October 20,2018

기술 개발로 태양광 혁명 시작

태양광 발전량, 2050년 17배 증가

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기록적인 폭염이 휩쓸고 간 지난여름 유럽에서는 특정 부문의 회사들이 사상 최대 기록을 세웠다. 바로 태양광발전소 소유사 및 운영사들이다. 평년 대비 약 20% 늘어난 일조량으로 유럽 전역에 걸쳐 태양광 전력 생산량이 급증했기 때문이다.

영국의 경우 지난 6월 533GWh의 태양광 전력을 생산하는 새 기록을 세움으로써 태양광이 가스보다 더 많은 전력을 생산한 것으로 나타났다. 독일에서도 지난 7월에 평소보다 26% 증가한 6.17TWh의 태양광 전력이 생산돼 기존 기록을 경신했다.

일조량이 비교적 적은 북유럽 국가들의 태양광 운영사들도 폭염 혜택을 톡톡히 누렸다. 덴마크의 경우 태양광 생산량이 약 30% 증가했으며, 네덜란드는 7월의 태양광 발전량이 전년 대비 75% 증가했다.

태양광 발전의 혁명을 일으킬 만한 새로운 기술들의 잇다른 개발 등으로 태양광 및 풍력 발전이 2050년까지 세계 발전량의 50%를 담당하게 된다는 예측이 더욱 힘을 얻게 됐다. ⓒ Public Domain

태양광 발전의 혁명을 일으킬 만한 새로운 기술들의 잇다른 개발 등으로 태양광 및 풍력 발전이 2050년까지 세계 발전량의 50%를 담당하게 된다는 예측이 더욱 힘을 얻게 됐다. ⓒ Public Domain

이에 따라 태양광 및 풍력 발전이 2050년까지 세계 발전량의 50%를 담당하게 된다는 예측이 더욱 힘을 얻게 됐다. 블룸버그신에너지금융연구소(BNEF)는 미래 세계 전력시스템에 대한 연간 장기전문분석보고서 2018년 판을 지난 6월 19일 발간했다.

그에 의하면 2050년까지 약 8.4조 달러가 태양광 및 풍력의 신규발전설비에 투자돼 태양광발전 용량은 현재보다 17배, 풍력발전은 6배 증가할 것으로 전망됐다. 태양광 및 풍력에 대한 신규 투자 및 발전량 증가는 특히 기술의 발전으로 인한 비용 감소 혜택을 크게 입을 것으로 예상됐다.

신규 태양광발전의 균등화발전비용(LOCE)은 2050년까지 추가로 71%, 육상 풍력은 58%가 더 낮아질 것으로 예측됐기 때문이다. LOCE란 원전과 태양광 등 서로 다른 발전원의 경제성을 비교하기 위해 발전원가에 포함되지 않은 다양한 외부 비용을 반영한 지표다. 태양광은 2009년부터 2018년까지 이미 77%, 풍력은 41%의 LOCE 하락이 있었다.

정부 보조금 없는 태양광발전소 준공

실제로 포르투갈에서는 정부 보조금 없는 최초의 태양광발전소가 최근 준공돼 화제가 되었다. 포르투갈 남부 오리크에 위치한 이 발전소는 시설용량 46MW 규모에 14만2000개의 태양광 패널을 갖고 있으며 2만3000가구에 전력을 공급할 수 있다.

이 발전소의 운영사인 위링크(WElink) 사는 이제 태양광 발전이 정부보조금이나 지원 없이도 새로운 시대를 열 수 있는 성숙한 기술이 되었다고 밝혔다. 이 발전소는 정부 보조금 없이 개발된 이베리아반도 내의 최초 태양광발전소다.

오리크 태양광발전소에서 생산된 전력은 포르투갈 및 스페인의 전력도매시장에 판매된다. 스페인은 2012년부터 어떤 종류의 발전원이든 생산량에 대해 7%의 세금을 부과하는 법안을 운영 중이다. 하지만 오리크 태양광발전소의 경우 스페인 국경으로부터 80㎞ 떨어진 포르투갈 영토 내에 위치하므로 세금 납부 없이 운영될 수 있다는 장점을 지닌다.

한편, 태양광 발전의 혁명을 일으킬 만한 새로운 기술들도 잇달아 개발되고 있어 주목을 끈다. 미국 라이스대학 등의 국제 공동연구팀이 일반 철광석에서 추출한 ‘헤마틴’이 대표적인 사례다. 단지 3개의 원자 두께를 지닌 헤마틴은 태양광 발전을 위한 게임 체인저가 될 것으로 주목받는 새로운 2차원 물질이다.

2차원 물질이란 그래핀처럼 1원자와 수 나노미터 사이의 두께를 갖는 단일층 물질이다. 이런 물질은 작은 크기와 우수한 특성으로 인해 나노기술 및 나노공학의 발전에 핵심적 역할을 수행하고 있다.

그런데 반데르발스 물질인 그래핀과 달리 헤마틴을 추출한 적철광은 비 반데르발스 물질이다. 이는 헤마틴이 비화학적이며 상대적으로 약한 원자 반데르발스 상호작용보다는 3차원 결합 네트워크에 의해 결합되어 있음을 의미한다.

반데르발스 구조란 물질을 이루는 원소들이 결합할 때 분자 간 약한 인력으로 결합한 것을 말한다. 지금까지 합성된 대부분의 2차원 물질은 반데르발스 고체 샘플에서 파생됐으며, 고도로 정렬된 원자층과 큰 입자를 가진 비 반데르발스 2차원 물질은 찾아보기 힘들다.

태양광 혁명 일으킬 수 있는 2차원 물질 개발

또한 헤마틴은 자기 특성이 적철광의 자기 특성과 다른 것으로 밝혀졌다. 천연 적철광은 반 강자성인 반면 헤마틴은 일반 자석처럼 강자성이다. 강자성체에서 원자의 자기 모멘트는 같은 방향을 가리키는 반면 반 강자성체에서는 인접한 원자의 모멘트가 번갈아 나타난다. 연구진은 초음파, 원심분리, 진공보조 여과 등의 방법을 조합해 천연 적철광으로부터 헤마틴을 박리했다.

이 같은 특성들로 인해 헤마틴은 물을 수소와 산소로 분해하기 위한 효율적인 광촉매일 수 있으며, 스핀트로닉 기반 장치의 극자성 물질로 작용할 수 있다. 헤마틴 광촉매는 광자가 표면의 몇 원자 안에서 음전하와 양전하를 생성하므로 보다 효율적이다.

연구진은 이 물질을 이산화티타늄 나노튜브 어레이와 결합시킴으로써 전자가 헤마틴을 빠져 나가기 위한 쉬운 경로를 제공해 더 많은 가시광선을 흡수할 수 있음을 발견했다. 태양광 연료 생산에 혁명을 일으킬 수 있는 이 연구 결과는 ‘네이처 나노테크놀로지’에 발표됐다.

기록적인 전력 변환 효율을 가지는 이중층 태양전지도 개발됐다. 미국 UCLA 연구진이 납과 요오드 화합물로 만든 페로브스카이트 박막을 분무 방식으로 형성해 만든 태양전지가 바로 그것이다.

미국 신재생에너지연구소의 실험 결과, 이 태양전지는 태양으로부터 들어오는 에너지의 22.4%를 변환시킨다. 연구진은 향후 이중층 디자인을 개선시킬 경우 약 30%의 전력 변환 효율을 가질 수 있을 것이라고 주장했다.

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