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[태양광, 지구 살리는 기술] ⑬독일식 영농형 태양광, 기술력‧공감대↑…제도 미비로 확산 더뎌

프라운호퍼 태양광연구소, 영농형 태양광 개념 최초 정립
독일, 토지 효율적 이용‧기후 위기 대응 중점 실증 연구
한국, 농지 보전‧신재생에너지 확산‧농촌 회생 전략 추진
프라운호퍼, 2016년 실증단지 조성해 작물별 생육 특성 연구
영농형 태양광, '음지성 식물' 성장 촉진…이상기후 대응 탁월
‘밀‧감자‧셀러리’ 등 태양광 패널 하부 농지서 성공적 재배
연구진, 딸기‧산마늘‧아스파라거스 등 ‘음지성 작물’ 권장
'영농형 태양광' 농업인 대상 실질적 지원 없어 확산 더뎌
'새우 양식과 태양광 발전 병행' 新 영농형 태양광 모델 눈길
승인 2021.06.25 13:53
2021 인터넷신문 언론대상 공모작

[보도일 2021.03.24 18:41]

[프라운호퍼 ISE가 구축한 영농형 태양광 실증단지 모습. 독일은 프라운호퍼 연구소를 필두로 영농형 태양광 기술 고도화를 위해 애쓰고 있다. (사진=프라운호퍼 홈페이지).]
[프라운호퍼 ISE는 전 세계 각지에 파트너사를 두고 영농형 태양광 실증 연구를 진행하고 있다. (사진=프라운호퍼 홈페이지).]

[AI타임스=유형동 기자] 독일은 농사와 전기 생산을 동시에 병행하는 영농형 태양광의 개념을 최초로 정립한 국가다. 지난 2011년부터 본격 영농형 태양광 연구에 돌입한 이후 현재 칠레·베트남·인도 등 세계 각국 다양한 도시에서 영농형 태양광 기술 고도화를 위해 애쓰고 있다. 기술력은 꾸준히 쌓아가고 있지만, 확산은 잘 되지 않고 있다. 농업인으로서 받을 수 있는 보조금이나 특정 인센티브 등 지원을 받지 못하기 때문이다.

영농형 태양광 도입을 주저하는 국내 농가들의 상황과 비슷한 실정이다. 국내에서 실증사업을 진행하는 연구진들도 농업인으로서 혜택은 포기한 채 '농지의 효율적 이용', '기후 변화 대응 해법'이라는 대의적 목표를 가지고 연구를 이어나가고 있다. 현재 국내에서 영농형 태양광 단지를 조성한 농민의 경우 염해농지에 한해 보조금이 지원된다.

그러나 영농형 태양광 설비를 위해 절대농지를 ‘잡종지’로 전용한 농민의 경우 농민으로서 혜택을 받지 못하는 실정이다. 반면 최근 독일에서는 관련법 개정 등 움직임이 활발하다. 농업 활동만 유지된다면 보조금 신청도 가능케 될 것으로 전망된다. 쉽게 말해 독일은 우리나라와 다르게 농지 구분 없이 영농형 태양광 농가에 대해 각종 지원이 현실화될 것으로 전망된다. 독일과 같이 한국도 영농형 태양광 농가에 대한 지원 범위를 넓히는 것이 핵심 과제다.

[프라운호퍼는 영농형 태양광을 통해 비옥한 농지를 유지하면서 발전 사업도 병행할 수 있다고 밝혔다. (사진=프라운호퍼 홈페이지).]

◆ 독일식 영농형 태양광 'Agrophotovoltaik, APV'

독일 프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(Fraunhofer ISE)는 영농형 태양광(Agrivoltaics, Agrophotovoltaics, APV) 기술을 최초로 고안했다. APV는 태양광 발전과 작물 재배를 통해 토지를 이중으로 사용할 수 있다는 개념으로 정립됐다. 이는 지난 1981년 아돌프 괴츠버거(Adolf Goetzberger) 박사와 아르민 자스트로(Armin Zastrow) 박사에 의해 제안됐다. 'Agrophotovoltaik(영농형 태양광)'라는 용어는 지난 2011년 처음 사용됐다.

독일 프라운호퍼에 따르면 독일은 우리나라와 같이 농촌 회생 전략을 발굴하기 위해 영농형 태양광 연구를 시작한 것이 아니다. 연구진은 '토지 효율성'과 '재생에너지 확대'에 중점을 두고 영농형 태양광에 접근했다. 프라운호퍼 연구진들은 이를 통해 식량 문제와 기후변화 대응, 에너지 문제 등의 해결책을 마련하는 데 기여하겠다는 목표를 가지고 있다. 나아가 지구온난화 등 세계적인 과제들을 해결하는 데 있어 선구적인 역할을 하겠다는 포부를 밝혔다.

[독일 헤겔바흐 콘스탄스 호수 근처 인근에 위치한 영농형 태양광 단지. (사진=프라운호퍼 홈페이지).]

◆ '세계 첫 영농형 태양광' 창안 배경은

독일은 2차 세계대전 이후 핵 산업 수출시장의 강국으로 자리매김 됐다. 1957년 미국으로부터 수입한 기술을 토대로 핵발전소를 개량·개발했다. 이어 아르헨티나·네덜란드·스위스·브라질 등에 수출했다. 핵 산업 강자로 불리던 독일이 지난 2011년 탈핵을 선언했다. 2022년까지 모든 원전을 폐쇄할 것을 제안했다. 태양광·풍력 등 자연에너지 기술이나 에너지 효율화 기술에 주력해, 국가적 차원의 탈원전을 실현하겠다는 복안이다. 독일이 자신 있게 탄소중립을 외칠 수 있었던 배경은 무엇일까.

독일, 스웨덴 등 서유럽 국가들은 50여 년 전부터 에너지 전환에 관심을 보였다. 1973년 제1차 석유위기로부터 비롯됐다. 이후 70년대 후반 핵미사일 배치에 적극적이었던 슈미트 정권에 실망한 진보적 시민들이 환경보호에 중점을 두는 새로운 정당을 창설하기에 이른다. 1980년 1월 탄생한 녹색당(서독)이 그 주인공이다. 이듬해 영농형 태양광이라는 개념이 최초로 등장했다. 전문가들은 당시 사회적 분위기가 영농형 태양광 창안에도 영향을 끼쳤을 것이라고 평가한다.

이어 1986년 소련 체르노빌 원전사고, 2011년 일본 후쿠시마 원전사고 등을 계기로 탈원전 정책에 대한 공감대가 형성됐고, 석유·원자력 중심의 에너지 산업도 태양광·풍력으로 구성 자체가 바뀌었다. 이후 독일 정부는 야심찬 에너지전환 및 온실가스 감축 목표를 제시했다.

향후 2050년까지 재생에너지의 최종 에너지 분담률을 2050년 60%까지 증가시키겠다고 밝혔다. 특히 독일 연방 경제에너지부 장관은 재생에너지법(EEG)을 전면 개편해 풍력 및 태양광 확대 추진에 관한 초안을 발표, 올해부터 개정안을 시행한다고 밝힌 바 있다. 2030년 전체 소비 전력의 65%를 재생에너지로 공급하는 가운데, 태양광발전 설치용량을 100GW로 확대하겠다는 목표를 내세웠다.

[양면 모듈이 설치된 영농형 태양광. (사진=프라운호퍼 홈페이지).]
[프라운호퍼 실증단지에서 농기계를 작동시키고 있는 연구진 모습. (사진=프라운호퍼 유튜브).]

◆ 경제성 입증·작물별 생육 특성 분석 '영농형 태양광' APV 시범단지 조성

독일 프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(Fraunhofer ISE)는 지난 2011년 처음으로 영농형 태양광 연구에 착수했다. 이후 프라운호퍼 ISE는 2015년부터 컨소시엄을 통해 작물 재배와 태양광발전이 동시에 가능한 'APV-RESOLA' 프로젝트를 진행하고 있다. 독일 BMBF(교육연구부) 지원을 받아 호헨하임대학, ITAS(기술평가·시스템분석연구소), Heggelbach 농업조합, BayWa r.e., EWS, RVBO(지역협회)와 함께 연구를 진행 중이다.

프라운호퍼 ISE는 2016년 독일 콘스탄스호(Lake Constance) 지역 헤겔바흐(Heggelbach) 소재 데메테르(Demeter) 농장 커뮤니티 들판에 194kWp 규모의 시범 시스템을 구축했다. 연구진은 당초 설계부터 운영 모델 설계까지 꼼꼼하게 진행했다. 영농형 태양광 시설의 전체 높이는 7.8m(지지대 높이 5.5m 포함)로 설비됐고, 너비 19m의 태양광 패널 7개를 설치했다. 농지는 해발 655∼670m에 위치해 풍량이 세고 눈이 많이 내리는 지역으로 선정됐다.

기온은 –25℃에서 +35℃까지 변화하는 지역이기 때문에 기후 변화에 따른 작물의 재배량에 대해 다양한 결과가 나올 수 있는 지역으로 분석된다. 태양광 모듈의 모델명은 SolarWorld SW로 1,206㎡에 총 720개가 설치돼 194.4kWp 전력을 출력하게 제작됐다. 실증사업은 태양광 시설도 농업인이 소유하는 형태로 진행됐다.

[영농형 태양광 설비 하부에서 농기계가 이동하고 있는 모습. (사진=Sun’Agri 홈페이지).]

◆ 딸기‧아스파라거스 '음지성 식물' 재배 권장…우박·서리 방지 등 긍정적 효과 커

실증 단지에서는 겨울 밀, 감자, 셀러리 등을 포함한 여러 작물이 재배됐다. 태양광 패널 하부 농지에서 식물을 성공적으로 재배했다. 연구진은 농작물 수확량이 날씨 변동에 크게 의존하는 것도 확인할 수 있었다. 예를 들어 감자의 경우 2017년 대조군 대비 수확량의 20%가 감소했고, 다소 덥고 건조한 해였던 2018년에는 11%가 올랐다. 이를 통해 이상기후에서 영농형 태양광이 하부 작물에 긍정적인 효과를 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.

연구진은 그늘에 잘 견디는 음지성 식물은 영농형 태양광 시설 하부에 적합하다고 판단했다. 연구진은 잎이 무성한 채소(상추), 풀·클로버 혼합물, 딸기류, 부드러운 과일, 특수 작물(산마늘, 아스파라거스, 홉 등)과 같은 그늘에 잘 견디는 작물이 특히 적합해 보인다고 분석했다.

특히 194.4kW 전력의 태양광을 통해 농장에서 사용되는 전력의 40%를 충당했고, 여름에는 남는 전력을 판매해 부가가치 창출이 가능한 것으로 나타났다. 발전효율은 1,266kWh/kW로 독일 평균(950kWh/kW) 대비 133% 수준으로 기록됐다. 헤겔바흐 지역이 남쪽으로 일사량이 독일 내에서는 상대적으로 풍부한 지역인 점도 영향을 미쳤다. 연구진은 향후 농장 에너지소비를 최적화할 경우 APV로 전력소비의 70%까지 충당 가능할 것으로 내다보고 있다.

더불어 연구진은 토지의 효율적인 이용에 대해 주목했다. 농촌형 태양광과 풍력 발전소의 경우 한정된 토지 내에 설비하기에 한계가 있다. 그러나 영농형 태양광은 태양광 발전과 농업을 병행할 수 있어 토지의 이중 사용이 가능하다는 설명이다. 끝으로 연구진은 "영농형 태양광을 도입할 경우 과일 및 특수‧특용작물에 대한 우박이나 서리, 가뭄 등의 피해를 줄일 뿐 아니라 농가 소득원을 다양화하는 등 여러 가지 긍정적 효과가 기대된다"고 강조했다.

[작물 재배, 태양광 발전, 모듈을 통한 빗물의 생산 및 저장 등의 회로를 표현한 그래픽. (사진=프라운호퍼 홈페이지).]

◆ "효과 좋은데 확산은 왜 더딜까"…관련법·재정 지원 등 제도 마련돼야

영농형 태양광은 설비비용이 농촌형 태양광보다 높다. 그래서 각종 인센티브와 규제 완화가 절실한 실정이다. 그러나 독일도 영농형 태양광 관련법이 마련돼 있지 않아 확산이 더딘 상태다. 특히 국내에서 실증 연구를 진행하는 연구진들처럼 농업인으로서 받을 수 있는 지원은 전혀 받지 못하고 있다.

농업보조금, 규제승인 측면, 신재생에너지법(EEG)에 따른 재정 지원 등은 규제가 심한 농업과 에너지 분야에서 필수적으로 중요하다. 이 같은 문제가 해결되지 않아 실증 단지가 위치한 지역의 농민들도 영농형 태양광 설치를 주저하고 있다. 이 같은 문제들은 실제 실증 사업에 참여한 헤겔바흐 지역의 농민 '토마스 슈미드'와 '플로리안 레이어'의 인터뷰를 통해 알 수 있다.

이러한 목소리들을 통해 독일 정부와 연구진은 'APV 특별지역' 지정 제도를 마련할 방침이다. 농업 보조금을 받으며 태양광발전을 가능하게 하고 발전차액지원제도(FIT) 및 경매제도 반영 방안 등도 강구할 예정이다.

[시범사업에 참여한 토마스(왼쪽)과 플로리안(오른쪽). (사진=프라운호퍼 유튜브).]
◆ 토마스 쉬미드·플로리안 레이어 인터뷰(실증사업 참여·헤겔바흐 지역 농민)

Q. 프라운호퍼의 시범사업에 참여한 동기는.

토마스: 우리는 15년 동안 농장을 운영하면서 다양한 에너지원(목재 가스 전력, 옥상 태양광) 등에 투자해왔다. 2011년 프라운호퍼 ISE가 우리에게 제안했을 때, 에너지 전환은 이미 큰 이슈였다. 성공적인 에너지 전환과 토지 이용을 통해 '바이오가스' 생산의 대안을 제시하는 적절한 방법으로 간주하고 토지 이용을 허가했다.

플로리안: 우리는 재생에너지 분야 개발에 관심이 많다.

Q. 계획과 건설 단계는 어떻게 진행됐나.

토마스·플로리안: 완전한 실천 파트너로서 전 과정에 참여했다. 우리가 가지고 있는 농지의 비옥함을 유지하기 위해 높은 요구를 해 관철시켰다. 예컨대 영농형 태양광 설비를 위해 임시 공사 도로를 만들었고, 특별한 설비 시스템 덕분에 콘크리트 기초가 생략됐다.

Q. 영농형 태양광 시스템 하부에서 재배가 원활하나.

플로리안: 상부와 하부에서 이모작을 할 수 있다는 이점을 고려할 때, 일정한 제한은 있지만, 문제 없다. 당신이 그것을 하고 싶다면, 당신은 할 수 있다.

프라운호퍼의 영농형 태양광 연구 시설에 관한 영상.

Q. 영농형 태양광 상부 전력 발전을 통해 얻을 수 혜택은.

토마스: 우리가 사용하는 전력은 스스로 생산할 수 있는 점이 좋다. 가능한 한 많이 생산해서 에너지 비용을 줄일 것이다. 협력사들의 도움을 받아 에너지 저장, 관리, 소비, 발전 등을 자체적으로 해결하려고 노력하고 있다.

Q. 시범사업을 넘어, 실제 농가에도 영농형 태양광을 도입할 의사가 있는지.

플로리안: 현재 독일의 제도상 한계로 실제 농가에 도입하고 싶지 않다.

Q. 영농형 태양광의 확산을 위해 어떤 것이 바뀌어야 할까.

토마스: 영농형 태양광 발전 사업을 하게 되면 국가에서 주는 농업 보조금을 받지 못한다. 동시에 생산되는 전기에 대해 발전차액제도(FIT)의 혜택을 보지 못한다.

플로리안: 새로운 기술을 도입하는데 전폭적인 지원이 필요하다. 특히 정책적 기반이 수반돼야 한다.

토마스: 적용하기 위해서 더 많은 연구가 필요하다.

출처 - Opportunities for Agriculture and the Energy Transition

(Fraunhofer 2020. 10)

[베트남 한 지역에 설치된 새우 양식과 전기 생산을 병행할 수 있는 영농형 태양광 시설 모습. (사진=프라운호퍼 홈페이지).]

◆ '새우 양식과 전기 생산을 동시에' 프라운호퍼, '新 영농형 태양광' 모델 발굴 박차

독일 프라운호퍼 연구소는 현재 세계 각국에 현지 파트너를 두고 각종 실증 사업을 진행하고 있다. 이 가운데 베트남에서 진행하고 있는 사업 모델이 관심을 끌고 있다. 베트남의 경우 토지 부족 문제가 사회적 화두로 떠올랐다. 토지를 효율적으로 이용할 수 있는 방안 마련이 시급한 국가다. 이에 독일과 베트남은 공동으로 전기 생산과 양식을 결합한 'SHRIMPS 프로젝트'를 실시하고 있다.

이 프로젝트는 태양광 발전과 어류 및 새우 양식을 병행해 토지 사용에 있어 기술적, 경제적 타당성을 확인하는 것을 목표로 하고 있다. 베트남과 독일의 연구진은 베트남 메콩 삼각주에 위치한 새우 농장에 단지를 구축했다. 태양광 모듈은 팡가시우스(메콩메기과·베트남 메기)와 새우를 사육하기 위해 최적화된 높이에 설치됐다. 메콩 지역은 양식업과 재생에너지, 농업 사이의 토지 경쟁이 심화되고 있는 지역이기 때문에, 이 같은 연구들이 더욱 주목받고 있는 셈이다.

[프라운호퍼가 칠레 쿠라카비에서 진행하고 있는 APV 프로젝트 단지 모습. (사진=프라운호퍼 홈페이지).]

재생 가능 에너지 확산, 기후 변화 대응, 새우 생산 확대, 수자원 보호, 토지 효율적 이용 등의 이점이 있다. 연구진은 프로젝트의 효과에 대해 이산화탄소 배출을 줄이고, 기존 새우 농장에 비해 물 사용량을 75% 줄일 수 있을 것이라 예측했다. 연구진은 "양식과 태양광을 결합해, 토지 이용률이 개방형 태양광 발전소에 비해 최소 65% 증가할 수 있다"고 밝혔다. 이는 타당성 조사에서 예측한 내용이다. 더불어 인구밀도가 높은 나라의 토지 이용 갈등을 줄이는 데 중요한 역할을 할 수 있고, 재생 가능 에너지원 증가에 도움이 될 것이라는 게 연구진의 설명이다.

양식 물고기 보호, 그늘로 인한 작업 환경 개선, 새우의 성장을 촉진하는 데 도움이 되는 안정적이고 낮은 수온 등 장점도 있다. 전문가들은 이 모델은 개발도상국을 비롯, 전 세계적으로 보급할 수 있는 발전소 모델이라고 평가했다. 당시 헤겔바흐 APV 실증단지 프로젝트 담당자였던 스테판 쉰델레 (Stephan Schindele)는 "프라운호퍼 ISE는 자원 효율적인 토지 사용을 개선하고 토양을 재생하는 데 지속적으로 기여하기 위해 여러 국가에 추가 APV 데모 플랜트의 설립을 촉진하겠다"고 밝힌 바 있다.

Insight box

독일은 토지의 효율적 이용과 기후 위기 대응에 중점을 둔 연구를 진행했습니다. 친환경적이고 미래 지향적인 연구가 돋보였습니다. 특히 새로운 형태의 영농형 태양광 모델도 개발 중에 있는데요. 기후 위기 대책을 함께 모색해야 하는 우리나라도 분명히 받아들일 점이 많은 것 같습니다.
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