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- 높은 설치 시스템에서 식물이 받는 빛이 최대 30% 적더라도 일반적으로 성장에 충분
- 사과, 배, 체리, 키위 및 기타 영구 작물과 결합된 농업 PV의 잠재력과 시너지 효과 커
- 옥상 시스템보다 저렴, 허가 정글과 자금이 문제

농작물 생산에도 도움이 되는 이유

농업용 태양광 발전이 작동하려면 태양광 모듈이 충분한 전기를 생성해야 할 뿐만 아니라 그 아래나 옆에서 자라는 작물의 수확량을 너무 많이 줄여서도 안 된다. 채소, 과일 또는 포도주 재배와 태양광 시스템을 결합하는 것의 긍정적 또는 부정적 효과는 수년 동안 독일의 여러 파일럿 시스템에서 조사되었다. 

▲ 유용한 식물이 여전히 충분한 빛을 받을 수 있도록 투명한 유리 공간이 있는 태양광 모듈이 자주 사용된다. ©프라운호퍼 ISE

지금까지의 결과는 곡물에서 감자, 채소, 과일에 이르기까지 대부분 작물이 농업용 태양광 발전과 호환되는 것으로 나타났다. 예를 들어 높은 설치 시스템에서 식물이 받는 빛이 최대 30% 적더라도 일반적으로 성장에 충분하기 때문이다. 그 이유는 광합성은 조도가 증가함에 따라 무한정 증가하는 것이 아니라 일정 수준의 조사(照射)에서 광포화에 도달하기 때문이다. 이 시점부터 광합성 성능은 일사량이 증가해도 거의 일정하게 유지된다. 이 광포화점의 수준은 식물의 종류에 따라 다르며 양지식물보다 음지식물이 더 낮다.

옥수수와 같이 매우 빛을 갈구하는 식물의 경우에만 독일 농업-PV 테스트 지역에서 20% 이상의 수확 손실이 발생했다. 예를 들어 다양한 채소, 양상추, 홉 또는 밀이 태양광 모듈 아래에서 재배하기에 더 적합한 것 같다. 예를 들어 콘스탄츠 호수의 헤겔바흐(Heggelbach)에 있는 테스트 시설에서는 클로버 풀, 겨울 밀, 감자 그리고 셀러리로 구성된 여러 부분으로 구성된 윤작이 성공적으로 재배되었다. 수확량은 날씨에 크게 의존했다. 평균적으로 일반 재배 면적에 비해 약간의 수확 손실이 있었지만 마이너스 20% 미만이었다.

과수원의 농업 태양광

이것은 또한 과일 재배와 관련이 있다. 지금도 체리, 딸기와 같은 민감한 과일뿐만 아니라 사과도 종종 호일 및 기타 보호 구조물을 통해 과도한 추위, 태양, 우박 및 폭우로부터 보호되어야 한다. 이러한 구조를 태양 전지판으로 교체하면 전기를 생산하면서 기후 보호 기능을 제공할 수 있다. 2019년부터 North Rhine-Westphalia의 유기농 베리 과일 농장에서 농업 태양광 발전으로 성공적인 과일 재배 사례를 제공했다. 거기에는 블루베리, 라즈베리, 딸기 및 기타 과일을 재배하는 지역 위에 각각 폭이 3.50m인 높은 태양광 모듈이 세워졌다. 70m x 60m 면적에 설치된 출력은 740KW에 해당한다. 처음 몇 년 동안 베리 작물은 대부분 측정 가능한 손실 없이 좋은 수확량을 가져왔다. 

▲ 민감한 과일은 어쨌든 날씨 보호 필름으로 우박과 폭우로부터 보호해야 하는 경우가 많다. (오른쪽). 태양광 모듈(왼쪽)이 이 기능을 대신할 수 있다. ©프라운호퍼 ISE

사과도 좋은 기회

특히 사과와 같은 영구 과일 작물 재배를 위한 또 다른 시범 공장이 2021년 라인란트-팔츠의 겔스도르프에 세워졌다. 32m x 111m의 면적에는 250KW의 출력을 가진 11줄의 높은 태양광 모듈이 있다. 모듈 열이 우박, 폭우, 일광 화상, 서리 또는 극한 온도와 같은 유해한 환경적 영향으로부터 과일을 얼마나 잘 보호할 수 있는지와 농업 태양광 발전이 수확에 미치는 영향을 조사해야 한다. 가능성은 높다. 일부 사과 품종의 경우 사용 가능한 빛의 60~70%가 최적의 사과 수확에 충분하다는 것은 이미 알려져 있다. Schindele는 "네덜란드의 Agri-PV에서 전문적인 베리 재배를 매우 성공적으로 구현한 후 겔스도르프(Gelsdorf)에서 더욱 고급스러운 과일을 위한 중요한 단계를 밟고 있다"며 "우리는 사과, 배, 체리, 키위 및 기타 영구 작물과 결합된 농업 PV의 잠재력과 시너지 효과가 상당할 수 있음을 인식했다"고 설명했다.

포도원의 태양 전지판

농업 태양광 발전 측면에서 포도 재배에서도 무언가 일어나고 있다. 프랑스에서는 포도 재배의 농업 태양광 발전이 몇 년 동안 국가에서 보조금을 받아 왔으며 약 40MW(메가와트)가 이미 그곳에서 계획되고 있다. 2018년에는 포도 재배에서 추적 모듈을 갖춘 지금까지 유럽 최대 규모의 시스템이 피레네 산맥 가장자리의 Tressere에 구축되었다. 독일 Hochschule Geisenheim University의 연구원들은 높은 곳에 설치된 태양광 모듈을 갖춘 최초의 테스트 포도원을 마련했다. 포도 재배는 특히 기후 변화의 결과에 영향을 받기 때문에 농업 태양광 발전은 적응 전략을 제공할 수 있다. 가뭄 스트레스, 조숙, 일광 화상 또는 폭우 피해로 인한 문제는 이미 포도 재배에서 더 자주 발생하고 있다. 태양광 패널 지붕은 성숙한 포도나무에 그늘을 드리우고 우박이나 폭우로부터 포도나무를 보호할 수 있다. 또한 긍정적인 점은 태양열 모듈에서 생성된 전기는 위험한 늦은 서리가 내리는 경우 포도나무를 가열하는 데에도 사용될 수 있다는 것이다.

그만한 가치가 있을까: 비용, 이익 및 허가

재생 가능 에너지에 대한 다른 투자와 마찬가지로 농업 태양광 발전에 대한 질문이 발생한다. 이러한 시스템을 운영하는 사람들에게 모든 것이 가치가 있을까? 공간의 이중 사용을 통한 시너지 효과 외에도 시스템 구축 및 운영 비용도 고려해야 하기 때문이다.

옥상 시스템보다 저렴

프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE)의 과학자들은 투자 및 운영 비용이 얼마나 높은지, 농업 태양광 시스템의 궁극적인 전기 비용은 얼마인지 계산했다. 이에 따르면 전기 부품 및 그리드 연결에 대한 태양광 모듈 자체의 비용은 일반 독립형 태양광 시스템의 비용과 유사하다. 그러나 양면 또는 반투명 유리 태양광 모듈은 다소 고가이다. 하부 구조 및 설치는 특히 높은 장착 시스템의 경우 기존 태양광 시스템보다 훨씬 더 비싸다. 

 

Fraunhofer 연구원의 계산으로는 전체적으로 전력 생산 비용은 시스템 유형과 해당 지역의 농업 용도에 따라 킬로와트시당 5센트에서 10센트 사이다. 초원의 저수준 농업 태양광 시스템은 경작지의 고지대 시스템보다 저렴하다. 즉, 농업 태양광 발전은 현재 독일에서 개방 공간 태양광 시스템보다 다소 비싸지만 지붕 위의 태양광 시스템보다 훨씬 저렴하다. Fraunhofer ISE의 ​​농업 PV 가이드라인은 "농업 PV 발전소의 전기는 자가 소비에 사용될 때 일반적으로 가장 수익성이 높기 때문에 외부 전기 구매를 직접 줄일 수 있다"며 "예를 들어 상업용 전기 가격이 킬로와트시당 14~16유로센트이고 전기 생산 비용이 킬로와트시당 7유로센트인 경우 킬로와트시당 7~9유로센트를 절약할 수 있다"고 말했다. 

▲ 지금까지 특히 소규모 농업용 PV 시스템은 고층 건설에 대한 특별 보조금을 받지 못했다. ©프라운호퍼 ISE

EEG에 따른 자금 조달?

농업용 태양광발전 확대를 촉진하기 위해 2023년 초 재생에너지원법(EEG 2023) 개정안이 통과됐다. 농업용 태양광발전은 이제 처음으로 EEG에 정기적으로 등록되었으며, 해당 지역의 농업 사용이 시스템에 의해 크게 제한되지 않는 한 농업용 태양광 시스템에서 전기에 대한 재정적 지원을 받을 수 있다. 높게 장착된 시스템의 구성은 낮은 변형보다 훨씬 더 비싸기 때문에 EEG는 특정 조건에서 킬로와트시당 1.2센트의 추가 보너스를 제공한다. 이 보조금은 설치 용량이 1메가와트 이상인 대규모 농업용 태양광 시스템과 6메가와트 이상의 시민용 태양광 시스템에만 사용할 수 있다. 그러나 문제는 가까운 장래에 민간 주도로 건설될 대부분의 농업용 태양광 시스템이 1메가와트에 도달하지 못할 것이라는 점이다. 지금까지 파일럿 플랜트조차도 이를 수행하지 못했다. 과학자들에 따르면 확장의 가장 큰 잠재력은 더 작은 시스템에 있다고 한다. Agri-Photovoltaic Research Working의 과학자들은 "지역 농장이 1메가와트 이상의 대규모 시스템보다는 몇 백 킬로와트 범위의 소규모 시스템에 필요한 투자를 할 수 있을 가능성이 훨씬 더 높아 보인다"고 말했다. Fraunhofer의 연구원을 포함하는 그룹은 "심지어 더 작은 농업용 태양광 발전 시스템을 홍보함으로써 현장에서의 수용이 증가할 수 있고 농업용 태양광 발전을 시작하기 위한 장애물을 낮출 수 있다." 그들의 의견으로는 독일에서 현재 자금이 충분하지 않다.

허가 정글

전문가들은 지나치게 복잡하고 시간이 많이 걸리는 승인 절차를 또 다른 장애물로 보고 있다. Kehl University의 변호사인 안토니오 칼리나(Antonia Kallina)는 "농업 태양광 사용을 위한 응용 프로그램은 고속도로 또는 2차선 철도 선로 바로 옆에 있는 농지에서 좋은 기회가 있다"고 설명한다. “다른 모든 지역은 지자체가 먼저 개발 계획을 세우고 때로는 토지 이용 계획을 변경해야 한다. 그것은 중요한 법적 장애물이다.” 다른 모든 재생 가능 에너지와 달리 농업용 PV 시스템은 특권 건설 프로젝트로 간주되지 않는다. 승인 절차는 오랜 시간이 걸리고 공장 확장을 지연시킨다. 따라서 과학자들은 농업 또는 원예 작업에서 1메가와트 미만의 전력을 사용하는 농업-태양광(Agri-PV) 시스템도 미래에 특권으로 분류할 것을 요구하고 있다. 이렇게 하면 승인이 더 쉽고 빨라진다. Kallina는 "올바른 공식을 사용하면 한편으로는 환경 이익을 보호하고 다른 한편으로는 아직 신생 기술의 혁신적인 잠재력을 가능하게 하기 위해 좋은 절충안이 가능하다"고 설명했다.

기후 변화에 대한 도움

특히 덥고 건조한 2018년에는 작물이 태양광 지붕의 혜택을 받았다. 농업 태양광 발전 지역에서 자란 4가지 작물 중 3가지가 태양광 모듈이 없을 때보다 있을 때 더 높은 수확량을 보였다. 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE)의 안드레아 에만(Andrea Ehmann)은 "우리는 식물이 반투명 태양광 모듈 아래의 음영 덕분에 가뭄으로 특징지어지는 2018년 더운 여름에 더 잘 대처할 수 있었다"고 설명했다. 태양광 모듈 아래의 토양과 공기는 태양에 완전히 노출된 인근 지역보다 더 촉촉하고 시원했다. 경작지와 태양열 모듈의 결합은 기후 변화에 농업을 적응시키는 데 도움이 될 수도 있다. 

 

지구 온난화로 인해 폭염과 더 긴 건조 기간이 더욱 빈번해지고 있다. 그 결과 많은 농부가 최근 여름에 농작물 손실을 감수하거나 밭에 물을 대야 했다. ISE의 스테판 쉰델레(Stephan Schindele)는 "농민들이 기후 변화의 결과에 적응할 수 있도록 돕는 농업 태양광 발전의 장기적인 해결책을 본다"며 "기후 위기가 평균 기온, 극한 날씨, 중부 유럽의 경우 일사량을 증가시킬 것이라는 사실은 식물을 보호하기 위한 PV 모듈의 잠재력이 미래에 증가할 것임을 시사한다"고 말했다. 

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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