태양광(Photovoltaic)발전, 선진국 중심 기술개발 한창

태양광 발전은 무한정, 무공해의 태양 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 기본 원리는 반도체 Pn접합으로 구성된 태양전지(Solar Cell)에 태양광이 조사되면 광에너지에 의한 전자 양공 쌍이 생겨나고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)에 의해 기전력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르게 된다.

이러한 태양 전지는 필요한 단위 용량으로 직·병렬 연결하여 기후에 견디고 단단한 재료와 구조에 만들어진 태양 전지 모듈(Solar Cell Module)로 상품화된다.

그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는 전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량의 강도에 따라 균일하지 않은 직류가 발생한다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하기 위하여 모듈을 직·병렬로 연결한 태양전지 어레이(Array)와 전력 저장용 축전지(Storage Battery), 전력 조정기(Power Controller) 및 직·교류 변환장치(Inverter) 등의 주변장치로 구성된다.

무한정, 무공해의 태양 에너지를 이용하므로 연료비가 불필요하고 대기오염이나 폐기물 발생이 없으며 발전 부위가 반도체 소자(素子)이고 제어부가 전자 부품이므로 기계적인 진동과 소음이 없으며 태양 전지의 수명이 최소 20년 이상으로 길고 발전 시스템을 반(半)자동화 또는 자동화시키기에 용이하며 운전 및 유지 관리에 따른 비용을 최소화할 수 있는 장점을 지니고 있다.

그러나, 태양 전지는 가격이 비싸 많은 태양광 발전 시스템의 건설에는 초기 투자가 요구되므로 상용 전력에 비하여 발전 단가가 높고 일사량에 따른 발전량 편차가 심하므로 안정된 전력 공급을 위한 추가적인 건설비 보완이 필요한 단점이 있다.

이러한 태양광 발전 시스템의 기상 조건에 따른 제약과 이용 기술상의 문제점은 기술 개발과 실증 실험을 통하여 개선될 수 있으나 초기의 많은 설비 투자와 높은 발전 가격은 태양광 발전의 보급에 있어서 선결되어야 할 당면 과제이다.

해외 선진국, 태양광 발전 기술 개발 한창

미국은 태양광 발전을 인공위성의 전원으로 1960년대부터 이용해 왔는데 지상용 태양광 발전시스템의 실용화를 위하여 1972년부터 5년 주기의 National Photovoltaic Program을 수립하여 기술개발을 추진해오고 있다. 최근에는 태양전지의 효율 향상과 가격 목표를 달성하기 위한 기술 개발과 병행하여 태양전지의 저가 제조기술을 개발하기 위한 PVMaT(Photovoltaic Manufacturing Technology) Project와 태양광발전의 상업화에 필요한 실증 실험 및 주변장치의 가격을 낮추기 위한 시스템 기술개발을 목적으로 하는 PVUSA(Photovoltaic Utility Scale Application) Project, 태양광 발전기술을 건물에 적용하기 위한 PV: BONUS 계획이 동시에 추진되고 있다. 또한 개발된 제조기술을 상업화하기 위하여 관련 제조업체들로 구성된 Photovoltaic Utility Group이 주관하는 TEAM­UP(Technical Experience to Accelerant Market) Project도 추진되고 있다.

한편 일본은 1974년에 태양광발전기술을 개발하기 위한 국가 주도의 Sunshine Project를 수립하여 추진하였으며, 1980년에는 신 에너지기술종합개발기구(NEDO, New Energy and Industrial Technology Development Organization)를 설립함으로써 본격적인 태양광 발전 기술의 개발에 착수하였다. 이와 함께 1987년에는 기업과 연구기관 등으로 태양광발전회(JPEA, Japan Photovoltaic Energy Association)를 구성하여 기술 및 시장에 관한 정보교환과 공동연구를 수행하고 있다.

1990년에는 24개 기업과 2개 단체로 태양광발전 기술연구조합(PVTEC, Photovoltaic Power Generation Technology Research Association)이 결성됨에 따라 정부와 기업 및 연구소의 상호 협력뿐만 아니라 대민 홍보와 연구개발의 기능을 수행하고 있다. 특히 1993년에는 경제성장, 에너지, 환경보전에 대한 균형있는 대책과 종합적인 기술개발을 위하여 기존의 Sunshine Project, Moonlight Project 및 지구환경 기술개발 계획을 통합한 에너지 환경 영역 종합 기술개발 추진계획(New Sunshine Program)을 수립하여 체계화하였다. 1999년부터는 환경을 보호하고 대체에너지의 보급을 촉진한다는 뜻에서 이러한 시스템을 설치할 경우 반액을 국가에서 지원하고 있다.

유럽공동체(EC)의 태양광 발전 기술개발은 비록 소규모이기는 하나 1975년 이후 꾸준히 계속되고 있다. 1989년부터는 1차 3년 3개월의 계획기간을 가진 Non Nuclear Energy Program JOULE(Joint Opportunities for Unconventional or Longterm Energy Supply) 계획을 수립하여 태양광발전 기술의 연구개발을 계속 추진하고 있다.

이 계획의 2000년까지 모듈 가격 목표는 1ECU/Wp이며 1994년까지의 JOULEⅡ 계획은 상업화를 목적으로 다결정 규소 태양전지 제조기술개발과 태양광발전 시스템에 대한 연구에 중점을 두고 있다. 또한 저가의 박막 태양전지를 개발, 실용화하기 위한 목적으로 EUROCIS 컨소시움을 구성하여 독일을 중심으로 CuInSe2 태양전지 연구에 주력하여 괄목할 만한 성과를 얻고 있다.

이와는 별도로 유럽 각국은 자체적인 장기계획에 의해 태양광발전 기술개발을 추진하고 있으며 독일의 소규모 태양광 발전 시스템의 실증 실험 및 개인 주택에의 실용화 보급을 위한 2250 Roofs Project, 이탈리아의 100kW급 태양광 발전 시스템의 표준화 및 보급을 위한 PLUG Project, 스위스의 MW House Project 및 프랑스의 PV 20 Project가 진행되고 있다.

태양광 발전 기술의 실용화를 위해서는 상용 전력과 경쟁이 가능한 발전 단가 수준의 태양전지를 대량생산하고 동시에 신뢰성과 이용효율이 높은 시스템을 개발하여야 하므로 2000년대 초까지 1$/Wp의 모듈 가격과 5 6Φ/kWh의 발전단가 실현을 개발목표로 설정하고 있다.

그러나 현재의 태양전지 가격은 4.5 5.5$/Wp 수준이므로 새로운 고효율 박막 태양전지재료의 개발에 치중하고 있으며 응용제품의 다양화뿐만 아니라 응용분야를 확대하기 위한 이용기술, 시스템의 신뢰성 향상과 최적화를 위한 실증 실험, 그리고 측정 및 평가기술 개발도 각국에서 활발히 진행되고 있다. 또한 미래의 태양광 발전은 우주공간에서의 태양광 발전과 Microwave 송전(SPS), 사막 지대의 대규모 태양광발전에 의한 초전도 송전 또는 수소 생산 이용 등이 구상되고 있으며 Zero Energy 개념의 지하공간, 또는 해상 구조물 전원으로서의 이용도 검토되고 있다.

현대중공업,  美 앨라배마 변압기 공장 연말 완공

국내 최대 종합중공업 회사인 현대중공업은 브라질 등 해외사업 거점 확보를 통해 세계 무대에서도 경쟁력을 강화해 나가고 있다. 선택과 집중 전략으로 핵심 역량을 강화하는 동시에 태양광 등 신성장 사업에 대한 투자를 확대해 세계적인 종합중공업 회사로 도약한다는 목표다.

현대중공업은 브라질과 러시아，중국，인도，미국 등을 중심으로 글로벌 생산체제를 구축하고 있다. 지난달 러시아 블라디보스토크에서 연간 250여대의 고압차단기를 생산할 수 있는 공장인 ‘현대일렉트로시스템’을 착공했다. 

앞서 지난 7월에는 브라질에서 건설장비 공장 설립에 관한 양해각서(MOU)를 체결했다. 이 공장은 내년 말 완공된 후 연간 2,000대 규모의 굴삭기，휠로더 등을 생산하게 된다. 회사 측은 2014년까지 생산 규모를 4,000대로 확대해 아르헨티나，우루과이，파라과이，베네수엘라 등 남미 시장을 공략할 방침이다. 

중국에서는 산둥성 동북부에 위치한 웨이하이시에 600MW 규모의 풍력 터빈 공장을 건설 중이다. 올 하반기 완공 예정으로 2MW급 풍력발전기를 연간 최대 300대씩 양산할 수 있다. 

중국 내 종합건설장비 메이커로서의 입지를 다지겠다는 계획도 세웠다. 산둥성 타이안시에는 연간 8,000대의 휠로더를 생산할 수 있는 공장을 건설 중으로 향후 5년 내 생산 규모를 연간 1만대 이상으로 확대할 방침이다. 

미국 앨라배마주에 건설 중인 변압기 공장도 올해 말 완공 예정이다. 회사 관계자는 “미국 변압기 공장건설을 계기로 울산 공장，유럽의 불가리아 공장 등과 함께 글로벌 변압기 생산 체제가 구축될 것”이라며 “생산 규모도 연간 14만MVA로 늘어나 세계 3대 변압기 메이커가 되겠다는 목표에 한걸음 다가갈 수 있게 됐다”고 말했다. 

신성장 동력을 확보하기 위해 태양광 사업도 활발히 추진 중이다. 

충북 음성 공장에서 연 600MW 생산 규모의 태양광 공장을 운영하고 있으며 지난 4월에는 충북 오창에 국내 최대 박막태양전지(CIGS) 공장인 ‘현대아반시스’를 착공, 박막태양전지 시장에도 진출했다. 

회사 측은 “2012년 상반기 이 공장이 완공되면 국내 업체 가운데 유일하게 결정형(음성공장)과 박막형 태양전지를 모두 양산할 수 있는 능력을 갖추게 된다”며 “향후 태양전지 시장 흐름에 유연하게 대응할 수 있을 것”이라고 말했다. 

지난 4월 중국 글로벌 연구센터를 설립하고 지난달 국내 종합연구동을 준공하는 등 연구・개발(R&D) 경쟁력 강화에도 속도를 내고 있다. 

총 200억원이 투입된 종합연구동에서는 310여명의 연구진이 고부가가치 선박，육・해상 설비，엔진，에너지・환경 등과 관련된 혁신기술과 신제품 등을 개발하고 있다. 

상하이에 설립한 R&D센터에서는 단기적으로는 급성장하는 중국시장을 겨냥해 건설장비，중전기기 분야 등을 중심으로 중국형 혁신기술과 신제품을 개발하고 중장기적으로는 스마트그리드，해상풍력，로봇시스템 등 글로벌 전략상품을 개발할 계획이다. <출처: 현대중공업>

2차전지 기술 기반 ESS와 박막 태양전지에 집중 투자

발전·축전 솔루션 공급 시장공략… 협력사 지원도 적극 나서

삼성그룹 계열사인 삼성SDI가 다양한 발전·축전 솔루션으로 에너지 시장 공략에 적극 나서고 있다. 

삼성SDI는 지난 3월 대구 엑스코에서 열린 국제그린에너지엑스포에서 에너지저장시스템(ESS)과 태양광발전설비 등을 결합한 제품을 공개하고, 축전과 발전의 시너지로 친환경·에너지 솔루션 분야 대표기업으로 도약하겠다고 선언했다. ,

삼성SDI는 엑스포에서 255와트(W) 단결정 태양광 모듈과 5.8kWh급 가정용 ESS와 인버터, 각종 가전제품을 연결해 활용하는 가정용에너지관리시스템(HEMS)을 전시했다. 태양광 모듈과 56kWh급 컨테이너형 ESS, 충전기를 결합한 전기차충전소용 솔루션 제품도 선보였다.

삼성SDI는 또 태블릿 PC에 사용 가능한 각형 리튬이온전지를 선보였다. 기존 폴리머 리튬이온전지보다 용량이 크고 가격은 저렴하다. 리튬이온전지를 적용한 전기자전거를 비롯해 소형IT제품·전동공구·로봇청소기 등에 사용 가능한 원형·각형·폴리머 리튬이온전지를 전시했다.

삼성SDI, ESS 사업 ‘Power UP’

삼성SDI가 에너지저장시스템(ESS) 사업을 강화한 것은 지난해부터다. 이 회사는 지난해 9월 국내 기업 최초로 미국 ESS 시장에 진출한 데 이어, 우리 정부가 추진 중인 대용량 ESS 실증 프로젝트에 핵심 사업자로 참여하는 등 시장 선점을 위한 보폭을 넓혔다. 

에너지저장시스템(ESS)은 2차 전지를 이용, 전력을 저장한 뒤 필요한 시간과 장소에 사용할 수 있도록 하는 장치다. 미래 에너지 산업의 대안으로 부상하면서 세계 ESS 시장은 연평균 13.9%의 성장이 기대되고 있다. 

삼성SDI는 오는 2014년까지 제주도에 설치될 변전소급 규모의 대용량 에너지저장시스템(ESS) 사업에 참여 중이다. 지식경제부가 추진하고 있는 ‘신재생에너지 연계형 메가와트(MW)급 리튬이차전지시스템 운용기술 개발 사업’으로 진행되는 이 프로젝트는 3년간 대용량 전력저장 시스템 개발 및 운용기술을 확보하는 게 목표다. 삼성SDI는 일진전기(테스트베드 구축), 효성(전력변환장치), 한국전력거래소(운용) 등과 함께 ESS 개발을 맡고 있다.

이 사업이 주목받는 이유는 국내 처음 시도되는 대규모 ESS 프로젝트이기 때문이다. 그동안 킬로와트(KW)급 ESS 실증 사업은 있었어도, 한 개 변전소와 맞먹는 규모의 8메가와트급 ESS 실증 사업은 최초다. 8메가와트는 800가구에 24시간 전력을 공급할 수 있는 양이다. 업계에서는 성공적인 성과를 낼 경우 관련 기술 조기 사업화가 이루어질 것으로 내다보고 있다.

삼성SDI는 ESS 분야에서 두각을 나타내온 터라 향후 실질적인 매출 발생도 기대하고 있다. 이 회사는 작년 7월과 8월 각각 ‘10kW급 리튬이온전지 에너지저장시스템 실증 사업’, ‘고에너지 2차전지용 전극소재’ 사업에 선정되고 9월에는 미국 글로벌 전력회사인 AES에너지스토리지와 ‘전력계통 보조서비스(Ancillary Service)용 20MW급 규모의 ESS’를 공급하는 계약을 체결한 바 있다. ESS는 배터리를 이용, 전력을 비축한 뒤 적기에 활용하는 차세대 전력 시스템으로 미국 시장조사기관인 PIKE리서치사와 일본 종합마케팅비즈니스사인 후지경제에 따르며 ESS 시장은 2010년 17억달러(2조500억원)에서 2020년 412억달러(47조9,000억원)로 성장이 예상된다.

삼성SDI, ESS 선진국 일 진출에 힘 받아

삼성SDI가 세계 최대 시장규모를 자랑하는 일본 가정 에너지저장시스템(ESS) 시장에 진출한 것은 지난해 말이다. 자동차용 배터리 시장과 맞먹는 시장규모인 ESS 시장을 선점, 중대형 배터리 시장 분야에서 단숨에 강자로 부상하겠다는 삼성SDI의 목표다.

삼성SDI(대표 박상진)는 니치콘과 일본 내 가정용 ESS를 독점 공급하는 계약을 맺었다고 6일 밝혔다.

삼성SDI가 배터리모듈과 배터리제어시스템(BMS)을 공급하면 니치콘이 전력제어장치(PCS)와 태양광 발전 시스템 등을 추가해 최종 고객에게 판매하는 형태다.

본격적인 공급은 내년 상반기 중 이뤄질 계획이며 양사는 2014년까지 일본 내 가정용 ESS 시장 30% 점유하겠다는 목표를 수립했다.

일본은 대지진과 원전사태 이후 촉발된 전력 대란으로 ESS 시장이 꿈틀대고 있다. 시장 조사 업체들에 따르면 일본 가정용 ESS 시장 규모는 올해 4.5MWh에서 내년 208MWh로 늘어나 세계 시장의 43%를 차지할 것으로 관측된다. 2020년까지 연평균 72% 이상 고성장이 예상된다. 금액으로는 올해 1,000억원대에서 내년 4조원대 시장 규모다. 이미 파나소닉과 도시바 등은 태양광 발전을 연계한 ESS 사업을 강화하고 있는데, 삼성SDI가 이들의 텃밭에서 도전장을 내민 것이다.

교토에 본사를 둔 니치콘은 1950년 설립된 콘덴서 분야 글로벌 업체다. PCS뿐 아니라 전기차용 충전기 등 전력제어 관련 기술 역량이 뛰어난 것으로 평가된다. 이 회사는 태양광 및 풍력발전과 같은 친환경·신재생 에너지 분야로 사업을 확대하던 차에 삼성SDI를 전략적 파트너로 선택했다. 세계 중소형 배터리 시장을 석권한 삼성SDI로선 가장 강력한 상대인 일본 배터리 업체들을 맞아 중대형 배터리 분야로 사업을 확대할 수 있는 기회를 잡은 셈이다.

삼성SDI “2차전지 2년 연속 1위 수성” 

삼성SDI의 이같은 자신감은 지난해 소형 2차전지(리튬이온배터리) 시장에서 2년 연속 세계 1위 달성하면서 부터다. 글로벌 배터리 기업인 일본 산요와 파나소닉 합병 공세에도 시장 우위를 자신한 것이다.

삼성SDI는 2010년 23%대 점유율을 차지했으며 2011년 25~26%로 점유율을 끌어올릴 계획이다. 올해는 27~28% 점유율까지 달성하겠다는 계획이다.

삼성SDI는 스마트폰, 스마트패드 등에 사용되는 소형 2차전지 부문에서 지난해 처음 일본 산요를 제치고 세계 1위에 올랐다. 10여 년 전 한국이 2차전지 산업에 발을 들여 놓은 후 처음으로 일본은 앞선 결과다. 파나소닉은 지난 4월 산요 배터리 사업을 흡수·합병하며 반격에 나섰으나 점유율을 소폭 늘리는 데 그친 것으로 평가된다. 한편 삼성SDI는 신한금융그룹 데이터센터 무정전전원공급장치(UPS)에 적용되는 배터리의 공급 우선협상대상자로 최근 선정됐다.

삼성SDI는 올 5월안에 계약이 완료되면 총 4MWh 규모의 리튬이온전지를 올해 말까지 설치한다. 4MWh는 비상시 신한금융그룹 데이터센터 전체에 전력을 15분간 공급할 수 있는 규모다. 15분 후에는 비상발전기가 작동하게 된다. 데이터센터 UPS에 리튬이온전지를 적용하는 것은 세계 첫 사례로 지금까지는 납축전지가 사용됐다. 리튬이온전지는 납 등 중금속을 사용하지 않아 친환경적이다. 납축전지보다 가격은 약 1.5배 높지만 무게·부피가 적게 나가고 운영 온도가 낮다. 크기는 납축전지의 25% 이하로 공간 활용에 유리하다.

삼성SDI는 휴대폰·노트북 등에 사용하는 소형 리튬이온전지를 비롯해 전기자동차용, UPS용 제품까지 에너지저장시스템(ESS) 사업을 확장하고 있다. 제주와 대구에서 실증사업을 진행 중이며 지난해에는 일본 니치콘과 가정용 ESS 공급 계약을 맺은 바 있다.