[코이오스의 뷰 ③] 영농형 태양광 발전의 접근 방식... 긍정적 시각과 부정적 시각
2022년, 세계보건기구(WHO)는 “우리 삶에서 공기보다 중요한 것은 없다”라고 선언했다 (WHO, 2022). 이 선언문은 주변 및 가정의 대기 오염으로 인한 매년 670만 명의 조기 사망자가 발생의 심각성을 포함하고 있기도 하다 (WHO, 2022). 오늘날 인류에 대한 명확한 환경의 요구는 단순히 이 위기를 인정하는 것이 아니라 기후 변화를 촉발하는 만연한 오염 문제를 해결하는데 적극적으로 참여하는 것이다. 환경오염이 심각해지는 가운데 미국의 한 주 캘리포니아는 정책을 발표했다. 캘리포니아 주지사는 “캘리포니아는 온실가스 배출량 85%와 석유 사용 94% 줄일 것이다”라고 약속했다 (Governor Gavin Newsom, 2022). 이것은 단순한 정책이 아니다. 공기를 정화하고, 공동체를 보호하며, 더 깨끗하고 지속 가능한 에너지 패러다임으로 전환을 가속화하기 위한 약속이다.
태양전지판의 원리 및 작동
다양한 재생 에너지 선택지 중에서도 가장 눈에 띄는 기술은 태양광이다. 태양광 에너지는 청정 에너지원으로서 항상 풍부한 햇빛을 활용하여 지속 가능한 에너지를 제공한다. 또한 전통적인 화석연료에서 나오는 배출물로 부터 자유롭다. 그 핵심에는 태양 전지 내의 광전 효과에 있다. 태양 전지는 패널이 햇빛에 닿으면 생성되며, 전자를 방출하여 전기를 만들어낸다. 이 섬세한 전자들은 연결되어 패널을 형성하며, 햇빛을 활용하여 안정적인 전력 흐름으로 전환한다 (National Grid, 2023).
영농형 태양광: 태양광과 농지
이러한 태양전지판은 광범위한 설치 공간을 필요로하며 그 공간을 어떻게 수용 할 것인지가 문제이다. 답은 충분한 공간과 풍부한 햇빛이 있고 에너지 비용 절감이 필요한 광활한 농지에 달려있다. 농부들은 태양 에너지의 경제적 잠제력을 보기 시작했다. 태양광 패널의 초기 설치비용은 막대하지만 시간이 지남에 따라 상당한 비용 절감을 약속한다. 만약 한 달의 에너지 비용이 150달러로 한화 약 23만원이면 30년 동안 65,000달러 한화 약 9,600만 원의 전기 요금을 상쇄할 수 있다 (Walker, E., & Langone, 2023).
농업과 태양광 기술의 융합은 영농형 태양광 발전이라는 개념을 탄생시켰다. 농지 위에 태양광 패널을 설치함으로써 사람들은 태양 에너지를 활용할 수 있을 뿐만 아니라 동시에 토지의 농업 생산성을 유지할 수 있다. 식물들은 각기 다른 양의 광합성을 필요로 하며, 많은 식물은 부분적인 그림자가 있음에도 번성할 수 있고 패널에서 수확한 남은 빛으로 전기로 바꿔서 사용할 수 있다. 예를 들어 쌀은 70%의 햇빛으로도 자랄 수 있으며 나머지는 에너지 생산에 할당할 수 있다 (N-Sci Technologies, 2019).
영농형 태양광의 긍정적인 부분
경제적 이점은 정점에 달한다. 100 에이커, 약 40만 제곱미터 규모의 농장에서 태양광 에너지와 농업에 대한 별도의 할당은 각각 100%의 수익을 창출한다. 그러나 이 두 가지를 같은 땅에 통합하면 생산성은 단순히 합산되는 것이 아니다. 각각 80%, 각 부분의 합인 160%를 초과하는 총 수확량을 제공한다 (Ayers, 2022). 농부들은 농작물을 재배하는 것뿐만 아니라 잉여 전기를 생산하고 잠재적으로 판매함으로써 이익을 얻는다.
게다가 태양광 패널은 농부들에게 가장 큰 운영 비용 중 하나인 전기를 제공한다. 채소 냉각기부터 작물 처리기까지 모든 것에 전력을 공급하고 패널로부터 공급된 전기는 농업 경제에 한 획을 그을 수 있을 것이다. 경제적인 이득을 넘어서 영농형 태양광은 작물 품질까지 개선한다. 전통적인 지상 설치 패널과 달리, 영농형 패널은 그늘을 최소화하면서 30% 미만의 충분한 햇빛 투과율을 보장한다 (Stawarz, 2024). 패널의 상승된 구조물은 작물에게 유익한 그늘을 제공하며, 특정 작물의 경우 온실 효과를 모방하여 성장 조건을 향상시킨다. 태양광 패널의 그늘은 토양에서 물이 증발하는 것을 줄여 가뭄을 줄이고 물 절약에 기여한다. 보호 장벽 역할을 하는 패널은 과도한 햇빛, 서리, 강풍 등 극한 날씨로부터 보호하여 변동성이 큰 기후로부터 작물의 저항성을 높인다 (Ficazzola, 2018).
영농형 태양광의 부정적인 부분
영농형 태양광의 장점에 집중하고 있지만 관련된 문제들은 여전히 남아 있다. 농지에 태양광 패널을 도입하면 식물과 영양이 풍부한 토지에 햇빛 공급량이 줄어들어 농작물 수확량이 감소할 수 있다. 21세기에 정점을 찍을 것으로 예상되는 인구 증가로 인해 식량에 대한 수요가 증가하는 것을 무시할 수 없다 (Ritchie, 2023). 자세한 계획 없이 영농형 태양광을 지속적으로 확장하면 식량 공급에 큰 영향을 미쳐 이미 전 세계 수백만 명이 직면한 심각한 식량부족을 악화시킬 수 있다. 농업은 이미 기후 변화로 인해 어려움을 겪고 있다. 캘리포니아 식품 농업부는 관개 농지가 10% 감소할 때마다 752,000에이커가 줄어든다고 보고했다. 2022년에는 쌀 재배가 절반으로 줄었다 (Keavy, 2022). 우리는 지금 줄어드는 농업 환경의 벼랑 끝에 서 있다. 그럴수록 식량과 에너지 생산을 위한 토지 간의 균형은 점점 더 불안해지고 있다.
또한 농작물 수확량 감소를 고려하여 태양광 발전의 효율성을 면밀히 검토해야 한다. 이상적인 시나리오는 태양 에너지가 에너지 수요를 보완할 뿐만 아니라 넘어서서 화석 연료를 완전히 대체해 버리는 것이다. 하지만 현실은 더 복잡하다. 태양광 효율은 기상 조건, 먹구름, 변동하는 온도에 취약하다. 연구에 따르면 흐린 날에는 태양광 패널이 용량의 10~30%만 작동하는 것으로 나타났다 (Ficazzola, 2018). 게다가 최적 온도 이상의 모든 온도에서는 효율이 0.3%에서 0.5% 감소하여 태양광 발전의 현실을 깨닫게 한다 (Palmetto, 2023).
태양 에너지는 다른 재생 가능 에너지원보다 매개변수가 적은 것이 사실이다. 그러나 생산된 순 에너지가 우리의 필요에 미치지 못하면 태양열에 대한 완전한 의존은 여전히 불가능하다. 태양광 발전의 효율성을 극대화하기 위해서는 지리적 현실과 맞서야 하고 완벽한 조건을 찾는것은 극히 드물다.
영농형 태양광의 주의할 점
영농형 태양광에 대한 쟁점은 농부들의 경제적, 환경적 이익과 식량 생산의 잠재력 여파 및 태양광 기술의 효율성이다. 재생 에너지를 활용하는 것은 중요하지만, 식량 보존을 위협해서는 안된다. 대체 재생 에너지원은 있지만, 농업의 근본적인 역할을 대체할 수는 없다.
태양 에너지를 확보하기 위해 농지를 최대한 활용하는 것은 경제적으로나 환경적으로나 농부들에게 매력적이다. 이러한 이익은 명백하지만, 식량 보존도 중요하다. 농업은 다가오는 식량 위기를 대비하기 위해 비옥한 토지를 농업에 우선적으로 활용해야 하는 기로에 서 있다. 2050년까지 전 세계 인구가 97억 명에 달할 것으로 예상되고 농촌 공간이 줄어들고 있는 상황에서 이 문제의 시급성은 더욱더 강조된다 (Ritchie, 2023).
균형있는 접근
이제 지혜로운 선택이 나타나야 할 때이다. 농부와 목장주는 미래 식량 확보의 열쇠를 쥐고 있다. 그러나 이것은 간단한 결정이 아니다. 각 농업인은 태양 에너지의 즉각적인 재정적 이익을 수용하거나 계속 증가하는 인구를 먹여 살리기 위해 농업의 중요성을 지켜야 하는 딜레마에 직면하고 있다. 농부들과 정책 입안자들은 이 결정을 깊이 고민해야 한다. 우리는 에너지와 식량 보존의 필요성을 조합시키는 균형 잡힌 접근 방식을 모색해야 한다. 우리가 영농형 태양 발전을 받아들인다면 우리 세대에 필요한 식량 보전에 대해 책임을 지고 해결해야 한다.
* 본 기사는 ESG코리아뉴스 미국 학생기자 Seungeun Lee(Julia Lee)의 영문 오피니언으로 원문의 내용은 아래와 같습니다.
Approaches to Agricultural Solar Power: Positives and Negatives
By Seungeun Lee(Julia Lee)
In the year 2022, a sobering proclamation was issued by the World Health Organization that “Nothing is more essential to life than air (WHO, 2022). Yet, it is this very essence of life that is under siege by ambient and household air pollution, culminating 6.7 million premature deaths annually (WHO, 2022). Today, the clarion call for humanity is not just to acknowledge this crisis but to actively engage in resolving the pervasive issue of pollution which precipitates climate change. As the climate crisis intensifies, particularly in states like California in the United States, leadership is emerging. The Governor’s office has announced that “California will slash greenhouse gas emissions by 85% and cut gas consumption by 94% by 2045 (Governor Gavin Newsom, 2022). This is not merely a policy update; this is a commitment to purifying our air, protecting our communities, and hastening the transition to a cleaner, more sustainable energy paradigm.
Solar Panel Operations
Among various renewable energy options, solar photovoltaic technology shines with promise. This clean energy source, tapping into the daily bounty of sun, offers a sustainable solution. It is free from the emissions that plague traditional fossil fuels. At its core, the technology relies on the photoelectric effect within solar cells. Solar cells are created when the panels are struck by sunlight, and generate electricity by releasing electrons. These delicate cells are intricately linked to form robust panels, collectively harnessing and converting sunlight into a stable flow of electric power (National Grid, 2023).
Agrivoltaics: Solar Panels With Farmland
This has transitioned into the question, how do people accommodate the expansive footprint required by solar panels? The answer has now fallen on the vast stretches of farmland, where sufficient space, abundant sunlight, and the imperative to reduce energy costs converge. Farmers are beginning to see the untapped economic potential of solar energy. The installation of solar panels, though initially capital intensive, promises substantial saving over time. Imagine offsetting a monthly electricity bill of 150 dollars with a cumulative saving of 65,000 dollars over three decades (Walker, E., & Langone, 2023).
This convergence of agriculture and photovoltaic technology has given rise to the concept of agrivoltaics. By integrating solar panels above the farmland, people can harness the sun for energy, but also can maintain the land’s agricultural productivity simultaneously. Each plant species has its unique photosynthetic needs, yet many can flourish even with partial shading, turning excess light from solar panels into valuable electricity. For instance, rice fields can thrive with 70% sunlight, allocating the remainder to energy production (N-Sci Technologies, 2019).
Bright Approach To Agrivotlaics
The economic benefits are indeed striking. On a hypothetical 100-acre farm, separate allocations for solar energy and agriculture yield a 100% return for each. Yet, when these two are integrated on the same land, the productivity does not merely add up; it multiplies, offering a combined yield that exceeds the sum of its parts which is 160%, 80%for each part (Ayers, 2022). Farmers gain not just by growing crops, but also by generating and potentially selling surplus electricity.
Moreover, solar panels could free farmers from one of their largest operational expenses, electricity. Powering everything from vegetable coolers to crop treatments, free electricity from solar panels could revolutionize farm economics. Beyond the economic, agrivoltaics systems can also bolster crop quality. Unlike traditional ground-mounted panels, agrivoltaics installations minimize shading while ensuring adequate sunlight penetration less than 30% (Stawarz, 2024). Elevated structures provide beneficial shade, which for certain crops can simulate a greenhouse effect, enhancing growth conditions. Shading from solar panels can also contribute to water conservation, mitigating drought impact and reducing evaporation from the soil. Acting as a protective barrier, these panels guard against extreme weather, from excessive sunlight to frost and strong winds, potentially enhancing crop resilience in volatile climates (Ficazzola, 2018).
Dim Approach to Agirvoltaics
Yet, as the virtues of agrivotlaics are extolled, the associated challenges are expected. The introduction of solar panels on farmland reduces the light available to plants and nutrient rich land, potentially decreasing crop yields. With the growing population that is projected to peak this century, the escalating demand for food cannot be ignored (Ritchie, 2023). Continuous expansion of agrivoltaic installation, without strategic planning, could significantly impact our food supply, exacerbating the already dire food insecurity faced by millions worldwide.
Agriculture is already grappling with the repercussions of climate change. The California Department of Food and Agriculture reports a 10% decrease in irrigated farmland, translating to 752,000 acres less arable land. In 2022 alone, rice cultivation was halved (Keavy, 2022). As we stand on the precipice of shrinking agricultural landscape, the balance between land for food production and energy generation becomes ever more precarious.
Furthermore, the efficiency of solar power must be scrutinized in the light of crop yield reductions. The ideal scenario would be one where solar energy not only complements but exceeds our energy needs, allowing us to forsake fossil fuels entirely. Yet, the reality is more complex. Solar efficiency is susceptible to weather conditions, cloud cover, and fluctuating temperatures. Studies have shown that on overcast days, solar panels operate at merely 10% to 30% of their capacity (Ficazzola, 2018). Additionally, for every degree above the optimal temperature, efficiency declines slightly by 0.3% to 0.5%, underscoring the nuanced nature of solar power generation (Palmetto, 2023).
It is true that solar energy demands fewer conditional parameters than other renewable sources. However, if the net energy produced falls short of our needs, complete reliance on solar power remains unfeasible. The quest to maximize solar efficiency must contend with geographical realities, often finding the perfect confluence of factors to be a rarity.
Caution Of Agrivoltaics
The discourse on agrivoltaics solar panels is thus nuanced, comparing the economic and environmental benefits for farmers against the potential aftermath for food production and the efficiency of solar technology. While the transition to renewable energy is imperative, it must not compromise food security. There are alternative renewable energy sources, but none can substitute the fundamental role of agriculture.
The inclination to maximize farmland for harvesting solar energy is appealing, both economically and environmentally. The economic and environmental benefits are evident, yet pale in comparison to the food security that such a shift entails. The agricultural sector is at a crossroads, where the utilization of fertile lands for food must be prioritized to avert a looming crisis. With the global population expected to reach 9.7 billion by 2050, and rural spaces dwindling, the urgency of this challenge cannot be overstated (Ritchie, 2023).
Balanced approach
This is the point where collective wisdom must prevail. Farmers and ranchers hold the key to securing our food future. However, this is not a simple decision. Each agriculturist faces a personal dilemma: to embrace the immediate financial allure of solar energy or to uphold the vital tradition of farming to feed an ever-growing population. Farmers and policy makers should contemplate this choice deeply. We must seek a balanced approach, one that harmonizes our energy aspirations with the immutable need for sustenance. It is a balance that must be struck with foresight and responsibility, ensuring that as we embrace the sun’s power, we do not cast a shadow over the essential nourishment of the generation of our communities to come.
References
Ayers, Andrew. (2022). Solar Energy and Groundwater in the San Joaquin Valley. (n.d.). Public Policy Institute of California. https://www.ppic.org/publication/solar-energy-and-groundwater-in-the-san-joaquin-valley/
Ficazzola, T. (2018). What Are The Effects of Weather on Solar Panels and Their Production? Solar Panel Installation in Staten Island & New Jersey. https://www.sisolarco.com/effects-weather-solar-panels-production/
Governor Gavin Newsom. (2022). California Releases World’s First Plan to Achieve Net Zero Carbon Pollution. California Governor. https://www.gov.ca.gov/2022/11/16/california-releases-worlds-first-plan-to-achieve-net-zero-carbon-pollution/
Keavy, M. (2022). New study says California’s farmland is shrinking due to years-long severe drought. (n.d.). Www.cbsnews.com. https://www.cbsnews.com/sacramento/news/california-farmland-shrinking-years-long-severe-drought/
National Grid. (2023). How does solar power work? | National Grid Group. www.nationalgrid.com; National Grid. https://www.nationalgrid.com/stories/energy-explained/how-does-solar-power-work
N-Sci Technologies. (n.d.). (2019). Agrivoltaics: What is it and how does it work? https://nsci.ca/2019/12/05/agrivoltaics-what-is-it-and-how-does-it-work/
Palmetto. (2023). Solar Panel Temperature Range Explained. Palmetto.com; Palmetto. https://palmetto.com/solar/solar-panel-temperature-range-explained
Ritchie, H. et al(2023). Our World in Data. Population Growth. https://ourworldindata.org/population-growth
Ruiz, A. (2022, February 11). 35 Latest Solar Power Statistics, Charts & Data [2022]. Theroundup.org. https://theroundup.org/solar-power-statistics/
Stawarz, S. (2024). Agrivoltaics: A New Kind of Double Harvesting - The Conservation Foundation. The Conservation Foundation -. https://theconservationfoundation.org/agrivoltaics/
USDA Climate Hub. (2020). “Agrivoltaics: Coming Soon to a Farm near You?” www.climatehubs.usda.gov, www.climatehubs.usda.gov/hubs/northeast/topic/agrivoltaics-coming-soon-farm-near-you
Walker, E., & Langone, A. (2023). Solar Savings by State: How Much do Solar Panels Save? EnergySage. https://www.energysage.com/solar/much-solar-panels-save/
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