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에코 칼럼 020 - 에너지 혁명 2030 읽기(6) - 전력 피크 시간대...

장택희(솔라타임즈 논설위원, 공학박사)

등록일 2019년04월08일 17시47분 트위터로 보내기 싸이월드 공감 네이버 밴드 공유

이번 칼럼으로 <에너지 혁명 2030>  ‘1장 태양광으로 인한 붕괴’ 을 마무리합니다.

매주 하듯이 이 글부터 읽으실 분들을 위해 지나간 부분 목차를 소개합니다.
~ 아래 내용중 밑줄 친 부분이 <에너지 혁명 2030> 에서 인용한 문장이나 구절들입니다.


서장 에너지와 석기시대
1장 태양광으로 인한 붕괴

- 저렴하고 빠른 침투력을 가진 태양광
- 5년만에 10분의 1 가격이 된 에너지
- 게임의 규칙을 바꿀 태양광의 경제학
- 연성비용으로 인한 태양광 원가 변화
- 미국, 5년 안에 태양광 발전 설비 1천만 기가

 

이어지는 1장의 세부주제는 다음과 같습니다.
 

전력 피크 시간대에 저렴한 전기를 공급할 수 있을까
가까운 미래에 태양광발전소는 오늘날 컴퓨터나 휴대폰처럼 흔해질 것이다. 태양광발전소는 수요에 따른 전력을 생산해낼 것이다.



SEVILLE, SPAIN - SEPTEMBER 28, 2018. Aerial view of Gemasolar Thermosolar Power Plant

 

2011년 6월 나는 24시간 태양광 전력을 발전할 수 있는 제마솔라(Gemasolar) 발전소(위 사진)를 견학하기 위해 스페인 남부로 갔다. 토레솔에너지(Toresol Energy)에 의해 건설된 19.9 MW 의 제마솔라 발전소는 15시간 동안 열에너지를 저장해 밤낮으로 전기를 발전할 수 있다. 토레솔에너지의 공동설립자이며 설비 관리책임자인 산티아고 아리아스에 의하면 제마솔라는 연간 11만 MWh 의 전력을 생산할 수 있다. 2만 5천가구의 전기를 공급하기에 충분한 전력량이다.
~ 위에서 소개하고 있는 제마솔라 발전소는 태양열(Concentrated solar power, CSP 라고 표기) 발전소입니다. 위 사진 가운데 환하게 빛을 내는 부분을 볼 수 있습니다. 주위에 둘러싸인 반사경들로부터 빛을 받아 고온으로 가열되는 부분입니다. 11만 MWh 는 1억 1천만 kWh 이고 이를 25,000 으로 나누면 4,400 kWh 가 됩니다.  이 값을 한 가구의 1년 사용 전력량으로 가정한 것입니다. 이와 관련하여 아래 기사(*)에 의하면 2013년 한국의 1인당 가정용 전력 소비량은 1274 kWh 이므로 3.5 인 가구의 1년 사용량에 해당됩니다. 위 계산은 스페인의 관련 통계를 함께 살펴보진 않더라도 대체로 합리적인 추산으로 이해할 수 있겠습니다.
(*) 한국 가정용 전기 소비, OECD 절반 불과,  김규원 기자 2016-08-19
http://bitly.kr/P9fNxT



기사 중 캡처


특히 제마솔라 발전소는 에너지를 저장할 수 있기 때문에 저장설비가 없는 50 MW 태양광발전소와 맞먹는 기능을 한다.

~ 이것은 무슨 소리일까요? 일단 발전량인 110,000 MWh 를 발전용량 50 MW 로 나누면 2200 h(시간)을 얻습니다. 스페인에서는 태양광발전소가 1년에 2200 시간의 가동시간을 가질 수 있는 모양이고, 이는 하루 6시간에 해당됩니다. 우리나라의 3.5~4.0 시간과 비교하면 스페인의 태양광 자원이 훨씬 좋은게 틀림없어 보입니다. 다만 저장설비가 있다 없다 하는 코멘트는 여기서 어떤 의미인지 분명하진 않아 보입니다.


태양염 배터리
제마솔라 발전소의 배터리는 두 개의 용융염(molten salt : 고체의 염을 약 300 ~ 1,000 C 에서 녹인 것) 탱크를 가진 열에너지 저장장치로 이루어져 있다. 용융염 에너지 저장장치(molten salt energy storage, MESE)는 ‘태양염(Solar Salt)’ 배터리라고 부르는 열 배터리로, 테슬라의 전기자동차 모델 S 에 전기를 공급하는 리튬이온 배터리와 같은 화학 기반 배터리와는 다르다(4장 참조). 용융염 에너지 저장장치는 질산칼륨 60 %, 질산나트륨 40 % 로 이루어져 있으며, 열의 99 %를 24시간 이상 보존한다. 질산칼륨은 환경적으로 안전하고 대부분의 화학 기반 배터리보다 저렴하다. 용융염 저장장치의 원가는 킬로와트시당 약 50달러로, 리튬이온 배터리에 비하면 10분의 1 수준이다.

 

위 내용과 관련된 정보를 검색하여 그림과 표를 캡처하여 공유합니다. 위 문장에선 용융염 저장장치가 리튬이온 배터리에 비해 10분의 1수준이라고 하지만, 아래 그림 중에선 33분의 1이라고 말하고 있습니다. 용융염 배터리 비용이 많이 싼 건 분명해 보입니다.



 

아래 표에서는 용융염 배터리, 리튬이온 배터리 각각의 경우 경비가 어떻게 추산된 것인지를 보여 주고 있습니다.




제마솔라 발전소에서 남동쪽으로 안달루시아 A94 고속도로를 타고 300 km 가면 50 MW 규모의 집광형 태양열발전소(CSP)인 안다솔-1 을 만날 수 있다.



As well as Andasol 1, the first commercially operated power station of its kind, plans are well underway for a further two solar power station at the same location. Andasol 2 (clearly shown in the above image) is scheduled to come on stream later this year, also rated for a capacity of 50 megawatts. Andasol 3, also with a 50 MW rating, is expected to follow in the course of 2010.

Credit: Solar Millennium AG.
 

이 발전소는 2009년 7월부터 7.5 시간 용량의 배터리를 운용하고 있다. 제마솔라는 배터리 이용시간을 이 2배인 15시간으로 개선한 것이다.

산티아고 아리아스는 제마솔라 발전소에서 연간 6,400 시간 전기를 생산하며 설비이용률(capacity factor 일정시간 동안 발전 시설이 가지고 있는 용량 대비 실제 생산한 양의 비율)은 75%에 달할 것이라고 예측했다. 그에 비해 후버 댐의 설비이용률은 23%이며 중국의 거대한 싼샤 댐 수력발전소의 설비이용률은 약 50%이다. 2003년 클렘슨 대학교의 마이클 멀로니(Michael Maloney) 교수의 연구에 따르면 일본, 프랑스, 미국의 원자력발전소의 설비이용률은 65~72 % 범위에 있으며 전 세계적인 부하율은 69.4 %다. 이는 후쿠시마 원자력발전소의 재난으로 일본의 원자력발전 산업이 무릎을 꿇기 이전의 수치다.
 

위에서 소개한 바와 같이 집광형 태양열 발전소의 설비이용률이 원자력발전소의 설비이용율과 같다면, 태양으로부터 얻는 무한한 자원과 자연친화성, 방사능 폐기물의 위험성 등을 망라하여 비교할 때 원자력발전소의 수명은 이제 다했다고 말해도 과언이 아닐 것입니다.
 

에너지 저장장치가 어떻게 모든 것을 바꿀 수 있는가
토레솔에너지의 설비 관리책임자인 산티아고 아리아스는 38년 전부터 발전소 건설에 종사했다. 그는 24시간 발전할 수 있는 태양광발전소가 전력 시장에 가져온 충격을 흥미진진하게 보고 있다. 그는 발전소의 사무실에서 이렇게 말했다. “최대 전력 수요가 발생하는 시간은 연중 가장 더운 날의 저녁시간입니다.” 전력 시장은 이 시간에 발전된 전력에는 프리미엄 가격을 지불한다. 태양광발전소는 뜨거운 여름날, 가장 많은 전력이 필요할 때 정확하게 가장 많은 전력을 생산한다. 아리아스는 이렇게 말했다. “태양광이 정점에 이를 때 에너지를 저장해 시장 수요가 정점에 이를 때 공급할 수 있는 능력을 가진다면 전력 시장의 모든 것을 바꿀 것입니다. 우리의 연료 원가는 제로입니다. 천연가스는 결코 우리와 경쟁할 수 없습니다.”



handsome man running on road with solar power plant in morning ;Healthy lifestyle with green energy

 

100% 태양광으로 발전하는 나라
미국은 대규모 집광형 태양광발전소와 태양광패널 발전소를 모두 건설하고 있다. 태양에너지산업협회(Solar Energy Industries Association)의 자료에 따르면, 주택용 또는 상업용 건물의 태양광 설비를 제외하고도 미국에서 4,200 MW 의 태양광 프로젝트가 건설 중이며 2만 3,000 MW 의 프로젝트가 개발 중에 있다.

~ 위 문장의 단위를 GW 로 바꾸면 맨 아래 문장 마지막 부분은 ‘미국에서 4.2 GW 의 태양광 프로젝트가 건설중이며 23 GW 의 프로젝트가 개발 중에 있다’로 바뀔 것입니다. 이렇게 GW(현재 일반적인 원자력 발전소 1기의 용량)을 단위로 쓰면 여러 모로 편리합니다. 이어서 최근 세계적으로 신설되는 태양광 발전소의 용량 변화를 알아보겠습니다.
 

<2018년 4분기 태양광산업 동향>에서 전하는 ‘세계 태양광시장 동향’ 관련 주요 소식은 다음과 같습니다. 첫째 2018년 세계 태양광시장은 108GW가 설치돼, 사상 처음 100GW를 기록, 둘째 2019년 세계 태양광수요는 120GW를 상회할 것으로 예상되며, 2020년에는 140GW를 넘어설 전망, 세째는 세계 태양광시장은 2017년까지 1차 성장기를 마무리하고 2018년부터 2차 성장기에 진입해 향후 10년간 5% 이상의 성장세를 지속할 전망 등입니다. 이와 같은 내용과 함께 아래 그림을 보여주고 있습니다. 2018년 막대 그래프가 100 GW 를 넘어선 것을 보여 주고 있으며 이어서 계속 성장하는 모습을 보여주고 있습니다.



<2018년 4분기 태양광산업 동향> 내용 중 캡처

2019 QUARTERLY REPORT VOL.2019-02호(2019.02.01), 한국수출입은행, 해외경제연구소
 

그러나 전주에 미국 전체의 전력설비 규모가 2014년 기준, 1000 GW 즉 1 TW 를 넘어서 있음을 염두에 둔다면, 위에서 보여주는 100 GW 돌파 운운은 설비 전체가 미국에서 진행된다고 해도 겨우 10% 대에 불과한 용량임을 알고 넘어갈 필요가 있습니다. 이와같이 전력설비의 단위를 이해해 두는 것은 미국 혹은 글로벌 수준의 이해를 위한 필수조건입니다.
 

2014년 초 로스앤젤레스의 솔라리저브(Solar Reserve)는 네바다 주에 세계에서 가장 큰 기저부하(시간적 또는 계절적으로 변동하는 발전부하 중 가장 낮은 경우의 연속적인 수요발전 용량) 태양광발전소(110 MW)를 건설할 계획을 세웠다.



USA, Nevada, Nye County,Tonopah: A large solar - thermal energy power plant generating station project near Crescent Dunes

 

토노파에 건설될 이 태양광발전소는 스페인의 제마솔라 발전소보다 약 5배 더 크며, 야간에 라스베이거스에 전력을 판매할 예정이다. 라스베이거스 스트립(대형 리조트호텔과 카지노들이 밀집해서 들어서 있는 거리)은 곧 태양광 전력으로 불을 밝히게 될 것이다.
~ 110 MW 는 0.11 GW 에 불과한 용량입니다. 제가 생각하기로는 미국에서의 태양광 발전 설비 용량의 증가는 위 문장이 보여주는 계획을 크게 뛰어넘을 것입니다. 이런 제 예상의 근거는 이 책에서 토니 세바가 보여준 여러 분야에서의 변화가 파괴적일 것이라는 그의 주장을 감안한 것입니다.


훨씬 더 작은 규모로 보면, 남태평양의 섬나라인 토켈라우는 세계에서 최초로 전력 수요 100% 를 태양광으로 공급하는 나라가 되었다. 세 개의 산호초로 이루어진 토켈라우에서는 야간에 전기를 사용하기 위해 배터리 은행을 사용하고 있다.



기사 중 일부 캡처


토켈라우는 1년 만에 100% 디젤 발전에서 100% 태양광발전으로 전환했다.
 

태양광에 의한 붕괴의 진행
이 책의 상당 부분에서 나는 태양광발전이 에너지산업을 붕괴시키게 될 다양한 이유를 설명할 것이다. 나는 이와 비슷한 일을 경험한 적이 있다. 태양광발전의 기하급수적인 성장을 보며 나는 시스코 시스템즈(Cisco SystemS)가 지금보다 훨씬 작았던 시절을 회상한다.

1993년 시스코 시스템즈의 사업개발부서에서 일할 때 나는 인터넷의 성장을 보며 이런 예측을 했다. “시장이 지금과 같은 속도로 성장한다면 10년 안에 10억 개의 인터넷 기기가 보급될 것이다.” 내가 이런 말을 하면 당시 사람들은 나를 이상하게 쳐다보곤 했다. 그들을 포함한 대부분의 사람들이 10억 명의 사람들이 조만간 인터넷에 연결되는 기기를 갖게 된다는 것을 믿기는커녕 인터넷이 무엇인지도 몰랐다.

1990년에는 단 하나의 웹서버와 하나의 브라우저가 있었다.



GENEVA, SWITZERLAND - MAY 17, 2012: [A plaque commemorating the invention of the internet by Tim Berners-Lee at CERN]

 

둘 다 스위스의 유럽원자핵공동연구소(Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN) 소속 팀 베르너스 리(Tim Berners Lee, ‘인터넷의 아버지’로 불리는 영국의 컴퓨터 과학자)의 NeXT 컴퓨터에서 운영되고 있었다.



Inventor and founder of World Wide Web Sir Tim Berners. Lee delivers an address to IBM Lotusphere 2012 conference on January 18, 2012. He speaks about social Web

 

유럽 밖의 웹서버로는 1991년 12월 캘리포니아 주 팔로알토에 위치한 스탠퍼드 대학교 선형가속기센터(SLAC, Standard Linear Accelerator Center)에 처음 등장했다. 그리고 오늘날 인터넷에 연결되는 기기는 100억개가 넘는다.

태양광도 이와 비슷한 기하급수적 궤적을 보인다. 전 세계적으로 설치된 태양광발전 설비 용량은 2000년 1.4 GW 에서 2013년 141 GW로 성장했다. 이 기간의 연평균 복합성장률(compounded annual growth rate, CAGR)은 43%이다.

태양광발전 부문이 매년 43%씩 성장한다면 2030년 태양광발전 설비의 용량은 56.7 TW 에 이를 것이다. 이를 기존의 기저부하 전력으로 환산하면 약 18.9 TW 에 해당한다.
=> 56.7 나누기 18.9 는 3. 즉 100% 태양광으로 현재의 발전량을 얻기 위해서 3배 용량의 설비가 필요하다는 말이 되는 것입니다. 이는 기존의 발전설비는 원리상 밤낮으로 가동시킬 수 있는 반면, 태양광 발전은 해가 있는 동안만 발전되므로 정성적으로 이해할 수 있습니다. 정량적인 추산을 해보면 평균적으로 현재의 전력설비(석탄, 석유, LNG 를 원료로 하는 화석연료 발전, 원자력 발전을 포함하는 발전설비)의 평균 이용률이 태양광발전의 3배쯤 된다는 얘깁니다.
 
미국 에너지정보청(Energy Information Agency)은 2030년 전 세계 에너지 수요량을 16.9 TW 로 예측한다. 태양광발전이 기하급수적으로 궤적을 지속한다면 2030년의 에너지 인프라는 태양광으로 100% 충족될 것이다. 전 세계의 에너지가 전부 태양광으로 채워질 것이라고 말하면, 20년 전에 10억 개의 인터넷 단말기가 생겨날 것이라고 예측했던 당시처럼 대부분의 사람들은 정신 나간 소리라는 반응을 보인다. 문제는 ‘태양광이 향후 10~20년 동안 지금의 기하급수적 성장을 나타낼 수 있을까?’ 하는 점이다.

그 질문에 대한 대답은 태양광의 성장률이 실제로 가속되고 있다는 사실에서 예측할 수 있다. 일반적으로 어떤 기술의 산물이 임계량(돌이킬 수 없는 지점)을 넘어서면 시장의 성장은 실제로 가속된다. 태양광이 전 세계의 많은 시장에서 임계량에 도달하면 시장의 선순환으로 태양광 시장의 성장은 다음과 같은 특징을 보이면서 점점 더 가속될 것이다.

- 자본 조달 능력은 증가하고 자본비용은 감소할 것이다.
- 지역으로 분산된 에너지 발전이 증대될 것이다.
- 에너지 구조가 중앙집중형에서 분산형으로 전환될 것이다.
- 센서, 인공지능, 빅데이터, 모바일통신 등의 기술 이용이 폭발적으로 늘어날 것이다.
- 자원 기반 에너지의 원가가 상승할 것이다.
- 풍력, 전기자동차, 자율주행자동차와 같은 상호보완적인 시장이 기하급수적으로 성장할 것이다.
- 태양광, 풍력, 전기자동차, 자율주행자동차와 공유할 수 있는 에너지 저장기술에 대한 투자가 증대될 것이다.
- 에너지 구조는 점점 더 분산될 것이다.
- 기존의 지휘 통제적 에너지 비즈니스모델은 가격 상승의 악순환을 겪으며 ‘좌초된 자산’이 될 것이다.


이러한 모든 태양광(그리고 풍력) 시나리오는 이미 진행되고 있다. 호주 에너지 시장기구의 보고서에 따르면, 2020년 새로 추가되는 발전용량의 97%는 태양광과 풍력발전이 될 것이다. 이후 전체 전력망이 태양광과 풍력발전으로 채워질 때까지 낡고 더러운 발전소들은 하나둘씩 퇴역하게 될 것이다.


아래 그림만 보아도 2017년 재생에너지 신규설비 용량 2,179GW(IRENA, ’18.3) 중 풍력 514GW, 태양에너지 397GW으로 이미 41%를 차지하고 있으며, 수력을 제외하면, 87%에 도달하고 있음을 확인할 수 있습니다.



 

기하급수적으로 개선되고 있는 기술과 새로운 비즈니스모델, 참여적인 금융과 에너지 문화로 인한 붕괴가 다가오고 있다. 상당수의 기존 ‘에너지 전문가’들은 이와 다르게 말할 것이다. 그들은 붕괴 과정에 돈이 매우 많이 들거나 수십 년 또는 100년이 걸린다고 말할 것이다. 과거 ‘통신 전문가’들도 비슷한 예언을 했다.

1985년 AT&T 는 선도적인 경영컨설팅회사인 맥킨지McKinsey)에 2000년의 미국 휴대폰 시장에 대한 예측을 의뢰했다. 맥킨지는 2000년에 판매될 휴대폰이 100만대 미만일 것으로 예측했다. 그동안 사실상 무선통신 분야를 개척해왔던 AT&T 는 시장 기회가 너무 적다고 생각해 무선통신 산업에 진입하지 않기로 했다. 1980년대 중반에 ‘스마트’했던 유선통신 수입을 우선해 휴대폰을 거부한 것이다. 하지만 2000년이 되자 휴대폰 숫자는 1억 600만대에 이르렀다. ‘스마트한 통신 전문가’들의 예측은 100배나 틀린 것이다. AT&T 는 결국 1994년에 128억 달러에 이동통신기업 맥코우(McCaw)를 사들여 시장에 다시 진입했다.
 

위에 언급된 문제의 상황을 보도하는 기사를 찾았습니다.
McKinsey & Company projected that there would be 900,000 mobile subscribers in the US by 2000, http://bitly.kr/NXIvE
"In 1980, McKinsey & Company was commissioned by AT&T (whose Bell Labs had invented cellular telephony) to forecast cell phone penetration in the U.S. by 2000. The consultant’s prediction, 900,000 subscribers, was less than 1% of the actual figure, 109 Million. Based on this legendary mistake, AT&T decided there was not much future to these toys. A decade later, to rejoin the cellular market, AT&T had to acquire McCaw Cellular for $12.6 Billion. By 2011, the number of subscribers worldwide had surpassed 5 Billion and cellular communication had become an unprecedented technological revolution."
Source:  A blog post by Professor Angel Lozano, retrieved 21st July 2014
 

전 세계 70억 인구 가운데 60억 명이 휴대폰을 가지고 있다. 유엔 자료에 의하면 전 세계 인구 가운데 45억 명만이 화장실 이용이 가능하다. 화장실을 이용하는 인구보다 휴대폰을 이용하는 인구가 더 많다. 미노아에서 화장실이 발명된 지 2,800 년이 지났고 로마에 하수도 시스템이 건설된지 2,000 년이 지났다. 반면 휴대폰 이용자는 20년 만에 화장실 이용자를 넘어섰다. 분산형, 무선, 비트 기반의 인프라는 중앙집중식, 파이프라인, 원자 기반의 인프라보다 더 용이하게 구축할 수 있다는 사실을 인정해야 할 것이다.

조 달러 규모의 산업을 20년, 심지어 2년 안에 붕괴시킨 많은 예가 있다. 2003년가지는 사진업계의 거인이었다. 애플이 2007년에 아이폰을 출시하기 전까지 스마트폰 시장은 틈새시장이었다. 애플이 2010년 아이패드를 출시하기 전까지 태블릿은 거의 찾아볼 수 없었다.

아이폰과 아이패드는 기하급수적 성장을 대표한다. 기하급수적 성장은 쉽게 이해하기 어려우며 쉽게 상상하기도 어렵다. 그러나 어떤 상품 종류가 기하급수적 성장세를 보인다면 주의를 기울일 필요가 있다. 10~20년 사이의 기하급수적 성장은 파괴적 영향을 가져온다. 태양광이 이런 파괴적 에너지가 될 것이다.

그러나 단지 파괴력을 가진 기술 혁신만이 현존하는 상품과 산업을 몰아내 시장을 붕괴시키는 것은 아니다. 현존하는 비즈니스를 붕괴시키는 요소로 기술 혁신 못지않게 비즈니스모델의 혁신도 중요하다. 비즈니스모델의 붕괴를 이해하기 위해서는 금융과 금융혁신을 먼저 이해할 필요가 있다.
 

이것으로 드디어 1장을 마쳤습니다. 다음 칼럼에선 <2장 금융과 에너지산업의 붕괴 > 살펴보겠습니다.

장택희 기자 이기자의 다른뉴스
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