에너지
태양 에너지 시대 – 인류를 위한 밝은 미래
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연료 연소에서 빛을 전기로 바꾸기까지
에너지는 문명의 발전에 핵심이었다. 오랫동안 인간과 동물의 근력을 제외하면 연료를 태워 얻는 열이 중요한 에너지원이었다.
청동을 녹이던 용광로에서 현대의 화력발전소까지 기술은 복잡해졌다. 열은 금속 가공 등에 쓰이며, 많은 발전소는 열로 증기를 만들어 터빈과 발전기를 구동한다.
태양광 발전은 반도체에서 빛을 직접 전기로 바꾼다. 셀 자체에는 움직이는 부품이 없지만, 일부 설비는 추적 장치나 펌프를 사용한다.
움직이는 부품이 적으면 유지보수에 유리할 수 있다. 다만 모듈, 인버터, 배선도 열화와 고장의 영향을 받는다. 태양광은 열·증기·터빈을 거치는 발전 방식과 달리 광전 변환을 이용한다.
엄청난 성장
태양광 시장은 빠르게 성장했다. 인용된 전망은 미국 시장이 2030년까지 연평균 15.4% 성장할 것으로 예상하지만, 이는 확정된 결과가 아니다.
성장은 세계적으로 진행되며 중국은 설치와 제조, 개발 사업에서 큰 비중을 차지한다. 국가 간 비교에서는 계획, 건설 중 사업, 실제 가동 용량을 구분해야 한다.
중국 국가에너지국에 따르면 2024년 상반기 신규 계통 연결 태양광 용량은 약 102GW였다.
이러한 확대는 풍력과 태양광 합계 1,200GW라는 2030년 목표를 2024년에 조기 달성할 수 있는 기반이 되었다.
출처: Energy Wind Down Media
이 흐름을 두고 이코노미스트 같은 매체는 새로운 시대가 열리고 있다고 표현했다.
출처: The Economist
다만 잡지 표지를 미래의 확실한 신호로 볼 수는 없다. 이른바 ”잡지 표지의 저주”라는 표현도 있지만, 이는 신뢰할 만한 예측 법칙이 아니다.
장기적인 결과는 기술, 비용, 정책과 실제 보급에 달려 있다.
태양열 발전과 태양광 발전
태양에너지를 전기로 바꾸는 방법은 여러 가지다. 현재 주류인 태양광 발전은 반도체가 광자를 흡수할 때 생기는 전하를 이용한다.
출처: EIA
집광형 태양열 발전은 거울로 햇빛을 모아 유체 등을 가열하고, 그 열로 발전한다. 타워형뿐 아니라 포물선형 집열기 등 여러 설계가 있다.
집광형 태양열은 열 저장과 결합할 수 있지만 비용, 운영, 고온 재료와 입지 문제가 있다. 조류 등에 대한 영향도 설계와 현장 조건에 따라 평가해야 한다.
반도체 제조의 개선과 규모의 경제는 태양광 비용을 크게 낮췄다. 1990년 대비 감소 폭은 모듈 가격, 전체 설비비, 발전단가 중 무엇을 비교하는지에 따라 달라진다.
출처: EIA
그 결과 태양광은 오늘날 태양에너지 시장에서 가장 널리 보급된 발전 방식이 되었다.
실리콘에서 차세대 태양전지까지
태양전지 시장의 대부분은 실리콘 기반이다. 90% 이상이라는 비중은 해당 통계의 연도와 범위에 따라 달라진다.
출처: EIA
폴리실리콘은 고순도 실리콘 원료를 가리키며, 다결정 셀과 같은 뜻이 아니다. 최근 시장에서는 단결정 실리콘 셀이 주류가 되었고, 이를 무조건 비용 효율이 낮다고 볼 수 없다.
실리콘 셀의 성능 개선과 함께 여러 재료와 구조를 결합해 효율을 높이려는 연구도 진행되고 있다.
텔루르화 카드뮴 박막
실리콘과 다른 상용 기술의 하나는 텔루르화 카드뮴(CdTe)이다. CdTe 박막은 특히 대규모 발전소에서 널리 쓰이며, 단순히 휴대용 기기에만 적합한 기술이 아니다.
제조와 성능상의 이점이 있지만 원료와 환경 관리도 중요하다.
가능한 장점은 다음과 같다.
- 일부 제조 공정을 단순화하고 생산 속도를 높일 수 있다.
- 흡수층을 매우 얇게 만들 수 있다. 완성 모듈의 무게는 기판과 포장에 달려 있다.
- 미국 에너지부는 특정 비교에서 실리콘보다 낮은 제조 탄소 배출을 제시한다. 정확한 차이는 공정과 전력원에 따라 달라진다.
- 빛을 강하게 흡수하므로 얇은 층으로도 광흡수가 가능하다.
카드뮴은 유해성이 있으며 채굴, 제조, 사용과 폐기 단계의 관리가 필요하다. 그러나 원소 카드뮴과 CdTe 화합물의 성질을 동일시해서는 안 된다. 모듈 봉지와 회수 체계도 중요하다.
텔루륨 공급은 주로 다른 금속의 정련과 연결되어 있어 대규모 증산에 제약이 생길 수 있다. 원료의 지각 내 희소성과 실제 공급 가능량은 구분해야 한다.
원료 공급과 환경 위험을 줄이려면 회수·재활용과 전체 수명주기 관리가 필요하다.
CdTe는 이미 상용 발전소에 사용된다. 별도의 경량·유연 태양전지 연구는 웨어러블 기기나 이동체, 우주 분야 등에도 적용 가능성을 탐색한다.
페로브스카이트
태양전지에서 말하는 페로브스카이트는 특정 결정 구조를 가진 재료군이다. 연구되는 흡수체는 흔히 금속 할라이드이며, 이름의 유래인 칼슘·티타늄 산화물 광물 자체와 같지 않다.
실험실 효율은 빠르게 높아졌다. 초기 페로브스카이트 셀의 2009년 3.8%와 2023년 11월 발표된 33.9%의 실리콘·페로브스카이트 탠덤 셀은 구조가 다른 사례이며, 후자는 LONGi Green Energy Technology의 결과다.
일부 페로브스카이트 공정은 인쇄나 비교적 낮은 온도의 제조를 활용할 수 있다. 모든 공정이 실온에서 이뤄지거나 상용 비용이 이미 낮다고 단정할 수는 없다.
적절한 기판을 쓰면 유연한 셀도 가능하다. 여러 흡수층을 조합하는 탠덤 구조는 단일 접합 셀보다 높은 효율 가능성을 제공한다.
내구성, 습기와 열에 대한 안정성, 대면적 균일성, 납 함유 재료의 관리가 과제다. 모든 페로브스카이트 셀의 수명을 몇 년으로 일반화할 수는 없다.
2024년에는 상용화 초기 단계의 기술이었다. 실리콘과 결합하는 탠덤은 기존 제조 기반을 활용할 수 있는 경로 중 하나다.
양자점 및 기타 양자 효과
효율 개선에는 광흡수뿐 아니라 전하 수집과 손실 감소도 중요하다. 실리콘은 가시광과 근적외선 일부를 흡수하며, 적외선을 전혀 이용하지 못한다는 설명은 잘못이다.
출처: QD Solar
양자점은 크기에 따라 광학 특성이 달라지는 나노결정이다. 발견과 합성은 2023년 노벨 화학상으로 이어졌으며(양자점 관련 글 보기) 여러 태양전지 응용이 연구되고 있다.
적절한 재료와 구조의 양자점은 기존 셀과 다른 파장 영역을 활용할 수 있다.
30–35%나 66% 같은 이론적 효율 한계는 셀 구조와 가정에 따라 달라진다. 모든 실리콘 셀과 모든 양자점 셀에 적용되는 고정된 두 한계는 아니다.
다른 광학·양자 구조도 연구된다. 예를 들어 보타이 공진기는 나노 규모에서 빛을 가두는 데 활용될 수 있다. 카시미르 효과나 반데르발스 힘을 언급한다고 해서 에너지를 만들어내거나 상용 태양전지 효율이 입증된 것은 아니다.
고급 코팅
효율 개선에는 재료 변경뿐 아니라 표면, 광학 구조와 코팅도 중요하다.
미국의 비상장 기업 SunDensity는 빛의 스펙트럼을 변환하는 나노 코팅을 개발한다. 이는 자외선을 막기만 하는 보호막과 다르다. 2024년 6월 캐나다의 QD Solar를 인수했고, 해당 사업은 SunDensity Canada가 되었다.
출처: QD Solar
양면 패널과 태양 추적 장치
단면 패널은 주로 앞면에서 빛을 받으므로 방향과 경사, 음영이 생산량에 영향을 준다.
양면 패널은 앞뒤 양면에 들어오는 빛으로 전기를 생산한다. 빛을 만들어내는 장치가 아니다. 수직 설치에서는 두 면이 동쪽과 서쪽을 향하고, 행은 대체로 남북으로 놓일 수 있다.
이러한 배치는 다음과 같은 이점이 있을 수 있다.
- 생산을 정오에 집중시키기보다 아침과 저녁으로 분산한다. 정오 출력 제한은 인버터와 설비 설계에 따라 달라지며, 패널이 보편적으로 빛에 포화된다는 뜻은 아니다.
- 공기 흐름이 좋아지면 온도 상승에 따른 출력 손실을 줄일 수 있다.
- 콘크리트나 눈 등에서 반사된 빛을 이용할 수 있다.
- 아침과 저녁 생산이 일부 전력 수요에 더 잘 맞을 수 있다. 전력 가치와 수요 시간은 지역별로 다르다.
출처: Wikipedia
양면 모듈의 경제성은 추가 생산량과 비용에 달려 있다. 이른바 덕 커브는 원래 순부하의 하루 변화를 나타낸다. 한낮 태양광 증가가 가격에 영향을 줄 수 있지만 덕 커브 자체가 가격 곡선은 아니다.
출처: Visual Capitalist
태양 추적 장치는 하루 동안 모듈 방향을 조정해 생산을 늘릴 수 있다. 이득은 입지와 설계에 달려 있으며, 움직이는 부품과 유지보수 비용이 추가된다.
열 관리와 열광전 변환
많은 태양전지에서는 셀 온도가 오르면 전압과 출력이 낮아진다. 감소율은 재료와 제품에 따라 다르다.
공기 흐름이나 후면 물 순환 등으로 냉각할 수 있지만, 장치 비용과 물 사용도 고려해야 한다.
열광전(TPV) 시스템은 고온 물체가 방출하는 빛을 맞춤형 셀로 전환한다. 일반 태양광 모듈이 주변의 미약한 열을 그대로 효율적으로 수확하는 것과는 다르다.
열 저장 장치와 결합해 저장된 열을 전기로 되돌리는 방식도 연구된다.
수상 태양광
출처: RWE
대규모 지상 설비의 토지 사용을 줄이기 위해 수면에 모듈을 띄우는 수상 태양광이 활용된다.
입지에 따라 토지 경쟁을 줄이고 냉각 효과를 얻을 수 있다. 그러나 수생태계, 수질, 정박, 파랑과 유지보수 문제도 평가해야 한다.
영농형 태양광
영농형 태양광은 한 부지에서 농업과 발전을 병행한다. 작물은 패널 사이로 들어오거나 산란·반사된 빛을 받는다. 불투명한 모듈이 흡수하지 않은 모든 빛을 그대로 통과시키는 것은 아니다. 적절한 설계에서는 다음 효과를 기대할 수 있다.
- 일부 작물에 과도한 빛과 열을 줄여준다.
- 증발과 관개 수요를 줄일 수 있다.
- 농업 생산을 유지하면서 토지를 공동 이용할 수 있다.
- 가축에 부분적인 그늘을 제공할 수 있다.
- 식물의 증산이 주변과 패널을 냉각할 수 있다.
출처: Dezeen
효과는 작물과 기후에 따라 다르다. 사막에서는 물과 생태계 제약도 크다. 세척수를 관개에 쓰려면 수질과 세정제를 확인해야 하며, 그늘이 항상 작물 생산을 늘리지는 않는다.
농민과 설치업체의 교육, 작업 동선, 장비 높이와 장기적인 수확량 평가가 필요하다.
우주 태양광
지상의 태양광 생산은 밤에 중단되며, 고위도에서는 겨울 생산량이 크게 줄 수 있다.
이를 보완하는 장기 구상으로 궤도에서 햇빛을 받아 지상에 전력을 보내는 우주 태양광이 제안된다.
궤도와 설계에 따라 긴 시간 발전할 수 있지만, 지구 그림자로 인한 발전 중단, 송전 손실, 수신 시설, 안전과 비용 문제가 있다. 2024년에 상용으로 전 세계에 24시간 공급하던 시스템은 아니다.
발사 비용 감소와 우주 제조 등이 연구되지만, 소행성이나 달 자원으로 대규모 패널을 만드는 것은 장기 구상이다.
원리와 기술적 과제는 ”우주 기반 청정에너지 구상”에서 다뤘다.
태양광의 한계
비용이 낮아져도 태양광 확대에는 변동성, 계통, 재료와 토지 등 여러 제약이 남는다.
변동성과 계절성
생산량은 구름과 계절에 따라 달라지며 밤에는 없다. 대응에는 여러 기술과 투자가 필요하다.
- 장기적인 우주 태양광 연구.
- 먼 지역의 전력망을 연결하는 초고압 직류(HVDC) 케이블. 예로 제안된 호주–싱가포르 연결(약 4,300km)과 모로코–영국 연결(약 4,000km)은 2024년 당시 개발 구상이었으며 가동 중인 연결이 아니었다.
- 저녁 수요를 위한 배터리와 장주기·계절 저장 기술. 단기 배터리만으로 겨울 전체를 해결할 수는 없다(”에너지 저장의 미래: 계통 규모 배터리” 참조).
출처: Canadian Solar
전력 외 에너지 수요
전기는 최종 에너지 소비의 약 20%를 차지하는 것으로 흔히 집계된다. 정확한 비중은 연도와 정의에 따라 달라지며, 운송·열·산업 공정에서는 다른 에너지원도 사용된다.
탈탄소화에는 태양광뿐 아니라 전기화, 효율 개선, 저장과 새로운 인프라가 필요하다.
에너지 운반체로는 수소나 암모니아가 활용될 수 있다. 이들은 일차 에너지원이 아니며 생산에도 에너지가 든다. 또한 원자력이나 지열이 겨울 공급 등에 기여할 수 있다. 따라서 앞으로의 에너지 구성은 여러 기술의 조합일 가능성이 높다.
지정학 및 중국 의존
중국은 태양광 제조 공급망에서 큰 비중을 차지한다. 모든 청정에너지 기술의 공급 구조가 동일한 것은 아니다.
당시 인용 자료는 중국이 세계 태양광 제조의 약 80%, 전기차 생산의 약 60%, 전기차 배터리의 80% 이상을 차지한다고 제시한다. 수치는 연도와 제품·공정 범위에 따라 달라진다.
출처: Medium
제조 단계의 탄소 배출은 공정과 전력원에 달려 있다. 중국의 일부 산업 전력은 석탄 의존도가 높지만 모든 태양광 공장이 석탄발전소에서 직접 전력을 받는 것은 아니다.
출처: Brian Pittock
국제 갈등과 무역 정책은 공급망과 보급 비용에 영향을 줄 수 있다. 중국산 제품에 대한 관세도 관련 변수다.
자원 제한
실리콘 외에도 여러 재료가 필요하다. 은협회에 따르면 2023년 태양광 부문의 은 수요는 약 1억9,350만 온스로 전년보다 64% 늘었다. 이는 세계 은 공급에서 의미 있는 비중이지만 재료 절감과 대체 기술에 따라 변화할 수 있다.
출처: Medium
실리콘 태양전지는 희토류에 크게 의존하지 않는다. 인듐·갈륨·셀레늄 등은 일부 셀 기술에서 사용되며, 모든 태양전지가 같은 양의 재료를 요구하지 않는다. 채굴과 공급 집중도도 고려해야 한다.
태양전지용 페로브스카이트를 티타늄 산화물 광물과 혼동해 티타늄 수요가 반드시 병목이 된다고 볼 수는 없다. 실제 구성 원소와 공급망을 평가해야 한다.
저가 전력의 파급 효과
투자, 기술 개선, 재료 효율과 재활용은 여러 제약을 줄일 수 있다. 연료를 계속 공급하지 않는 저배출 전력은 큰 장점이지만 설비와 계통 비용이 사라지는 것은 아니다.
분산형 발전
태양광은 대규모 발전소뿐 아니라 지붕과 소규모 시설에도 설치할 수 있다. 본질적으로 모든 설비가 분산형인 것은 아니다.
여러 장소에서 발전할 수 있지만, 모든 지붕·호수·농지가 설치에 적합한 것은 아니다.
분산 발전과 저장은 일부 지역에서 회복력을 높일 수 있다. 동시에 계통 보강, 제어와 연결도 필요하다.
가난한 국가들의 발전
많은 저소득 국가는 일사량이 좋은 지역에 있지만, 구름·계절·지형에 따라 자원은 다르다.
출처: Allegra Spender
태양광 비용 하락은 화석연료나 전통 바이오매스 의존을 줄일 기회를 제공한다. 보급 속도는 금융, 정책과 인프라에도 달려 있다.
안정적인 전력은 조명, 정수, 냉각, 통신과 생산성을 지원할 수 있다.
소규모 전력망과 독립형 설비는 일부 지역에서 대형 계통보다 먼저 보급될 수 있다. 모든 국가가 기존 전력망 없이 완전히 분산형으로 전환할 수 있다는 뜻은 아니다.
이 경로는 이동통신의 빠른 보급과 비슷한 면이 있지만, 전력과 통신의 기술·자본 요구는 다르다.
풍부하고 저렴한 전력의 가능성
물, 사막과 농업
발전과 시스템 비용이 낮아지면 에너지 집약적인 새 응용의 경제성이 좋아질 수 있다. 예를 들어 담수화 시설에 전력을 공급해 건조 지역의 물 확보를 도울 수 있다. 사막은 대략 지구 육지의 3분의 1가량을 차지한다고 흔히 설명되며, 바다를 포함한 지구 전체 표면의 3분의 1은 아니다. 담수화에는 염수 처리와 수송 등의 과제도 있다.
채굴 & 금속
값싼 에너지는 저품위 광석 처리의 경제성을 개선할 수 있다. 하지만 채굴·분리에는 물, 시약, 설비와 환경 비용도 든다. 텅스텐이나 리튬·티타늄이 자동으로 철강·알루미늄만큼 싸고 풍부해지는 것은 아니다.
비료
질소 비료용 암모니아는 흔히 천연가스에서 얻은 수소로 만든다. 저배출 전력과 수소는 생산의 탈탄소화에 기여할 수 있지만 비용과 설비 전환이 필요하다.
탄소 포집
태양광 확대는 배출 저감에 기여할 수 있지만 그 자체로 모든 기후 문제를 완전히 해결하지는 않는다.
대기 중 CO2 제거 기술도 연구·상용화되고 있으나 에너지, 비용과 저장의 지속성이 중요하다.
에너지 비용이 낮아지면 일부 탄소 포집·제거의 경제성이 좋아질 수 있다. 다만 CO2로 만든 액체 연료는 연소할 때 탄소를 다시 배출하므로 영구 저장이 아니다. 지중 저장이나 고체 형태의 보관도 누출과 지속성을 별도로 평가해야 한다.
태양광 투자
태양광은 전력 부문의 탈탄소화에 중요한 역할을 할 수 있다. 다만 세계 전력과 전체 에너지에는 여전히 화석연료가 큰 비중을 차지하며, 성장률은 해마다 달라진다.
규모의 경제는 경쟁력에 중요하지만 큰 회사도 가격 하락과 과잉 설비로 손실을 볼 수 있다. 신기술은 기회이자 기존 제조업체의 위험이다.
관련 주식 거래를 위한 중개업체 정보는 securities.io에서 제공하며, 국가별 안내에는 미국, 캐나다, 호주, 영국, 등 여러 국가가 포함된다.
개별 기업 대신 폭넓은 노출을 원한다면 Global X Solar ETF(RAYS), Invesco Solar ETF(TAN) 또는 Global X China Clean Energy ETF(2809.HK) 같은 펀드를 검토할 수 있다. 순수 태양광과 광범위한 청정에너지 펀드는 구성이 다르며, 상태와 보유 종목을 확인해야 한다.
또한 ”주목할 태양광 관련 주식 10선”을 참고할 수 있다.
태양광 기업
1. Daqo New Energy Corp.
DQ 가격 차트
Daqo New Energy는 실리콘 태양전지의 중요한 원료인 폴리실리콘을 생산하는 중국 기업이다.
2019년 이후 생산능력을 크게 늘렸다. 8배 이상이라는 비교는 날짜와 완공·계획 설비 포함 여부에 따라 달라진다.
출처: Daqo
매출은 2020년 약 6억8,000만 달러에서 2022년 46억1,000만 달러로 늘었지만, 2023년에는 23억1,000만 달러로 줄었다. 폴리실리콘 가격 하락은 업황의 순환성을 보여준다.
회사 홍보와 웹사이트는 주로 산업 고객을 대상으로 한다. 사이트의 외관만으로 기업이나 주식의 가치를 판단할 수는 없다.
이익이 순환적으로 변할 때 낮은 주가수익비율이나 현금흐름 배수는 신중하게 해석해야 한다. 회사는 신장 지역 강제노동 의혹과 관련한 논란 및 무역 제한 위험에도 노출된다. 의혹, 당국 조치와 회사의 답변을 구분해야 한다.
지정학적 위험과 가격 변동성이 크며, 낮은 평가 배수가 주가 상승이나 이익 유지의 보장은 아니다.
2. JinkoSolar Holding Co., Ltd.
JKS 가격 차트
JinkoSolar는 중국을 중심으로 활동하는 대형 태양광 모듈 제조업체다. 베트남과 말레이시아 등에서도 생산하며, 당시 미국 사업은 셀 제조가 아니라 모듈 조립이었다. 해외 다변화에는 여러 산업·상업적 목적이 있다.
출처: Jinko Solar
중국, 아시아·태평양과 신흥 시장은 중요한 수요처다. 이런 구성도 관세와 무역 규정, 경쟁 위험을 없애지는 않는다.
출처: Jinko Solar
회사는 누적 모듈 출하 230GW 이상을 발표했다. 2024년 1분기 모듈 출하는 19.99GW로 전년 동기보다 53.3% 늘었다. 이는 셀만의 출하가 아니다.
회사는 당시 모듈 출하에서 업계 선두라고 밝혔다.
JinkoSolar의 첨단 N형 셀은 당시 회사 설명 기준 약 25.8%의 변환 효율을 보였다. 이는 완성 모듈 효율과 구분해야 한다. 또한 양면 모듈도 공급한다.
N형은 2023년 전체가 아니라 2024년 1분기 모듈 출하의 약 80%를 차지했다. 연말 약 90%가 목표였다. 56GW 통합 사업은 단계별 개발로, 초기 단계 완공이 전체 시설 가동을 뜻하지 않는다.
2024년 말 연간 생산능력 목표는 웨이퍼 약 120GW, 셀 110GW, 모듈 130GW로 공정별로 달랐다. 연간 설비능력과 누적 생산량은 다른 지표다.
Neo Green은 해당 제조 시설에서 재생 전력을 사용한다고 소개된 제품이다. 모든 원료·운송과 전체 수명주기에서 배출이 전혀 없다는 의미는 아니다.
확대 전략은 N형 기술과 해외 시장에 대한 기대를 반영하지만 공급 과잉, 가격 하락과 경쟁 위험도 있다. 태양광 성장 자체가 개별 제조업체의 이익을 보장하지는 않는다.
