탄소 중립시대 에너지 솔루션

Contents

에너지 I. 풍력발전

1. 탄소중립시대와 풍력발전 : 풍력발전 현황 및 추세

1) 탄소중립시대 & 풍력발전

a. 탄소중립시대

· 탄소배출을 줄이는 가장 효과적인 방법은 가장 탄소배출이 많은 에너지원을 줄이는것 : 연료원이 바뀌지 않는 한, 자동차, 항공기, 선박의 운행을 90% 이상 줄여야 하고, 석탄은 지구상에서 퇴출되어야 함

b. 에너지전환 → 풍력발전을 통한 탄소 배출 활동 중지 기여

· 청정 에너지 기술 : 풍력발전은 MW당 탈탄소화 잠재력이 가장 높음
· 높은 에너지 변환 효율 : 20~ 40% (vs. 태양광 20%/ 바이오매스 20%/지열 10~20%)
· 출력단위 설치 면적 : 태양광 발전 대비 출력단위 면적은 ¼ 수준

2) 풍력발전 현황 ·세계 풍력에너지 협의회(GWEC)

a. 풍력발전 설치현황

· 2020년 말 기준 전세계 풍력발전 용량 : 최대 743 GW(육상 708GW, 해상 35GW)
- 연간 11억 톤 이상의 CO2를 억제 효과.남아메리카의 연간 탄소 배출량과 동일
- 2020년 93GW(육상 74GW, 해상 8.2GW)의 기록적인 신규 용량을 설치 : 전년대비 53% 증가. 2010년 대비 4배 성장.2025년 1TW 까지 증가할 것으로 전망
· 글로벌 풍력발전 설치 전망
- 전 세계 풍력발전 설치용량이 2020년~2025년 5년간 해상,육상 포함 469GW(매년 94GW) 증가 할 것으로 전망
· 세계 풍력에너지 위원회(GWEC) 경고 : 2050년 Net Zero 달성에 역부족
- Net Zero달성을 위해 향후 10년간, 3배 더 빠르게 신규 용량 설치 권고 : 매년 280GW 신규 용량 설치 필요
Global wind power growth must triple over next decade

3) 현대 풍력발전 추세

a. 블레이드 대형화 및 소재 업그레이드

· 블레이드 대형화에 따라 발전량 증가
- 풍력발전의 효율을 높이기 위해, 블레이드 대형화와 함께 소재는 가벼우면서 튼튼하고 안정적인 구조로 바뀜
Future of Wind
ex1) GE 의 HALIADE-X 12MW : 107m의 블레이드 사이즈와 260m 높이 규모
ex2) 스페인 지멘스 가메사는 14MW급 개발 중
Siemens Gamesa 14 MW offshore wind turbine
ex3) 덴마크 MHI 베스타스에서 개발한 10MW급 풍력터빈
- 현재 상용화된 터빈 가운데 가장 높은 발전 설비량 보유
- 80m 길이 블레이드에도 유리섬유와 강화 에폭시 같은 기본적인 재료 외에 탄소섬유가 포함
지속가능한 기술.풍력발전이 나아갈 길

b. 해상 풍력발전 약진

· 해상풍력발전 성장 가속화
- 육상풍력 배치로 인해 직면하는 일부 문제에 대한 보완적 대안을 제공
- 연평균 성장률(CAGR) : 육상 풍력발전은 2021년~2025년간 399GW(0.3%연평균성장)발전 설비 추가전망. 반면, 해상풍력발전은 2025년까지 향후 5년간 70GW(31.5% 연평균 성장) 발전 설비 추가 전망
- 향후 30년 성장 전망 : 총 누적 설치된 해상 풍력발전 시설은 2018년 23GW에서 2030년 228GW, 2050년 1,000GW에 육박할 것으로 전망
- 낡은 풍력발전 설비 교체는 2030년대 초에 시작되어 2040년부터 점차 증가할 것으로 전망
Future of Wind

4) 해상 풍력 추세 및 기존 풍력발전장치 문제점

a. 소음문제

· 충분한 에너지 획득을 위한 블레이드 대형화에 따른 문제
- 풍력발전터빈이 일으키는 소음은 공기역학적 요인이 핵심 : 블레이드 회전 소음
- 높은 출력의 에너지를 생산하기위해 풍력밀도가 높고 강한바람이 부는 높은 고도에 대형 블레이드를 스틸타워 위에 장착한 기존 풍력발전기에는 심각한 소음 발생
- 블레이드 대형화에 따른 소음문제 해결을 위해 해상 풍력발전방식 증가

b. 비용문제

· 높은 건설·운영비·계통 연계비
- 해상 풍력 발전소의 주요 비용 요소는 터빈(타워 포함), 수중기초공사, 해안으로의 그리드 연결 및 설치. 터빈은 가장 큰 비용 구성 요소로, 전체 설치 비용 중 최대 45%를 차지
* 건설비(설치비) : 높은 초기 설치 비용. 대형 스틸타워 위에 발전기와 블레이드 설치하고, 타워 고정을 위한 수중기초(substructure)작업, 전력연결 플랫폼 추가. 해상 풍력발전은 육상 풍력발전보다 건설비용이 두배
* 관리비 : 풍력발전기가 높은 파도와 바람에 노출되는 특성상 수시로 점검 및 유지·보수 필요
* 계통연계비 : 풍력발전 설비투자비 중 계통 연계비 비중이 9~14%로 주설비비 다음으로 높은 비중
신재생에너지 현재와 미래

해상 풍력 발전 시스템 구성도 [출처: National Offshore Wind Energy Grid Interconnection Study Executive Summary, DOE award project]

c. 대형 풍력발전기 제작, 설치, 내구성 및 발전후보지 부족 문제

· 블레이드(날개) 제조 : 공기역학, 재료, 설계 등 다양한 분야의 첨단 기술이 요구
· 대형화, 경량화, 내구성이라는 세 가지 조건은 블레이드 제조 기술의 핵심
* 설치의 어려움 : 블레이드와 그것을 지탱하는 타워 부분이 너무 크고 무거워 설치가 어려움
* 제작의 어려움 : 회전날개가 무거워지면서 발전효율이 떨어지고 강풍에 견딜 만큼 견고하면서도 유연한 동작이 가능하게 만들기도 어려움. 기존 블레이드 제작 기술은 대형 블레이드 확대 제작에 적합하지 않으며 비용효율도 떨어짐
* 내구성 문제 : 블레이드의 길이가 매우 길고 육중해짐에 따라 구조적 안정성과 오랜 시간에도 견딜 수 있는 내구성을 확보하는 기술 또한 높은 난이도 요구. 블레이드 비파괴 분석, 결빙 해소 기술, 블레이드 센싱 기술 등의 적용 필수
- 블레이드는 3 MW급일 경우 하나의 무게가 10톤 정도이며 블레이드 깃 끝이 시속 250 km의 속도로 돌아가기 때문에 에어포일의 모양이 흐트러지면 전체 풍력발전기 성능에 지장을 줄 수 있음
- 블레이드 대형화에 따라 하중저감도 중요하지만, 형상(익형)에 관해서는 양력계수를 다소 희생시키더라도 구조상의 강성(rigidity)을 우선시(블레이드 두께를 두껍게) 할 필요도 있음
- 최근 블레이드 기술의 연구개발 지향점 : 신뢰성, 경량, 고강성화 및 에너지 효율의 증대.이를 위해 구성 재료의 고성능화, 효율적인 설계기술 개발, 시험기술의 개발 등이 뒷받침 필요

d. 기타

· 지리적 한계 및 기후상태에 따라 달라지는 에너지 효율성(간헐적)
- 정확한 생산량 예측의 어려움
- 적합한 발전장소가 한정적이며 에너지 저장기술과의 결합 필요
· 주변 생태환경에 부정적 영향
- 새, 박쥐들이 회전하는 대형 블레이드에 부딪혀 생존에 위협을 받음

2. 새로운 풍력발전 시스템

1) 개요

a. 복수의 블레이드와 레일을 활용한 풍력 발전 시스템

· 특허 출원번호 10-2020-0045176 / 10-2020-0045177
- 레일이 제공하는 이동 경로를 따라 이동하는 복수의 익형(airfoil)으로 설계된 블레이드 및/또는 이동체의 이동을 이용하여 발전기의 회전 축이 회전하도록 구성
- 기존 대형 회전 날개의 고속 회전에 따른 “소음 문제를 해결”할 수 있는 풍력 발전 시스템
- 레일은 루프를 형성하고, 복수의 블레이드들은 루프내에서 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 목표 이동방향으로의 동력이 최대화 될 수 있도록 적응적으로 회전하도록 구성

b. 복수의 블레이드와 기차 레일을 활용한 풍력발전 시스템: 1의 확장 컨셉

· 특허 출원번호 10-2021-0054133 / 10-2021-0054135
- 레일이 제공하는 이동 경로를 따라 이동하는 복수의 익형(airfoil)으로 설계된 블레이드 및/또는 이동체의 이동을 이용하여 발전기의 회전 축이 회전하도록 구성
- 기존 대형 회전 날개의 고속 회전에 따른 “소음 문제를 해결”할 수 있는 풍력 발전 시스템
- 레일은 루프를 형성하고, 복수의 블레이드들은 루프내에서 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 목표 이동방향으로의 동력이 최대화 될 수 있도록 적응적으로 회전하도록 구성

2) 기본 구성

a. 레일

· 기능
- 복수의 블레이드의 이동경로 제공. 루프를 형성하여 회전
- 다양한 설계 형태를 가질 수 있음

b. 이동체

· 기능
- 블레이드를 구비한 채 레일의 이동 경로에 따라 슬라이딩 되어 이동하는 구성체
· 구조
- 일체형 또는 복수의 분절구조를 가진 체인형태

c. 블레이드

· 소재
- 박막 형태 또는 가요성(flexibility)을 지니는 소재로 구성
· 기능
- 동력 제공 : 이동체에 설치되어 바람에 따른 에너지를 기반으로 이동체의 이동을 위한 동력을 제공
- 위치 결정 : 블레이드 마다 위치 정보 수신 장치 구비
- 풍향 정보 수집 : 각각의 블레이드 마다 풍향 센서를 통해 바람방향에 대한 정보 수집. 루프마다 1개를 가질 수도 있음
- 풍속 정보 획득 : 각각의 블레이드 마다 또는 루프마다 설치 가능. 루프의 예상 이동 속도 연산
- 배향 결정 : 컴퓨터 디바이스 or 프로세서로 배향 결정과 같은 연산 수행
· 기타 시스템 : 제어 시스템 & 보호장치 - 블레이드 또는 레일이 구성하는 루프상에 위치 할 수도 있음
- 제어 시스템 : 각각의 블레이드와 정보를 송수신 하도록 구성된 통합 제어 시스템. 각각의 블레이드에 대한 제어 수행. 이동체에 대한 설치 위치 변경 가능. 간격조정
- 보호장치 : 기상악화, 태풍 등에 대비하여 보호장치 구비

d. 나셀

· 전기를 생성하는 발전기가 구비된 나셀
- 발전기는 미리 결정된 목표 회전 속도를 가지도록 구성
· 기능
- 블레이드에서 얻은 회전력을 전기 에너지로 변환시키는 발전 장치. 블레이드 및 이동체와 발전기 회전축 간의 동력전달 구조는 이미지와 같음. 이동체의 이동에 연동하여 발전기 중심 회전 축이 회전하는 방식. 발전기 중심축 기어의 회전에 따라 전력 생산
- 복수의 나셀 구비 가능: 추가적인 발전기가 포함된 별도의 나셀이 더 구비 될 수 도 있음


3. References

1) 신개념 풍력발전 시스템 평가 보고서 [2020년 3월 포항공과대학교]

· 기존 풍력터빈과 비교연구 결과, 유사하거나 “더 높은 에너지 출력 및 소음 감소” 확인
· 연구 방법
- 컴퓨터 유체역학(CFD) 활용. 레일위를 움직이는 복수의 블레이드들이 레일상 직선 영역에서 발생시키는 에너지 생산량 측정 및 기존 풍력 발시스템의 효율과 비교
· 분석 조건
- 계산 영역 규모 : 300 x 250 x 200 (m³)
- 익형 블레이드(돛 모양) 사이즈 : 수평 길이 = 90 (m) / 수직 높이 = 120 (m) / 최대 양력 입사각 = 5.5 degree / 터빈 간 거리 = 150 (m) / 레일 상 이동 속도 = 1.9 m/s (발전기 최대효율 기준)
- 발전기 속성 : 94.4 % 의 효율을 가지는 NREL의 5MW 기어박스 모델. 기어는 레일에 연결되어 발전기 나셀의 중심 축으로 토크 (torque) 를 전달하도록 구성
- 기존 풍력발전기 규모: 로터 직경 77m EMD 터빈 (제주 가시리 설치 터빈)
· 분석 결과
- 최대 출력이 발생하는 tailwind를 받는 개별 터빈의 경우, 기존 범용 풍력터빈과 유사 하거나 더 높은 출력을 기대할 수 있음
- 풍향이 headwind로 바뀌면, 급격한 출력저감이 발견되었지만, 신개념 풍력발전 시스템이 바람의 방향에 따라 적응적으로 블레이드의 회전을 통해 최대 동력을 받도록 할 경우, 출력 저감 문제가 해소 될 것으로 예상
- 기존 풍력 터빈 대비 구동부가 적고, 구조가 단순하여 더 큰 규모의 터빈(5MW 모델 이상)을 사용하면 출력 향상 기대 가능
- 가장 긍정적인 연구 결과 : 저소음 운전에 강점. 소음의 발생과 관련된 압력 손실이 기존 범용 터빈의 65분 1 정도 (참조: Li et al., 2020, Renewable Energy)

2) 돛 형태의 구조물을 이용한 새로운 풍력발전 시스템 해석

- 2020년 6월 울산과학기술원 기계항공 및 원자력공학부
· 새로운 풍력 발전 시스템은 “기존 풍력 발전기와 비슷한 발전 효율”을 보여줄 수 있음을 발견
· 연구 방법 및 목표
- 복수의 블레이드를 이용한 풍력 발전 시스템 해석을 위해 유동 해석 모듈을 개발
- 기존 풍력 대비 에너지 효율을 극대화 할 수 있는 최적의 형상 및 파라미터 도출이 목표. 파라미터 종류 [바람각도(α), 블레이드 각도(θ), 블레이드 간 거리(G)]
· 블레이드 형상 모델링
- 블레이드 (초승달) 형상의 단면 (높이: 50m, 폭: 20m, 면적: 1,000m2)
- 블레이드 4개 설치 (총 면적: 4,000m2)
· 바람과 블레이드 이루는 각도: β=180-(α+θ) ˚
*β ≈90˚에서 바람은 블레이드의 흡입면에 수직한 방향이 됨
*β ≈180˚ 또는 0˚에서 바람은 블레이드 형상과 평행한 방향이 됨
· 분석 결과
- 바람의 각도(α)고정 시, 특정 블레이드 각도에서 최대 추력값 존재
- 모든 G(블레이드간 거리)에서 (α = 60°, β = 30°)에서 최대 추력 (Fx|max)의 최대값이 발생
*블레이드의 최대 추력 (Fx|max) -524kN (G = 25m, α = 60˚, θ = 90˚; p. 22 참고)
*블레이드의 최대 추력 (Fx|max) -533kN (G = 50m, α = 60˚, θ = 90˚; p. 10 참고)
*블레이드의 최대 추력 (Fx|max) -550kN (G = 100m, α = 60˚, θ = 90˚; p. 35 참고)
- 블레이드간 거리(G)감소(블레이드 집적도 증가)시 발전 효율 증가 : 본 연구에서 G가 25m일 때 기존 풍력발전기와 비슷한 효율을 보여줌 (G=25m: 34.7%, G=50m: 21.6%, G=100m: 12.7%)
- 본 연구에서 제시한 최적의 파라미터로 새로운 풍력 발전 시스템은 기존 풍력 발전기와 비슷한 발전 효율을 보여줄 수 있음. 본 연구에서 제시한 최적의 파라미터로 새로운 풍력 발전 시스템은 기존 풍력 발전기와 비슷한 발전 효율을 보여줄 수 있음.
(참조) 풍력 발전기의 이론적 효율은 59.26% 로 제한됨 (Betz’s limit). 풍력 발전기의 실제 효율은 약 35~40%로 보고됨 (Ragheb & Ragheb 2011)

4. 새로운 풍력발전 시스템 기대효과

1) 소음 발생 문제 해결

· 복수의 블레이드가 레일 위를 이동하며 발전기 축을 회전시키는 풍력발전 시스템
- 대형 블레이드 및 고속 로터가 필요 없는 풍력발전 시스템
· 블레이드 경량화 및 공기 역학적 구조를 감안한 설계 : 회전 날개 없는 돛 모양 블레이드
· 고속 로터가 필요 없는 풍력발전 시스템

a. 발전 방식 : 레일과 복수의 블레이드를 활용한 동력생산 방식

- 레일이 제공하는 이동경로를 따라 이동하는 복수의 블레이드 및 이동체의 이동을 이용하여 발전기의 회전축이 회전하도록 구성

b. 설계 및 소재 : 회전 날개 없는 돛 형태 블레이드. 에어포켓 구비한 박막 소재

- 고속 로터 없이, 복수의 박막소재 블레이드가 레일 위 회전. 풍황 조건을 감지해 가장 추력이 상승할 수 있는 방향으로 블레이드는 회전. 저 풍속 여건에서도 원하는 방향으로 운동 및 동력 확보 가능

2) 제작 및 관리 비용 감축

· 대형 발전기 제작 및 건설공사가 필요 없는 단순 구조 풍력발전 시스템
· 제작 건설비용 : 대형 건설공사 필요 없는 제작 및 설치 공정. 부지 매입비 절감
· 관리 운영비용 : 관리가 용이한 단순 구조 발전기
· 계통 연계비용 : 접근성이 높은 입지 선정 가능.케이블, 연결 플랫폼 등 인프라 비용 감축

a. 제작/ 건설 비용 : 대형 블레이드 제작, 스틸 타워공사 및 수중기초공사,넓은 부지매입 비용 절감

- 200m이상 대형 스틸 타워, 수중기초공사 제작 대신 복수의 블레이드를 레일위에 설치하는 간단한 발전기 구조
- 블레이드 제작 : 세일링 요트의 돛(sail) 과 같은 형태. 각각의 블레이드가 지지대를 구비하고 돛 형태의 박막이 지지대에 의해 유지되도록 구성. 특수 경량 소재로 제작 가능. 마포나 면포, 테트론과 같은 합성 섬유, 또는 폴리머 융합체가 사용될 수 있음
- 부지 매입비용 절감 : 대량의 전력생산을 위한 윈드팜(Wind Farm) 구성 시, 기존 날개 회전 방식의 풍력발전기에 비해 공간효율성이 높음

b. 관리/운영 비용 : 먼 바다에 설치된 기존 풍력발전시설에 필요한 복잡한 운영 관리 과정 생략

- 해상풍력단지를 점검하기위해서는 육지에서 배를 타고 이동해야 하며, 풍력발전기가 높은 파도와 바람에 노출되는 특성상 상당한 관리비용 소요. 유지·보수에 필요한 기술력과 인력, 인프라 부족문제에서 해방

c. 계통연계 비용 : 입지 제약에서 자유로움

- 먼바다에 설치된 기존 대형 발전기로부터 전기를 끌어 오기 위해 필요한 인프라 비용 절약 : 긴 케이블, 전력연결 플랫폼 등이 필요 없으며 관련 인프라 비용 절약

3) 동력생산 효율성 향상

· 풍향 및 풍력밀도의 변화에 최적의 대처가 가능하도록 설계된 풍력발전 시스템
- 복수의 블레이드가 풍황 조건을 감지해 가장 추력이 상승할 수 있는 방향으로 블레이드 회전
- 고속 로터 없이, 저 풍속 여건에서도 원하는 방향으로 운동 및 동력 확보
· 추력상승에 유리한 방향으로 블레이드 회전
· 블레이드 형상 변형

a. 추력 상승 가능한 방향으로 블레이드 회전

- 풍향 변화 및 풍력밀도의 변화에 최적의 대처가능: 블레이드의 위치에 따라 목표 이동방향이 결정 되었을 때, 바람의 방향을 고려하여 목표 이동방향으로의 동력이 최대화 될 수 있도록 블레이드 들을 회전시켜 블레이드의 배향을 변경 시킬 수 있음
- 각각의 블레이드는 목표이동방향이 바람방향과 일치하면, 풍하 범주를 수행하는 방향으로 회전
- 각각의 블레이드는 목표이동방향이 바람방향과 반대되면, 풍상 범주를 수행하는 방향으로 회전

b. 블레이드 형상 변형

· 블레이드들 각각이 목표이동 방향으로의 동력을 최대화 시키는 형상을 가지도록 변형 시키는 것이 가능
- 블레이드 소재의 특성 활용 : 각 블레이드는 에어포켓을 구비한 가요성을 지닌 소재로 구성될 수 있으며, 이를 활용해 공기 충전량을 제어함으로써 동력을 최대화 시킬 수 있는 블레이드 형상으로 변형 가능
- 복수의 에어 포켓 중 적어도 하나의 에어 포켓에 대한 공기 충전량을 선택적으로 제어함으로써 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화 시키는 형상으로 변형 될 수 있도록 구성 가능. 이 때 공기 충전량 변경을 위해 공기 펌프가 사용 될 수 도 있음
- 블레이드가 에어포켓을 구비하지 않은 박막형태일 경우, 분절단위로 각도 변경이 가능한 격자 형태의 지지대에 의해 제어될 수 있음 : 각각의 격자 단위로 회전량을 변화 시키는 것에 의해 주어진 바람여건에 따라서 동력을 최대화 시키는 형상으로 블레이드를 변형하도록 구성 가능

4) 블레이드 대형화에 유리

· 발전용량 확대를 위한 블레이드 대형화가 용이한 풍력발전 시스템
· 설계 및 소재특성상 기존 풍력발전시스템의 블레이드보다 크게 제작 용이
· 전력생산 효율 극대화 가능

a. 블레이드 대형화에 따른 발전용량 확대 유리

- 설계 및 소재특성상 기존 풍력발전시스템의 블레이드보다 크게 제작 용이 : 블레이드 대형화에 따라 발전용량은 커질 수 있음. 풍력밀도 제약에서 자유롭고, 고속터빈을 고집할 필요 없음
- 현재 풍력발전 블레이드 제작 기술은 블레이드 길이120m 수준이며, 특히 소음을 줄이기위해 블레이드 팁 부분을 두껍게 제작하는 과정에 어려움을 겪고 있음
- 시뮬레이션에서는 20m*50m, 90m*120m 규모였지만, 소재특성 상 500m,1,000m 이상 높이의 대형화에도 용이

5) 풍력발전 시설 안전성 제고

· 대형 발전기 제작 및 건설공사가 필요 없는 단순 구조 풍력발전 시스템
·조류와 충돌 위험 최소화
·악천후 대책 구비

a. 시설 안전성 제고

- 조류와 충돌사고 위험 최소화

b. 악천후에 따른 시설파괴 대책 구비

- 보호장치 구비: 레일상에 블레이드 보호장치[격납고] 구비
*레일 분리건설
*레일 상 건설
- 블레이드 결합 기능: 기상악화시, 블레이드 끼리 결합
- 블레이드 폴딩 기능: 기상악화시, 블레이드 지면방향 폴딩

6) 입지 제약 최소화 및 다양한 활용

· 물리적 공간 제약에서 자유로움. 탄소 중립시대 지속가능한 전력공급에 적합
· 어떠한 지형 여건에도 시스템 구축 가능
· 윈드팜 (Wind Farm) 구성 유리

a. 지형 및 바람 여건에 맞는 맞춤형 레일 설계 가능

- 어떠한 지형 여건이든 레일 설치 가능
- 레일은 지면 또는 지지대를 통해 설치되면 지형여건에 상관없이 수평방향 이동경로 제공 : 사막 한가운데, 높은 산, 평지, 연안, 먼바다 등 장소제약 없이 레일 설치가능
- 완전한 수평수준의 평지가 아니더라도, 수직방향 이외 대략적인 경사 및 굴곡이 존재하는 지형에서도 레일 적용 가능
- 다양한 레일 설계 가능 : 풍력발전시설 설치목표 지형 및 바람의 여건에 따라 원형, 오벌형 등 다양한형태로 레일 설계 가능

b. 윈드팜 (Wind Farm) 구성에 유리: 지속가능한 대용량 전력 수급

- 높은 공간 효율성 및 설치용이 : 온실가스 제로를 향한 범국가적 대형 풍력발전 단지 개발가능
- 대형 날개 회전 방식 발전기에 비해, 전기 대량 생산이 가능한 윈드 팜(wind farm) 구성에 유리
- 미국 북동부 대서양 연안, 고비사막 등 풍력밀도가 높은 지역에 범국가적 대형 윈드팜(Wind Farm) 구축을 통한 지속가능한 전력 수급 추진 가능
ex) 고비사막에 풍력발전단지를 건설: 대륙전체 또는 전세계 인구가 사용가능한 에너지 발전 가능

5. 새로운 풍력발전소 조감도


에너지 II. 영농형 태양광 발전

1. 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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