신재생 에너지의 종류와 활용방안은 무엇입니까?

신·재생 에너지는 신에너지와 재생에너지를 통틀어 부르는 말로, 화석연료나 핵분열을 이용한 에너지를 대체하는 에너지 자원을 의미한다. 신에너지는 수소에너지, 연료전지 등 새로운 에너지 기술을 포함하며, 재생에너지는 태양광, 풍력, 수력, 지열, 바이오에너지 등 자연적으로 재생 가능한 에너지를 의미한다.

각 에너지원은 활용 분야에 따라 다음과 같이 구분된다.
• 태양광: 건물 지붕, 산업단지, 주택 등에 설치되어 분산형 전원으로 활용된다.
• 풍력: 대규모 육상 및 해상 풍력단지를 중심으로 발전용 전력 생산에 활용된다.
• 수력/양수: 수력발전은 재생에너지 기반 전력 생산을 담당하며, 양수발전은 전력 수요 변동에 대응하여 전력망 안정화 및 대규모 에너지 저장 기능을 수행한다.
• 바이오에너지: 폐기물, 바이오가스 등을 활용하여 열 및 전기를 생산하는 데 사용된다.

이처럼 신·재생 에너지는 에너지원별 특성에 따라 발전 방식과 활용 분야가 다르며, 탄소중립 실현을 위한 핵심 에너지로 자리 잡고 있다.

2024년 기준 전 세계 청정에너지 발전 비중은 40%를 돌파하였으며, 태양광이 가장 빠르게 성장하는 재생에너지원이다. 반면 한국의 전체 재생에너지 발전 비중은 약 10%로 세계 평균 대비 낮은 수준이며, 태양광과 풍력의 비중도 아직 제한적이다. 한국 정부는 2038년까지 신재생에너지 발전 비중을 32.9%로 확대하는 것을 목표로 하고 있으며, 특히 해상풍력 확대와 수소경제 기반 구축을 위한 정책을 추진 중이다.

글로벌 에너지 시장에서는 태양광·풍력의 발전 단가(LCOE)가 지속적으로 하락하여 일부 지역에서는 화석연료보다 경제성이 높은 수준에 도달하였다. 또한 재생에너지의 간헐성을 보완하기 위해 에너지 저장장치(ESS, Energy Storage System)의 중요성이 크게 부각되고 있다. ESS는 전력을 저장했다가 필요 시 공급함으로써 전력 수급을 안정화하는 역할을 하며, 특히 태양광·풍력과의 결합을 통해 출력 변동성을 보완하는 핵심 인프라로 활용된다.

최근에는 AI 산업 및 데이터센터의 전력 수요 급증으로 인해 안정적인 전력 공급이 중요해지면서, ESS를 활용한 분산형 전원 및 전력 관리 기술이 더욱 주목받고 있다. 또한 ESS는 피크 전력 저감, 전력 품질 개선, 비상 전력 공급 등 다양한 역할을 수행하며, 재생에너지 확대와 함께 필수적인 에너지 인프라로 자리잡고 있다. 이와 함께 재생에너지 기반 전력을 활용한 그린수소 생산 기술도 차세대 에너지 시스템의 핵심 요소로 주목받고 있다.

해설 및 핵심용어 정리

재생가능 에너지(renewable energy)는 자연 상태에서 만들어진 에너지를 일컫는 말이다. 재생 가능 에너지의 종류는 매우 다양하다. 가장 흔한 것이 태양 에너지이고, 그밖에도 풍력, 수력, 생물자원(바이오매스), 지열, 조력, 파도 에너지 등이 있다. 재생 가능 에너지의 종류는 여러 가지가 있지만, 이것들의 대부분은(99.98%) 태양으로부터 온 것이다.

바람은 공기가 태양 에너지를 받아서 움직이기 때문에 생기고 물의 흐름도 햇빛을 받아 증발한 수증기가 비가 되어서 내려오기 때문에 생긴다. 파도나 해류도 바닷물이 햇빛을 받아 온도 차가 일어나기 때문에 생긴다. 나무도 광합성을 통해서 만들어지는 것으로 태양 에너지가 변형된 것이다.

재생 가능 에너지 중에서 태양 에너지와 크게 상관없는 것은 조력과 지열이다. 조력은 조수를 이용하는 것인데, 조수는 달이 지구를 잡아당기는 힘에 의해서 생긴다. 지열은 지구 내부의 열로 인해서 생긴다.

재생가능 에너지의 기술적 범위는 태양 에너지, 풍력, 수력 발전, 바이오 연료로 매우 범위가 넓다. 기후변화 문제의 심화와 화석연료의 고갈 등으로 재생가능 에너지의 중요성과 비중은 점차 증가하고 있다. 재생가능 에너지 시스템은 다양한 기술을 포함하고 있으며 현재에 이르러 상당히 다양해졌다. 일부 기술은 이미 성숙 상태에 이르러 경제적으로 경쟁적이며[1], 다른 기술들은 추가적인 개발이 필요하다.

지구상에 존재하는 재생 가능 에너지의 대부분이 태양 에너지의 변형이기 때문에 그 양도 한정되어 있다. 우리가 하루에 사용할 수 있는 재생 가능 에너지의 양은 하루 동안 지구로 들어오는 태양 에너지의 양을 넘지 못한다. 그러므로 재생 가능 에너지를 적극적으로 개발해서 사용한다고 해도 우리가 무한한 에너지를 얻을 수 있는 것은 아니다.

(1) 태양에너지

태양 에너지는 지구의 기후에 힘을 주고 생명을 지탱시켜 주는, 태양으로부터의 열과 빛 형태의 복사 에너지를 말한다. 햇빛으로부터 열이나 전력을 얻는 에너지원, 곧 재생 가능 에너지로 분류하기도 한다. 최근에는 태양 에너지 기술이 재생 에너지에 사용되고 있다.

(2) 지열 발전

지열발전이란 지구 내부의 열(지열에너지)을 이용하여 전력을 생산하는 방법이다. 지열 에너지의 근원은 방사성 물질의 방사성 감쇠와 화산 활동, 지표면에 흡수된 태양 에너지 등이다. 구석기 시대에는 지열 에너지로 데워진 물에서 목욕을 했으며, 고대 로마 시대에는 지열 에너지를 이용해 난방을 하기도 했으며, 오늘날에는 지열을 이용해 전력을 생산하기에 이르렀다. 전 세계적으로 약 10,715MW의 전력이 24개국에서 생산되고 있다. 그 외에 지역난방, 온수 공급, 공업적 용도, 담수화, 농업 등에 사용되는 지열의 용량은 28GW에 이른다.

지열 발전은 비용이 적게 들며, 오랜 기간 동안 꾸준한 전력을 얻을 수 있으며, 환경 친화적이다. 그러나 지열 발전은 판의 경계가 위치한 지역에서만 이용 가능하다는 단점이 있었다. 최근엔 기술 발전의 도움으로, 더 넓은 지역에서도 지열을 이용한 가정 난방 등이 가능하게 되면서 지열 발전의 발전 가능성을 보여주었다. 지열 발전도 지구 내부에 존재하는 온실 가스를 일부 방출시키긴 하지만, 화석 연료를 사용했을 때의 온실 가스 방출량보다는 훨씬 적다. 따라서 지열 발전이 화석 연료를 대체한다면 지구 온난화 문제를 해결하는데 도움을 줄 것이다.

이론적으로 지구의 지열 에너지는 인류의 에너지 수요량을 모두 충족시키기에 충분하지만, 실제로 채산성이 충분한 양은 일부분에 불과하다. 깊은 곳에 위치한 지열 에너지를 이용하는 것은 비용이 너무 많이 든다. 지열 발전의 미래는 기술의 발전, 에너지의 생산가, 국가 보조금의 지원, 이율 등에 달려있는 것이다.

(3) 바이오매스

태양에너지를 받은 식물과 미생물의 광합성에 의해 생성되는 식물체, 균체와 이를 먹고 살아가는 동물체를 포함하는 생물 유기체를 일컬음. 바이오매스 자원은 곡물, 감자류를 포함한 전분질계의 자원과 초본, 임목과 볏짚, 왕겨와 같은 농수산물을 포함하는 셀룰로오스계의 자원과 사탕수수, 사탕무와 같은 당질계의 자원은 물론 가축의 분뇨, 사체와 미생물의 균체를 포함하는 단백질계의 자원까지를 포함하는 다양한 성상을 지님 이들 자원에서 파생되는 종이, 음식찌꺼기 등의 유기성폐기물도 포함한다. 이런 유기성 폐기물 중 과일껍질 같은 것도 기여된다.

화석 연료, 특히 석유 자원은 그 양이 한정되어 있다. 그러나 현재 석유는 다른 어떠한 에너지원보다 사용되는 범위가 넓고 사용 비중도 높다. 따라서 이 석유를 대체할 수 있는 자원 개발에 많은 사회적 관심이 집중되고 따라서 해당 연구들이 활발히 진행되어 왔는데 그 중 하나가 바이오매스이다. 이는 식물을 활용한 새로운 에너지원으로 식물의 지방성분을 이용하거나 당 성분을 이용한다. 석유 엔진을 개조하여 폐식용유 등의 식물성 기름을 연료로 사용하거나, 식물의 섬유소를 당으로 만들어 여기서 에탄올을 뽑아내어 연료로 활용한다. 대장균을 비롯한 세균들을 이용하여 에너지를 만드는 방법도 있고, 만약 곡물의 줄기나 잎 등 버려지는 부분까지 활용할 수 있는 기술 개발을 통하여 보다 적은 비용으로 많은 양의 바이오매스 연료를 생산하는 것이 가능해진다면 현재의 석유 자원을 대체하기에 충분하다는 견해가 있으나 지난 수십 년간 세계 에너지 사용량 증가를 볼 때 미래 에너지난의 해답은 바이오매스라기보다는 인류의 에너지 사용 억제에 있다는 견해 역시 널리 받아들여지고 있다.

바이오매스는 석유 자원에 비해 친환경적이라는 인식이 지배적인데 바이오매스의 원자재인 식물을 키우기 위해 화석연료에서 뽑아낸 천연가스로 만든 인공비료가 집중적으로 사용되고 인공비료와 식물을 이동하는데 사용하는 에너지 등을 감안할 때 석유 자원의 사용이 오히려 더 환경적일 수 있다. 또한 인공비료를 남용하면 토양 오염과 수질 오염이 일어나고, 많은 양의 식물을 바이오매스 생산에 사용할 경우 그들을 주식으로 삼는 저개발 국가에 식량난을 초래할 수 있다.

(4) 조수에너지

수력 에너지는 20세기 최고의 재생에너지로 꼽힌다. 현재의 수력 발전은 강에 댐을 건설하여 물의 낙차를 이용한 발전이 주를 이루고 있다. 그러나 이미 수력 발전이 가능할 만한 강에서는 대부분 댐이 건설되어 수력발전이 이루어지고 있으며, 앞으로 수력 발전을 더욱 확대시키기 위하여 바다에서의 수력 발전을 위한 여러 방법들이 고안되고 있다.

그 중 조수 댐은 현재의 전통적인 수력발전과 유사하다. 밀물 때 물을 댐에 가둔 후 썰물 때 그 낙차를 이용하여 발전하는 방식이다. 그리고 흐르는 조류에 직접 수중 터빈을 돌려 전기 에너지를 생산하는 방식도 있다. 이 방식은 바닷물에 직접 터빈이 맞닿기 때문에 부식 등이 발생하기 쉬워 유지 보수가 어렵고, 또 해양 환경을 직접 다루기 어렵다는 단점이 있다.

마지막으로 파도력을 이용한 방식이 있는데, 파도가 잦은 바다 수면 위에 다관절의 발전 유닛을 띄워놓아 발전을 하는 방식이다. 파도의 움직임이 유닛 관절부의 수압모터를 회전시켜 그 힘으로 전력을 생산하는 방식이다.