[테크월드뉴스=김승훈 기자] 영국의 에너지 전문 싱크탱크 엠버(Ember)에 따르면 지난해 사상 처음으로 이산화탄소와 메탄 등이 발생하지 않는 신재생에너지가 세계 전력 생산의 30% 이상을 차지한 것으로 나타났다. 2000년에는 18.7%에 불과했으나 이제 캐나다 전체에서 소비되는 전력량을 충족시킬 정도가 된 것이다.

이는 태양광 발전과 풍력 발전의 설치가 빠르게 증가한 덕분이다. 특히, 태양광은 19년 연속 세계에서 가장 빠르게 성장하는 전력 공급원으로 자리 잡으며 지난 해에는 석탄보다 2배 많은 신규 전력을 공급했다.

신재생에너지 선도 국가는 중국이었다. 중국은 지난해 전 세계 신규 태양광 발전의 51%를 차지했고, 풍력 발전의 60%를 점유한 것으로 집계됐다. 중국을 비롯하여 유럽연합(EU), 미국, 브라질이 전 세계 태양광 발전에서 차지한 비율은 81%를 기록했다.

반면 한국의 신재생에너지 비중은 9%로 주요 국가 가운데 최하위 수준을 보였다. 지난해 한국의 태양광 발전은 전체 전력 생산량의 5%도 되지 않았다.

수치만 보면 처참한 수준이지만 다행인 것은 태양광이나 풍력 발전을 위한 기술은 국내 기업들이 이미 보유하고 있다는 점이다.

▶ 중국이 장악한 태양광 시장, 탠덤 셀이 게임체인저

태양광은 한 번 설치하면 25년 이상 장기간 운영할 수 있고 다른 발전 자원들과 비교했을 때 상대적으로 유지·보수 비용이 적게 든다. 기존의 석유나 천연가스 등은 국제정세가 불안정해지면 가격이 치솟아 경제에 미치는 영향이 컸으나 태양광은 그런 면에서 에너지 안보에도 도움이 된다.

현재 태양광 분야 절대 강자는 중국이다. 미국 국립재생에너지연구소(NREL)에 따르면 세계 태양광 상위 10개 회사 중 8개가 중국 기업이며, 1위 통웨이부터 5위 진코까지 모두 중국 회사다.

이는 소위 연구개발(R&D)에 돈을 쏟아 부은 덕분이다. 세계 4위 태양광 모듈제조업체인 론지솔라의 경우 연간 R&D 비용이 1조 3천억 원이다. 우리 정부의 신재생에너지핵심기술개발사업 예산(3217억 원)의 4배가 넘는 수준이다.

2년여 전만 해도 한국과 중국의 태양광 기술 수준은 엇비슷했으나 지금은 원자재 기술부터 셀, 모듈 기술까지 모두 중국이 한국을 앞서고 있다는 것이 업계의 진단이다.

이미 격차가 벌어져 있지만 그럼에도 불구하고 한화큐셀, 에스케이솔라에너지, HD현대에너지솔루션 등 국내 기업들은 기술개발에 집중하면서 경쟁력을 높이고 있다. 

특히, 중국과의 경쟁에서 다시 한발 앞서 나가기 위한 카드로 차세대 태양전지 탠덤 셀 개발에 박차를 가하고 있다.

탠덤 셀은 기존 실리콘 셀 위에 페로브스카이트 셀을 적층한 형태의 제품이다. 상부에 자리한 페로브스카이트 부분에서 단파장 빛을 흡수하고 하부의 실리콘 태양광 셀에서 장파장 빛을 추가로 흡수할 수 있어 실리콘만 사용하는 태양전지보다 발전 효율이 1.5배가량 높아 태양광 산업의 판도를 바꿀 게임 체인저로 평가 받고 있다. 

한화큐셀은 충북 진천 공장에 1365억원을 투자해 탠덤 셀 양산을 위한 파일럿 설비를 구축했으며, 올해 하반기부터 시험 가동에 돌입할 예정이다.

HD현대에너지솔루션도 한국화학연구원 등과 함께 페로브스카이트 층을 적용한 고효율 탠덤 태양전지 개발을 진행 중이며, 한전은 투명하고 경량화된 페로브스카이트 전지를 연구하고 있다. 유리 창호에 적용할 수 있는 수준을 만들어 에너지 생산 효율을 높이겠다는 계획이다.

▶ 영농형·건물일체형 등 신기술 개발도 활발

국내 태양광 확대를 위한 신기술 개발도 활발히 이뤄지고 있다. 산지가 많은 지형적 특성 탓에 태양광 비중을 늘리기 어렵다는 지적이 나오자 영농형, 건물일체형 등 유휴부지를 활용하는 방식을 택하고 있는 것.

영농형태양광은 광포화점(식물이 광합성을 할 수 있는 최대 광량)을 초과하는 잉여 태양빛을 전력 생산에 사용하는 솔라 쉐어링 원리에서 착안한 방식이다. 농지에 농사 대신 태양광 패널을 설치하던 기존 농지형 태양광과는 달리 영농형 태양광은 패널 밑에서도 작물을 키울 수 있어 그야말로 일석이조의 효과를 거두고 있다.

한화큐셀은 2016년부터 여러 차례 영농형태양광 시범사업을 거치며 경제성과 실현가능성을 갖추고 있음을 보여줬다.

지난해 영남대학교 내 실증단지에 100킬로와트(kW) 규모 영농형태양광 설비에서는 총 130메가와트시(MWh)의 전기가 생산됐다. 이는 연간 140여명이 사용할 수 있는 양으로 판매시 약 3000만원의 수익을 얻을 수 있을 것으로 추산된다. 농작물 수확량은 일반 농지 대비 약 80% 수준으로 줄었지만 전력 생산으로 농지 생산성은 크게 늘어난다는 설명이다.

도시 구조물을 활용한 건물 일체형 태양광(BIPV)으로 전력을 생산하기 위한 시도도 진행되고 있다. 건물 일체형 태양광은 국토면적이 좁고 고층건물이 많은 국내 환경에 적합한 기술로 손꼽히고 있다.

한화큐셀은 건물 외장재에 패널을 삽입한 건물 일체형 모델과 도로의 방음벽 벽면에 태양광 모듈을 부착하는 등 다양한 방식으로 상용화를 준비하고 있다.

스타트업 가운데는 에스케이솔라에너지가 건물일체형 태양광(BIPV) 모듈 기술 고도화에 앞장서고 있다. 디자인형 BIPV, 미디어파사드 BIPV, 태양광루버 등 다양한 제품을 개발 중이며, 태양광 시스템의 화재 및 감전사고를 사전에 예방할 수 있는 고장진단기술도 갖추고 있다.

특히, 이 회사의 고효율 BIPV 기술은 건물 외장재의 심미성을 고려해 기존의 검은색뿐만 아니라 다양한 색상과 패턴을 구현할 수 있으며, 동시에 전기생산 효율성도 기존 대비 7% 이상 높인 것이 특징이다.

▶ 글로벌 1위 조선업 및 철강, 해상 풍력 발전 버팀목

최근 풍력발전이 급성장하고 있는 것은 해상 풍력 발전이 빠르게 확산되고 있기 때문이다.

해상 풍력 발전은 바다나 호수에 풍력 터빈을 설치하는 방식으로 육상 풍력 발전에 비해 소음, 경관 훼손 및 생태계 파괴 등의 문제가 적은데다 바람의 양도 육지 보다 많아 전력 생산에도 유리하다.

국제재생에너지기구(IRENA)에 따르면 글로벌 해상풍력 용량은 2020년 34기가와트(GW)에서 2030년 228GW로 성장할 전망이다. 2050년에는 1000GW까지 확대될 것이라는 이야기도 나온다.

우리 정부도 제10차 전력수급기본계획을 바탕으로 2030년까지 설비용량 14.3GW의 해상풍력 발전시설을 국내에 보급하는 것을 목표로 하고 있다.

해상 풍력 발전에서 국내 기업이 실력 발휘를 할 수 있는 분야는 풍력 발전기를 굳건히 지탱해 줄 해상풍력 구조물이다. 수십년간 조선업 강국의 지위를 지키면서 풍부한 해양플랜트 제작 경험을 갖추고 있기 때문이다. 현재 조선소의 구조 변경이나 대규모 설비 투자 없이 대형 구조물을 즉시 제작할 수 있다는 점도 경쟁력으로 작용한다.

국내 대형 조선사인 HD한국조선해양과 한화오션 등이 가장 적극적인 모습을 보이고 있는데 특히 한화오션은 해상풍력 밸류체인 구축을 추진하고 있다.

즉, 해상 풍력 발전기 설치부터 ▲해상 발전 ▲해상 변전 ▲해수의 담수화 ▲물과 전기를 이용한 수소 및 암모니아 생산 ▲수소 및 암모니아 운반선을 통한 이송 등 전반적인 생태계를 만들겠다는 것이다.

조선업계뿐만 아니라 국내 철강사들도 해상 풍력 발전의 핵심 소재인 특수 강재 개발에 성과를 내고 있다.

포스코가 개발한 EN-S355 제품은 풍력용 유럽 표준규격을 만족하면서도 가장 두꺼운 120mm 두께에서 항복강도 355메가파스칼(MPa)을 유지한다. 그러면서 기존 유럽 표준 규격재 대비 강재 중량 절감이 가능하다. 8메가와트(MW)급 이상의 풍력구조물에 포스코의 제품을 적용할 경우 강재 중량을 약 5% 낮출 수 있다.

▶ 대용량 풍력 터빈 기술 개발에는 시간 필요

이처럼 국내 기업들이 하부구조물과 타워 등에서 경쟁력을 갖고 있지만 풍력 발전의 가장 핵심인 터빈 분야에서는 좀처럼 해외 기업과의 격차를 좁히지 못하고 있다.

풍력 터빈은 용량이 클수록 발전단지의 상업성이 높아지는데 현재 세계 1위 베스타스를 비롯한 글로벌 기업들은 15MW(메가와트) 수준의 초대형 풍력터빈 기술을 갖고 있다. 반면, 국내 기업은 이제 10MW 터빈 개발을 시작한 상태다.

정부 주도로 지난 2022년 15MW 이상 풍력터빈 기술 개발 사업을 추진하려 했으나 당시만 해도 풍력 발전의 비중이 워낙 낮다보니 수익화가 어렵다는 이유로 기업들의 호응을 이끌어내지 못했다.

시작은 늦어졌지만 연내 해상풍력특별법이 통과된다면 상황이 달라질 것으로 보인다. 해상풍력 시장에 대한 투자가 늘어나고, 풍력 발전 수요에 맞추기 위한 터빈 개발 움직임도 본격화 될 수 있다는 기대다.

대형이 아닌 영역에서의 기회 발굴도 이어지고 있다. 소형 풍력터빈 분야에서는 에너윈코리아가 저풍속 발전형 고효율 풍력터빈(SAWT) 기술을 개발했다.

SAWT는 세계 최초로 대칭형 블레이드를 적용, 날개 뒤로 빠져나가는 바람을 최소화했다. 이를 통해 2~4m/s의 저풍속에서도 발전이 가능하고, 동일한 풍속에서 훨씬 높은 효율로 전기를 생산하기 때문에 기존 풍력발전기 대비 30% 이상 높은 효율로 연간 1.5배 이상 많은 전기를 생산할 수 있을 것으로 전망된다.

▶ ESS·해저케이블 등 신재생에너지 관련 기술 뒷받침 돼야

태양광이나 풍력 발전 등 신재생에너지의 비중이 확대되면서 에너지저장장치(ESS)의 중요성도 부각되고 있다. 석유와 석탄을 투입해 전기를 생산하는 화석발전과 달리 날씨에 따라 전기생산량이 들쭉날쭉한 태양광과 풍력발전에선 ESS가 반드시 필요하기 때문이다.

현재 ESS 시장은 중국이 값싼 리튬인산철(LFP) 배터리를 앞세워 약 90%를 장악하고 있다.

이에 국내 배터리 3사도 LFP ESS에 뛰어들었다. LFP ESS 개발을 가장 먼저 완료한 LG는 내년부터 본격적으로 양산에 들어가며, 삼성은 2026년부터 생산을 시작한다. SK온은 2026년 LFP ESS 시장 진출을 검토하고 있다.

해상 풍력 발전에서는 생산된 전기를 육지로 이송하는 해저 케이블의 역할도 중요하다.

문제는 해저 케이블을 설치할 때 안보 이슈가 생길 수 있다는 점이다. 해저 케이블을 설치하려면 해저 저질상태부터 기존 군시설과 해저통신망, 해군·해경 경비구역 정보, 잠수함 작전구역 등 각종 민감한 데이터가 필요하다. 또, 이미 80년대 말에 해저케이블을 통한 도·감청 기술이 개발돼 잠수함 보유국 대부분 관련 기술을 보유하고 있는 상황이다.

한국해상그리드산업협회 주최로 열린 국내 해상풍력 산업 경쟁력 확보 정책 토론회에서 박승기 LS전선 이사는 국내 해상풍력산업을 국가안보 차원에서 검토할 필요가 있다고 지적했다.

그는 “지난해 고정가격 해상풍력 경쟁 입찰을 통과한 5개 업체 가운데 2개의 프로젝트가 중국산 해저 케이블을 사용하고 있다”며 “길게는 70km 정도의 해저 케이블 공사 과정에서 해저 상황, 군의 해상 훈련, 군사시설 정보 등이 노출될 수 있다”고 주장했다.

전문가들은 경제안보 확립을 위해서라도 국내 산업 육성이 필요하다고 강조한다.

김윤성 에너지와공간 대표는 “유럽의 넷제로 정책이나 미국인플레이션감축법(IRA)은 사실 산업정책”이라며 “재생에너지 전략기술을 자국이 보유하고 있고 부품을 역내에 공급하는 것 자체가 안보다. 해상풍력도 예외가 아니다”고 말했다.

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