최근 우리는 기후변화, 식량부족, 에너지원 부족, 국제 분쟁 등 다양한 문제를 직면하고 있다. 이러한 가운데 수자원 보존, 식량 생산, 안정적인 에너지 보급을 가능하게 하는 영농형 태양광(Agrivoltaics)이 앞선 문제들의 솔루션으로 주목받으며 빠르게 성장할 전망이다.

영농형 태양광이란

영농형 태양광은 농업과 광전지(agriculture+photovoltaics)의 합성어로 농업과 태양광 발전을 병행해 작물 재배 또는 가축 사육과 전력 생산을 동시에 하는 시스템을 말한다. 태양광 패널 하부에서 농사를 지을 수 없었던 농촌형 태양광(Solar Farm)과는 달리 영농형 태양광은 다양한 레이아웃 및 용도로 구성할 수 있어 농부들은 더는 농지와 패널 중 한 가지를 선택할 필요가 없다.

<영농형 태양광의 다양한 구성>

[자료: National Renewable Energy Laboratory]

미래의 태양광 산업은 농지가 핵심

미국 에너지부(U.S. Department of Energy)가 최근 발표한 ‘태양광 미래 연구’ 보고서에 따르면, 미국은 인플레이션 감축법에 따라 태양광 발전 산업이 급속도로 성장해 2035년까지 태양광이 국가 전력의 40.0%를 차지할 전망이라고 밝혔다. 그리고 그 핵심에는 농지가 있다. 태양광 시스템의 가장 큰 문제점은 생산되는 전력 단위당 화석연료보다 훨씬 더 많은 토지가 필요하다는 점이다. Utah 주립대학의 연구기관인 The Strata Group에 따르면, 2017년 기준 국가 전력 에너지원별 1메가와트의 전력을 생산하는데 필요한 토지 규모는 풍력과 태양광이 각각 70.6에이커, 43.5에이커로 가장 많은 면적을 차지했다. 태양광의 경우 석탄, 천연가스, 원자력 대비 약 3.5배 더 많은 토지가 필요하다.

<2017년 미국 전력 에너지원별 메가와트당 필요 토지>

(단위: 에이커)

[자료: The Strata Group]

그러나 환경에 대한 관심 확대와 신재생에너지에 대한 수요가 증가하는 데 반해 발전소 설립이 가능한 토지는 계속 감소하고 있어 이에 따른 대책 마련이 시급하다. 국립신재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)에 따르면, 미국이 2050년까지 탄소 중립의 목표를 달성하려면 국토의 0.5% 규모에 태양광 발전소를 건설해야 한다. 이는 웨스트버지니아(West Virginia)주 전체를 덮을 만큼의 규모이다. 2022년 기준 국가 토지 현황을 살펴보면 5.0%가 도시 및 도로, 골프코스가 0.1%, 태양광 설치가 부적합한 토지가 8.0%를 차지하고 있다. 반면 알래스카와 하와이를 제외한 미국 내 48개 주 표면적의 약 43.0%가 농지로 되어있어 이에 대한 활용성을 높이고 효율적으로 전력을 생산하는 기술 개발이 필요하다.

태양광으로 생산성이 높아지는 농경지

국립 신재생에너지연구소에 따르면 태양광 패널은 과도한 열, 추위, UV 손상으로부터 식물을 보호해 특정 작물의 수확량을 증가시킨다. 온도가 높고 강수량이 낮은 지역에서는 패널이 그늘을 만들어 태양과 UV 손상으로부터 작물을 보호하고 식물과 토양에서 물의 증발을 줄여 더 많은 수분을 유지하도록 돕는다. 실제로 햇빛이 강하고 온도가 높은 애리조나(Arizona)의 경우, 태양광 패널 아래에서 체리 토마토의 생산량이 두 배로 증가했고 칠테핀 고추의 생산량은 세 배 증가했다. 또한, 온도가 낮고 어두운 지역에서는 패널이 측면이 없는 미니 온실과 같은 역할을 수행하며 어두운 밤 온도를 유지할 수 있게 해 일부 작물의 성장 기간을 연장하는 것으로 나타났다. 영농형 태양광 농장업체인 J사 토지 관리자에 따르면, “농장은 연간 1.2메가와트의 전력을 생산해 판매하고 있다. 또한 올해 7월부터 10월까지는 감자, 토마토, 케일 등 8000파운드 이상의 채소도 함께 재배해 전력과 작물로부터 2가지의 이익을 얻을 수 있어 매우 만족스럽다”고 말했다. 이렇듯 영농형 태양광은 토지를 보다 지속가능하게 사용할 뿐만 아니라 필수 자원인 식량, 물, 에너지 공급을 강화하는 데에도 도움이 된다.

다만 농작물 재배의 경우 온도, 햇빛의 양, 작물의 특성 등에 따라 패널의 밀도 및 높이가 달라져야 해 다소 복잡할 수 있다. 따라서 최근에는 토지에 양과 같은 방목 동물들을 가축을 하는 사례가 증가하고 있다. 뉴스매체인 포브스(Forbes)에 따르면, 영농형 태양광이 설치된 노스캐롤라이나(North Carolina) Brighter Future Solar 프로젝트에는 100~200마리의 양이 태양광 패널 밑에서 낮잠을 자고 잡초를 먹으며 부지를 다듬는다. 또한 태양광 시스템을 통해 연간 1만9000㎿h의 전력을 생산하고 있다.

정부 지원 확대부터 R&D 투자까지, 영농형 태양광 확산 노력

영농형 태양광이 증가하는 토지 사용 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다는 분석에 따라 대학교, 태양광 제조업체, 농업협회를 비롯해 업계의 연구 및 개발이 활발하다. 특히 미국 정부의 신재생 에너지 정책지원이 확대되면서 태양광 기술 성장을 물살을 타고 있다. 지난 8월 발효된 인플레이션 감축법에는 스마트 농업 프로젝트 지원금 200억 달러가 포함돼 있으며, 지난 12월 8일 800만 달러의 영농형 태양광 연구 프로젝트 지원 기금 FARMS(Foundational Agrivoltaic Research for Megawatt Scale)가 추가되었다. 해당 연구 프로젝트는 농부, 농촌 지역사회 및 태양광 산업에 새로운 경제적 기회를 제공하기 위한 것으로 태양광 발전과 농업 생산의 공동 위치로 정의되는 농업 발전을 지원할 계획이다.

미국 에너지부 장관인 Jennifer M. Granholm은 "미국 에너지부는 태양광 발전과 안전하고 견고한 농작물 생산을 결합할 기회를 제공해 시골 지역사회가 청정에너지 미래의 완전한 경제적 혜택을 얻을 수 있도록 보장한다“고 말했다. 또한, "FARMS 프로젝트를 통해 지속 가능한 농업을 지원하고 국가의 기후 목표를 실현할 수 있는 기술에 투자할 계획이다. 잠재적으로 토지 사용 분쟁을 줄이면서 새로운 경제적 기회를 제공할 수 있는 농업 발전을 위한 복제 가능한 모델을 개발할 것이다”라고 덧붙였다.

태양광업체인 Sandbox Solar는 국립신재생에너지연구소와 공동으로 Spade라는 농업 설계 및 모델링 소프트웨어를 개발하고 있다. 이를 통해 사용자는 지역 기후에서 사용할 수 있는 작물 및 구성에 대한 대략적인 아이디어를 얻을 수 있다. 따라서 태양광과 작물에서 어떤 입력 비용과 산출물을 갖게 될지, 인프라의 투자 수익이 얼마나 오래 지속될지 등에 대한 이해도를 높인다. 이렇듯 미국 정부의 적극적인 지원을 통해 태양계 설계, 효율적인 작물 및 경작 방법, 토양 및 환경 조건 구성 등 다양한 분야에서의 연구가 확대돼 상용화에 박차를 가하고 있다.

새로운 기술 구현의 장벽

영농형 태양광은 아직 초기 단계로 더 많은 연구와 분석을 통해 발전을 거듭해야 한다. 업계 담당자들은 최적의 수확량을 창출하기 위해 다양한 기후에서 어떤 구성과 작물을 사용해야 하는지 꾸준히 연구하고 있다. 국립 신재생에너지연구소에 따르면, 해당 분야는 변수가 많고 새로운 연구 분야로 테스팅 결과에 가변성이 존재한다. 따라서 정부의 적극적인 개발 지원금을 통해 다양한 기후, 지역, 토지에서의 연구가 필요하다.

또한, 초기 자본이 높아 설치에 어려움이 있을 수 있다. 현재 일반적으로 단단한 구조물 지붕 위에 설치되는 태양광 시스템보다 영농형 태양광의 설치 비용은 3배 정도 높다. 이는 일반적으로 사용되는 패널보다 지상에서 더 높이 올려지기 때문에 더 깊은 강철 기초가 필요하고 패널을 지탱하는데 더 크고 복잡한 장착 시스템을 필요로해 초기 설치 비용이 상대적으로 더 많이 든다. 그러나 장기적인 투자 수익으로 보았을 때 물, 에너지, 식품 시스템을 보호하고 전력발전과 식물을 통해 이익을 이중으로 얻을 수 있어 미래의 농부에게 중요한 수입원을 제공할 수 있다.

시사점

미국 태양광 산업은 다양한 기술 발전에 따라 소비자 수요를 증가시킬 것으로 전망된다. 특히 영농형 태양광을 통해 토지 부족 문제를 해결하고 식량과 전력 생산까지 모두 얻을 수 있어 이에 따른 기술개발이 정부적 차원에서 확대되고 있다. 미국 정부는 인플레이션 감축법, 영농형 태양광 연구기금 확대를 통해 산업 성장을 촉진하고 중국 견제를 강화하고 있다.

최근 미국은 ① 중국 태양광 패널 관세 도입 및 수량 제한, ② 위구르 강제노동방지법(Uyghur Forced Labor Prevention Act, 이하 UFLPA)에 따른 중국 신장지역 제조품 수입금지 등을 통해 견제를 강화하고 있다. 또한 지난 3월 미국 상무부는 중국산 부품을 캄보디아, 말레이시아, 태국, 베트남 등에 보낸 뒤 일부 작업을 거쳐 미국에 우회 수출을 한 것으로 파악되는 8개 업체를 선정해 조사에 착수했고 12월 2일 이중 4개의 업체가 예비판정을 받았다. 이중 우리 업체인 한화큐셀도 조사 대상에 있었으나 혐의없음으로 처리되었다. 우리 기업은 미국 태양광 산업의 확대 속에서 적극적인 진출전략을 통해 시장점유율을 높일 수 있을 것으로 전망된다.

자료: Forbes, U.S. Department of Energy, Sandbox Solar, National Renewable Energy Laboratory, The Strata Group, 그 외 KOTRA 시카고 무역관 자료 종합