수상 태양광 발전은 기후 변화와 싸우는 데 도움이 될 수 있습니다.(단 수중환경오염 리스크 알수 없음)

[이매진]

수상 태양광 발전은 기후 변화와 싸우는 데 도움이 될 수 있습니다.(단 수중환경오염 리스크 알수 없음)

https://www.nature.com/articles/d41586-022-01525-1

'수력 발전'으로 세계 수력 발전 저장소의 10%를 덮으면 현재 화석 연료 발전소에서 사용할 수 있는 만큼의 전기 용량을 설치할 수 있습니다. 그러나 환경 및 사회적 영향을 평가해야 합니다.

저수지는 태양 전지판을 호스팅하기 위해 토지에 대한 대안을 제공할 수 있습니다. 크레딧: Valentyn Semenov/Alamy

전기를 탈탄소화하려면 태양 전지판을 전 세계의 광대한 지역에 배치해야 합니다. 2050년까지 미국은 최대 61,000평방 킬로미터의 태양광 패널이 필요할 수 있습니다. 이는 네덜란드 1 보다 큰 면적 입니다. 일본과 한국과 같은 토지 부족 국가는 토지의 5%를 태양광 발전소에 투자해야 할 수도 있습니다 2 .

이 패널을 어디에 둘 것인지에 대한 문제는 사소한 일이 아닙니다. 식량 생산과 생물다양성 보전에도 필요한 토지를 놓고 치열한 경쟁이 벌어지고 있습니다. 떠오르는 솔루션 중 하나는 저수지에 떠다니는 태양광 패널('수상발전')을 배치하는 것입니다.

부유식 태양광 발전에 대한 아이디어는 많은 가능성을 갖고 있으며 설치 및 투자가 급격히 증가했습니다. 그러나 이 기술이 사회적, 기술적, 경제적 차원과 함께 환경에 미치는 영향에 대해서는 아직 알려지지 않은 부분이 많습니다.

이러한 지식 격차는 이 접근 방식의 이점에 대한 과도한 약속을 피하거나 예상치 못한 장애물로 인해 롤아웃이 탈선하는 것을 방지하기 위해 가능한 한 빨리 채워야 합니다.

위치, 위치

태양광 발전은 공간 집약적이며 1GW(기가와트)의 전기를 생산하기 위해 기존 화석 연료 발전소보다 최소 20배 더 많은 면적이 필요 합니다 . 각각 장단점이 있는 광범위한 설치 위치로 여러 환경이 제안되었습니다.

사막은 일조량이 풍부하고 토지 이용을 위한 경쟁이 많지 않습니다. 그러나 여기에도 트레이드 오프가 있습니다. 예를 들어, 모델링에 따르면 사하라 사막에서 거대한 태양 전지판의 어두운 색은 아마존의 가뭄, 북극의 해빙 손실 등을 유발할 수 있는 방식으로 지역 온도와 전지구 기류 패턴을 변경합니다 4 . 미국 남서부 모하비 사막의 태양 에너지 개발로 인해 아메리카 원주민에게 문화적으로 중요한 선인장의 덮개가 줄어들었습니다 5 . 그리고 물류적으로는 외딴 사막 지역에서 필요한 곳으로 에너지를 공급하는 것이 어려울 수 있습니다.

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농업 분야는 또 다른 유망한 가능성이지만 연구원들은 '농업' 시스템에서 작물과 태양 전지판을 연결하는 것이 식량 생산에 어떻게 영향을 미치는지 이해하기 시작 했습니다 . 옥상, 주차장 및 고속도로도 좋은 옵션이지만 규모가 제한적입니다.

저수지에 태양열 어레이를 배치하면 많은 이점이 있을 수 있습니다. 어레이는 계류 라인을 통해 고정된 플로트에 설치된 기존의 태양 전지판입니다. 물과의 근접성은 냉각을 유지하는 경향이 있어 부유식 패널을 육상 기반 패널보다 약 5% 더 효율적으로 만듭니다 7 . 어레이는 태양으로부터 표면을 보호하고 증발을 줄여 수력 발전, 식수 및 관개용 물을 보유할 수 있습니다 8 . 수력발전 저수지는 이미 전력을 소비자에게 전달하기 위한 그리드 인프라를 갖추고 있어 송전 비용을 절감합니다. 양수 저장 수력 발전과 태양열을 결합하면 햇빛이 약할 때 에너지를 제공하고 태양광 발전 생산량이 높을 때 저수지에 위치 에너지로 저장하는 두 가지 문제를 해결할 수 있습니다 9 .

부유 태양광 발전은 또한 일부 수력 발전 운영의 탄소 집약도(생산된 에너지 단위당 배출량)를 줄일 수 있습니다. 많은 수력 발전소는 다른 재생 가능 에너지만큼 저탄소입니다. 그러나 일부 프로젝트의 경우 썩어가는 수중 식물 물질에서 메탄(강력한 온실 가스)이 너무 많이 방출되어 화석 연료 발전소 10 에서와 같은 단위 에너지당 탄소를 방출할 수 있습니다 . 해당 사이트 중 일부의 경우 저수지 표면의 2%에 태양 전지판을 설치하면 전기 생산을 두 배로 늘릴 수 있으므로 기후 정책의 중요한 지표인 탄소 집약도를 절반으로 줄일 수 있습니다(보충 정보 참조).

싱가포르 텡게 저수지에 배치할 태양열 패널에 플로터를 고정하고 있는 노동자들. 크레딧: Getty를 통한 Roslan Rahman/AFP

현재로서는 부유 태양광 발전이 전기 분야의 작은 부분을 차지합니다. 2020년 현재, 수상 태양광 패널의 전 세계 설치 용량은 3GW(11)에 불과한 반면 육상 기반 태양광 시스템( 12 )의 경우 700GW 이상 입니다. 그러나 전 세계적으로 방대한 수의 저수지를 고려할 때 확장 가능성은 상당하며 총 면적은 프랑스와 거의 같습니다. 부유식 태양 전지 패널로 세계 수력 발전 저장소의 10%를 덮으면 거의 4,000GW의 태양열 용량 9 이 설치 되며 이는 전 세계에서 운영 중인 모든 화석 연료 발전소의 발전 용량과 같습니다.

부유식 태양광 발전은 현재 육상 기반 태양광 발전보다 비싸지 만 그다지 많지는 않습니다. 이 새로운 시장의 미성숙에도 불구하고 수상 태양광 프로젝트의 손익분기점 비용은 지상 태양광 발전보다 4-8%만 더 높습니다 13 . 수십 개의 프로젝트가 진행 되면서 시장이 빠르게 성장하고 있습니다. 2024년까지 인도네시아 바탐에서 완공될 예정인 하나는 16km 2 이상의 물에 태양광 패널을 배치하여 2.2GW를 생산할 계획이며, 이는 전 세계의 수상 태양광 에너지 생산량을 거의 두 배로 늘릴 계획입니다.

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새로운 에너지 기술의 급속한 확장은 예상치 못한 결과를 초래할 수 있습니다. 예를 들어, 풍력 터빈은 새와 박쥐에게 해를 끼치며 연안에 설치하면 해양 생물에 소음 공해를 일으키고 고래 이동을 방해하며 상업 어업에 문제를 일으킬 수 있습니다.

수상 태양광 발전의 확장과 환경적, 사회적, 경제적 목표 사이의 상충관계는 개념과 실천 모두에서 거의 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다. 저수지는 다양한 범위의 바람직하지 않은 사회 환경 영향에 대해 비판을 받아온 인공 생태계입니다. 그러나 많은 곳에서 야생 동물의 서식지를 제공하며 어업과 레크리에이션에서 중요한 역할을 합니다. 저수지 관리는 종종 홍수 조절 및 수력 발전과 같은 물 공급 외에도 많은 요구 사항을 충족합니다. 저수지의 다중 사용에 대한 압력은 기후 변화로 인해 강화될 것입니다.

이러한 절충안을 무시하면 부유식 태양광 발전에 대한 대중의 반대가 증가하고 환경 영향 승인 절차가 길어지며 개인 투자자가 억제되어 탈탄소화 전환을 방해할 수 있습니다.

국가적 잠재력

부유 태양광 발전의 잠재력을 탐구하기 위해 우리는 2050년까지 추가 태양 에너지에 대한 예상 국가 수요와 대규모 저수지의 태양광 발전 잠재력을 비교했습니다('부유 태양광 잠재력' 및 보충 정보 참조).

출처: Rafael M. Almeida et al .

우리는 아메리카와 아프리카의 국가들이 가장 큰 혜택을 볼 수 있다는 것을 발견했습니다. 부유식 태양광 발전에 의한 저수지의 낮은 적용 범위라도 전기 ​​부문을 탈탄소화하는 데 필요한 모든 태양 에너지를 생성해야 합니다. 브라질과 캐나다는 막대한 태양 에너지 수요를 충족시키기 위해 풍부한 저수지의 약 5%만 커버하면 되는 핫스팟이 될 수 있습니다. 작년에 브라질은 산업 발전을 돕기 위해 규제 변경을 시행했습니다('브라질의 태양광 붐' 참조).

브라질의 수상태양광 붐

2021년 11월, 브라질 국가전력청(National Electric Energy Agency)은 수력발전과 수상태양광 발전소의 공동 운영을 규제하는 결의안을 승인했으며 각 소스에서 생성된 에너지는 별도로 측정했습니다. 이러한 움직임은 브라질 수력 발전 생산자들이 부유식 태양광 발전 설비를 설치할 가능성을 높일 것입니다.

브라질에서는 수력 발전소가 생산하는 에너지가 아니라 전국 수력 발전 생산량에서 차지하는 비율에 따라 보수를 받습니다. 에너지 재배치 메커니즘으로 알려진 이 시스템은 수문학적 위험에 대한 헤지 수단으로 설계되었습니다. 그러나 그것은 수상 발전소를 설치하는 발전소가 그 이익을 전국의 모든 수력 발전 생산자와 공유한다는 것을 의미합니다. 새로운 결의안은 이러한 에너지 시장을 분할합니다.

그 후, 브라질 의회는 2022년에 연방법 14300을 제정하여 소규모 수상태양광이 분산 발전 시장에서 작동할 수 있도록 승인했습니다. 운영의 지속 가능성을 극대화하고 투자자의 신뢰를 얻으려면 특정 환경 규정이 여전히 필요합니다.

대조적으로, 섬 국가와 유럽 및 중동의 많은 지역은 작거나 건조한 국가의 제한된 저수지 지역과 고위도의 약한 햇빛으로 인해 필요를 충족시키기 위해 수상 태양광을 사용하는 것이 더 어렵다는 것을 알게 될 것입니다. 중국을 포함한 일부 산업 국가에서는 세기 중반에 태양열 발전에 대한 수요가 너무 높아서 모든 저수지를 부유식 태양광으로 덮는 것만으로는 충분하지 않을 것입니다. 그들은 또한 육지에서 태양열을 필요로 할 것입니다.

부유식 태양광 발전이 의미가 있는 곳에서 문제는 단점이 장점을 능가하기 전에 주어진 저수지를 얼마나 덮을 수 있느냐는 것입니다. 더 많은 보장은 물류 어려움, 사회적 혼란 및 환경적 부작용을 증폭시킬 수 있습니다. 중간 크기의 300km 2 저수지의 2% 적용 범위는 여전히 엄청난 발자국이 될 것입니다. 이는 세계 최대 육상 기반 태양열 발전소인 인도의 2,245메가와트 Bhadla Solar Park 면적의 약 1/10에 해당합니다.

환경 영향

기후 변화는 해로운 조류 번성 15 과 같은 영향으로 전 세계 수역을 온난화시키고 있습니다 . 모델러들은 부유 태양광 발전이 호수와 기타 저수지에서 이러한 효과를 상쇄할 수 있는지 여부를 살펴보았고, 수표면의 절반 이상이 덮인 경우에만 가능하다는 것을 발견했습니다 16 . 물리적, 화학적, 생물학적 과정, 식수 품질, 수생 생물군, 육상 야생 동물 및 하류 생태계에 대한 결과에 대해 더 많이 알아야 합니다.

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저수지의 많은 부분을 음영 처리하면 계단식 효과가 발생할 수 있습니다. 빛이 감소하면 수생 식물과 식물성 플랑크톤과 같은 광합성 유기체가 번성하기가 더 어려워지며, 이는 유해한 조류가 번식하는 영양 오염 저수지에 도움이 될 수 있습니다. 그러나 감소된 산소 생산은 물고기와 다른 동물에게 해를 끼칠 수 있습니다. 극단적인 산소 결핍은 메탄 생성 박테리아를 선호하여 탈탄소화 이점을 상쇄할 수 있습니다. 태양 전지판 적용 범위가 낮으면 이러한 영향은 미미할 것입니다. 그러나 특정 유형의 영향이 얼마나 심각한지 또는 위도, 수질 및 기타 요인에 따라 영향이 어떻게 달라지는지는 정확히 알려지지 않았습니다.

수상태양광 커버리지에 대한 생태계의 반응을 평가하기 위해서는 대규모 현장 연구가 필요합니다. 싱가포르의 Tengeh Reservoir 테스트베드와 같은 여러 테스트 사이트가 배치되었지만 대부분의 연구 노력은 생태학보다 엔지니어링 타당성에 더 중점을 둡니다.

충돌 사용

저수지의 사회적 사용은 부유식 발전에 의해 손상될 수도 있습니다. 프로젝트가 어업을 방해하는 경우 이미 저수지 건설로 영향을 받은 인구의 생계를 훼손할 수 있습니다. 예를 들어, 잠비아와 짐바브웨의 경계에 있는 카리바 호수는 세계에서 가장 생산적인 저수지 어업의 본고장이며, 그곳에서 정어리를 수확하는 데 사용되는 장인의 어구는 대형 수상태양광 어레이 근처나 아래에 배치하기 어려울 것입니다. 또한 어업을 지원하는 먹이그물이 그늘에 어떻게 반응할지 예측하기 어렵습니다.

부유식 태양 전지판은 경관을 훼손하고 저수지의 레크리에이션 사용을 억제하여 지역 부동산 가격을 하락시킬 수 있습니다. 따라서 부유 태양광 개발자는 인근 토지 소유자의 저항에 직면할 것입니다. 사회 과학자들은 그러한 우려 사항을 분류하고 대중이 수상 태양광 프로젝트를 수용할 수 있는 조건을 마련해야 합니다.

운영상의 과제

기술적인 문제는 개발자의 비용을 증가시킬 수 있습니다. 새 배설물과 미생물 생물막에 의한 패널의 생물학적 오염은 육지보다 물에서 더 문제가 될 수 있으며 광전지 출력을 감소시킬 수 있습니다. 패널에 쉽고 안전하게 접근해야 하므로 자주 청소해야 할 수 있습니다.

악천후는 또 다른 요인입니다. 고위도에서 얼음 덮개의 형성 및 분해는 예측할 수 없는 대규모 세력을 생성하여 운영 및 유지 관리 문제로 이어집니다. 열대성 저기압이 강타한 지역에서는 강한 바람이 파도를 일으켜 피해를 줄 수 있습니다. 예를 들어, 2019년에는 태풍이 일본 야마쿠라 댐의 수력 발전 프로젝트를 강타했습니다. 패널이 바람에 쌓여 화재를 일으켰습니다.

다양한 수위도 문제가 될 수 있습니다. 예를 들어, 미드 호수와 파월 호수는 미국 남서부의 지속적인 가뭄으로 인해 전체 수위보다 40미터 이상 낮습니다. 이러한 변동은 기후 변화로 인해 악화될 수 있습니다. 식수 공급 및 관개 요구 사항은 아마도 부유 태양광 발전을 위한 안정적인 수위를 유지하려는 욕구를 무시할 것입니다. 엔지니어링 솔루션을 개발하고 프로젝트 비용에 반영해야 합니다.

이러한 문제를 해결하기 위한 계획을 공개해야 업계와 사회가 상호 수용 가능한 관행과 수상 태양광 잠재력에 대한 현실적인 평가로 신속하게 이동할 수 있습니다. 투명성은 또한 투자자의 신뢰를 높일 것입니다. 연구원은 각 현장의 조건을 고려하여 비용을 모델링하고 대규모 프로젝트가 실행된 후 결과를 문서화해야 합니다.

앞으로 나아가다

모델링을 넘어 실증적인 현장 기반 연구가 필요합니다. 전력 회사가 이 모든 작업을 스스로 할 것이라고 가정하는 것은 비현실적입니다. 라이선스 계약은 독립적인 연구자에 대한 접근과 장기적인 모니터링을 요구해야 합니다. 업계와 규제 기관이 모범 사례에 대한 지침을 개선함에 따라 교훈을 공유하는 것이 가장 중요합니다.

수상태양광 산업은 빠르게 확장될 태세입니다. 과학과 정책은 세계 저수지의 이러한 사용이 지속 가능하고 공평하다는 것을 보장하기 위해 동등하게 빠르게 움직여야 합니다.

네이처 606 , 246-249 (2022)

수상 태양광 발전은 기후 변화와 싸우는 데 도움이 될 수 있습니다.