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.

‘죽느냐 사느냐 이것이 문제로다’

OCI 투자 중단과 태양광 컨소시엄 붐

국내 대표 폴리실리콘 업체인 OCI가 투자를 전격 중단하고 현재 진행 중인 공장 설립을 잠정 연기한다. OCI는 지난 5월 18일 공시를통해 “유럽재정위기 심화, 태양광 산업의 급격한 시황 변동 등 악화된 사업환경과 투자 효율성을 고려해 현재 건설 중인 폴리실리콘4공장과 5공장 투자를 잠정 연기한다”고 밝혔다.

전북 군산에 건설 중인 폴리실리콘 4공장은 지난 2010년 12월에 공사를 시작, 올 10월 말 완공 예정으로 완공 5개월여를 앞두고 건설을 중단하게 됐다. 연간 2만톤 규모의 이 공장에는 당초 투자규모 1조6,000억원 중 절반 가량인 8,000억원이 이미 투입된 것으로 알려졌다.

지난해 10월부터 전북 새만금산업단지에서 진행돼 온 5공장도 건설이 중단됐다. 총 1조8,000억원을 투입, 단일 공장으로는 세계 최대 규모인 연산 2만4,000톤 규모로 건설할 계획이었지만 계속 지연돼 왔는데 이번에 결국 투자가 중단됐다.

OCI의 이번 결정은 지난해 하반기부터 이어져 온 업황 부진이 심화되면서 견디기 쉽지 않은 상황까지 같음을 의미한다. 태양광 발전에서 가장 기초가 되는 핵심소재인 폴리실리콘은 지난해 하반기부터 공급과잉 우려로 급격한 가격 하락세를 보이면서 지난 16일 기준 가격이 ㎏당 24.12달러까지 떨어진 상태다. 80달러 선까지 치솟았던 지난해 상반기와 비교하면 1년 새 약 70% 가량 하락한 것으로 이미 가격이 손익분기점(BEP) 밑으로 떨어진 상태다. 여기에 이러한 가격 급락이 기존 장기계약의 부정적인 영향을 미치고 있는것도 폴리실리콘 업체들을 더욱 힘들게 하고 있다.

OCI의 투자재개가 언제쯤 이뤄질 수 있을지도 불투명한 상황이다. 회사에서는 `잠정 연기'라는 표현을 사용했지만 최근 유로존의 위기 등으로 현재 악화된 사업환경이 개선될 여지가 보이지 않는 점이 향후 투자재개 전망을 더욱 어렵게 하고 있다.

일각에서는 태양광 수요가 오는 2015년 이후에나 살아날 것이라는 비관적 전망이 등장하고 있다. 회사 측이 공시를 통해 `투자재개와 관련 1년 이내 재공시하겠다'고 밝힌 것도 이러한 부정적인 상황과 맞닿아 있다는 분석이다.

장면 2: 태양광 사업 컨소시엄 기지개 

국내기업들이 속속 태양광발전사업에 뛰어들고 있다. 지난 3월 업계에 따르면 금호석유화학은 사업목적에 신재생에너지 가운데 태양광발전 관련 제조, 가공, 매매업 등을 추가했다. 사업 검토의 초기 단계이지만 태양광 산업을 새로운 수입원으로 간주하고 있다.

SDN과 남동발전은 불가리아 벨리코 타르노보 사모보딘에 42MW 규모의 태양광발전소 준공식을 열었다. 이번 프로젝트의 총사업비는 2억달러로 남동발전은 사업관리와 경영, SDN은 기자재공급과 시공을 맡았다. 사업비의 70%는 한국산업은행이 PF를 대고 나머지30%는 남동발전과 SDN이 절반씩 냈다. 태양광발전소 건설MOU도 잇따르고 있다.

삼능건설(주)와 (주)이오스솔라 컨소시엄은 남미 에콰도르의 (주)에너솔과 2,000억원 규모의 50MW급 태양광 발전단지를 조성을 위한 MOU를 체결했다. 에네솔은 태양광발전소 건설과 운영에 필요한 에콰도르 정부의 법적, 제도적, 행정적인 절차를 조사해 제공하기로 했고, 삼능건설과 이오스솔라 컨소시엄은 현장 조사를 마친 후 사업에 본격 착수할 예정이다. 이 사업은 에콰도르 대통령 직속국가전력위원회가 연관돼 있는데 에콰도르 정부는 이번 프로젝트가 성공적으로 마무리되면 현지에서 추가적으로 진행되는 태양광발전소 건설 우선권을 삼능건설과 이오스솔라에 주기로 했다. 지난달 말에는 (주)대양금속이 솔텍코리아, 케이에스테크와 10MW급지붕형 태양광발전소 건설을 위한 MOU를 체결했다. 이에 따라 솔텍코리아와 케이에스테크는 올해 하반기까지 충남 예산군 신암면계촌리 일대 대양금속에 태양광 발전소를 설치한다.

대양금속 예산공장은 건평 2만4,000m2, 부지면적 11만5,700m2로 공장지붕에만 태양광모듈을 설치해도 2MW급 태양광발전소가 들어선다. 대양금속의 스테인레스 스틸 기판을 활용한 CIGS 박막형 태양전지가 설치된다는 것. 대양금속은 최근 CIGS을 생산하며BIPV시장 진입을 준비하고 있다. 이번 사업은 시장진입을 위한 실증 데이터 확보라는 측면도 함께 지니고 있다. 대양금속 지난달13일 태양광테스트베드 구축사업을 두고 충남테크노파크와 업무협약을 맺고 태양광 테스트베드 기반구축을 위해 플랙서블 CIGS태양전지 양산공정 기술교류와 공동연구 등을 수행해 나갈 예정이다.

이러한 태양광 업계의 움직임은 불황타개를 위한 자구책이기도 하지만 향후 신재생에너지 기반 전력수요가 증가될 것으로 전망돼태양광 업계의 부활의 시금석이 될 수 있을지 귀추가 주목되고 있다.

분석: 어떻게 볼 것인가  

국자중 태양광산업협회 상근부회장은 태양광 산업을 길게 보자고 조언한다. 한 언론사에 기고한 그의 글을 정리요약 한다.  

최근 국내·외 태양광 시장에는 매서운 구조조정의 바람이 불고 있다. 이를 두고 일부에서는 마치 태양광 산업 자체가 죽어가는 것처럼 이해하고 있으나 시장은 여전히 큰 폭으로 성장 중이다.

지난해 전 세계의 태양광발전 설치용량은 지난해에도 크게 늘어났다. 지난 5월 9일 유럽태양광산업협회 발표에 따르면 태양광업황이 악화된 2011년 한 해에만도 태양광시스템은 무려 29.7GW가 설치됐다. 이렇게 시장규모가 늘어났는데도 태양광기업들이 어려움을 겪었던 큰 이유 중의 하나는 공급과잉과 이로 인한 폭락수준의 가격하락 때문이었다.

현재의 공급과잉 문제는 산업이 성장하며 겪는 전형적인 사이클 현상이다. 오히려 유럽, 미국의 기업들과 경쟁력이 없는 기업들이 경쟁대열에서 낙오되면서 우리 기업들에게는 좋은 기회를 제공했다는 점은 긍정적이다.

태양광 산업과 유사한 반도체와 LCD 산업도 몇 번의 공급과잉현상을 거칠 때 각국의 업체들이 정리되면서 우리 기업들이 발돋움할수 있었다. 때문에 공급과잉이 어느 정도 해소되고 가격이 안정세를 되찾을지가 금년과 내년 태양광시장을 전망하는데 핵심사항이된다.

먼저 블룸버그 등의 각종 발표 자료나 국내 주요 기업들의 상황을 보면 공급과잉은 많이 해소되고 있다. 또한 가격도 안정세를 유지할 것 같다. 커다란 반등을 기대하긴 어려워 보이지만 작년 하반기에 떨어졌던 가격 수준에서 안정세를 유지할 것으로 보인다. 대신올 해에도 중간에 일시적인 가격하락이 있을 수 있다.

이는 기업들의 구조조정, 재고물량 소진 혹은 덤핑판매 등이 겹치면서 발생하게 되는 현상이다. 작년과 같은 과잉재고에 따른 구조적인 가격폭락은 없을 것이며 기업들의 가동률도 계속 상승할 수 있을 것이다.

독일, 이태리 등 유럽의 보조금 감소가 잇달아 발표되고 있지만 이미 예상됐던 것이고 미국과 일본, 중국, 인도, 동남아시아 시장 등이성장세를 타고 있다. 따라서 전체적인 측면에서 보면 공급과잉과 가격하락 문제는 진정될 것으로 본다.

이렇듯 시황호조의 움직임은 보이나 전체적인 시장 안정은 내년 이후 혹은 빨라야 올 하반기 이후로 봐야 한다. 산업의 움직임이 활발해지려면 공급능력 자체가 부족해질 만큼 수요 성장이 있어야 하지만, 올해는 그 정도가 되기는 어려워 보인다. 2013년이 돼야 모듈 기준으로 수요와 공급의 밸런스가 형성될 것 같다. 따라서 올 해는 회복기 정도의 수준이 될 것 같다.

현재 태양광산업의 화두는 비용경쟁력이다. 중국 태양광산업의 핵심 경쟁력도 알려진 대로 비용경쟁력이다. 그렇다고 우리나라가중국처럼 낮은 인건비로 승부를 볼 수도 없다. 우리가 비용경쟁력을 확보할 수 있는 수단은 결국 기술력이다. 태양광산업과 유사한반도체, LCD에서도 우리 기업들은 기술력으로 비용경쟁력을 확보했다.

예를 들면 LCD산업에서 삼성과 LG는 일본, 대만 업체들 보다 한 발 앞서서 마스크 수를 줄이며 관련된 수십 개의 공정을 줄였다. 기술개발로 비용경쟁력을 확보한 것이다. 태양광산업에서도 이와 같이 기술력을 통한 비용경쟁력 확보가 필요하다.

중국 태양광산업은 철옹성이 아니다. 중국의 산업 지배력이 강해서 우리 태양광산업의 전망을 비관적으로 보는 시각도 있지만, 사실중국 태양광산업에도 문제점이 대두되고 있다.

우선 태양광시장에서 중국제품의 신뢰도가 떨어지고 있다. 미국, 유럽 등지의 상계관세 부과 움직임으로 제품 선호도가 하락하였다.가령, Recurrent Energy(미국의 대표적인 시스템개발 업체 중 하나)는 지난 3월에 모듈 공급선을 중국 중심에서 벗어나 다변화 할 것이라고 발표한 바 있다.

또한 중국 저가품으로 인한 발전량 미달과 발전소 수익 악화사례가 부각될 수 있으며 최근 미국에서는 한국제품 선호도 및 주문이 증가됐다. 국내 위탁생산을 검토하는 중국업체들도 있다.

아울러 중국 기업들도 상당수가 취약한 실적 속에 어려움 겪고 있다. 중국의 대표적인 기업들도 일부는 실적악화와 부채 상승에 고전하고 있는데 예를 들어 썬텍은 ‘11년 매출이 31억달러 이상이나 6억3,000만달러의 적자를 기록했다. 중국의 태양광기업 상당수도 가동 중지 상태다.

우리나라가 독일, 일본 심지어는 중국에 비해 뒤늦게 참여한 반도체와 LCD에서 산업의 변혁기에서 성장의 기회를 잡았듯 아직 역사가 일천한 태양광산업에서도 그런 기회를 잡을 수 있다. 다만 태양광산업은 상추 농사짓듯 씨 뿌리고 금방 걷어먹을 수 있는 산업이아니다. 길게 호흡하며 기다려야 하는 산업이다. 우리나라 태양광산업의 위상에 냉소적인 시선을 보내는 대신 산업의 변동이 우리 산업의 성장 밑거름이 될 수 있도록 더욱 거름을 줄 때다.