중국의 태양에너지 발전 고찰
중국은 넓은 면적과 그로 인한 태양자원이 있으며 태양에너지의 개발과 응용은 정부 및 일반인에 의해 논의되어왔고 태양에너지가 미래에 더 많은 전력을 공급할 수 있다고 여겨져 지난 십여 년 간 중앙과 지방정부에 의해 더 많은 실증사례가 발생하였다.
본서는 중국 내 태양에너지의 분포와 현재 개발상황을 논의하고 몇 가지 적용사례를 설명하였는데 ′태양에너지 온실, 태양에너지 난로, 태양온수기, 태양조명시스템, 태양온수펌프, 분산발전, 글리드 연계 광전지 발전 또는 태양광-풍력 하이브리드발전′등과 같은 것이다. 중앙 및 지방 정부의 정책과 법률이 설명되었고, 마지막으로 미래의 중국에서 태양광발전의 예측 및 발전의 장애물과 조언이 소개되어있다.
글: 양상기 / 에너그린
자료제공: KOSEN(한민족과학 기술자 네트워크)
www.kosen21.org
서론
′기름, 석탄, 천연가스′ 같은 다양한 화석연료는 현대 산업 경제에 필수적인 최대의 에너지를 공급하는데, 요리나 난방부터 시작하여 산업생산 및 수송까지 전기는 인간 활동에 필수적이다. 에너지는 경제사회의 강력한 동력원으로 전 세계의 화석연료 총 사용량은 급속히 증가하고 있으며 세계의 급속한 산업화로 가까운 장래에 에너지위기가 발생할 것이다.
금융위기로 유가가 147달러에서 60달러까지 하락하였으나 금융회복 및 화석연료감소는 가격상승으로 이어지고 이어지는 금융위기는 에너지의 엄청난 가격상승을 유발한다. 금융위기 중 지속가능한 에너지개발이 이루어졌으며 중국의 경우 금융위기로 2천만 명이 실직하였으나 10년 내 다가올 고 에너지비용을 해결하기 위해 43.679조 달러가 투자되어 ′핵, 풍력, 태양에너지′가 개발되었다.
중국은 세계에서 가장 큰 성장국가로 세계 2위 에너지 소비국이다. 2008년 총 GDP는 45,000억 달러로 세계3위로 일본과 유사하나 에너지소비는 일본대비 3~9배였다. 2008년 기준 석탄은 27.4억 톤, 원유 3.6억 톤, 천연가스 807억m3을 소비하였다. 2000년 이후 SO2총 배출량은 2천만 톤 이상으로 세계최대이고 CO2는 45억 톤으로 세계 두 번째이다. 중국에서 석탄은 중요한 위치인데, 매장량이 풍부하여 일차에너지 생산 및 소비에서 지난 30년간 67%를 차지하였다.
많은 지역의 환경과 생태계가 파괴되었는데 국가면적의 30%에 해당하는 넓은 지역이 산(Acid)으로 오염되고 수천 헥타아르의 ′초지, 토양, 숲′이 황폐화되고 수백 개 도시가 파괴되었다. 오염이나 공해로 인해 3억 명의 교외 인구는 음용수를, 4억 명은 신선한 공기를 얻을 수 없고 년간 금융손실은 4,000억 달러로 매년 GDP의 10%에 해당한다.
근본적인 원인은 중국의 부적절한 에너지구조로 일련의 환경문제를 야기하여 인간생활에 영향을 끼친 것으로, 이를 개선하기 위해 대체 가능한 에너지를 찾는 것이 중요하다. 그로 인해 중국정부와 민간인은 '태양, 풍력, 조력, 바이오' 등 재생에너지를 검토했다. 중국정부의 지원으로 재생에너지원이 다양하게 사용되고 있으며 2005년 2월 신재생 에너지법을 세워 개발지원과 인증을 강화하였으며 ′태양광빌딩, 연계형 태양광발전, 풍력′에 약 43,670억 달러의 풍부한 자금투자가 있었다.
특히 태양에너지는 재생, 친환경, 넓은 분포, 설치 유연성이 매력적이고 풍부한 태양에너지는 부적절한 에너지구조를 개선할 수 있어 태양광발전사업은 지방정부와 중앙정부의 관여로 최근 10여년 간 급성장하여 Wuxi Shang-De 는 Sharp, Q-cell, Kyocera에 이어 2005년 기준 4위 수준이다. 본서는 중국의 태양에너지응용 현 상황 및 미래를 논의한다.
첫째 중국의 지리학적 특성과 에너지현황을 설명하고 태양에너지 분포와 개발현황, 태양광발전 시장현황이 이어진다. ′태양온수기, 태양광조명, 태양물펌프, 분산발전, 연계형 태양광발전과 풍력태양 하이브리드형′ 등 다양한 태양광발전 응용이 소개되고 다음으로 ′정책, 기술, 장애요인소개′와 태양광발전의 전망이 소개된다.
중국의 지리학적 특징
중국은 동아시아의 북동쪽에 위치하며 북위 4~53도, 동경 73~135도로 9.6백만 Km2, 13억 인구이다. 태평양을 동쪽으로 하여 해안선은 18,000Km이고 인도, 파키스탄, 러시아, 베트남 등 15개국과 접해있다. 30개 이상의 지방으로 구성되고 수천 개의 도시, 넓은 대지, ′Changbaishan, Taihangshan, Tianshan, Himalayas′ 등 수백 개의 산이 북에서 남으로 놓여졌다. 수천 개의 강이 각지방에 있고 Changjiang, Huanghe이 크고 도시 인구는 5억 이상, 대도시에서 일하는 시골인구는 2억 이상이다.
중국의 에너지 현황
중국은 어마어마한 인구와 풍부한 천연자원을 가지고 있으며 평균적으로는 전 세계인구의 1/2미만이다. 년간 폐기물은 일본의 1/4, 미국의 1/12 수준이지만 에너지 소모량은 인구 때문에 어마어마하여 세계 2위이다. 게다가 중국의 에너지원은 지난 50년간 ′석탄, 원유, 천연가스′와 같은 화석연료에 지나친 의존성이 있다.
중국정부(CIDC)의 발표에 의하면 석탄은 중국에서 가장 중요한 화석연료로 지난 30년간 67% 이상이고 재생에너지는 7% 이하, 원유는 23%, 나머지 3%는 천연가스로, 언급한 바와 같이 ′태양, 풍력, 물, 바이오에너지′와 같은 재생에너지는 작은 비율이다. 에너지 공급은 화석연료에 크게 의존적이고 부적절한 에너지 구조는 ′경제, 에너지안보, 환경′에 부정적 영향을 끼쳤다.
수천 개의 강이 오염되고 심각한 중독 상태를 보이고 있는데 그 예로 Shanxi 지방의 모든 강은 오염되어 물고기가 없고 강물은 마시거나 생활용수로 사용할 수 없다. Shanxi의 수도인 Taiyuan은 세계에서 가장 유명한 오염 도시로 FenHe가 지류인데, FenHe 강물은 시민에게 공급하기 위해 저장하느라 남은 물이 없어 물고기나 동물이 강가에 살 수 없게 되었다.
근본적인 원인은 과도한 석탄채굴이며 이는 중국전체가 유사한데 ′HuaiBei, TongLing, JiaoZuo, BaiYin′ 등 20여 개의 많은 도시에서 광물자원은 소진되어버렸다. 중국정부는 부적절한 에너지 구조를 개선하기 위해 공해 감소정책을 수립하였으나 지난 30년간 중국의 에너지구조를 바꾸지 못했다.
중국은 많은 영토와 풍부한 천연자원을 가지고 있는 것으로 최근 교과서에 나와 있고 대부분의 중국인도 사실로 알고 있지만 현 상황은 정반대이다. 일례로 중국은 이론적으로 8,000억 톤 이상의 풍부한 석탄자원을 가지고 있으나 평균 효율은 40% 이하로 가용량은 1,140억 톤이다. 동시에 년간 석탄소비량은 25억 톤 이상으로 2007년에는 27.4억 톤이므로, 2050년 이내에 석탄자원은 고갈된다.
중국은 130억 톤의 원유를 가지고 효율은 50%이하로 가용량은 40억 톤이며 년간 소비량은 3억 톤으로 20년 이내 고갈되고 천연가스와 우라늄은 각각 30년과 50년으로 보고 있다.
교외가정의 에너지소비는 도시보다 비정상적인데 연구결과에 의하면 볏짚, 화목, 석탄의 비율이 전체의 88.8~91.0%였다. 이와 같이 중국은 엄청난 에너지위기, 경제사회 위기에 봉착하였고 재생에너지의 개발이 미래에는 절실하다. 정부와 일반인에 의한 재생에너지검토가 필수적이며 그렇지 못하면 지속성장의 가망성은 없고 중국의 산업화는 불가능하다.
중국의 태양에너지
중국의 태양에너지 자원은 풍부하기로 유명하고 천년 전 태양에너지는 옥수수, 소금, 의류를 건조하는데 사용되었다. ′태양에너지 가로등, 태양물 펌프, 태양가열기, 태양충전기′ 등 손쉬운 응용사례는 최근까지 일반인의 삶의 질을 개선하는데 사용되고 있다. 태양광 발전 산업은 지난 10년간 큰 발전을 이루었으며 2007년 중국의 태양광 발전생산량은 1,200MW를 초과하여 세계생산량의 35%로 세계 1위를 차지하였다. 다양한 실제 응용이 일반인의 일상을 개선하는데 사용되었다.
태양에너지 자원분포
중국 기상청(CWB) 자료 및 문헌에 의하면 중국은 큰 지역으로 총 태양에너지 양은 엄청나지만 지역별 조사량은 다양하였다. Tibet과 Qing-Zang altiplano의 남동쪽은 최고의 조사로 연간 3,200시간, 연간누적으로 6,600~8,500 MJ/M2이다. 좋은 곳은 3,000~3,200시간으로 년간 5,800~6,600MJ/m2 수준이다.
가용지역은 2,200~3,000시간으로 연간 5,000~5,800MJ/m2이다. 불충분 지역은 33% 정도인데 조사시간이 2,200시간 이하이고 조사량도 5,000MJ/m2이하로 가용 지역은 67% 정도의 풍부한 태양에너지를 가지고 있다. 중국은 수천개의 촌락과 수백개의 도시가 있으며 각 도시는 각기 다른 ′일일 조사와 최대 경사도′를 가지고 있다. 중국의 주요 도시는 각 위도마다 다른 태양 조사변수를 가지고 있다.
중국의 태양광산업 발전
그림 1. 지난8년간 태양전지생산량(출처:CDIC)
그림 2. 각국의 2007년 PV점유율(출처:sxcoal.com)
(그림 1)은 CIDC와 문헌에 근거하여 지난 9년간 태양전지의 급속한 성장을 나타낸다. 10년간 중국정부 및 기업의 기여로 중국의 태양발전 점유율은 8년간 1%에서 35%로 증가하고 품질도 개선되었다. 독일 web뉴스에 의하면 2007년 중국의 태양광전지 총 생산량은 1,200MW 이상으로 세계시장의 35%점유로 세계 1위이다. Economy daily의 뉴스에 따르면 2008년 총생산은 2,000MW이상이다.
중국의 태양광발전업체는 100개 이상으로 지난 6년간 매년 2배씩 성장하였다. 일례로 Wuxi Shangde는 2005년 82MW, 2006년 158MW를 생산하여 Sharp, Q-cell, Kyocera에 이어 세계 네 번째이다. 동시에 2007년 세계 PV 생산량은 3,436MW로 56% 증가하였다.
2007년 중국의 점유율은 20%에서 35%로 증가하여 세계 1위가 되었다. 그림 1과 2에서 보듯이 중국의 PV산업은 최근 10년간 급성장하였고 시장점유율은 지난 5년간 증가하였다. 더 많은 중국기업들이 PV산업에 지속적으로 투자하고 있지만 중국의 PV업체는 생산기술 및 원자재, 공정품 및 환경오염 등의 문제를 겪고 있다.
PV는 백여 개 이상의 공장에서 생산되고 있으나 대부분 PV를 조합하는 수준으로, 기술이나 경제적인 이익이 좋지 않다. 근본적인 원인은 ′silicon물질, 절개, 단조, 광택′과 같은 핵심기술이 없고 잘 알려진 바와 같이 PV제품의 생산은 산성-알칼리성 폐수, 중금속 잔류물과 같이 환경에 유해한 많은 오염을 발생시키기 때문이다.
중국의 PV시장개발
지금 중국 PV시장은 ′오지의 전기에너지 공급이나 통신, 태양에너지 제조와 태양광전력생산(PGEP)′에 사용된다. ′태양광 가로등, 태양광 잔디 등, 태양광 교통신호등과 태양광 조경 등′과 같은 몇 제품은 일반인의 생활편의를 위해 사용되며, 계통 연계형 발전은 태양광 발전전력의 단가문제로 검토단계에 있다.
표 1. 중국의 PV 용도별 점유율(출처:중국환경과학보도자료)
(표 1)은 2006년까지의 여러 PV 응용제품 시장 점유율을 나타내고 그림 1은 중국내 PV의 놀라운 성장속도를 보여준다. 표1은 2006년까지 매우 작은 PV 시장으로 지난 30년간 80MW로, 2002년 설치된 PV는 20.3MW이고 다른해의 년간 총계는 10MW이하였다.
그림 3. 지난 30년간 연도별-누계 PV 설치량
(그림 3)은 지난 30년간 시장현황을 보여주는데 단위는 ㎾이다. 그림 3과 같이 시장은 중국 PV 생산량을 소화할 수 없어 대부분의 PV는 ′일본, 독일, 미국′과 같이 선진국으로 수출되고 국내점유율은 1%이하였다. 결론적으로 중국 PV 생산업체 및 생산량을 소화하기 위하여 중국의 PV 시장은 성장되어야 한다.
중국의 태양에너지 응용
천년 전 태양에너지는 옥수수, 소금, 의복을 건조하는데 사용되었다. 천년전 송 왕조에서는 봄부터 가을 동안 불을 얻기 위해 동으로 된 포물경을 사용하였다. 중국의 태양에너지 응용은 1971년까지 바뀌지 않았고 PV의 첫 응용은 중국과학자에 의해 인공위성의 전력공급에 활용되었다. PV는 1973년 최초로 경작지에 활용되었고 30년간 직간접적인 태양에너지 활용이 있었다.
′태양온수기, 물 펌프, 가로등, 태양가열건물, 태양냉장고, 공조기 및 PV발전기′의 개발로 태양에너지의 점유율은 급속히 증가하였다. 중국에서 대부분의 태양에너지는 ′태양온수기와 태양온실′로 사용되었으며 지속적인 태양에너지의 활용으로 최근 십여 년간 커다란 환경적, 경제적 이익을 거두었다.
태양에너지의 활용은 두 가지로 나뉘는데 하나는 열의 응용으로 직접 또는 간접적으로 활용된다. ′태양에너지 난로, 태양에너지집, 태양에너지 온실′은 직접 태양열을 활용하는 경우이다. 간접적인 활용은 ′집열기를 사용한 태양에너지건조(SED), 산업용 태양에너지 가열(SEC), 산업용 태양에너지냉각(SER), 태양에너지 열발전(SEHGE)′이다.
다른 경우는 PV전력발생으로 태양전지로 전기를 발전하는 것이다. ′우주용, 해양항법보조, 무선통신, 휴대용 전원, 부식방지, PV물 펌프 및 조명′등 중국엔 많은 활용사례가 있으며 다음에 기술되어있다.
태양열의 직접활용
태양에너지 온실(SEG)
중국에는 농부가 8억 명 이상이며 평균 경작지는 0.2ha 미만이며 옥수수를 경작할 경우 일반인의 연간소득은 200달러 이하다. 보통의 농부가 가족의 소득을 개선하기 위해서는 경작지 품종개량이 중요하다.
중국 시골에는 천 개 이상의 SEG가있으며 온실의 연간 경제효과는 1,000달러로 면적은 300m2 이하이다. 중국은 세계에서 가장 큰 개발국으로 중국사회의 산업화를 실현하기 위해서는 중국정부의 목표인 일반인의 생활수준을 개선하는 것이 중요하다. 농부의 소득은 도시민보다 낮지만 온실은 수많은 농부의 수입을 개선할 수 있으며 수천 톤의 녹색채소가 공급되어 도시민의 생활도 개선될 수 있다.
지금은 겨울에도 온실에서 녹색채소가 충분히 공급되어 일본, 한국, 러시아 등의 개발국으로 수출된다. 1980년대 일반인에게 ′흰 감자, 양배추′같은 겨울 음식 및 채소가 매우 부족하였고 녹색 채소값이 폭등하여 소수만이 공급받았다. 중국의 온실은 30년간 급증하여 일반인의 생활은 개선되고 농부의 소득은 개선되었다. 온실은 ′장미, 백합, 아젤리아′ 등 꽃과 묘목에 사용되었다.
일반인은 생활의 개선을 위해 생화를 구입하였고 생화는 선진국으로 수출되고 외화는 농부에게 지불되었다. SEG는 중국에 널리 사용되고 있는 태양에너지이다.
태양에너지 난로(SEH), 태양열건물(SHB)
문헌에 의하면 중국시골에서 ′볏짚, 화목, 석탄′의 소모비율은 88.8%~91.0%로 국가에너지소모량의 50%를 차지한다. 따라서 수천 그루 나무가 벌채되고 수천 톤의 볏짚이 태워져 대기 및 생태계가 크게 오염된다. 이를 개선하기 위해서는 ′천연가스, 태양, 풍력′등 대체에너지를 찾는 것이 중요하다. 지금까지 SHE는 오지에서 요리에 사용되었는데 태양초점으로 가열하는 것이다. SHE는 연간 1톤의 볏짚을 처리하는데 단면적은 2m2이다. 2002년까지 누적SHE는 30만m2으로 열효율은 50%이다.
현재 직접태양가열은 SHB에 적용되어있는데 중국 북쪽에는 6억 명이 살고 있으며 겨울에는 난방이 5개월 이상 필요하다. 통계자료에 의하면 1m2의 건물은 30~40Kg의 석탄이 실온유지에 필요하고 보일러에 의해 공급되며 수백만 톤의 석탄이 연소되어 공기로 수백만 톤의 CO2, SO2, NOx와 같은 가스가 배출된다. 중앙정부는 북쪽에 천여개의 태양온실을 만들었다.
면적은 200년까지 천만 m2였으며 1m2당 20Kg의 석탄이 절약되었다. 결론적으로 SHB는 상당량의 화석연료를 절약하고 배기가스가 없어 SEH, SHB는 전망이 밝지만 그 수가 적어 아직까지는 환경적인 효과 또한 매우 작다.
태양열의 간접활용
태양 온수기(SWH)
중국정부와 국민은 태양에너지가 전기에너지 요구에서 중요한 역할을 할 것임을 알았다. 가장 유망한 간접식 활용은 태양열 온수기로 중국 각 지역에서 활용되고 있으며 2005년 태양온수기의 총량은 세계의 77.3% 이고 중국은 세계 최대의 태양온수기 생산-판매-보유국가가 되었다. 2006년 누적면적은 1억m2으로 증가된 면적은 2천만m2이다. (그림 4)는 지난 10년간 SWH의 총 보유량과 연간생산량을 백만m2단위로 표현하였으며 자료는 CDIC에 근거하였다.
그림 4. SWH의 년간생산 및 누적 보유량(출처:CDIC, 2006)
중국 대도시의 온수기보유율은 2007년 현재 70% 이상이며 SWH 점유율은 1%로 시골보다는 도시에서 주로 사용된다. 예를 들어 어떤 마을은 검은 상자탱크(BWT)로 태양열을 사용하여 여름에 20시에서 22시까지만 사용할 수 있다. 가스와 전기온수기가 많은 도시에서 사용되는데 주된 이유는 일반인에게 SWH가 고가이기 때문이다. 중국에서 BWT는 50달러이고 가스온수기는 100달러, 태양온수기는 200달러이다.
개인적 의견으로는 중국에서 SWH는 친환경 청정 지속 가능성이 있으므로 개발가능성이 크고 가스나 전기온수기의 경우 최근 사고로 매년 20명 이상이 사망하는 등 안전하지 않다. 가까운 미래의 에너지가격 급등은 SWH의 경쟁력을 높이고 가스나 전기 온수기보다 유행하고 도시인은 친환경성 및 편리함으로 SWH을 사용할 것이다. 중국정부는 SWH를 권장하여 2010년 1.5억m2를 조성하였다. 한마디로 중국의 SWH 미래는 밝다.
SED, SER, SEHGE
수천년 전 조상은 태양에너지를 이용하여 음식과 의복을 건조하였으며 가장 널리 알려지고 수세기 동안 인간역사에서 쓰여진 태양에너지 사용방법이다. 오늘날까지 중국에서는 가을이 되면 수십억 톤의 옥수수가 길이나 지붕 등 태양에너지를 쓸 수 있는 모든 곳에서 건조된다. 그러나 직접 활용하는 경우 ′저효율, 장시간, 먼지, 불결함, 비나 곤충′으로 인해 옥수수의 품질에 악영향을 끼칠 수 있다. SED는 ′옥수수나 음식, 중국한약′을 건조하여 태양에너지의 효율을 증가시켰다.
중국 각지에서 ′음식, 나무, 공장과 중국한방약재′에 사용하는데 실례로 GuangDong지역에서는 ′중국대추, 건열매 또는 중국전통한방약재′의 건조에 187m2의 단일 SED가 사용되고 매일 2톤이 생산되며 수분은 40%에서 15%까지 감소하고 태양에너지의 효율은 60%에 달한다. Sichuan지역의 경우 콩깍지건조에 120m2 규모의 SED가 사용되어 매일 1톤이 생산된다. SEC는 공업생산물의 가열에 사용되어 에너지를 절감하는데 ′고기나 음식, 물′을 가열하는 음식산업에서 사용한다.
중국의 건축면적은 400억m2로 세계에서 제일 넓은데, 통계자료에 의하면 건물의 에너지낭비는 전체 에너지 낭비의 25%이다. 특히 여름에는 일부 산업생산이 일반인의 에어컨용 전력공급을 위해 멈추기도 하며 이의 경제손실은 10억 달러에 이른다. 다행히 중국 대부분지역은 태양에너지가 풍부하여 태양에너지 가열은 SER의 에너지로 사용된다.
지금은 전기에너지의 품질향상에 사용되는데 실례로 Shandong지역의 Rushan의 베이징 태양에너지대학원에서는 공원의 일부 에너지를 공급하고 있으며 Guang Dong지역의 중국과학원에 의해 커다란 공조기 및 온수 시스템이 설치되어 모든 건물에 연중 온수 및 냉방을 공급한다. SEHGH 이론은 석탄발전기와 유사하며 태양에너지는 온수 가열에 쓰인다. 그리고 고온 고압증기는 증기기관을 가동시키고 최종적으로 증기기관은 모터를 구동하여 전기에너지를 생산한다. 그러나 최초의 에너지는 전력생산 과정에 따라 다르다. ′
미국, 프랑스, 일본, 독일′ 등 선진국은 지난 30년간 많은 사례를 개발하였으나 중국에서 SEHGH의 사용사례는 적고 몇 개 대학과 대학원이 모의시험설비를 만들었으며 단대 기준 2KW 이하이다.
PV활용
첨단 PV응용은 중국 과학자에 의해 우주탐사용으로 사용되었는데 위성이나 우주선의 전력공급용으로 사용되는 PV는 매우 비싸고 위성에 사용되는 PV무게는 전체의 10~20%를, 가격은 전체의 10~30% 차지한다. 위성발사 비용을 줄이기 위해서 PV의 가격과 무게가 반드시 줄어야 한다. 경제 및 사회발전으로 PV는 다양한 영역에서 사용되고 있다.
해양항해보조는 선박의 항로결정에 중요한데 만약 시스템의 부하가 충분히 작고 효율이 충분히 높아서 PV 전력으로 작동된다면 기술개발에 따라 가격은 감소된다. 지금은 외지에서 통신용이나 가정용 전력공급기와 산화방지 및 응용제품에 사용되고 있으며 중국에서 사용되는 실례들이 이후로 소개된다.
도시 가로등
중국의 수백개 도시에서 천만 개 이상의 가로등이 있고 년간 도시가로등 시스템의 전체량은 10억개 이상이고 전기 공급을 위해 10억달러 이상 소요되므로 중국정부의 부담이 되고있다. 막대한 1차 에너지가 소모되고 석탄 폐기물은 2백만톤 이상으로 CO2, SO2, NOx가 배출되며 버려진 오염물은 환경과 물과 대기를 오염시킨다.
다행히 중국중앙정부와 지방정부 및 일반인의 문제인식으로 몇몇 지방정부는 태양에너지를 도시의 ′가로등, 공공장소 및 조경등′에 응용하여 생활환경을 개선하였다. 태양광 가로등이 경쟁력 있으며 잘 쓰이고 있어 점점 많은 도시에서 기존의 가로등을 대체하고 있는데 Binzhou에서 3,000개 이상 사용되고 있고 linan, Zhejiang 에서는 모든 가로등이 태양광 가로등으로 교체되었다.
Hangzhou의 기존 가로등의 연간 전력비가 300만RMB이었는데 태양광 가로등 교체 후 3년 내 비용이 회수되었고 향후 남은 기간동안 경제적, 환경적 이익은 막대하다. 또 다른 가로등 시스템이 생활개선을 위해 사용되었는데 ′경기장용, 잔디용, 공공용′으로 주거와 삶의 질을 향상시켜 경제 및 환경개선에 기여하고 있다.
2006년 Shitai 도로의 조명에 태양가로등을 사용하여 3백만RMB를 투자하여 지난해대비 13%의 교통흐름이 개선되었고 교통사고도 50건에서 25건으로 감소되어 경제적 손실이 2백만RMB에서 12,000RMB로 감소되고 사상자도 41명에서 25명으로 감소되었다. Xiamen의 공원에 공용조명으로 200개가 사용되고 yangzhong의 외진 마을에도 태양광가로등이 설치되었다. 위와 같이 태양광가로등은 중국미래의 지속성장에 막대한 영향이 있다.
태양 물 펌프
′Tibet이나 Shinkiang, Qinghai, Shanxi, Gansu, Sichan′을 포함한 중국의 서쪽지역은 개발이 더딘 지역으로 경제 및 생태계가 열악하고 면적은 4백만 km2, 인구는 2억 명으로 풍부한 지하자원이 있다. 중국북서쪽의 ′물 부족 및 사막′의 면적은 2007년 기준 130만Km2으로 2001년 중국산림청 자료기준으로 매년 2,000Km2이 증가하고 있다. 일례로 중국 북서부의 Sinkiang지방은 160만Km2으로 천연자원이 풍부하지만 중심부는 33만Km2의 Takelamagan사막으로 나뉘어있다.
다행히 중국정부와 지방정부가 사막면적증가에 대처하기 위한 환경 및 생태계개선을 진행하였다. 사막의 지하수는 중국 북서부에 풍부하여 사막화를 막을가능성이있는데 전기를 사용하여 물 펌프로 지하수를 끌어 올렸다. 사막은 환경과 생태계가 거칠고 전력공급이 어렵고 교통도 불편하지만 북서부의 일조량이 커서 태양물펌프는 사막을 개간하고 관개지역을 넓히는데 유용하다.
북서부의 생태계 및 교통개선에도 사용되어 ′사막도로, 오아시스 보호 및 사막화방지′ 등에 적용되었다. Talimu 사막길은 1995년 Xinjiang지역의 남북을 연결하는데 550Km에 이른다. 지금은 지난 20년간 5개의 사막도로가 놓였다. 중국북서부의 외진마을에 태양물펌프가 사용된경우를 보자. 중국의 잔디는 4억 ha이상으로 개간되는 곳은 1억 2백만 ha이다.
중국 북서부는 강우량이 작아 환경과 생태계가 거친데 지난 50년간 사막이 증가되어 2007년 전체 사막면적은 130만Km2이상이다. 관개를 위한 물 펌프의 사용은 현지인들이 환경개선을 위해 사용하고 있는데 북서부의 경제사정이 좋지 않아 디젤펌프 비용을 감당하지 못하고 디젤기름은 환경을 파괴한다.
달리 말하면 태양물펌프가 지역 생태계 개선에 희망을 주고 있다. 불행히 태양물펌프는 디젤물펌프보다 비싸지만 다행히 중앙 및 지방정부는 태양물펌프의 대중화에 지원하고 있다. Neimenggu 지방의 실례를 보면, Nashun이라는 사람은 5.3ha의 목초지를 가지고 있는데 ′우물, PV, 물 펌프, 변환기, 분무기의 시스템′을 갖추고 있고 PV와 펌프의 용량은 각각 3KW, 500W/24V로 1999년 6만 달러를 투자하였다.
태양물펌프를 사용하는 가족은 370가구 이상이다. 중국에서 태양물펌프의 관개지역은 2003년 기준 534ha이고 2010 목표는 392,000ha이며 이에 필요한 PV는 261MW이다, 중국에서 태양물펌프의 미래는 밝다.
분산발전
대규모의 분산망이 지난 30년간 중국정부에 의해 진행되어 2007년 누적 총전기에너지는 7.13억 KW에 달한다. 현대인은 전기에 점점 더 의존적이므로 잠재적인 위험이 존재한다. 만일 전력 망에서 사고가 발생하여 전기공급이 중단되면 수백만 시민의 일상에 영향을 주고 예측 불가능한 사고들은 공장생산과 사회활동을 멈추게할 수 있다.
일례로 2003년 미국북서부와 캐나다 동부의 전력망 사고로 전력공급이 중단되고 5천만 명이 피해를 입고 300억 달러이상의 경제손실이 발생하였다. 따라서 신뢰성 있는 전력공급을 확보하여야 불의의 사고를 미연에 방지할 수 있다. 다행히 태양에너지는 자연재해 및 사고의 영향이 적고 태양분산발전은 전력공급이 가능하다. 생활이 향상되면서 더 많은 사람들과 중국정부는 분산전력의 중요성을 인식하고 전력공급의 보안성을 향상시키고 있다.
일례로 백만 명의 축산업자가 중국 북서부지역에서 가축들과 함께 계절별로 이동한다. 목초지역은 주 전력선으로부터 매우 멀어 작은 발전기로 전기를 얻고 있어 분산발전이 에너지 안보와 삶의 질을 향상시키는데 중요함을 알 수 있다. 중국 북서부의 외진마을에서 이동식 전력공급기, 지역 전력공급 및 무인 변전소 등이 생활을 향상시키고 있다.
분산발전은 중국 국가안보에 사용되는데 중국은 5,000개 이상의 섬이 3백만Km2에 분포하고 대부분의 섬에 PLA가 주둔하고 있다. 수천 명의 PLA 주둔군이 섬에서 해안경비와 순찰을 하는데 섬이 매우 작고 물도 없고 연료도 부족하여 생활 여건은 매우 불리하다. 다행히 섬의 태양 및 풍력은 풍부하여 PLA와 섬 거주자의 생활 향상에 분산발전이 최선의 방법이다.
그리고 해수를 탈염하여 음용수를 공급하고 ′레이더, 컴퓨터, 미사일′ 같은 수천 개의 군 장비에 전력을 공급한다. 중국의 티벳에있는 ′무인변전소와 철도역′들도 좋은 예인데, 2006년 1월 Qing-Zang철도는 수천 명의 인부가 Qinghaidml xining에서 Tibet의 Lhasa까지 어려운 여건과 추위 속에서 1,956Km를 작업했다.
계통 연계 형 PV발전(GPG)
그림 5. 세계 GPG점유율 증가
지금 계통 연계 형 PV발전은 최근 10년간 선진국에서 검토되고 있는데 (그림 5)는 세계 GPG의 점유율을 나타낸다. GPG는 전체 PV생산에서 비교적 점유율이 큰 편으로 미래성장이 유망하다. 표 1의 자료에 의하면 중국의 GPG 개발은 매우 느리고 지난 30년간 시장 점유율도 0.3%인데 가장 큰 이유는 비싼 PV가격으로 현재는 0.6달러 수준인데, 일반 화석연료인 0.5RMB보다 매우 비싸다.
다행히 중국정부는 문제를 인식하여 개발자 의욕을 격려하고자 PV전력 생산분을 발전회사가 고가에 매입하는 장려정책을 수립하였다. 2007년 중국 북서부의 사막지역은 130만Km2인데 전체 PV의 설치용량은 100MW/Km2으로 1%사막에 PV를 설치하면 13,000GW에 달한다.
달리 말하면 지금의 총 누적 전력량과 비교하여도 두 배인 것이다. PGEP 기술개발과 가격하락으로 대규모의 사막용 PGEP의 전망은 밝으며 현재 사막 서부에는 3개의 PV발전소가 20MW 수준이나 2020년까지 200MW을 목표로 한다. Tibet에 세워진 YangBajin 사막 PGEP는 100KW이다.
중국의 건축면적은 400억m2이상으로 지붕면적은 40억m2이상, 남향 벽면은 50억m2이상으로 전체 490억 m2을 활용할 수 있다.
건축물에 적용된 PV면적이 20% 수준일 경우에 100GW에 달한다. Baoding에 있는 태양에너지 시범도시와 Shenzhen의 국제 꽃 정원, Beijing의 올림픽체육관에 건축용 PGEP가 적용되었다. 다행히 GPG는 중앙정부와 몇몇 기구에서 관여하여 중국최대 GPG가 Gansu지방의 Dunhuang에 설치되어 전체 용량은 10MW이며 투자금액이 7천 3백만 달러, PV면적은 백만m2으로 매년 누적 발전량은 천 6백만 KWh이다.
Dunhuang시에서 13Km떨어져 전송거리가 짧아 시민에게 청정에너지를 공급하고 있다. 에너지구조 개선사례로 상하이 내의 Chongming섬 프로젝트는 1MW, Neimenggu 지역의 Eerduosi는 255KW가 있다. 중국의 GPG는 중국정부와 일반인의 관심이 증가하고 있어 미래가 밝다.
풍력-태양 복합발전
중국 중앙 및 지방정부가 300개 이상의 독립형 재생-지속가능변전소를 세웠는데 ′PV발전, 풍력발전, 소수력발전′ 등이다. 특히 PV발전은 외진곳의 주민 생활향상에 기여하여 가족 소득을 증가시키고 있다. 독립형 PV 전력생산의 출력은 기후 조건이 바뀜에 따라 예측 불가능한 단점이 있다. 다행히 ′풍력-디젤, 디젤-태양, 풍력-태양등의 하이브리드화′로 개선할 수 있다.
중국은 대륙의 풍부한 바람이 있어 중국 북서부와 해안지대가 최적이며 태양과 풍력의 상호보완이 매우 좋으므로 예측 불가능한 기후 조건에서도 전력품질과 발전효율이 향상되었다.
풍력-태양광 하이브리드 응용이 중앙정부와 일반인에 의해 사용되었는데 어느 지방에서는 도시조명을 풍력-태양광 가로등으로 바꾸고 원거리 촌락에는 풍력-태양광 혼합분산발전을 사용하였다. 아직 태양과-풍력 가로등은 기존제품보다 점유율이 적은데 가격이 비싸기 때문이다. 기존 가로등은 2,200달러이나 풍력-태양하이브리드는 4,000달러이다. 기술발전으로 가격은 하락되고 전망은 밝다.
PV(태양광발전) 기술
에너지가격의 급상승으로 태양에너지의 응용은 가속화되었으며 PV사용은 환경 및 경제적 효과를 나타내고있으며 중앙정부의 장려정책이 수립되고 전체 국가에 적용되었다. 수백 개의 제조업체가 지난 5년간 수백만 개의 PV제품을 생산하였으나 PV시스템의 개발은 몇가지 문제가있다.
첫째, 최대전력추적(MPPT)제어방식이 최대출력을 위해 중요하다는 것이다. 제어방법 별 출력효율이 다르고 PID 변수가 바뀌면 다른 결과가 나온다. 현재의 PID 제어기를 개선하기 위해서는 Nerve Network, Immune and Robust와 같은 Fuzzy 인공지능제어가 필요하다.
둘째, 효율적인 MPPT 논리는 PV시스템의 출력을 증가시키는데 중요하다. 문헌에 다양한 MPPT 논리나 제어방식이 제안되었으나 MPPT 논리의 효율은 낮은 편이다. PGEP의 가격은 효율적인 MPPT논리를 구하기 어려워 매우 비싸다.
셋째, DC/DC회로 위상기하학(topology)는 PV의 최대 출력점을 추적할 수 있다. 상용화된 ′Buck, Boost, Bust-Boost회로′는 PV의 MPP를 획득하는데 사용될 수 있으나 MPP 경로를 추적하는 동안에는 효율이 낮아 현대 converter의 효율은 90%이하이고 PV의 가격이 높아서 손실이 현저하다. PV에서 최대전력을 만들기 위해서는 계통연계형 기술과 위상기하학(topology)가 필요한데 현재 풍력에 사용되는 Matrix converter를 PV에 적용하는 것들이다.
넷째, 축전지의 충-방전관리도 고려하여야 하여 충-방전용량을 향상시켜야 한다. 몇몇 문헌에 ′정전압, 정전류 및 혼합협, 삼단계, 2중충전, 지능충전′과 같은 충전방법이 나와있다. 대부분 전문가들은 충전방법만 고려하고 방전 관련연구는 무시되며 몇몇 문헌에 ′간헐충전 및 단시간 대전류방전′이 소개되어있다.
다섯째, 동일 지역 조건에서도 다른 출력효율을 나타내므로 PV 물질을 고려해야 하며 핵심적인 사항은 ′PV의 가격과 PGEP의 전기단가′를 낮추는 것이다. 불행히 현재의 PV 가격은 높고 출력효율은 낮으며 저가의 PV를 얻기 위해서는 물질을 개발해야 한다. PV발전에 대한 많은 MPPT 논리와 제어방식이 문헌에 나와 있는데, 비용절감 효과가 있는 일단계 조정방식의 경우 MPPT 장치가 순환제어와 결합되어 비용절감형 일단계 inverter가 제안되어있다.
MPPT를 switching frequency modulation scheme을 사용한 경우도 있다. 최고점을 찾는 방법은 사인섭동(sinusoida perturbation)신호를 converter의 switching 주파수에 보내어 교류소자와 패널의 단자전압의 평균값을 비교하는 것이다. 선형방법은 MPP추적의 독창적인 방법으로 패널의 온도가 변하면 예상경로의 비례변수가 hill-climbing 방법으로 자동 보정된다.
Fuzzy 방식은 태양전지의 비선형특성에 적용되며 ′재생에너지원과 에너지저장의 구성 시 자율 전력망의 적분전력 생산단가 분석′과 ′에너지 저장시스템의 기본 변수와 생산단가 평가모델′과 같은 핵심기술과 다음의 두 가지의 대표사례가 문헌상 분석되어 있다.
′태양조사 모델 및 온도기후 영역′이 문헌에 나와 있는데 ′회귀분석과 인공신경망′을 사용하여 ′중국내 광역 일일 태양조사 및 다른 기후에서 태양조사시간′을 조사하였다. 최적 축전지크기는 재생에너지에서 중요한데 투자금액과 수명을 결정한다. 문헌에서는 축전지-디젤발전기 일체형으로 하여 에너지단가가 최소인 최적시스템을 조합하였다.
풍력-태양-축전지 하이브리드 시스템의 최적화가 문서에 소개되어 ′풍력발전기, 태양판넬, 축전지의 크기′와 시스템 및 단가가 최적화되었다. 다수의 연구자에 의한 실제 PV 발전사례가 있는데 ′PV 에너지 손실시험연구와 태양열 혼합시스템′ 등이 있다. 위에 언급된 바와 같이 다양한 문헌에서 ′MPPT논리 및 제어방법′이 제안되었으나 아직 효과적인 MPP 추적은 어렵다. 효과적인 MPPT가 발견된다면 PV산업은 급성장하여 PGEP의 대중화는 머지않아 가속화될 것이다.
중국의 재생에너지 정책
지난 10년간 중국 정부가 재생에너지 정책을 검토하여 중국신재생에너지법이 2005년 2월 28일 제정되었다. 미래의 지속성장을 이룩하기 위하여 중국정부는 일련의 정책 및 법규를 제정하여 재생에너지활용을 장려하였으며 다음과 같은 항목들이다.
- PV전력은 발전사가 구매하며 망 연결을 지원한다.
- 매전단가를 높여 태양에너지개발을 장려하고 투자가의 이익을 보장한다.
- 재생자원산업에 특혜를 준다.
- 재생에너지원 분산발전을 장려하여 전력 미공급 지역의 전력공급을 개선하고 초기투자 및 유지보수는 중앙정부가 지원한다.
- 최종수요가가 PV로 발전된 전력을 사용하더라도 단가는 상용발전과 같도록 한다.
위와 같이 중국 정부는 비합리적인 에너지구조를 개선하기 위하여 검토하고 있으며 더욱 많은 장려책이 나올 것이다. 최대 PV발전소인 Gansu 지방의 Dunhuang GPG는 25년간 정부가 경영하는 등 중국의 재생에너지 전망은 밝다.
장애요인
지금 중국 PV산업의 발전은 빠르고 일반인과 정부의 관심이 증가하고 기술은 발전하고 있지만 ′정책 및 금융, 시장, 기술장벽′이 중국 PV산업의 급성장에 장애요인이다.
첫째로 중앙 정부의 장려책은 지방정부에 정착이 어려운데 이는 이익보장이 어렵기 때문이다. 재생에너지의 발전에 대한 실제 활동은 매우 미미한데, 중국 30개 지방이 있고 지방마다 천연자원이 달라 각기 다른 재생에너지를 추구한다. 일례로 서쪽과 북쪽지방은 지하자원이 풍부하여 재생자원탐구가 약하고 동쪽과 남쪽은 지하자원이 부족하여 ′해풍, 태양에너지, 파력에너지′ 등 재생에너지에 대한 동기가 상대적으로 강하다.
정책이나 법규가 지방정부에 의해 거부될 수도 있다. 최근 서쪽과 북쪽지방은 기형적 에너지 구조가 지역 환경오염을 일으켜 경제사회의 지속발전을 불가능하게 하여 동기가 증가하고 있다.
둘째로 PV산업의 개발은 비용이 많이 들고 PV가격이 비싸므로 일반인은 감당할 수 없다. 현재 전기단가는 0.5RMB이지만 PV전기단가는 5RMB로 PV산업의 지속성장을 위해서 정부의 금융지원이 필수적이라는 것이다. 커다란 연계형 PV발전소가 북서부의 사막 지역에 세워져야 하고 막대한 정부투자가 필요하다. 최대 GPG가 Gansu지방의 Dunhuang에 세워졌다.
다결정 실리콘의 단가가 Kg당 500에서 100달러로 감소되어 전기 단가는 0.1 달러이다. 지방정부는 지역생태계 개선과 미래발전을 위해 수십억 달러를 투자하고 있으며 최근 5년간 중앙 정부는 1,500억 달러를, 사설자본은 수십억 달러 투자하고 있다. 미래에 자본은 장벽이 되지 않을 것이다.
셋째로 표 1에서 중국의 PV응용시장이 작음을 볼 수 있고 작은 지역시장은 PV생산량을 소화할 수 없는데 2008년 PV총생산은 2,000MW이지만 지역 소비량은 매우 작아 지난 10년간 10MW이하이다. 고비용이 주요인으로 일반인의 구매력을 상회하고 있으며 특히 계통연계형 PV발전은 중앙이나 지방정부에서 고려하지 않고 있다.
다른 이유는 ′PV 독서등이나 PV충전기, PV선풍기′ 등 우수한 응용상품이 없다는 것이다. 마지막으로 PV기술이 ′정부 또는 전문가, 대학, 대학원′에서 논의되지 않고 기술투자가 충분하지 않아 핵심기술 개발이 불가능하다는 것이다. 재생에너지와 관련된 기술이 중국대학에 없고 재생에너지를 전공한 대학생도 없다. 재생에너지 인력이 회사나 조직에서 양성되지 않고 있다.
중국의 태양에너지 전망
현재 전체 전력 중 PV발전의 점유율은 작으나 유럽의 joint연구소(JRC)의 예상에 의하면 기존 에너지 가격의 증가는 세계의 에너지 구조를 바꾸고 2030년에는 30%의 에너지공급이 재생자원으로 공급되고 PV는 10%를 점유할 것으로 예측하였다. 2040년에는 전체에너지의 50%를, PV는 20%를 차지하고 21세기 말에는 전체에너지의 80%, PV는 60%를 차지할 것이다. (그림 6)은 전체 에너지 구조에서 재생에너지의 변화를 보여준다.
그림 6. 전체 에너지 구조 중 재생에너지의 전망
언급된 바와 같이 중국의 에너지 충격은 더 심각한데 경제 사회의 지속성장을 위한 충격완화를 위해서는 전체 에너지 공급량에서 PV발전비율을 키워야 한다. 현재는 중국의 PV발전은 0%이나 정부의 PV발전 중요성 인식으로 2006년부터 2020년까지 중국재생자원탐사 전략 프로그램에서 중요 과제가 되었다.
CDIC 자료에 의하면 2020년 재생에너지 개발목표는: 수력 3억kW, 풍력: 30GW, 태양광 PV발전 1.8GW, 바이오 에너지 30GW, 태양온수기 3억m2, 바이오연료 150억 리터이다. 2050년에는 재생에너지는 전체에너지공급의 25%, PV발전은 5%로 100GW를 목표로 한다. 그림 2는 미래의 재생에너지 계획과 예측인데 수력과 전기는 제외되었다. (표 2)와같이 PV의 전망은 밝고 재생자원의 개발속도는 빠르다.
표 2. 중국 미래의 재생에너지 예측과 계획
결론 및 제언
본 자료는 중국에서 PV의 ′분포 및 개발, 응용, 전망′을 나타내었다. 미래 에너지 부족과 중국경제의 급증한 에너지수요를 해결하기 위하여 장려정책이 중앙과 지방정부에서 수립되었으며 PV 가격하락으로 PV 활용과 생산이 조만간 급속히 증가될 것이다.
결과적으로 지속가능한 성장을 이룩하기 위해서는 중앙 및 지방정부에서 태양에너지를 관리하여야 한다. 게다가 일반인의 구매력은 중국이 발전됨에 따라 증가할 것이며 재생 에너지생산의 급속한 수요증가를 유도할 것이며 확실히 PV 생산단가는 기술개발로 감소될 것이다.
태양에너지 자원은 넓은 대륙에 풍부하고 가장 최적의 효율은 태양온수기로 수백만 명이 사용하고 있으며 세계 점유율도 1등이다. 중국 촌락에서 태양에너지의 최적 활용은 온실로 중국 수천개 촌락에서 사용되고 있으며 경제적 이득은 100억 달러로 수백만 농민이 SEG의 사용혜택을 보고 있다.
또 다른 PV생산품으로 ′독립형 태양조명과 복합형 조명′이 수백개의 도시에서 가로등으로 사용되고 있다. ′분산발전과 물펌프′는 외진촌락에서 전력을 공급하고 있으며 PV제품이 시장에 나오면서 단가는 낮아져 일반인에게 대중화 되고 있어 미래중국에서 태양에너지의 위치가 중요할 것으로 예측된다.
중국 중앙정부는 부적절한 에너지 구조를 개선과 지속 가능한 개발을 위해 장려책과 법을 제정하였다. ′정책 및 경제, 기술 및 시장장벽′은 존재하나 이를 극복하기 위해 중앙 및 지방정부의 금융지원이 필요하다. 다음은 특별히 필요한 부분이다.
1) 태양에너지의 응용은 중앙 및 지방정부의 장려정책으로 지원되고 있으나 정부의 지원에 따라 PV생산경쟁력이 강화될 것이다. PV의 개발자금을 증가시켜 ′회로기술, MPPT 제어방법, 계통연계′ 등 핵심기술을 확보하여야 한다. 정부에 의한 세금완화 및 감면으로 기업의 관심을 끌어 정부정책에 의해 PV시장을 키워야 한다. 정부는 투자자의 이익을 보증하고 가까운 시일 내에 정부자금이 투자되어 광대한 전력 공급 사업이 에너지구조 개선을 위해 진행되어야 한다. 일례로 사막 계통 연계형 발전소가 만들어져야 하는데 일반 투자가나 기관은 대규모 자금을 공급할 수 없어 정부투자가 필수적이다.
2) 풍부한 자금과 인력이 PV의 연구에 투입되어 대학이나 대학원의 태양에너지 연구가 이루어져야 한다. 기업과 대학의 협력은 연구결과 향상을 위해 증진되어야 한다. 대학에서는 기업에 능력을 구비한 학생을 충분히 보내기위해 훈련시켜야 한다. 자국의 기술개발 향상을 위해 국제 협력이 정부에 의해 촉진되어야 한다.
3) 경제적 이익을 증가시키기 위해 PV산업을 계열화하여야 한다. 실리콘 재료와 핵심기술의 부족이 해결되어야 한다. PV제품의 수량을 소화하기 위하여 PV시장이 확대되어야 한다. 인증 및 검사기관의 국제조직과의 연계가 부족하며 산업계의 표준화가 필요하다.
참고문헌
- Solar energy development in china-A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14, Li-qun Liu, 2010
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