3'30" 읽기
- 중국에서는 2021년 여름 총 용량이 12기가와트인 농업 태양광 시스템이 설치돼
- 일본에는 이미 3천 개 이상의 소규모 농업용 태양광 시스템이 있다.
- 양면 모듈의 전기 생산량은 설치된 와트당 연간 약 999Wh(와트시)

농업-태양광(Agri-PV) 발전 시대가 열린다.
“들판, 포도밭, 과수원에서의 태양광 발전”

<전문>
농업 태양광 발전은 아직 초기 단계에 있다. 잠재력은 엄청나다. 이론적으로 들판, 과수원 또는 포도원에 통합된 태양광 시스템으로 우리나라의 전체 전기 요구 사항을 상당 부분 충족할 수도 있다.

<본문>
태양광 발전 시스템과 농업은 공간에 대한 경쟁자가 될 필요가 없다. 농업 태양광을 사용하면 들판, 정원 또는 과수원을 두 번 사용할 수 있어 필드에서 윈-윈할 수 있기 때문이다. 식물 재배는 태양광 모듈 아래 또는 옆에서 얼마나 잘 작동할까? 그리고 이것은 어떤 혜택을 가져올 수 있을까? 

▲ 독일 콘스탄츠 호수의 사과 과수원 위에 있는 Agri-PV 태양광 모듈 ©프라운호퍼 ISE

농업용 태양광 발전이 주목받는 이유

에너지 전환이 작동하려면 이전보다 훨씬 빠르게 재생 에너지를 확장해야 한다. 풍력 에너지 외에도 특히 태양 에너지는 전력 공급에 중요한 기여를 할 수 있다. 태양광 모듈의 상당히 낮은 가격과 상대적으로 간단한 설치로 인해 태양광은 화석 연료를 사용한 전기 생산에 비해 상대적으로 저렴한 대안이 된다. 문제는 태양광 시스템에 많은 공간이 필요하다는 것이다. 태양광활용의 선두그룹에 속한 독일의 경우, 지금까지 설치된 광전지 라인의 약 4분의 3은 집 지붕의 태양광 시스템에서 나왔다. 프라운호퍼 솔라 에너지 시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE)의 계산에 따르면 2045년까지 최소 300~450기가와트의 태양광 발전 용량이 독일에 필요할 것으로 예상했다. 지금까지 독일에는 약 60기가와트만 설치되었다. 모든 추가 태양광 시스템은 더 지붕에만 설치할 수 없다. 이것은 태양 에너지를 위해 더 많은 토지가 필요하다는 것을 의미하며 이는 토지, 특히 농업과의 경쟁으로 이어진다. 태양광 발전이 수익성이 높을수록 보조금 없이도 들판을 태양광 영역으로 전환하는 것이 더 가치가 있다. 이것은 갈등을 부채질하고 식량 생산을 위태롭게 한다.

둘 중 하나 또는 둘 다
농업용 태양광을 사용하면 농업과 태양광 발전을 한 자리에서 결합할 수 있다. 태양광 모듈은 식물 사이 또는 위에 서서 그늘을 드리우지 않거나 부분적으로만 그늘을 드리우는 방식으로 부착된다. 설계에 따라 태양광 모듈은 트랙터와 기타 농업 기계를 위한 공간을 둘 수 있을 만큼 충분히 떨어져 있거나 지상에서 몇 미터 위에 설치된다. 같은 지역에서 태양 에너지로 작물과 전기를 생산할 수 있다. 말하자면 두 가지의 수확이다. "농업 태양광은 탱크 또는 플레이트 논의에 대한 답이 될 수 있다. 왜냐하면 기술적인 관점에서 농부들은 경작지의 이중 사용을 통해 식량 생산이라는 핵심 작업을 제대로 수행할 수 있고 태양광 발전 공급을 통해 전기 자동차의 확장과 기후 보호에도 기여할 것”이라고 ISE의 슈테판 쉰델레(Stephan Schindele)는 설명했다. 농업용 태양광 발전의 잠재력은 엄청나다.

아시아는 농업 태양광 발전의 선구자

이러한 농업과 태양광 발전의 조합은 독일에서 점차 인기를 얻고 있으며 다른 국가에서는 이미 더 나아가고 있다. 중국에서는 2021년 여름 총 용량이 12기가와트인 농업 태양광 시스템이 설치돼 농업 태양광 발전에 전 세계적으로 설치된 약 14기가와트 중 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 세계 최대의 농업용 PV 시스템도 중국에 있다. 700메가와트 출력의 태양광 모듈이 고비 사막 가장자리에 있는 과일을 위한 들판에 설치되었다. 농업용 태양광 발전의 기회는 다른 아시아 국가에서도 인정됐다. 일본에는 이미 3천 개 이상의 소규모 농업용 태양광 시스템이 있으며, 한국에서는 이러한 시스템이 농촌 탈출을 줄이는 데 도움을 주기 위한 것이다.

농업 태양광은 정확히 어떻게 작동할까

태양계와 농작물 생산을 결합할 때 몇 가지 개념이 의문시된다. 그들 모두의 공통점은 수확 시 큰 손실이 없도록 식물이 자라기에 충분한 빛을 받아야 한다는 것이다. 또한 농업 기계로 들판이나 동부 지역에서 작업하는 것이 여전히 가능해야 한다. 따라서 실제로는 일반적으로 두 가지 다른 개념이 사용된다. 첫 번째는 3~5미터 높이의 하부 구조물에 세워진 기존 태양광 모듈 열을 사용한다. 태양광 모듈은 영구적으로 설치하거나 이동 가능하게 부착할 수 있으며 추적을 통해 태양의 위치를 ​​따른다. "엘리베이션"은 모듈 아래에 트랙터 및 기타 농업 기계를 아래에서 구동할 수 있는 충분한 공간을 만든다. 충분한 빛이 여전히 통과할 수 있도록 태양광 모듈 열 사이의 거리도 선택된다. 현재까지 가장 빈번하게 사용된 이 농업-PV 개념의 예는 2016년 콘스탄츠 호수의 헤겔바흐(Heggelbach)에 설치된 파일럿 플랜트다. 25m x 136m 면적에 3.50m 너비의 태양광 모듈 열이 9.50m 간격으로 배열되어 있다. Fraunhofer ISE의 ​​보고에 따르면 194킬로와트의 설치 용량으로 2020년에는 약 265,000킬로와트시의 태양광 발전을 생산할 수 있다. 순전히 수학적으로 이 전기는 4인 가구 62가구에 충분하지만 실제로는 주로 농촌 지역의 전기 수요를 충당하고 수확물을 처리하는 데 사용되었다. 

▲ 콘스탄츠 호수에 있는 헤겔바흐의 테스트 필드 위에 있는 높은 태양광 모듈 © Fraunhofer ISE/ BayWa r.e.

혁신: 식물 사이에 수직으로

두 번째 개념에서 태양광 모듈은 높지 않고 하부 프레임에 장착된다. 결과적으로 그들은 식물 열 위에 서지 않고 식물 사이에 서 있다. 이것은 또한 특히 태양광 모듈이 수직으로 배치된 경우 배양 처리를 위한 공간을 남긴다. 특히 양면에서 들어오는 태양광을 이용할 수 있는 양면형 태양전지가 적합하다. 이 모듈은 일반적으로 측면이 동쪽과 서쪽을 향하도록 설정된다. 결과적으로 이 태양광 모듈은 강렬한 한낮의 태양을 피하지만 빛은 하루에 두 번(아침과 오후) 두 모듈 표면에 떨어진다. 2022년에 결정된 연구에 따르면 이러한 양면 모듈의 전기 생산량은 설치된 와트당 연간 약 999Wh(와트시)이므로 연간 1020Wh인 일반적인 남향 모듈의 발전량보다 열등하지 않다. 또한 긍정적인 점은 수직형 PV 모듈이 일반적인 지붕 태양광 시스템에 반주기적으로 전기를 생산하기 때문에 전력망의 변동을 보상하는 데 도움이 될 수 있다는 것이다. 수직 양면 모듈이 있는 농업 태양광 시스템의 예는 도나우싱엔(Donaueschingen) 근처의 아젠(Aasen) 시민 태양광 공원이다. 그곳에서 태양광 모듈은 각각 10m 간격으로 33줄로 설치되며 시스템의 총 설치 용량은 4.1메가와트다. 축산업을 위한 녹색 사료는 태양광 모듈 열 사이에서 재배된다.

폐쇄형: 온실용 태양광 모듈

농업 태양광 발전의 세 번째 형태는 태양열 시스템과 온실의 조합이다. 소위 폐쇄형 농업 태양광 시스템을 사용하면 온실의 유리창 일부가 태양열 모듈로 대체되거나 모듈이 온실 내부에 설치된다. 장점은 많은 온실에서 식물은 어쨌든 일시적인 음영으로 과도한 태양 복사로부터 보호되어야 한다. 이를 위해 태양광 모듈을 사용하면 전기도 동시에 생산된다. 이러한 태양광 온실은 유기 박막 태양전지를 사용할 수 있다면 훨씬 더 효율적일 것이다. 이들은 식물 광합성이 에너지를 생성하는 데 필요하지 않은 빛의 특정 파동 성분만 흡수하는 방식으로 생성될 수 있기 때문이다. 그 결과, 그러한 태양광 모듈은 가시광선에 대해 완전히 또는 적어도 부분적으로 투명할 것이다. 연구원들은 이미 이전에 불안정했던 투명 태양전지를 더 견고하고 안정적으로 만드는 작업을 하고 있다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]