발

a. 1965~1968 Oak Ridge National Laboratory 실험 원자로

- 전력생산을 위한 우라늄 원자로를 구축했던 시기에 미국정부는 토륨과 중성자를 충돌시켜 만들어낸 핵분열 물질인 우라늄-233 을 연료로 사용하는 용융염 실험원자로 구축 : 오크리지 국립 연구소에 만들어진 이 원자로는 임계상태로 1965~1969년 15,000여 시간 운영.

b. 1968년 토륨 원자로 개발 성공 공식 발표

- 노벨상 수상자이자 플루토늄 발견자 Glenn Seabory는 자신이 회장으로 있던 원자력 위원회(Atomic Energy Commission)에 공식적으로 토륨원자로가 성공적으로 개발되어 테스트 완료되었음을 공포.
Thorium-based nuclear power

2) 원자력 개발 초기 음모론

닉슨 시대의 원자력 정책:1973년 미국정부의 토륨 원전 리서치 전면 중단

- 1960년대 정부 과학자들은 값싸고 풍부한 연료를 사용하여, 더 작고 잠재적으로 안전한 원자로를 개발한 뒤 수십 년간 비밀 유지
- 20여 년간 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 에서 진행중이던 모든 연구 중단: 우라늄 증식로가 더욱 효율적이라는 리서치 결과가 나왔으며, 부산물로 핵무기 제작에 사용할 수 있었기 때문
- 안전한 원자력 발전이 군사적 사용 이점 때문에 희생
토륨원전에 관심표명한 미국

3) 상용화 가능성 검증 시도

a. 2005년 상용화 검증

- 이탈리아 핵물리학자 카를로 루비아(Karlo Rubbia)박사가 스위스 파울셰러연구소(PSI)에서 만든 고리형 양성자 가속기를 통해 1 MW 전력 생산

b. 2013년 토륨을 에너지연료로서 가능 여부 테스트

- 2013년 노르웨이 할덴 시험 연구로(Halden research Reactor)에서 토륨 핵연료를 사용해 에너지 생산 시작 : 노르웨이의 민간기업인 Thor Energy가 주도한 이 시험은 상업적목적으로 사용될 신규 핵연료재료인 토륨의 적합성에 대한 필수적 정보 제공
Thorium test begins
Thorium: An Alternative for Nuclear Energy?

4. 토륨 원전 개발 현황

1) 토륨 전문가 의견

a. 국제 원자력 기구 전 사무총장 Hans Blix

- 토륨은 전세계에 지속 가능한 원자력 에너지 공급은 물론 에너지 함량이 높은 연료를 더 잘 활용하게 해 줌
Thorium-based nuclear power
토륨은 원자로 내에서 더욱 안전하고 토륨으로 핵무기를 만들기는 거의 불가능하며 이런 점들은 미래 에너지 공급원으로 세계가 요구하는 주된 요소들임
Thorium backed as a 'future fuel'

b. Bill Thesling 미국 클리블랜드 Energy from Thorium foundation CEO

- 가압경수로보다 더 안전한 특징을 가지고 있음: 토륨은 이미 용해되어 있기 때문에 용융될 수 없으므로 노심용융(melt down)개념이 적용될 수 없음
Ohio Group Holds Out Hope For Thorium Energy

c. 존 베딩턴 (John Beddington) 영국 국가과학기술자문위원회 위원장

- 토륨은 이론적으로 방사성 독성과 핵확산 위험이 줄고 지속가능성이 높은 장점
China blazes trail for 'clean' nuclear power from thorium

d. 클라우디오 텐네이로 성균관대 에너지학과 교수

- 핵폐기물 없는 토륨 원자로 개발
Needed: Nuclear Waste-Free Thorium Reactor

e. 국회 토륨원전 연구회 - 김한표 의원(새누리당, 거제)

- 안전한 토륨 원전으로 대체 주장
김한표 의원 "안전한 토륨 원전으로 대체해야"

f. 홍승우 성균관대 물리학과 교수

- 토륨 원전은 핵 확산성이 적고 사용 후 핵연료 문제를 해결할 수 있는 만큼 앞으로 지속적인 연구 필요

g. 채종서 성균관대 전자전기공학과 교수

- 토륨 원전에 필요한 가속기 일종인 사이클로트론이 이미 국내에서 사업화에 성공해 보급·운영되고 있고, 가속기에 대한 기술·인력·유지보수 능력을 이미 확보하고 있어 기술적으로는 문제가 없음.

h. 황일순 서울대 원자핵공학과 교수

- 토륨 원전용으로 개발된 ADS(가속기 구동 미임계로) 기술을 사용하면 사용 후 핵연료를 전량 중·저준위화 해 안전성과 국민수용성을 확보할 수 있음
'포스트 우라늄' 꿈꾸는 토륨 원전

i. 영국 허덜스필드 대학 Bob Cywinski 교수

- 우리는 원자력이 필요하다. 원자력은 기후변화에 대응하여 싸울 수 있고, 탄소배출량도 극소량이다.안전성과 전통적인 우라늄을 연료로한 원자로에서 발생되는 폐기물에 관한 불안감은 토륨을 사용함으로써 해결할 수 있다
Fight for thorium ? Professors attend Thorium Energy Conference

2) 세계 각국의 토륨 원전개발 현황

a. 중국 : 에너지 문제 및 환경(스모그) 문제 해결

- 장쩌민의 아들 장미안엥이 2011년 미국 저널에 실린 토륨 관련 글을 읽고, 토륨이 중국 에너지부족 및 국가 안보 문제 해결해주리라 확신. 미국 오크리지 연구소를 방문해 설계입수. 중국 학술원으로부터 프로젝트 자금3억5천만 불 수주. 140여 명 이상의 과학자들이 상하이 핵 및 응용물리 연구소에서 토륨 원자력 개발 중.
- 2014년 양회에서 스모그와의 전쟁선포를 통해 토륨 원자력 발전소 개발에 집중하기로 결정: 중국과학원은 이에 따라 세계 최초로 토륨용융염 기술을 이용한 산업용 원자로를 개발하기 위해 지난 1월 상하이(上海)에 첨단연구센터를 구축. 중국 정부는 당초 향후 25년에 걸쳐 토륨 원전을 개발한다는 계획이었으나 2014년 3월 스모그 문제 해결이 국가적 과제로 부각되면서 10년 이내인 오는 2024년까지 이 프로젝트를 완성하는 것으로 기간을 대폭 단축.
중국 "토륨 원전 2024년까지 개발하라"
중국 "2024년까지 토륨 원전 개발" 세계 선두 노린다

b. 인도 : 토륨 원자로 개발 리더. 세계 최초 토륨원자로 설계

- 토륨기반 세계 최초 원자로 설계 : 2014년2월 신형 중수로(Advanced heavy Water Reactor, AHWR)의 설계 및 프로토타입 제공.원자로 건설은 2016년에 착수될 계획인데, 토륨 원자로가 안전하기 때문에 인구밀집도시인 뭄바이가 가장 유력한 건설 부지로 꼽히고 있음. 인도 원자력 에너지 위원회 회장 시나박사는 토륨 원자로가 건설되면 향후 7~8년 내에 이를 이용해 전기 생산이 가능할 것으로 예상.
세계 최초의 토륨 원자로 설계준비 중인 인도
Design of world's first Thorium based nuclear reactor is ready
India’s New Prime Minister Briefed at BARC
- 새로 발간된 토륨에너지 레포트(ThoriumEnergyReport.org) 에 인도는 인도용융염 증식로(Indian Molten Salt Breeder Reactor: IMBSR)의 컨셉 설계를 위한 연구에 착수했다고 보고
Indian Molten Salt Breeder Reactor (IMSBR) Initiated

c. 노르웨이 : 2013년 토르 에너지

- 2012년 노르웨이의 민간기업인 Thor Energy가 정부와 Westinghouse와 협력하여 기존 원자로에서 토륨을 이용하는 4년간 실험 계획 발표
- 2013년 Aker Solutions는 루비아 박사로부터 양성자 가속기기반 토륨 원자력 발전소 설계 특허 구매.
Thor Energy - the Norwegian thorium initiative

d. 벨기에 : 원천기술 보유

- 벨기에원자력 리서치센터 SCK-CEN 은 유럽연합(EU)과 공동으로 2009년부터 기존 원자로에 선형가속기를 도입한 실험용 토륨 원전 ‘미라(MYRRHA)’ 설계
- SCK-CEN에 따르면, 2022년 건설을 시작해 다음해 시운전을 하고 2025년 가동을 목표로 하고 있음.
- MIRRHA는 유동적인 조사시설을 갖춰 가속기 방식(미임계)과 원자로방식(임계) 모두를 실험할 수 있음.
토륨원전 vs 우라늄 원전
MYRRHA accelerates towards reality

e. 미국

- 오크리지국립연구소 (Oak Ridge National Laboratory) 리서치를 되살리기 위해 2억5천만 달러 연방 리서치 펀드 사용
- 미국 에너지국은 오크리지국립연구소 등 산하 연구소와 함께 냉각재로 용융염을 사용하고 연료는 토륨을 사용하는 용융염 원자로 개발 중
- 중국과 용융염원자로 설계 공동연구
-빌게이츠는 전세계 탄소배출량을 줄이기 위한 잠재적 솔루션으로 원자력 에너지를 꼽고 있으며 지난 10년 간 안전하고 저렴한 방법으로 에너지를 생산하기 위한 새로운 방식에 펀딩해 왔음
…10년전 빌게이츠는 새로운 종류의 원자로를 건설 하기 위해 테라파워(TerraPower)라는 회사 설립
…이 회사는 냉각수로 물대신 용융 염화물을 사용하는 새로운 원자로 개발 중
…TerraPower는 미 에너지 부 (US Department of Energy)가 4 천만 달러를 투자 하고 에너지 회사 인 Southern Company와 파트너 관계를 맺어 내년에 새로운 실험실을 개설 할 계획. 2030년 가지 용융염화물 시제품을 개발하고 같은 기간 원자로 테스트에 실험실을 활용할 계획
…John Gilleland 최고기술책임자는 Business Insider에 용융염화물 설계가 “궁극의 녹색원자로(ultimate green Reactor)라고 언급
- 지난 수년간 기후 학자들 사이에 원자력 에너지가 지구 온난화의 최악의 영향력을 완화시키는데 중요하다라는 공감대 형성. 미국은 신재생 에너지 전념 에서 원자력 기술을 포함하는 기술 중립 청정에너지 표준으로 전략이동
…미국, 중국, 캐나다에서 소규모 모듈형 원자로(SMRs)를 설계하는 새로운 원자력 스타트업 기업들 등장
…이러한 SMRs원자로 중 하나인 ThorCon은 원자로 건설에 있어 다른 접근 시도 : 조선소에서 150에서 500톤 가량의 블록으로 나누어 완성되어 조립후 현장으로 견인됨. 생산성, 품질관리, 제작 시간에 있어 엄청난 향상
…새로운 기술이 필요 없음: 오크리지 용융염 실험의 간단한 스케일업 형태. ThorCon의 실물크기 시제품은 4년 안에 시험 가동 가능.
…석탄보다 저렴: ThorCon은 깨끗하고 신뢰할만한 Co2없는 전기를 킬로와트당 3센트에 생산 가능
- 인도네시아 국영기업인 PT PAL 인도네시아는 소형모듈형원자로(SMR) 설계 기업인 ThorCon International Pte Ltd와 500메가 와트 원자로 개발연구 및 건설을 위한 12억 달러 규모 계약 체결.
…Thorcon에 의해 이번에 새롭게 설계된 토륨용융염 원자력발전소는 174X66미터 크기의 부유 시설(바다위에 떠 있는 배)위에 설치되도록 설계 되었으며 한국의 대우조선소에서 이 부유시설을 건조할 계획
…군함과 상업용 선박을 생산하는 기업인Pal Indonesia가 Thorcon에서 설계한 원자로와 지원 부품들을 생산할 계획
…Thorcon은 인도네시아와 협력을 통해 4년에서 6년 안에 처음으로 1GW급 원자력발전시설을 보유할 것임. 미국에서 개발 중이던 이 액체 연료 핵분열 발전소 ThorCon은 극동의 조선소 (한국 대우 조선소)에서 건조되어 2023년에서 2025년 사이 인도네시아로 옮겨져 테스트가 수행 예정
Thorium-based nuclear power (wiki)
Ohio Group Holds Out Hope For Thorium Energy
Molten Salt Reactors (World Nuclear Association)
A Bill Gates-backed energy company is developing what could be a game-changing nuclear reactor
ThorCon Advanced Nuclear Reactor - More Than Worth Its Weight In Salt
ThorCon
ThorCon Advanced Nuclear Reactor - More Than Worth Its Weight In Salt
ThorCon
PAL Indonesia, Thorcon sign deal to build $1.2 billion nuclear reactor
PAL Indonesia, Thorcon Signs US$1B to Build Nuclear Reactor
대우건설 ‘ 바다위 원전’ 사업 참여 …3년 내 부유식 해상 원전건설

f. 일본

- 일본 국제 고등학술 연구위원회(JIAS)에서 용융염 원자로 연구 중
- EU와 미라(MYRRHA)’프로젝트 협력연구

g. 영국

- 새로운 형태의 원자력 발전소를 개발하고자 하는 국제 프로젝트에서 중요한 역할 수행.
- 캠브리지대학 연구팀 : 원자력 반응물리학 관점에서 접근. 에너지 변환율이 높으면서 가격이 저렴한 최고의 연료를 만들기 위한 노력
Researchers explore power of thorium for improved nuclear design

h. 네덜란드(유럽 컨소시움)

- SAMOFAR(Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor) 프로젝트: 용융염 고속 원자로 안전성 사전평가 프로젝트
- 네덜란드 델프트공대(TU-Delft)가 유럽 토륨 용융염 프로젝트인 SAMOFAR 프로젝트를 2015년 8월까지 시작한다고 공식 발표
- SAMOFAR 프로젝트는 학계와 업계로부터 11개 파트너가 참여한 컨소시움
- 궁극적 목표는 진보된 실험기법 및 수치 기법을 이용해 용융염 고속원자로의 혁신적인 안전성 컨셉을 증명하고, 원자력 안전 및 최적의 폐기물관리에 관한 돌파구를 마련
- 기존 다른 모든 원자로처럼 핵확산에 민감한 핵분열 물질을 추가시키지 않고 저렴하고 풍부한 토룸에서 스스로 연료를 만들어내는 “자가 증식로” 용융염 원자로에 집중
SAMOFAR
- SAMOFAR에서는 기존 경수로보다 효율적이고 방사성 폐기물로부터 핵분열성 물질을 만들어낼 수 있는 고속로(fast reactors)에 집중
- 핵전문가들은 향후 몇년안에 실제 사용가능한 원자로까지는 아니라도, 냉각 마개 형태와 원자로 용기 코팅 및 배관 재료, 순환 및 배수 상태에서 액체연료 움직임 및 핵심 안전 수치 등 을 실험 할 수 있는 시설을 만들 수 있을것으로 전망
Meltdown-Proof Nuclear Reactors Get a Safety Check in Europe

i. 국제협력 단체

- 국제토륨에너지협회(IThEO)가 설립되었으며 전 세계적으로 토륨에 대한 연구와 홍보에 노력 중.
IThEO
- 토륨에너지협회(ThorEA)를 통해 여러 국가와 협력 개발 중
ThorEA
- 토륨에너지 연대 (Thorium Energy Alliance)
What Is Thorium?

j. 기타

- 2013년 빌게이츠와 박근혜 대통령은 에너지 혁신에 대해 대화를 나눴으며, 빌게이츠는 국민안전에 대한 우려, 핵폐기물, 오작동 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 차세대 원자로 개발에 한국의 관심을 요청
Bill Gates praises president's creative economy vision


에너지– 영농형 태양광 발전

1. 영농형 태양광 발전 개요

1) 영농형 태양광 발전 : 광합성과 태양광발전의 결합

- 기존 농지에 태양광 패널을 설치하여 농지보존과 농작물의 수확량 유지를 전제로 전기 생산도 병행하는 시스템
- 이를 통해 농가의 소득증대와 신재생에너지 보급 확대에 기여 가능

2) 광포화점 [Light saturation point]

- 광포화점 [Light saturation point (LSP)]: 식물마다 잘 자라기 위해 필요한 태양광의 양은 정해져 있음. 이를 초과하는 태양광의 양은 식물에게 필요 없음
- 이 광포화점을 초과하는 빛은 식물에게 해를 끼침
- 영농형 태양광 발전은 식물에게 필요 없거나 오히려 해가 될 수 있는 잉여의 태양 에너지를 활용하는 것. 솔라 쉐어링이라고도 알려짐.

3) 에너지 생산 + 작물 수확

농기계 운영이 가능한 높이에 태양광 패널을 설치하고, 태양광 패널의 간격을 적절하게 배치함으로써 농작물에 충분한 일조량을 확보하여 농작물 수확량을 설치 전과 동일하게 유지

4) 의의: 신재생에너지 사업의 새로운 방향 제시

영농형 태양광 발전은 친환경적인 기술로써 농작물 수확과 동시에 전기를 판매하여 농가 소득을 향상시키고, 부족한 토지를 효율적으로 활용

2. 영농형 태양광과 농업

1) 식량위기와 불안정성

- 식량위기
…글로벌 인구 증가와 농지 부족으로 미래 식량위기에 다가가고 있음
- 불안정성
...농산물 생산량 예측이 어려움: 곡물 수확량은 날씨에 영향을 크게 받으며 생계와 직결. 판매할 수 있을 만큼 수확하지 못하면 수입은 없다는 것이 문제

2) 영농형 태양광 (솔라 쉐어링)시스템 장점

농지부족 및 농업의 불안정성 문제에 접근할 수 있는 가장 좋은 방법

- 토지 생산성 증가
…태양에너지발전과 농작물 수확에 관한 토지의 이중사용에 대한 테스트 결과 2017년 160%, 2018년 186%
- 토양 수분 효율성 증가: 태양광 패널의 활용이 가져온 긍정적 결과
...2018년 오레곤 주립대학 농업과학대 실험에서 태양광 모듈이 건조하고 관개가 어려운 땅에서 농업 생산량을 증가시킨다는 결과 발견
...태양광 패널 아래 토양은 태양에 직접 노출된 땅보다 높은 수분 함유
...관개 필요성 감소
- 안정적이고 증가된 수익
…보다 안정적 수익: 농업을 통한 수익에 에너지 생산 및 판매를 통한 소득 추가
…이렇게 추가된 소득으로 전업농으로 정착하기 쉽고, 나아가 전업 농부로서 더 많은 시간을 경작에 사용함으로써 농작물 질 향상
- 보다 좋은 경작 환경 제공
...작업 소요시간 및 노동비용을 줄이고 및 노동자의 불편한 작업 환경을 개선해주는 핵심 솔루션
ex) 태양광 시설 프레임에 계절마다 프로그램이 될 수 있는 자동 비료 장착
ex) 노동자들에게 그늘을 제공하는 열 절연체 역할
- 에너지 자립형 농장 구축
...태양열로 만들어진 에너지가 베터리에 저장되어 농장을 완전히 에너지 자립이 가능하도록 만들어 주기 때문에, 농업 종사자들은 더 이상 예기치 않은 전기정전에 당황할 필요 없음
- 추가 장점
...우박, 가뭄, 서리에 의한 손상으로부터 보호

3)참조

영농형 태양광-자원 효율적 토지이용 [Agrophotovoltaics – Resource Efficient Land Use (APV-RESOLA)]
-지난 2년 간, 태양열 발전과 농작물 수확에 관한 토지의 이중 사용성을 크라운 호퍼 태양에너지 시스템 연구소[Fraunhofer ISE]의 조인트 프로젝트를 통해 테스트
…독일 콘스탄스 호수 인근 1헥타르 중 1/3에 해당하는 경작지에 194KW 출력의 태양광 모듈을 5미터 높이의 구조물에 설치
…2017년 토지 사용 효율성 160%로 프라운호퍼 태양에너지 연구소 산하 프로젝트 컨소시엄에서 확인
…2018년 한여름 영농형 태양광 시스템 실적은 2017년을 크게 초과 : 감자는 영농형 태양광 시스템으로 1헥타르당 186%까지 경작지 활용 효율성 증가-by Stephan Schindele of Fraunhofer ISE
-호펜하임 대학 과학자들이AVP 시스템 하의 기후조건 데이터 조사
…AVP 시스템하의 태양 방사량은 인근 기준 경작지보다 30% 낮고, AVP 시스템은 토양온도와 수분분포에 영향을 줌
…봄, 여름 기온이 같은 상황상황이라면, APV시스템하에서 토양온도는 기준토양보다 낮음
…건조하고 더운 2018년 여름, 밀 수확시 토양수분은 기준 토양보다 높았고, 반면 겨울에는 낮아짐
→반투명의 태양광 모듈은 2018년 건조하고 무더운 환경에서 작물들이 보다 잘 견딜 수 있도록 해준다고 추정가능-농학자Andrea Ehmann
→건조한 지역에서 AVP 시스템의 잠재력을 증명
-AVP시스템의 전기 생산 비용은 소규모 루푸탑 태양광발전시스템과 경쟁할 만한 수준. 연구원들은 규모의 경제와 학습 효과로 인한 추가 비용 절감 예상
…헤겔바흐 농장 커뮤니티에서 처럼 전기를 현장에서 저장하여 사용한다면 시너지효과로 추가 수입원 발생
…정치적 문제만 해결되면, 영농형태양광은 식량과 연료 논쟁에 대한 해답이 될 수 있음. 기술적 관점에서 농부들은 식량과 연료 둘 모두를 수확할 수 있음
…경작지를 이중으로 사용함으로써 식량생산이라는 주된 과제가 완수되고, 추가로 생산된 태양광 에너지는 전기차나 트랙터의 사용 확대에 기여할 뿐 아니라 풍토를 보호하는 역할에도 기여

3. 영농형 태양광과 에너지

1)전세계 에너지 문제 솔루션

-지구 친화적 에너지
…탄소 배출 없이 에너지 생산
…패널로 그늘을 만들어 지구 온난화로부터 보호 및 토양 습도 유지
-효율적 에너지 : 태양광 낭비가 거의 없음
…대부분 작물들은 성장을 위해 태양광이 필요하지만 태양으로부터 받은 모든 량을 소모하지 않음. 작물마다 흡수할 수 있는 햇빛의 량은 자체적으로 한계가 있으며 그 한계를 넘으면 버려지거나 작물에 해를 입힌다. 영농형 태양광 발전은 이렇게 버려지거나 작물에 해를 줄 수 있는 잉여의 태양광을 유용한 전기로 전환시키는 방식
-지속가능한 에너지
…환경을 해치지 않으며 지속가능한 에너지 발전이 가능한 효율적 방법
…이 시스템은 농지, 목초지, 수면 위, 도로, 인간과 동물, 식물이 살고 있는 어느곳에서나 전기 생산이 가능한 방식
…버려진 사막조차 사람들이 식량과 에너지를 생산할 수 있는 거주 가능한 땅으로 변화시킬 수 있음

2)전통적 태양광 발전의 문제점 극복

-영농형 태양광 시스템은 기존 태양광 발전의 단점을 무효화시킴으로써 한정된 토지 자원 문제를 극복하는데 도움이 됨
…전통적인 태양광 에너지 발전시스템이 가지는 한가지 단점이 바로 시스템 설치 면적의 한계: 태양광 모듈이 지붕위에 설치되어 충분한 전기를 생산할 수 있는 가정에서는 중요한 문제가 아닐 수 있지만, 산업계에서는 충분한 량의 지속적인 전기 공급을 할 수 있는 태양광 발전소를 짓기 위해서는 거대한 규모의 토지가 필요

3)영농형 태양광 시스템 보완

-배터리 백업 시스템
…밤이나 흐린날처럼 태양광이 제공되지않으면 시스템은 제대로 작동하지 못함 : 에너지 생산 역량이 국가의 전력수요를 충족시킬 만큼 충분하지 못하면 주 전원으로서 신뢰하기 어려움
…이 문제 해결을 위한 핵심은 태양광이 제공되지 않을 때도 전략을 저장할 수 있는 배터리 백업 시스템을 적용하는 것
-태양광 패널 재활용
…태양광 발전 자체는 공해를 만들지 않지만, 태양광 패널 폐기는 환경에 심각한 영향을 줄 수 있음. 영농형 태양광 시스템이 넓은 농지에 적용되면 그 결과, 거대한 량의 태양광패널의 폐기를 가져올 것이며 그 영향력은 심각한 수준일 것임
…영농형 태양광 시스템 설치를 촉진하는 것 만큼, 거대한 량의 태양광 패널의 재활용을 위한 효율적 방법 개발이 필요

4)참조

식량과 청정 에너지 생산을 위한 에너지 공유: 전형적으로 음지에서 성장이 어려운 작물, 옥수수를 통해 확인한 영농형 태양광 시스템 성과 [Solar Sharing for Both Food and Clean Energy Production: Performance of Agrivoltaic systems for Corn, A Typicla Shade-intolerant Crop]

4.영농형 태양광 기술 선진국

1)일본

- 1993년 태양광 발전 도입: 20여년 간 가장 큰 변화는 영농형 태양광 분야
- 2013년 100여 개에서 2017년 1,300여곳에서 개발: 치바 현에서 가장 많은 영농형 태양광 프로젝트 수행. 시즈오카, 구마현 순서

2)독일

- 2016년부터 태양열 발전과 농작물 수확에 관한 토지의 이중 사용성을 테스트해오고 있음
- 2019년, 프라운 호퍼 태양에너지 시스템 연구소는 EU 태양광 에너지 컨퍼런스(EU PVSEC)에 통합 태양광 솔루션 소개
…독일은 기후 보호 목표를 달성하기위해 상당한 태양광 발전 확대가 필요
…프라운호퍼 연구소는 태양광 발전기술을 건물 외부표면, 차량 및 도로, 농업지역과 수면위에 띄워진 표면적과 통합함으로써, 태양광발전을 위해 이 엄청나 규모의 표면 공간을 활용
…독일에서는 빌딩 통합형 태양광 기술과 영농형 태양광 발전만으로도 수백기가 와트의 전력을 생산할 수 있음
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