신재생에너지 종류 및 장·단점

왜 배우는가: 신재생에너지는 화석연료 대체와 온실가스 감축의 핵심 수단이라 실무와 정책 모두에서 기본이 된다. 종류별 원리와 장·단점은 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제에 반복해서 출제되므로 체계적으로 정리해 둘 필요가 있다.

출제 이력: 제138회 1교시 3번, 제109회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

신에너지 및 재생에너지는 화석연료를 변환해 이용하거나 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등 재생 가능한 에너지를 변환해 이용하는 에너지를 말한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 신재생에너지
• 신에너지
• 재생에너지
• 재생에너지 설비
• 온실가스 감축
• 간헐성
• 분산형 전원
• 에너지 안보

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 신재생에너지는 석유·석탄·천연가스·원자력이 아닌 에너지 가운데 새로 개발했거나 자연에서 계속 얻을 수 있는 에너지를 뜻한다. 법률의 정식 정의는 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」 제2조에 있다. 이 법은 신에너지와 재생에너지를 구분해 정의한다.

신에너지는 기존 화석연료를 변환해 이용하는 에너지다. 수소에너지, 연료전지, 석탄액화·가스화 에너지가 여기에 속한다. 화석연료를 쓰더라도 변환 방식이 새롭다는 점에서 신에너지로 분류된다.

재생에너지는 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체처럼 자연에서 재생되는 에너지를 변환해 이용하는 에너지다. 태양광·태양열, 풍력, 수력, 해양에너지, 지열, 바이오에너지, 폐기물에너지, 수열에너지가 대표적이다. 현행 법령은 재생에너지를 나열식으로 정의하며, 각 항목은 시행규칙에서 설비 단위로 구체화된다.

재생에너지 설비는 재생에너지를 생산하거나 이용하는 설비와, 재생에너지의 전력계통 연계 조건을 개선하는 설비를 말한다. 전력저장 설비도 재생에너지와 연계되면 이 범주에 들어간다.

신에너지는 화석연료를 새 방식으로 변환하는 것이고, 재생에너지는 자연에서 계속 얻는 에너지를 변환하는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

화석연료는 매장량이 한정되어 있고 연소 과정에서 이산화탄소와 대기오염물질을 배출한다. 에너지를 수입에 의존하는 나라는 가격 변동과 공급 중단의 위험을 함께 안는다. 이 두 문제를 줄이기 위해 에너지원을 다양화하는 정책이 필요해졌다.

기후변화 대응이 국제적 과제로 떠오르면서 탄소 배출을 줄일 수 있는 에너지원의 비중을 높이는 것이 중요해졌다. 재생에너지는 운전 중 온실가스를 거의 배출하지 않으므로 감축 수단으로 주목받는다. 신에너지인 연료전지는 발전 효율이 높고 질소산화물과 이산화탄소 배출이 적어 분산 전원으로 확대되고 있다.

또한 신재생에너지는 지역에서 생산·소비하는 분산형 공급이 가능하다. 대규모 송전망에 의존하지 않고 수요처 가까이에서 전력을 공급할 수 있어 전력 계통의 부담을 나눌 수 있다. 이러한 배경 때문에 정부는 신재생에너지 보급 확대를 위해 공급 의무화 제도 같은 정책 수단을 도입했다.

온실가스 감축 과 에너지 안보는 신재생에너지 보급의 두 가지 목적이다. 이 목적은 법률 제1조에 명시되어 있다.

신재생에너지 보급의 목적은 에너지원 다양화, 안정적 공급, 환경친화적 구조 전환, 온실가스 감축이다.

4. 구성요소·원리·절차

신재생에너지 설비는 에너지원을 전기나 열로 바꾸는 변환장치와, 그 출력을 계통에 맞추는 보조장치로 나뉜다. 대표 예인 태양광 발전시스템으로 구성요소를 본다.

위 표는 에너지 흐름 순서대로 배치했다. 어레이에서 생긴 직류가 접속함을 거쳐 PCS에서 교류가 된다. 계통연계 보호장치는 정전 시 발전을 멈춰 작업자를 보호하는 역할을 한다.

태양전지는 p-n 접합에서 빛을 받아 전자와 정공을 만들고, 이를 전류로 모은다.

풍력발전은 바람의 운동에너지를 회전 날개로 받아 발전기로 전환한다. 이론상 날개가 얻을 수 있는 출력은 다음과 같다.

$P=\frac{1}{2}\rho A v^{3} C_p$

여기서 P는 출력(W), \rho는 공기 밀도(kg/m³), A는 회전면적(m²), v는 풍속(m/s), C_p는 출력계수다. 출력은 풍속의 세제곱에 비례하므로 풍속 변화가 출력에 크게 반영된다. C_p는 베츠 한계 이하이며, 이론 최댓값은 16/27(약 0.593)이다.

예제: \rho=1.225 kg/m³, A=3000 m², v=10 m/s, C_p=0.4이면 P=0.5\times1.225\times3000\times10^{3}\times0.4=735{,}000 W로 약 735kW다. 1MW 안팎 풍력기의 출력 규모와 맞으므로 상식 범위다.

태양광 모듈의 변환효율은 다음과 같이 정의한다.

$\eta=\frac{P_{max}}{E\times A}$

P_{max}는 모듈 최대출력(W), E는 일사강도(W/m²), A는 모듈 면적(m²)이다. 표준 시험 조건의 일사강도는 1000W/m²를 쓴다.

예제: 면적 2m², 최대출력 400W이면 \eta=400/(1000\times2)=0.20, 즉 20%다. 실제 상용 모듈의 효율 범위와 맞는다.

태양광 발전의 전력 변환 절차는 다음과 같다.

• 모듈이 일사를 받아 직류를 발생시킨다.
• 접속함에서 스트링 전류를 모으고 보호한다.
• PCS가 MPPT로 최대출력점을 추종하며 직류를 교류로 변환한다.
• 계통연계 보호장치가 전압·주파수와 단독운전 여부를 감시한다.
• 계통에 전력을 공급하고 운전 상태를 계측·표시한다.

5. 관련 법령·기준·표준

신재생에너지의 범위는 「신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법」(약칭 신재생에너지법)이 정한다. 현행 제2조제2호는 재생에너지를 햇빛·물·지열·강수·생물유기체 등 재생 가능한 에너지를 변환해 이용하는 에너지로 정의한다. 세부 설비는 같은 법 시행규칙 제2조에서 정한다.

위 표는 재생에너지 설비의 법적 범위를 보여준다. 답안에서는 태양·풍력·수력·해양·지열이 자연에너지 중심이고, 바이오·폐기물·수열이 열·연료 중심이라는 구분을 함께 쓴다.

기준 수치는 아래와 같다.

신에너지 정의 조문은 최근 개정으로 삭제됐다. 같은 개정에서 재생에너지 정의 본문은 유지됐다. 시행규칙 제2조는 2026-08-27 개정으로 제1~3호가 삭제됐다. 신에너지 대상은 수소, 연료전지, 석탄액화·가스화 등으로 이해하며, 현행 조문 번호는 개정 이력에서 확인된 범위에서만 쓴다.

개정 연혁으로는 2025-10-01과 2026년 개정이 확인된다. 답안에는 개정 시점을 덧붙여 현행 정의를 쓴다.

6. 유형과 비교

신재생에너지는 기원과 이용 방식에 따라 신에너지와 재생에너지로 나뉘고, 재생에너지는 다시 자연에너지 변환형과 바이오·폐기물형으로 나눠 볼 수 있다. 법령상 재생에너지는 태양에너지, 풍력, 수력, 해양에너지, 지열에너지, 바이오에너지, 폐기물에너지, 그 밖의 에너지로 열거된다. 이 분류의 기준은 원천 에너지의 재생 가능성이다.