[프리미엄 리포트] 메트로폴리탄은 ‘태양의 도시’로 변신 중

2018.11.14 08:00

오전 8시, 투명한 태양전지 창문으로 들어오는 햇살을 받으며 잠에서 깬다. 

오후 2시, 실내조명으로 충전되는 냉장고에서 시원한 아이스커피를 꺼내 마신다. 
오후 9시, 태양전지 조명이 밝히는 자전거도로를 안전하게 달린다. 

 

먼 미래의 하루가 아니다. 수년 뒤 서울의 모습이다. 도시는 이미 빠른 속도로 ‘태양광 발전소’로 변모하고 있다. 도시가 태양에너지에 주목하는 이유와, 도시를 위한 다양한 태양전지 기술을 살펴봤다.

 

메트로폴리탄은 태양의 도시'로 변신 중, 게티이미지뱅크, 서울시 제공
메트로폴리탄은 태양의 도시'로 변신 중, 게티이미지뱅크, 서울시 제공

“잘 오셨습니다. 그런데 오늘 밖에 구름이 좀 많은가 봐요?”

 

전국에 아주 오랜만에 미세먼지가 찾아왔던 10월 15일 오후 2시, 도시의 태양광 발전을 취재하기 위해 서울 강남구 세곡동에 위치한 에너지자립마을인 신동아파밀리에 아파트를 찾았다. 김희동 관리소장은 기자를 보자마자 대뜸 날씨를 알아맞혔다. 

 

“하늘이 흐려서 그런지 발전량이 평소의 80% 수준이네요.”

 

알고 보니 그의 스마트폰에는 아파트 내 태양전지의 발전량을 실시간으로 모니터링할 수 있는 애플리케이션(앱)이 켜져 있었다. 앱에는 일일생산량, 출력전력, 총 생산량, 월 생산량 등의 수치가 상세하게 나왔다. 또 동별로 인버터(태양전지에서 생산한 직류 전기를 가정용 교류 전기로 변환하는 장치)가 정상 작동하는지, 총 몇 킬로와트(kW)의 전기를 변환했는지도 표시됐다. 아파트가 아니라 ‘미니 발전소’를 보는 듯했다.

 

옥상, 베란다, 화단, 경비실… 곳곳이 발전소

 

서울 강남구 신동아아파트 옥상에 태양전지가 설치된 모습. 여기서 생산한 전기로 지하주차장, 복도 등에서 사용하는 공용전기를 모두 충당하고 있다. 이영혜 기자 제공
서울 강남구 신동아아파트 옥상에 태양전지가 설치된 모습. 여기서 생산한 전기로 지하주차장, 복도 등에서 사용하는 공용전기를 모두 충당하고 있다. 이영혜 기자 제공

그제서야 아파트 곳곳에 설치된 태양전지 패널이 눈에 들어왔다. 각 동의 옥상마다, 베란다 난간마다 태양전지가 있었다. 김 소장은 “전체 세대의 71%인 292세대에 태양전지가 설치됐다”고 설명했다. 서울에는 약 4000개의 아파트 단지가 있는데(150세대 이상 기준) 이중 태양전지를 설치한 곳은 약 40여 곳이다.

 

태양전지의 효과는 주민들도 실감하는 듯 했다. 이 아파트에 7년 동안 살았다는 권미정 씨는 “한 달에 1만 원 이상 꼬박꼬박 나가던 공용전기료 부담이 줄어든 것이 피부에 와 닿는다”고 말했다.

 

아파트는 지하주차장, 승강기, 복도나 계단 등에서 24시간 전기를 사용한다. 이런 공용전기 사용량은 아파트마다 차이가 있지만 통상 전체 전기 사용량의 20%를 차지한다. 세대별 전기료는 개인의 노력으로 줄인다고 해도, 공용전기료를 줄이기는 쉽지 않다.

 

그런데 이 아파트의 9월 공용전기료는 0원이었다. 아파트 옥상에 설치된 태양전지로 공용전기료를 충당한 덕분이었다. 9월 한 달 동안 옥상 태양전지로 시간당 1만7408kW의 전기를 생산해 총 521만7150원의 전기요금을 절감했다.

 

 

김 소장을 따라 옥상으로 올라갔다. 태양전지 셀이 수십 개가 연결된 거대한 태양전지가 있었다. 아파트가 향한 방향에 따라 설치하다보니 모든 태양전지의 방향이 정남향은 아니었다(동서 방향으로 경사진 태양전지는 정남향 대비 약 85% 효율로 전기를 생산할 수 있다).

 

옥상 태양전지는 커다란 설치대 위에 놓였다. 바람이 잘 통하도록 하기 위해서다. 태양전지의 발전 효율은 25도 안팎에서 가장 높다. 한여름 지붕의 온도는 80도까지 상승하는데, 태양전지의 온도가 1도 오를수록 발전량은 0.5%씩 떨어진다. 태양광 발전이 중동이나 적도 지역에서 오히려 불리한 이유다.

 

김 소장은 “먼지는 비가 오면 자동으로 씻겨 나가 별도의 세척이나 관리는 필요 없다”며 “노인정, 경비실 지붕 위에도 태양전지를 설치해 기록적으로 더웠던 올여름에도 에어컨을 마음 편히 사용할 수 있었다”고 설명했다.

 

 

태양광 발전 1GW, 온실가스 54만4000t 감소

 

도심 속 ‘미니 발전소’는 앞으로 더 늘어날 예정이다. 한 예로 서울시는 2022년까지 100만 가구에 ‘미니 발전소’를 보급해 총 551메가와트(MW)의 전력을 생산하는 계획을 추진 중이다. 이는 4인 가족 기준으로 매년 16만 가구에 공급할 수 있는 전력량이다.

 

그러기 위해 서울시는 연면적(각 층 바닥면적의 합계)이 10m² 이상인 대형 건축물을 신축하기 위해서는 총 에너지사용량의 16%를 친환경에너지로 공급하고, 이중 일부를 태양광 발전으로 생산하도록 환경영향평가 기준을 개정했다. 또한 2018년 이후 서울주택도시공사(SH공사)가 신축하는 모든 아파트에 태양전지 설치를 의무화했다.

 

도심 곳곳의 공공부지도 활용되고 있다. 서울 강서구의 서남물재생센터, 성동구의 서울교통공사 군자차량사업소에는 이미 각각 4295kW, 998.28kW급 태양광 발전 시설이 설치돼 있다. 올해 11월에는 동부간선도로 방음터널에 994kW급 태양광 설비를, 월드컵공원과 잠실한강공원에 태양광으로 빛을 낼 수 있는 발광다이오드(LED) 자전거도로를 설치할 예정이다.

 

지역마다 차이는 있지만 지원금 제도도 있다. 2018년 이전에 지어진 아파트라도, 서울 지역의 아파트가 아니더라도 거치식 태양전지를 베란다에 설치할 경우 비용의 일부를 정부나 지자체로부터 선착순 지원받을 수 있다.

 

이처럼 도시가 태양광 발전에 힘을 쏟는 이유는 태양광이 대도시에 가장 적합한 재생에너지이기 때문이다. 기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)는 10월 1일 인천 송도에서 열린 ‘제48차 IPCC 총회’에서 지구 평균기온의 상승폭을 산업혁명 이전 대비 1.5도로 제한할 과학적 근거와 방안 마련을 위한 내용의 특별보고서를 만장일치로 채택했다.

 

이를 실천하기 위해 전 세계 도시들은 재생에너지 발전 비율을 늘리고 있다. 독일은 2030년까지 재생에너지 발전비율을 50%로, 프랑스는 32%로 확대할 계획이다. 중국도 2015년 56G기가와트(GW)였던 재생에너지 발전량을 2020년 100GW까지 두 배로 키우려 한다.

 

그러나 도시는 재생에너지 발전 시설을 도입하기에 환경적 제약이 많다. 풍력 터빈을 세우거나 수력발전소를 짓는 건 불가능하고, 폐기물에너지를 이용하는 발전 설비를 건설하기도 조심스럽다.

 

반면 태양광 발전 설비는 건물 옥상, 벽면, 공원, 도로 등 햇빛이 닿는 곳이면 어디든 적용할 수 있다. 태양광 발전으로 1GW 전력을 만들어내면, 온실가스는 연간 54만4000톤(t)이 감축된다. 이는 2014년 온실가스 배출량의 약 1.2%다.

 

 

염료 감응 태양전지에 센서 결합

 

“태양광 발전은 전기를 생산한 곳에서 바로 사용할 수 있다는 게 큰 장점입니다. 건물에서 생산한 전기로 건물 주차장의 전기자동차를 충전하는 등 활용할 방법은 무궁무진합니다.”

 

세계적인 하이브리드태양전지(페로브스카이트) 연구자인 석상일 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 특훈교수는 앞으로는 태양광 발전을 도시에 맞게 발전시킬 방법을 고민해야 한다고 강조했다. 기존의 태양광 발전은 들판이나 산림, 저수지 등 넓은 면적에서 이뤄지는 대용량 발전이었다. 도시에서는 이런 공간을 확보할 수 없다.

 

이런 문제에 대한 대안으로 건물일체형 태양광시스템(BIPV·Building-integrated photovoltaics)이 각광받고 있다. BIPV는 태양전지 패널을 추가로 설치하는 것이 아니라 지붕, 벽, 창문 같은 건축자재를 처음부터 태양전지로 제작한다.

 

BIPV는 가격 경쟁력만 중요한 게 아니다. 태양전지로 만든 건축자재가 도시의 미관을 해치지 않아야 하고, 유연하며 가벼워야 한다. 또 좁은 면적으로도 많은 전기를 생산할 수 있도록 집광형으로 설계해야 한다. 

 

BIPV 기술은 현재 어느 수준까지 왔을까. 2013년 말 신축된 200m 높이의 전국경제인연합회 건물(서울 여의도 소재)은 벽, 발코니, 창문 등 외장재를 BIPV 모듈로 제작한 성공적인 사례로 꼽힌다. 생산할 수 있는 전력량이 시간당 최고 728kW다.

 

서울 영등포구에 위치한 전국경제인연합회 건물. 태양전지로 제작한 발코니, 창문 등을 사용했다. 서울시 제공
서울 영등포구에 위치한 전국경제인연합회 건물. 태양전지로 제작한 발코니, 창문 등을 사용했다. 서울시 제공
 

앞으로는 여기서 한 단계 더 나아가 불투명한 군청색 태양전지가 아닌, 투명하면서 다양한 색을 가진 태양전지로 BIPV 건물을 지을 수 있다. 염료로 빛을 받아 전기를 생산하는 ‘염료 감응 태양전지(DSSC)’가 대표적이다.

 

국내 염료 감응 태양전지 기술은 준양산 단계에 와 있다. 10월 17일 오전, 서울 성남시에 위치한 차세대 태양전지 제조기업 동진쎄미켐 판교연구소에 찾아가 직접 제품을 살펴봤다. 연구소에 들어서자마자 먼저 주황, 파랑, 초록 등 오색찬란한 태양전지 창이 눈에 들어왔다. 이런 창은 스테인드글라스 작품처럼 투명해 밖이 훤히 보인다.

 

김종복 동진쎄미켐 종합연구소 팀장은 “창은 건물 외부에서 빛에너지를 받아들이는 역할도 하지만, 내부의 에너지를 빠져나가게 하는 창구도 된다”며 “발전 기능과 단열 또는 냉방 기능을 모두 할 수 있는 태양전지 창을 개발 중”이라고 설명했다.

 

그는 기자를 연구소 2층에 있는 제조공장(fab)으로 안내했다. 카메라, 노트북 등 저장매체는 반입할 수 없게끔 엄격한 보안 검색이 이뤄졌다. 내부는 완전히 자동화 돼 있었다. 유리 기판 위에 금속산화물을 인쇄한 뒤 염료를 화학적으로 흡착하고, 전해질을 넣는 전 과정을 로봇이 수행했다. 완성된 염료 감응 태양전지는 컨베이어벨트를 타고 이송됐다. 김 팀장은 “유리기판 위에 인쇄하는 기법으로 제작하기 때문에 기존 실리콘 태양전지에 비해 공정이 간단하다”며 “처리 공정을 표준화한 것이 기술력”이라고 말했다.

 

제작한 염료 감응 태양전지는 약한 실내조명 빛으로도 작동했다. 연구소 벽에 걸린 시계와 창틀에서 빛나는 LED가 형광등 빛으로 작동한다니 신기했다. 김 팀장은 “염료 감응 태양전지의 실내 빛 변환 효율은 20%에 이른다”며 “태양전지를 센서와 결합하면 사물인터넷(IoT)을 효과적으로 구현할 수 있을 것”이라고 귀띔했다. 사물인터넷을 구성하는 수백 가지 센서들에 일일이 전력을 공급할 필요가 없어지기 때문이다.

 

염료 감응 태양전지(DSSC)를 이용하면 투명하면서 다양한 색을 가진 창문을 만들 수 있다. 발전과 채광을 동시에 할 수 있는 셈이다. 동진쎄미켐 제공
염료 감응 태양전지(DSSC)를 이용하면 투명하면서 다양한 색을 가진 창문을 만들 수 있다. 발전과 채광을 동시에 할 수 있는 셈이다. 동진쎄미켐 제공

 

도시형 태양전지 개발 필요

 

태양전지의 종류는 염료 감응 태양전지 외에도 수십 가지다. 국내 기업 중에는 플라스틱 기판으로 만든 유연한 태양전지 기술을 연구하는 곳도 있고, 효율을 40%까지 올리는 태양전지를 개발하는 팀도 있다(일반적인 실리콘 결정질 태양전지는 효율이 약 20%다).

 

학계도 활발히 움직인다. 최근 UNIST 연구팀이 100번 접었다 펴도 안정적으로 작동하는 고유연성 유기 태양전지를 개발했는가 하면, 세계 최고 효율의 페로브스카이트 개발을 국내 연구진이 선도하고 있다.

 

김 팀장은 “차세대 태양전지를 상용화하기 위해서는 앞으로 더 많은 실증사례가 필요하다”고 말했다. 태양전지가 가진 여러 가지 한계점, 가령 날씨에 영향 없이 안정적으로 에너지를 공급할 수 있는지, 보수비용이 과도하게 들지는 않는지, 에너지 저장장치와 연동해 잘 작동하는지 등 검토해야 할 사항이 많다.

 

석 특훈교수는 “전 세계적으로 도시화가 가속되고 있다”며 “도시형 태양전지를 개발하는 일이 앞으로 더 중요해질 것”이라고 말했다.

 

화석 연료가 점차 고갈되고, 원자력 발전을 줄여나가는 세계적인 추세에서 태양광 발전이 미래 세대의 대안이 될지 모두가 함께 지켜봐야 할 것이다.

 

● 도시를 ‘미니 발전소’로 바꾼다!

 

빛에너지를 전기에너지로 변환하는 태양전지 패널(판)을 도시 곳곳에 적용해 ‘발전소’처럼 활용할 수 있다. 낮에 생산한 전기 가운데 남는 것은 에너지저장장치(ESS)에 저장했다가 발전량이 충분하지 않은 밤에 사용한다. 태양광 발전은 별도의 송전 과정 없이 생산한 곳에서 바로 사용할 수 있다는 게 큰 장점이다. 또 설치한 다음에는 연료를 공급하거나, 보수 관리할 필요가 없다. 

 

일러스트 이영혜 기자 제공
인포그래픽 이영혜 기자

다리 밤에는 항상 조명을 켜야 하는 다리, 도로 등에 태양전지를 적용할 수 있다. 별도의 전선이 필요 없어 설계가 용이하다. 최근에는 압전소자 기능을 가진 태양전지도 개발되고 있다. 

 

창문 건축물의 기능, 디자인에 중요한 부분을 차지하는 창문에 태양전지를 적용할 수 있다. 필요 이상으로 들어오는 빛을 적절히 가리고(차광), 건물의 냉기(또는 온기)가 밖으로 새어나가지 않도록 창문과 일체된 형태의 태양전지를 달 수 있다. 블라인드형으로 제작하면 각도 조절을 통해 발전효율을 높이고 환기, 채광 효과도 볼 수 있다. 창문건축물의 기능, 디자인에 중요한 부분을 차지하는 창문에 태양전지를 적용할 수 있다. 필요 이상으로 들어오는 빛을 적절히 가리고(차광), 건물의 냉기(또는 온기)가 밖으로 새어나가지 않도록 창문과 일체된 형태의 태양전지를 달 수 있다. 블라인드형으로 제작하면 각도 조절을 통해 발전효율을 높이고 환기, 채광 효과도 볼 수 있다.

 

지붕 넓은 면적의 지붕을 활용해 집 안에서 사용하는 전기를 생산할 수 있다. 300W 태양전지 패널로 10시간 발전 시 석유 630L로 발전하는 만큼의 전력을 생산할 수 있다. 발전효율을 높이기 위해서는 태양전지를 남향으로, 일사 각도에 맞춰 설치하는 것이 유리하다. 지붕 일체형, 반투명 태양전지 등 다양하게 제작할 수 있다.

 

주차장 주차장 입구와 같은 활용하지 않는 공간에 태양전지를 설치해 주차장에서 사용하는 전기를 충당할 수 있다. 주차장, 승강기, 복도 등 24시간 소비하는 공용전기 요금을 절약할 수 있다.

 

정류장 정류장 지붕에 태양전지를 설치해 버스 도착 시간을 알려주는 정보안내단말기 등을 별도의 전원 없이 작동시킬 수 있다. 낮 동안 생산한 전기를 2차전지에 저장한 뒤 비가 오거나 어두워 발전이 어려울 때 사용한다.

 

 

● 각양각색 태양전지 총정리

 

태양전지의 종류는 현재 개발 중인 것까지 포함해 수십 가지가 넘는다. 각각은 ‘변환효율’ ‘투명성’ ‘유연성’ ‘제조원가’ 등 서로 다른 장점을 가지고 있다. 도시에 효율적으로 적용하기 위해서는 먼저 특징을 잘 알아야 한다. 전기 변환 효율은 미국 국립재생가능에너지연구소(NREL)가 집계한 2018년 7월 기준 연구용으로 달성한 최고 효율을 기준으로 했다.

 

‘효율 높은’ 결정 실리콘 태양전지 (효율 27.6%/단결정, 22.3%/다결정)

PK Green 제공
(왼쪽부터) PK Green, SMS Metering

제조 | 실리콘을 재료로 상하 2층 구조를 만든다. 실리콘 속에 10만 분의 1~100만 분의 1 비율로 불순물(위층에는 5족 인(P), 아래층에는 3족 붕소(B))을 섞는다. 

발전 | 위층(n형 반도체)과 아래층(p형 반도체) 사이 접합면(pn 접합)에 빛이 내리쬐면 자유전자가 생겨 위층에 쌓인다. 이로 인해 전압이 생성된다. 이때 위층과 아래층을 회로로 연결하면, 위층 자유전자가 아래층으로 움직이면서 전류가 흐른다. 

특징 | 가장 오래전부터 사용했고, 시장의 90%를 차지한다. 안정성이 크고 빛을 전기로 변환하는 효율이 태양전지 중 가장 높다. 그 대신 가격이 비싸다.

 

‘얇은’  박막 실리콘 태양전지 (효율 21.2%)

 

IFITech
IFITech

제조 | 실리콘을 가스 상태로 만들어 유리 등의 기판 위에 원자 수준으로 뿜어 붙인다. 실리콘 원자가 규칙적으로 늘어서지 않고 흐트러져 있어 ‘비결정 실리콘 태양전지’라고도 부른다. 완성된 태양전지의 두께는 0.3~2마이크로미터(μm·1μm는 100만분의 1m)에 불과하다.

발전 | 기본 원리는 결정 실리콘 태양전지와 동일하다. 단, 얇은 태양전지 셀 여러개를 직렬로 연결해 자유전자를 모은다.

특징 | 넓은 면적으로 대량 생산할 수 있다. 가공이 쉬워 투명하게 만들 수 있고, 곡면이나 비탈면에도 적용할 수 있다. 고온에 강하나 효율이 결정 실리콘에 비해 낮다.

 

‘다양한’ 화합물계 태양전지 (효율 23.3% /박막형 CIGS 기준) 

 

Sunflare
Sunflare

 

제조 | 구리(Cu), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 비소(As), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te) 등에서 두 가지 이상의 재료를 조합해 반도체를 만든다. 가령 ‘CIGS’ 태양전지는 구리와 인듐, 갈륨과 셀레늄을 조합해 광흡수층을 만든다.

발전 | 실리콘 태양전지와 유사하다. 광흡수층에 빛이 내리쬐면 자유전자가 발생하고 전압이 생기며 전류가 흐른다.

특징 | 실리콘 공급량이 줄어도 산업에 영향을 받지 않는다. 재료와 제조법이 다양하고 박막으로도 만들 수 있다. 인공위성에 붙이는 고가의 고성능 태양전지부터 제조 공정이 간단한 저렴한 태양전지까지 제품군이 다양하다.

 

‘아름다운’ 염료 감응 태양전지 (효율 11.9%)

 

동진쎄미켐
동진쎄미켐

제조 | 투명전극필름에 금속 산화물 나노입자를 인쇄한 뒤, 염료를 흡착시킨다. 그 위에 전해질층을 만든다.

발전 | 염료 분자가 빛을 흡수해 전자를 생성하고, 생성된 전자가 금속 산화물, 투명전극필름을 거쳐 전해질로 이동한다. 전해질이 염료에 또 다른 전자를 공급하며 전자의 흐름이 계속된다. 즉, 전류가 발생한다.

특징 | 투명하고 다양한 색을 낼 수 있다. 기존의 실리콘 태양전지에 비해 전기 변환 효율이 낮지만, 광량의 영향을 적게 받기 때문에 실내와 같은 빛이 약한 장소에서 사용하기 유리한 면도 있다. 전자 인쇄 기술로 찍어내 생산 비용이 낮다.

 

‘유연한’ 유기 박막 태양전지 (효율12.6%/셀 1개 기준)

 

KIST
KIST

제조 | 얇은 플라스틱 기판 위에 유기 고분자 물질을 200나노미터(nm1nm는 10억분의 1m) 이하의 두께로 인쇄한다. 이때 전자를 받아들이기 쉬운 유기 고분자 물질과 전자를 방출하기 쉬운 유기 고분자 물질을 섞어서 ‘잉크’를 만드는 게 핵심이다.

발전 | 전자를 방출하기 쉬운 유기 고분자 물질이 빛을 받아 전자를 생성한다. 생성된 전자는 전극을 따라 전자를 잘 받아들이는 물질쪽으로 이동하고, 전류가 흐른다.

특징 | 인쇄 기술을 사용해 저가로 대량 생산할 수 있다. 다양한 모양과 색을 갖거나 심지어는 유연하게 만들 수도 있다. 효율이 낮고 내구성이 떨어지는 것이 단점이다.

 

‘새로운’ 페로브스카이트 (효율 23.3% /셀 1개 기준)

 

OIST
OIST

제조 | 천연 물질인 칼슘티타늄옥사이드(CaTiO3)처럼 특별한 결정 구조를 갖는 화합물을 재료로 사용한다. 재료로 균일한 결정을 만들어 금이나 은, 알루미늄 같은 금속 전극 위에 쌓고 투명전극으로 덮는다.

발전 | 결정이 빛을 받으면서 전자를 생성하고, 생성된 전자가 전극으로 이동하면서 에너지 준위차가 발생한다. 이로 인해 전류가 흐른다.

특징 | 무기물과 유기물이 섞인 하이브리드 태양전지다. 최근 몇 년 새 전기 변환 효율이 가파르게 상승해 일부 연구자들은 노벨상 수상 후보로도 거론되고 있다. 공정 과정과 구조를 개선해 가격을 낮춰야 하는 숙제가 남아있다.

 

과학동아 2018년 11월호 [프리미엄 리포트] 메트로폴리탄은 지금 '태양'의 도시로 변신 중 

 

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