Solar 타임즈
태양광발전, 그이상의 가치창조!
실시간 인기검색어
1 태양광
2 SMP
3 사진공모전
4 ESS
5 0
6 REC가중치 4
7 諛œ
8 aaa
9 에너지
10 rec 2
태양에너지 vs. 전세계 에너지 소비량

장택희(솔라타임즈 논설위원, 공학박사)

등록일 2018년11월26일 13시23분 트위터로 보내기 싸이월드 공감 네이버 밴드 공유

작은 출발, 쉽지 않은 약속으로 시작합니다.
1. 사실에 근거한다.
2. 사실이 아님을 알게 되면 수정한다.

물론 이렇게 선언한다는 건 저의 약속이요 시작일 뿐입니다. 이 칼럼이 정말 그렇게 쓰여질지, 독자들의 신뢰를 얻어낼지는 두고 볼일입니다. 독자님들의 관심과 질정을 기대합니다.

촛불혁명으로 촉발된 19대 대선에서 10번째 공약으로 ‘안전하고 건강한 대한민국’을 표방하며, ‘미세먼지 배출량 감축을 통한 국민 「호흡권」 보장’, ‘탈(脫)원전 등 친환경 에너지 패러다임으로 국가 정책 전환’ 등을 목표로 한 문재인 정부가 출범한 이후 태양광 발전사업은 많은 국민들의 관심을 끌고 있습니다. 


 

이와 함께 찬핵 진영과 재생에너지 진영이 서로의 주장을 펴면서 갈등이 커지고 있습니다.
서로 다른 지향을 가진 그룹들 간의 논쟁은 당연한 일이고, 국가의 발전을 위해서 장려할 만한 일이기도 합니다. 그러나 불확실한 사실에 바탕한 무리한 논리전개와 심지어 자신의 이익을 위해 ‘가짜뉴스’를 만들어 유포하는 건 부도덕하고 불법의 소지가 있으며 국가 발전에 유해한 영향을 미칠 것입니다. 이에 대해서 정부 관련 부처의 제도정비, 시민단체들의 감시 등이 필요하겠지만, 그와 함께 국민 한 사람 한 사람이 거짓정보를 가려낼 수 있는 역량을 키우는 일도 중요할 것이라고 저는 생각합니다.
 

제가 앞으로 쓸 이야기는 태양에너지의 활용, 그 중에서도 주로 태양광 에너지를 활용하는 발전사업에 관한 것입니다.
오늘은 태양에너지가 과연 인류의 에너지원으로 사용할 만큼 충분한지, 얼마동안이나 지속될 수 있을지를 검토해 볼 예정입니다.

우리나라의 전력에너지는 다양한 에너지원으로부터 만들어지고 있습니다.
매년 발행되는 <한국전력통계>의 발전전력량 추이를 정리한 자료에 의하면, 수력(Hydro), 기력(Steam), 복합(Combined Cycle), 내연력(Internal Combustion), 원자력(Nuclear), 집단(Group), 신재생(New & Renewable) 등으로 나누어져 있습니다. 여기서 기력(Steam)의 에너지원을 구체적으로 살펴보면 무연탄(Anthracite coal), 유연탄(Bituminous coal), 중유(Heavy oil), LNG 등이고, 신재생에너지로는 3가지의 신에너지와 8가지의 재생에너지가 <신에너지 및 재생에너지 개발ㆍ이용ㆍ보급 촉진법>에 지정되어 있습니다.


 

문제는 위에 언급한 에너지원들의 매장량이 얼마인지, 얼마나 오랫동안 공급될 것 인지일 것입니다. 이점에서 태양에너지는 단연 최고의 후보자일 것입니다.
게다가 기후변화가 인류사회의 가장 큰 이슈로 떠오르면서, 단지 매장량이나 고갈의 문제로서가 아니라, 기후변화의 주범인 온실가스 배출량을 가능한 빨리 감소시킬 방법으로서 새로운 대체에너지원으로서 주목받게 된 것입니다.

이 글에서는 과연 태양에너지가 인류의 미래에너지원으로서 유력한 후보가 될 수 있을지를 살펴보겠습니다.

검색을 통해 몇 개의 자료를 살펴보면 태양의 수명은, 위키백과에서는 약 123억 6,500만년 ( https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%83%9C%EC%96%91 ), 나무위키에서는 현재 약 45억 6700만 살이며, 앞으로 78억 년간 살 수 있다고 기술하고 있습니다. 태양도 이론적으로는 유한하지만, 인간의 수명을 기준으로 보면 수십억 년간 즉 태양은 영원히 오늘처럼 타오를 것이라고 말해도 무리는 아닐 것입니다.

다음은 태양에서 지구에 도달되는 에너지의 양을 계산해 보고 이를 현재 지구에서 소비되는 에너지와 비교할 것입니다. 여기서 제가 부탁드리고 싶은 것은, 제가 계산에 동원하는 데이터값들과 계산결과가 언제나 100% 옳기는 어려울 것이므로 가능하다면 독자 여러분들이 함께 확인해 주셨으면 하는 것입니다. 그렇게 많은 이들이 확인한, ‘토론공동체에서 공인된 자료’가 하나 둘 쌓이고 직접 확인할 수 있는 역량을 갖춘 이들이 많아진다면 우리 사회에 ‘가짜 뉴스’가 발붙이지 못하게 될 것입니다.

자, 먼저 태양의 에너지 계산을 시작해 봅니다. 우리가 직접 실험, 측정하는 건 아니고 이미 측정된 데이터 값을 검색하면 될 것입니다.

계산을 시작하기 전에 참고할 만한 신문기사가 눈에 띄어 공유합니다.
자그마치 385만 엑사줄(EJ)이다. 지구가 1년 동안 받아들이는 태양에너지는 전 세계의 연간 에너지 소비량(559.8EJㆍ2012년 기준)의 6,877배에 달한다. EJ는 1줄의 10억배의 10억배에 해당하는 에너지 단위다. 1줄은 1뉴턴(N)의 힘으로 물체를 1m 움직이는데 필요한 에너지다. 게다가 향후 50억년 뒤 태양이 소멸하기 전까지 제한 없이 이 엄청난 에너지를 사용할 수 있다. 그만큼 공급이 안정적이고, 폐기물도 발생하지 않아 태양광 발전은 대표적인 재생에너지로 꼽힌다. 탈(脫) 원자력 발전을 선언한 문재인 정부의 에너지 전환 정책의 선봉에 선 것도 태양광 발전이다. 문 정부는 태양광ㆍ풍력발전 등을 늘려 2030년까지 발전량의 20%를 재생에너지로 공급(현재 7%)하겠다는 계획이다.
http://m.hankookilbo.com/News/Read/201806281591367258

위 기사의 값들이 어떻게 산출된 값들인지를 직접 살펴보는게 유익하고 필요한 일이라는게 제 주장인 셈입니다. 태양의 수명은 제가 앞에서 검색한 값들과 약간의 차이가 나지만, 지금 인류가 걱정할 필요가 없는 거의 무한한 시간이라는 점에서 이 글에선 더 이상 논의하지는 않겠습니다.

‘태양복사’ 라는 용어로 검색하면 1초도 안되어 약 410만개의 검색결과가 뜹니다. 이중 상위 몇 개를 살펴보고 다음 항목을 참조용으로 선택합니다.( http://ecgllp.com/files/3514/0200/1304/2-Solar-Radiation.pdf 13번째 장표 인용)

 

태양에서 핵융합반응을 통해 발생된 에너지는 약 1억 5천만 km 를 날아와서 지구표면에 도달합니다. 태양으로부터 우주공간 모든 방향으로 발산되는 에너지의 약 22억분의 1정도만이 지구에 닿습니다. 이는 현행 고교 1학년 과정에서 배우는 내용으로 이를 설명하고 직접 계산하라는 문제가 출제되기도 할 것입니다. 태양으로부터 반지름이 1억 5천만 km 인 구의 표면적을 계산하고, 지구의 단면적(지구 평균 반지름은 6,371 km)을 구한 후 그 비율을 계산하면 약 22억분의 1이 얻어질 것입니다. 이렇게 얻어진 지구도달 태양복사에너지를 지구 단면적으로 나눈 값이 바로 태양상수(Solar Constant)이고, 위 그림에서 1366 W/m2 라고 나타낸 값입니다.

그런데 ‘Solar irradiance’ 항목의 위키피다아에는 다음과 같이 업데이트 된 내용이 있습니다.
Irradiance on Earth's surface
Average annual solar radiation arriving at the top of the Earth's atmosphere is roughly 1361 W/m2. The Sun's rays are attenuated as they pass through the atmosphere, leaving maximum normal surface irradiance at approximately 1000 W /m2 at sea level on a clear day. When 1361 W/m2 is arriving above the atmosphere (when the sun is at the zenith in a cloudless sky), direct sun is about 1050 W/m2, and global radiation on a horizontal surface at ground level is about 1120 W/m2. The latter figure includes radiation scattered or reemitted by atmosphere and surroundings. The actual figure varies with the Sun's angle and atmospheric circumstances. Ignoring clouds, the daily average insolation for the Earth is approximately 6 kWh/m2 = 21.6 MJ/m2

위 문장 중의 숫자에 주목하면 설명부분 첫번째 줄에 1361 W/m2 가 보이는데, 이는 위에서 설명한 태양상수 값으로, 1366 이었던 값이 2011년 측정하여 새로 얻어진 값이라는 설명이 있습니다. 이어서 이 에너지가 대기권을 지나 지표면에 도달하는, 단위 면적당 1일 평균 일사량(the daily average insolation for the Earth )이 계산되고 있는데 그 값이 마지막 줄에 21.6 MJ/m2 로 주어져 있습니다. 그러므로 이 글에선 이 문장에 등장하는 값을 기준으로 계산해 볼 것입니다. 이제 필요한 것은 지구의 표면적인데, 여기서 지구의 표면적을 구하기 위하여, 지구의 평균반지름 6,371 km 를 대입하여 구해 보겠습니다.
지구 단면적 = 4π * (지구 평균반지름)2
            = 4π * (6,371 km) 2 ≒ 510,064,472 km2
            ≒ 5.1 * 1014 m2 ( 왜냐하면 1 km2 = 106 m2 )
이제 태양상수와 지구의 표면적을 곱하면 지구에 도달하는 태양에너지를 구할 수 있습니다.
하루동안 지구에 도달하는 태양에너지의 값을 구하면
21.6 MJ/m2/day * 5.1 * 10E14 m2 = 110 * 10E14 MJ/day
여기서 단위에 대한 약간의 지식이 필요합니다.
와트(W) 단위 앞에 붙어 자릿수를 1000씩 올리는 기호는 다음과 같습니다.


 

위의 계산결과는 1일간 지구표면에 도달되는 평균에너지였으므로, 각종 통계에서 보통 1년간 에너지를 제시하므로 이들과 비교하기 위하여 1년간 지구에 도달되는 에너지를 구하면,
Solar Energy per year = 110 * 10E14 MJ/day * 365 day
                    ≒ 4.0 * 10E24 J/year
                    = 4.0 YW/year
 

이 값을 위에서 언급한 위키피디아의 ‘Solar Energy’ 항목에 나타난 값들과 비교해 봅니다.


위 표에서 3,850,000 EJ 을 읽으면 385만 엑사줄이 되고, 이 값이 계산 전에 공유한 한국일보 기사의 값인 것을 확인할 수 있습니다. 한편 위에 제가 계산한 값은 400만 엑사줄로, 역시 비슷한 결과(약 4% 오차)가 얻어진 것을 확인할 수 있습니다. 위키백과의 설명에서 21.6 MJ/m2/day 이 구름이 없을 때의 값이라는 점을 감안하면, 실제로는 385만 엑사줄이 보다 현실적인 값이 될 것으로 생각할 수 있습니다.

한편 우리가 전력통계에서 일반적으로 사용하는 발전량의 단위로 바꾸기 위해서는, 위 표에 나타난 바와 같이 ‘Exajoule (EJ) = 10E18 J = 278 TWh’ 를 적용하면 되겠습니다.
즉, 3,850,000 EJ = 3,850,000 * 278 TWh
                        = 1,070,300,000 TWh
이는 1년간 얻어지는 태양에너지로, 이를 전력으로 환산하려면 1년에 해당하는 8760 h 으로 나누어 주면 됩니다. 태양에너지를 전력으로 환산한 값은
Solar Power = 1,070,300,000 TWh ÷ 8760 h
                 ≒ 122,180 TW
                 ≒ 122 PW (앞에서 소개한 단위 머릿글자표를 찾아 보세요)

이 값은 위키피디아 ‘Solar Energy’ 의 다음 문장의 값들과 비교할 수 있습니다.
The Earth receives 174 petawatts (PW) of incoming solar radiation (insolation) at the upper atmosphere. Approximately 30% is reflected back to space while the rest is absorbed by clouds, oceans and land masses.

즉 대기권의 상층부에 도달하는 174 PW 의 복사에너지 중 30% 정도는 우주로 반사되므로, 지구 표면에 도달하는 에너지는 약 70% 라는 말이고, 이를 계산하면 121.8 즉 약 122 PW 라는 위의 계산 결과와 비교적 일치하는 값이 얻어진 것입니다.

이제 마지막으로 위에서 얻어진 지표면에 도달된 태양복사에너지와 전 세계에서 사용되는 1차에너지의 값을 비교할 차례입니다. 위 한국일보 기사에선 2012년 값(559.8 EJ)을 사용하였기에, ‘세계 에너지통계’를 키워드로 검색하여 https://yearbook.enerdata.co.kr/total-energy/world-consumption-statistics.html  에서 2017년 값을 계산(568.4 EJ)하여 구했더니 크게 다르지 않습니다. 그러나 위 사이트에서 2012년 값을 구해 계산해 보니, 534.8 EJ 로 기사 중의 값(559.8 EJ)과 약간 차이가 있습니다. 이렇게 어떤 기관의 자료값을 적용하느냐에 따라 계산값이 달라지는 것을 경험하면, 신문이나 방송에서 보도하는 값들 역시 유일한 진실일 수 없다는 것을 짐작할 수 있습니다. 아무튼 제가 확인한 값들이 크게 차이를 보이지 않으므로, 지금까지의 계산으로부터 기본적으로 지구의 표면에 도달하는 태양에너지는 현재 전 세계에서 사용되는 1차 에너지의 약 6~7천배나 되는 것을 확인할 수 있습니다.

이 계산결과를 받아 놓고도 우선 저부터 현실적으로 감이 잘 오지 않습니다.
지구 표면에 쏟아지는 태양에너지의 약 1만분의 1(계산상 좀 더 정확히 말하면 약 6800분의 1이고, 0.015% ) 정도만 인류가 사용할 수 있다면 다른 모든 에너지원이 필요 없어도 된다는 것이니, 이게 과연 무슨 말인가 싶습니다.

물론 지구의 약 70% 는 바다이고, 또 인간이 쉽게 접근할 수 없는 산지나 숲 등을 감안한다면, 지금 당장 지구에 도달하는 모든 태양에너지를 인간이 활용할 수는 없는게 당연한 사실입니다. 그러나 그런 것을 다 감안한다고 해도 지표면에 도달하는 태양에너지의 6800분의 1을 활용하는 건 얼마든지 가능한 일을 것입니다. 향후 수십년간 전 세계 에너지 소비량이 증가될 것을 감안해도 태양에너지의 1천분의 1 정도를 사용할 수 있을 정도의 기술발전을 이룬다면, 태양에너지 만으로도 전세계 1차 에너지 필요량을 충분히 감당할 수 있다니, 이 얼마나 든든하고 희망적인 일입니까?

저는 앞으로 이 칼럼을 통해 태양에너지 시대로의 전환이 바로 새로운 시대로의 진입이요 패러다임 전환임을 확인해 보고자 합니다. 이는 태양에너지에 관심을 갖는 일이, 태양광 사업에 관심이 있는 분들만의 일이 아니라, 새로운 시대로 진입할 모든 이가 반드시 관심을 가져야 할 일이라는 말에 다름 아닐 것입니다. 우리는 이미 비슷한 경험을 전기, 자동차, 컴퓨터, 인터넷, 스마트폰 등을 통해 경험한 바 있습니다. 태양에너지가 그런 패러다임 전환 기술의 맥을 이을 것임을 저와 함께 확인해 보시자고 권하는 바입니다.


※ "장택희 논설위원과 함께하는 태양광발전 관련 칼럼은  매주 월요일 오전에 만날 수 있으며, 여러분의 적극적인 제보 및 참여를 필요로 합니다. 
    본고의 논지는 여러분의 의견과 다를 수 있으며, 잘못된 내용이 있으면 메일 부탁드립니다. 
    또한 태양광발전 관련 개선사항 제보 또는 궁금하신점이 있으시면 이메일(jth0513@energykorea.com)로 간단한 내용을 적어 보내주세요."
    
 

장택희 기자 이기자의 다른뉴스
올려 0 내려 0
관련뉴스 - 관련뉴스가 없습니다.
유료기사 결제하기 무통장 입금자명 입금예정일자
입금할 금액은 입니다. (입금하실 입금자명 + 입금예정일자를 입력하세요)
의견남기기는 PC버전에서 하실수 있습니다.
가장많이본 뉴스 BEST 10
포토뉴스+
현재접속자 (명)